胡志明、謝承翰、莊文斌、張志仁 / 工研院材化所
木質素為少數可於自然界取得的芳香族可再生料源，廣泛的增值應用中可作為化石衍生化學品和聚合物的可持續替代原料。木質素是一種生物聚合分子，與纖維素結構組合成植物體細胞壁的基本架構，可以從造紙工業的副產品、農業廢物以及生物精煉產品中提取。木質素的性質會依據來源和提取方法而有所差異，結構中的主要成分是含羥基與烷氧基芳香族化合物。這些芳香族成分使木質素具有補強、抗菌、抗氧化與可交聯等特性，進而能夠開發高附加值的綠色複合材料，應用於食品包裝、汽車內裝、鞋材與接著劑等領域。
【內文精選】
木質素簡介
資源的枯竭以及石油化學品的高碳排特性，使製造業原料的選擇從傳統的石化衍生化學品轉向可再生且易取得的生質材料，例如木質素與纖維素等。木質素(Lignin)是自然界中常見的天然原料，是一種酚醛結構所構成的聚合物，以具有強分子內鍵結的無定形、高度支化的芳香族單元所組成。木質素來自多種自然資源，包括農業廢物、木質生物質、紙漿以及其他生物精煉工業。依植物種類的不同，木質素化學組成差異也很大。在針葉木中，木質素含量25~35%；闊葉木中，木質素含量20~25%；草本植物中，木質素含量15~25%。木材中的木質素為原木木質素(Protolignin)，可藉由各種方法將其分離出來。
木質素前處理與化學改質技術
木質素由於其高芳香族結構而成為生產生質材料有前途之料源，但由於木質素的空間位阻結構及其疏水性差異，使木質素與疏水性塑橡膠材料結合面臨著不相容性的挑戰，相容性和均質性被認為是木質素複合材料生產中最大的問題。為了解決這個問題，化學改質(Chemical Modified)對於增強木質素反應性至關重要。一般來說，木質素的化學改質包括木質素解聚、新活性位點的化學合成和官能化等。木質素的芳香族結構單元可以透過解聚以獲得較低分子量的材料與特定官能基，木質素官能化如乙醯化、酯化和酚化的進展已有許多文獻報導，其中乙醯化和酚化是近年來廣泛應用的木質素之化學修飾。
木質素複合材料應用
木質素因具有提高聚合物結構的生質含量與加速可分解性等特性，常摻混於商用橡塑膠材料與生質材料內；一般使用兩種最常見的溶劑澆鑄和熔融壓出方式生產木質素複合材料。圖四描述木質素基複合材料主要應用領域，例如：食品包裝、碳纖碳黑、汽車部件、發泡材、橡膠與接著膠等應用產品。接下來針對部分應用領域說明近期產業發展的狀況以及工研院研發的成果。
圖四、木質素複合材料應用產品
1. 食品包裝塗層
近年來，除了食品安全與避免食物浪費的問題日益受到重視外，包裝材料本身造成的環境汙染也是一大議題。根據英國新聞頻道Sky News報導指出，全球每年大約產生3億噸的塑膠垃圾，其中只有12%被回收；聯合國更指出，如果依照目前產生的塑膠廢棄物的速度，到了2050年，海洋中的塑膠垃圾總重將會大於所有魚類的重量。台灣環境資訊協會整理ICC監測結果顯示，台灣的海洋廢棄物前五大排行中，有四項屬於塑膠廢棄物，分別是：排行第一的寶特瓶、第二的瓶蓋、第三的吸管以及第五的塑膠袋。有鑑於此，自從2010年後，世界各國(包含台灣)對於限塑法令的訂定與實施的時程皆有明確的規範，範圍目前以塑膠袋為主，之後將連同所有一次性塑膠，也都會有法規限制。由於食品包裝大多屬於一次性產品，因此，包裝材料由現有的石化系產品轉向對於環境友好的生質材料或者是紙質材料也將是未來的趨勢。
4. 黏著劑填料
黏著劑是最常見的聚合物產品類型，而傳統的熱固性合成樹脂仍然在全球建材之板材黏著劑中占據主導地位，約占全球市場的95%。從大範圍來看，黏著劑廣泛應用於膠合板、纖維板等建材產品的施工。
使用木質素製造生質接著材料是一個很有前景的領域。木質素的酚醛結構反應性類似於酚醛樹脂中的苯酚結構，可取代聚苯酚單體與甲醛反應形成交聯性生質熱固性材料，進而應用於木質建材的接著(圖十)。環氧樹脂是接著劑中大宗的原料，常用於各式不同基材間的接著，包括金屬部件、聚合物、複合材料和混凝土結構。環氧樹脂的使用提供了良好的接著強度和機械性能、高耐熱性能 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十、木質素酚醛樹脂接著劑應用
★本文節錄自《工業材料雜誌》443期，更多資料請見下方附檔。