無機聚合技術應用於磚材製造：材料世界網

徐建華、張名惠 / 工研院材化所

傳統磚塊製造依賴黏土和高溫燒結，造成高能耗及大量二氧化碳排放。為應對此挑戰，本文介紹了無機聚合物技術在磚材製造中的應用潛力，可利用工業副產品或循環物料作為原料，透過鹼性溶液活化矽鋁酸鹽材料形成強韌的三維結構；同時整理了低溫無機聚合技術(LTGS)在製磚中的應用，證明其不僅能大幅降低能源消耗，還具備優異的抗壓強度。此技術有助於達成節能減碳目標，並為永續建材技術的發展提供了創新解決方案。

【內文精選】

無機聚合物

低溫無機聚合技術(Low Temperature Geopolymeric Setting; LTGS)製磚代表著新型磚材程序的一個創新突破，該技術以其獨特的生產製程及環保優勢，大幅降低了傳統燒製磚所需的能源消耗和環境影響。LTGS磚的乾燥或燒結程序的溫度範圍僅為85˚C至450˚C，大大低於傳統磚需要的1,000˚C或更高溫度，低溫燒結程序使得能源消耗降低了約八倍，同時能達到類似傳統建築用磚之強度。而LTGS磚主要由豐富且便宜的紅土製成，並與簡單的無機聚合物膠體混合，在鹼性溶液進行活化，使得磚體形成過程無需高溫燒結，從而簡化了生產程序。儘管生產溫度較低，LTGS磚仍然展現了優異的機械性能，如圖四所示，其抗壓強度可達72.4 MPa，孔隙率約為13.9%。隨著加熱溫度的提高，磚的強度也明顯提升，在450˚C的煅燒溫度下，抗壓強度提升最為明顯，提供了一種節能減碳、節約成本且降低能耗之特點，可作為產業新的應用方向。

圖四、LTGS磚之(a)製造程序；(b)抗壓強度試驗；(c)成品

燒結原理概述

燒結係指將粉末經加壓或造粒等方式後，加熱到高溫維持一段時間，經固相或液相擴散，而使孔隙消除達到緻密化，並可實現強度增加與固定外型之程序。燒結過程會隨溫度上升而變得緻密，主要分為三個階段：初始階段、中期階段及後期階段。

燒結過程在決定最終產品上扮演關鍵因素，其成功與否受多重因素影響，主要包含：化學組成、粒徑分布、成型壓力、燒成溫度與時間，以及燒成中之氣氛。

無機聚合物於磚材之應用

近年來，許多研究提出利用無機聚合物應用於低溫創新磚材的技術，針對不同材料進行應用，包括水淬高爐石、鑽井切屑、城市固體廢棄物焚燒飛灰、電石渣、再生混凝土及再生磚等。上述材料的應用結合了新的低能耗製程開發，如材料特性優化及低溫硬化條件設定，此創新方法不僅提升了磚材的性能，還能有效降低能源消耗，從而達到環保與經濟效益的雙重目標。

Jamil, N. H.團隊於2021年開發了一種高嶺土(Kaolin)和水淬高爐石(Ground Granulated Blast-furnace Slag; GGBS)基無機聚合物，並研究了不同煅燒參數對其機械性能的影響。結果發現不同的煅燒溫度和時間會導致試體出現裂紋和大量孔隙，從而影響無機聚合物的機械性能。為了解決這個問題，研究團隊首先選擇了固體與液體比為2:1的高嶺土和GGBS作為反應原料，並添加矽酸鈉及氫氧化鈉作為鹼性溶液反應。

Lee, W. H團隊於2021年探討了一種創新的建築磚製造技術，該技術主要利用鑽井切屑(Drilling Cutting; DC)作為原料。化學成分顯示DC中SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃的含量超過81.8%，與黏土礦物的組成相似，研究團隊結合了低溫無機聚合物技術來製作建築磚，並比較了兩種製程方法。

工研院應用無機聚合物技術於低溫建築用色磚的研發能量與未來展望

工研院材料與化工研究所開發結合無機聚合物技術和低溫煅燒方法，利用各產業無機循環物料作為原料，製造出一種新型的低溫建築用色磚，其概念與技術應用如圖十一。將無機循環物料，如：還原碴、廢棄耐火材料及回收玻璃材料等，於鹼性溶液進行無機聚合反應，形成的膠體含有大量的MgO和CaO金屬氧化物，而鹼活化劑中的Na⁺離子能夠打斷玻璃粉中的SiO₂鍵結，在低溫(<800˚C)下也能快速製成高強度的新型建築用色磚，成品皆符合CNS 382.R2002標準，展現出高強度(符合一等磚)及低吸水率(<15%)。這項技術具有替代傳統高溫燒製的黏土磚之潛力，達到低耗能、低成本及低碳排放的優勢；另外，此技術可因應不同色彩需求，調整合適的循環物料配方與燒結溫度。未來在邁向淨零永續的全球趨勢下，可推動建材行業使用這種低碳綠色建材，除了實現低碳與綠色建築之外，亦可結合這些循環物料產源廠商，例如鋼鐵業、金屬熔煉業、玻璃回收業等，形成一個新的循環經濟應用路徑 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。