陳重佑、呂健瑋 / 工研院材化所
空氣品質優化可以減少黴菌、病毒等微生物所引起的疾病，並提供舒適及健康的室內環境。相較於電子類產品，開發奈米孔洞材料的機能化技術，以無耗能的自發性調控空氣濕度及去除環境臭味，符合永續環境的理想目標。工研院材化所團隊以LCD面板玻璃所製的玻璃奈米孔洞材料，研發表面改質與金屬嫁接技術，賦予材料優異的調濕及除臭功能。此機能材料可以調控環境濕度於健康濕度區間，並抑制黴菌生長，以及臭味去除高達99%以上等優化空氣品質的功能。後續可應用開創玻璃奈米孔洞材料於空調產業的新興應用領域，拓展材料高值化循環，並以淨零永續的理念創造健康樂活環境。
【內文精選】
前 言
空氣品質的議題在傳播性極強的COVID-19刺激下，將成為近年來的顯學。因此開發具有高效能的機能材料，不僅可以用最少量材料發揮最大效用，同時又可以簡易再生材料的功能，不需耗費大量能源並可循環使用，以達到近年來所提倡的淨零永續目標。本文將介紹新興材料之玻璃奈米孔洞材料(PorousMaterial)在優化空氣品質中的「濕度」及「異味」兩項課題應用，期盼帶動台灣空調產業未來於新型空氣優化(Improving Air Quality)機能材料的新商機。
空氣優化之濕度調節
高濕度的潮濕環境容易造成黴菌和塵的孳生，引發過敏、氣喘、香港腳、異位性皮膚炎等症狀；低濕度的乾燥環境不僅使皮膚感到乾燥不適，空氣中的懸浮粒子也會增加導致病菌容易傳播。
天然孔洞材料，其容量受限於材料天生的特性(如細孔容積)，調濕容量非常有限。而以化學方法所製得的人工孔洞材料，不僅具有孔徑的可控制性，更可以提高細孔容積使材料具有高調濕容量，突破天然材料在調濕容量的限制，以因應更長時間的濕度調節需求。工研院材料與化工研究所團隊創新研發玻璃奈米孔洞化技術，藉由導入特定改質配方，搭配精準熱處理製程調控，將液晶顯示器(LCD)玻璃轉化為具調濕功能的新型玻璃奈米孔洞材料。玻璃奈米孔洞材料的平均孔徑為9.2 nm，孔徑範圍約為5~50 nm間，如圖二(a)；材料的電子顯微鏡微結構鑑定如圖二(b)~(c)，顯示材料具有多孔隙結構。而這些奈米尺度的孔洞結構可對環境濕氣引發毛細現象，進而使材料具有吸放濕功能。
圖二、玻璃奈米孔洞材料之(a)孔徑分布圖；(b) SEM圖；(c) TEM圖
在功能驗證方面，根據Dannemiller的研究，當濕度小於70%時，黴菌的生長速度會大幅下降。為驗證材料的調濕功能，將市售吐司與100g調濕材料一同置於封閉箱中，並設置一般環境的對照組(無使用調濕材料)。經長時間觀察市售吐司上的黴菌生長狀況，實驗結果如圖四。結果顯示於一般環境對照組中，市售吐司表面於15天後具有明顯可見的黴菌斑點，約45天後全部被黴菌覆蓋；於調濕材料實驗組中，市售吐司經103天後，仍無觀察到可見的黴菌斑點。
圖四、調濕功能驗證黴菌生長之抑制情形
空氣優化之異味消除
當浮游於空氣中的氣味分子讓人感覺不佳時，該氣味分子可被稱作為異味。為了去除空氣中的異味，活性炭是目前最耳熟能詳應用於吸附式除臭的材料，對廣泛的臭味具除臭效果。
本團隊利用玻璃奈米孔洞材料的金屬嫁接技術，研發針對四大惡臭分子的除臭材料。導入銅離子溶液，以材料表面的特殊官能基，嫁接銅離子於孔洞表面上，在最佳條件下最高可嫁接20 wt%以上的金屬含量。利用銅離子與四大惡臭中氮、硫的化學親和力，可將臭味分子吸附於玻璃奈米孔洞材料中。為驗證其臭味的去除功能，將銅離子嫁接的玻璃奈米孔洞材料置入含有8種硫醇臭味分子(各20 ppm)的環境中，以氣相層析儀分析硫醇臭味分子的濃度，分析結果如圖七。實驗結果發現，在銅嫁接的玻璃奈米孔洞材料實驗組，氣相層析分析數據均無觀察到8種硫醇臭味分子的訊號，說明嫁接銅離子的玻璃奈米孔洞材料均可以有效吸附硫醇臭味分子，臭味去除(Odor Removal)率均高達99%以上…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》421期，更多資料請見下方附檔。