纖維素是存在於自然界中數量最多的高分子（圖一），全球每年產量可達1,000億噸以上。纖維素的生產來源主要取自木材的木漿和棉花，它的組成分包括了纖維素、半纖維素(Hemicellulose)、木質素(Lignin)、萃取成分(Extractives)及灰份(Ash)（圖二）。其中，纖維素、半纖維素及木質素屬於高分子量的物質，這三種成分約占植物細胞壁組成95%以上，萃取成分及灰份則屬於低分子量的物質。植物中纖維素的取出，傳統工業製法是用亞硫酸鹽溶液或鹼溶液蒸煮植物原料，除去木質素，然後經過漂白進一步除去殘留木質素，獲得高純度的纖維素。
圖二、木材的組成分
纖維素改質技術及其應用
纖維素係由許多β-D-葡萄糖單位結合而成之聚合體，聚合度約1,000~3,000，即分子量160,000~480,000。纖維素中每一個葡萄糖單元均含有三個OH基，在理論上應有強烈的親水性，但實際上纖維素並不溶於水，而且不大會引起膨潤，其原因是大部分的OH Group都引起了氫鍵作用，不僅使纖維素分子形成安定之結晶體，而且使纖維間產生了高度的結合力，纖維素分子內和之間的氫鍵如圖三所示。纖維素不溶於一般的有機溶劑，如酒精、乙醚、丙酮、苯等，也不溶於稀鹼溶液中，因而限制了其應用。衍生化可改善纖維素的溶解性，並賦予其新的功能及應用。常見的化學改質技術包含氧化、交聯、酯化、醚化、接枝共聚等，得到的改質纖維素其溶解性可大幅提升，亦可藉由親/疏水性改質劑的調控，得到不同性質的改質纖維素。以下將介紹纖維素經物理改質與化學改質的應用。
1. 透明木材
木材的成分中，纖維素與半纖維素是透明成分，木質素是深色的不透明物質，但是將木質素除去後，木材仍不是透明的，而是轉變為「白色不透明」。原因之一是因為木材的纖維束是長管狀的中空結構，進入木材內部的光線在中空結構內反射與散射所造成，光線也會在木材內的任何孔隙發生反射與散射，這也是重要原因之一，所以減輕甚或避免光線在除去木質素的木材內部反射與散射，才能做出透明木材(Transparent Wood)。
2. 改質纖維素複材
工研院材化所於103年迄今致力於研究植物纖維素改質技術，藉由纖維素活化處理與改質可增加與非極性聚丙烯的相容性，賦予低價聚丙烯具高耐熱、高剛性及高韌性等功能來提高附加價值。纖維素的排列並非全是結晶狀，有一部份為非結晶區，並交替存在於纖維素分子上（圖四），天然纖維素之結晶化度約50~90%。工研院材化所係以纖維活化技術解開纖維結晶凝集體，再進行表面改質，與纖維素表面之OH基團進行接枝反應，增加與疏水性高分子的相容性，得到與聚丙烯等石化塑膠相容之纖維素材料，有效解決生質纖維素所形成之複合材料的相容性、加工性與機械物性等問題。
經化學改質後之纖維素熱裂解溫度仍可達到300˚C以上（圖五），適合與聚丙烯進行混煉加工。表一係比較純聚丙烯、改質纖維素與聚丙烯依不同比例所形成之複合材料以及未改質纖維素與聚丙烯所形成之複合材料之機械性能測試結果。工研院材化所開發之改質纖維素與聚丙烯形成之複合材料，相較於純聚丙烯以及未改質纖維素與聚丙烯形成的複合材料，具有更佳的機械強度。綜合以上…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖五、工研院材化所開發之改質纖維素TGA分析
作者：許玉瑩、鄭昭德、張德宜 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」367期，更多資料請見下方附檔。