黃元昌、簡淑雲、彭怡慈、湯偉鉦、蘇一哲／工研院材化所
奈米纖維素為具有高長徑比之奈米材料，能提高抗拉、阻水、耐磨效果，一般應用於複合材料上，近年來也導入塗料應用，包含防水紙張處理、高阻水氣防蝕塗料、耐磨木器塗料。在建築防水塗料水性化需求下，工研院亦開發奈米纖維素塗料，提升水性塗料之防水、抗拉等強度。
【內文精選】
奈米纖維素簡介
樹木與棉花，年產量高達1,000億噸，是地球上最大量生物型高分子。它的主要成分由水、灰份、可萃取物(Extractives)、木質素、半纖維素以及纖維素所組成。可萃取物如樹脂、蠟、脂肪酸、脂肪醇等可溶於有機溶劑之物質。木質素為含有苯環之大分子，因樹種不同而有不同結構。半纖維素是由百個葡萄糖、木糖、甘露糖、半乳糖等所組成。纖維素分子式如圖一為(C6H10O5)n，是一種線性結構的多醣，重複單位是纖維二糖，是由兩分子β-D-葡萄糖通過β糖苷鍵連接而形成的二糖。纖維素的分子量約50,000~2,500,000，相當於300~15,000個葡萄糖基。纖維素具有大量氫鍵，因此大自然狀態下就會組裝並形成非結晶(Amorphous)纖維，這些微絲長度可達數μm，根據TAPPI標準WI 3021定義，可細分為寬度5~30 nm之奈米化纖維素(Cellulose Nanofibrils; CNF)，以及寬度為10~100 nm之微米化纖維素(Cellulose Microfibrils; CMF)。
除不規則排列的非晶區外，纖維素亦有高規則排列的結晶區(Crystalline)，一般稱為纖維素奈米晶(Nanocrystalline Cellulose; NCC)。奈米纖維素因為是生質材料，所以有高的生物相容性，且有高長徑比(Aspect Ratio)，因此具有提升阻氣性效果，再加上特殊化學結構能增加機械強度與尺寸安定性。根據研究顯示，奈米纖維素密度是鋼鐵的1/5，強度是鋼鐵的5倍以上，熱膨脹係數約為玻璃的1/50，比表面積可達250 m2/g以上。因此奈米纖維素被廣泛應用於汽車、紙張、化妝品、食品、塗料(Coating)等。
奈米纖維素於水性塗料之應用
塗料是日常中常見的用品，它能提供保護延長使用壽命、美化，甚至是如：防鏽、抗菌、耐酸鹼、隔熱、絕緣等特殊功能。傳統塗料都是用有機溶劑做為分散載體，在使用過程會產生有機揮發物(VOC)，對人體、環境造成傷害。根據統計，塗料的有機揮發物排放占全體排放10%（圖二），因此各國法規也逐漸要求下降塗料VOC含量。
圖二、有機揮發物(VOC)排放比例
尤其隨著民眾環保、健康觀念提升，已經有不少水性塗料在市面上販售。但水性與溶劑型塗料在物理性質上有很大差異，主要來自於成膜機制有很大的不同，如圖三，溶劑型塗料中主要成膜成分之高分子均勻展開、連續分布於溶劑中，在常溫溶劑揮發後，這些均勻連續的高分子就可以形成連續薄膜，不需要特別處理，因此特性表現較佳。而水性塗料成膜主要成分是由乳液高分子所構成，乳液型態高分子是以球狀方式分散於水中，並非連續均勻分布，在塗膜乾燥過程與水分揮發，一顆顆乳液逐漸接近，當水分幾乎揮發無自由空間後，乳液高分子會變形成六角形狀態類似蜂窩狀，但一顆顆乳液高分子仍然獨立無法融合在一起，必須藉由外力如溫度、成膜助劑等，將一顆顆乳液高分子融合在一起，但過程中乳液高分子常常無法完全融合，經常產生缺陷，造成一般水型塗料比溶劑型塗料物性還要差。尤其在高防護性要求之塗料，水性化更是挑戰，例如…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖三、(a)水性塗料成膜；(b)溶劑型塗料成膜機制
奈米纖維素防水建築塗料
根據European Coating Journal統計資料，水性建築塗料市占率高達80%，預計2021年水性塗料市場市占率將達到83%或2,900萬噸。如前節所述，溶劑型有較佳的成膜性，因此防水性佳，而水性塗料成膜性較差，造成防水性能下降。在性能與市場要求相反下，如何提升水性防水塗料效果將是一大關鍵。因此，工研院亦開發奈米纖維素塗料，在添加奈米纖維素後之防水塗料在6,500 mmH2O水壓下仍然保持膜面完整，大幅提升防水效果，且除防水效果提升外，其抗外力破壞力量也提升30%，改善一般水性塗料物性不佳問題（圖七）…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖七、(a)一般防水塗料在4,500 mmH2O水壓下塗膜破裂；(b)添加奈米纖維素之防水塗料在6,500 mmH2O水壓下膜面仍完整
★本文節錄自《工業材料雜誌》412期，更多資料請見下方附檔。