電子構裝用再生低碳樹脂：材料世界網

謝承翰 / 工研院材化所

電子構裝用石油基樹脂在開發上需要具有優異的黏著性、機械性能、電氣絕緣性和化學耐性等特質，因此，長時間以來對基板材料的極高規格要求使得要從電子產品中替換材料變得困難。但是，由於面臨到電子構裝所需要的配方成分複雜且屬於高度交聯的產品，要直接從產品回收樹脂再利用存在著一定的難度，因此廢棄後皆是以焚燒作為最終的處理手段，而由此產生的化石CO₂在地球大氣中的積累是全球溫室效應的原因之一。基於此，尋找石油基樹脂的可再生替代品，以減少溫室氣體的排放將是當務之急。

【內文精選】

低碳樹脂開發技術現況簡介

1. 雙酚A環氧樹脂(DGEBA)

目前市場上約有70%的CCL基板其所使用的樹脂種類是環氧樹脂，其中雙酚A環氧樹脂(Bisphenol A Diglycidyl Ether; DGEBA)消費占比超八成。DGEBA由雙酚A (BPA)和環氧氯丙烷(ECH)在氫氧化鈉(NaOH)存在下縮合反應製備。由於BPA的芳香環提供樹脂的耐熱性、韌性和剛性，而黏合性能與耐化性則是由於ECH和羥基(OH)基團的環氧化物基團所貢獻。

然而，生產DGEBA的碳排放(Global Warming Potential; GWP)為5.07 kg CO₂eq/kg，比起其他塑膠屬於高碳排產品，因此，人們正在努力透過低碳環氧樹脂的開發來取代DGEBA，藉此降低碳排。此外，石油成本的不確定性以及社會對可再生和可持續資源的材料期盼，也將促使研究人員持續關注低碳排(Low Carbon Footprint)議題。在低碳排環氧樹脂發展過程中，以生物質單體替代BPA用於環氧合成是一種可行的方式。

工研院於低碳環氧樹脂之開發與應用

1. 呋喃基環氧樹脂開發–DGF

現有DGF環氧樹脂的合成方法可以分為二步法和ECH法兩種。在二步法中，使用2,5-呋喃二甲酸(FDCA)與烯丙基溴進行反應形成FDCE，然後進行環氧化反應，可得到HMF呋喃結構環氧樹脂(DGF)；然而，這個合成過程相對複雜，而且生質含量僅約40%。另一種合成方法是ECH法，類似於常見環氧樹脂DGEBA的製程條件，在ECH法中，使用FDCA和環氧氯丙烷(ECH)作為反應物，反應機構可以分為兩種途徑，一種是親核取代的S_N2反應，另一種是開環加成後再以NaOH進行環氧化反應；然而，由於FDCA具有二元酸的結構，與二醇結構的BPA有著不同的化學性質，導致使用這種方法合成的產率較低，並且產生的副產物非常複雜，需要通過管柱層析純化處理。為了克服上述問題，進一步的研究和優化合成方法是必要的，以提高生質含量並減少副產物的生成。在這方面，工研院材料與化工研究所開發了關鍵觸媒，利用其強親核的特性，提高環氧樹脂中Carboxylic Bond上的氧原子的陰電性，從而增加ECH開環反應的反應性。通過自製新型觸媒，可以縮短反應時間，並且更容易控制環氧當量，最終合成高純度的全生質環氧樹脂。

這項研究的目標是開發一種高效的合成方法，以提高生質含量並改善反應選擇性。透過使用新型觸媒，我們可以加快反應速率並提高產率，同時減少副產物的生成。這將有助於生產高純度的全生質環氧樹脂，推動可持續化學工業的發展，並促進減少對傳統石油資源的依賴(如圖六)。

圖六、工研院開發之磷系觸媒開環反應機構

2. DGF應用於PCB板材上的性質

本計畫針對常用的環氧樹脂硬化劑系統，包括酚醛樹脂、酸酐樹脂、雙氰胺和胺類硬化劑，分別導入生質環氧樹脂DGF於一般環氧樹脂清漆系統，並使用DGEBA型的EPON Resin 828環氧樹脂作為對照組。通過比較各個樹脂系統的硬化特性，評估生質環氧樹脂DGF在不同環氧樹脂硬化劑系統中的適用性和性能，了解DGF在不同應用場景中的優勢和潛力，並為環氧樹脂在PCB基板等領域的應用提供更多選擇和可能性。

根據圖七所示之熱硬化特性，我們使用差示掃描量熱法(DSC)對DGF生質環氧樹脂在硬化前進行測量，得到其反應溫度和起始值(Onset)。與DGEBA環樹脂相比，DGF生質環氧樹脂皆具有較低的硬化溫度，較低的硬化溫度意味著在製程中可以使用較低的溫度，這對於避免熱損傷和節能方面都有好處；此外，DGF和DGEBA在酸酐和苯胺系列硬化劑下的相似玻璃轉移溫度(T_g)值顯示，DGF在硬化後的材料性能可能與DGEBA相當，具有相近的機械性能 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。