生物科技大變革 低碳永續新解方
過去的一個世紀，利用石化精煉製程生產的化學品在人類生活中不可或缺，但由於人類對石油資源生產的化學品過度依賴與濫用，造成環境汙染、極
端氣候與化石石油資源枯竭等問題，氣候變化正威脅到人類甚至地球的生存，因此將製程轉變為永續、環保，且減少二氧化碳排放以避免環境持續惡化至關重要。OECD報告指出，工業生物技術可以節省能源，並顯著減少二氧化碳的排放，是氣候變遷的解方之一。1976年迄今，用於DNA編輯的工具與技術有極大的突破與進展；加上自20年前「人類基因組計畫」完成以來，讀取DNA的成本已經下降超過一百萬倍。隨著生物學知識的累積、DNA讀取、編寫和編輯成本的下降，以及相關工具技術越來越成熟，合成生物技術可應用的領域也不斷擴大，促使合成生物技術相關新創公司紛紛設立，生物技術指數級爆發性增長從此展開。
紡織產業與其特用化學品相依相存，部分因對環境污染飽受爭議，歐盟陸續採取了許多控管方式，使紡織製程朝向永續、環保、零危害的方向發展。面對紡織業被認為是世界上污染最嚴重行業的問題，積極處理已是全球共識。綠色科技與製程演進，許多以前無法替代的高風險具危害化學品陸續出現替代品；纖維與染料皆為綠色紡織品之開發起點與關鍵環節，更是紡織產業上游的重要原料。「生物合成色素之技術與應用」探討各類天然色素，並針對微生物色素合成技術進行回顧，同時剖析微生物生產天然色素的技術挑戰及契機。工研院材料與化工研究所在該領域也取得了初期成果，成功開發了利用大腸桿菌生產紡織纖維用染料之MetabColor技術，並獲得2021年愛迪生獎銀獎的肯定，為臺灣在合成生物應用領域及天然色素發展奠定基礎。
自然界存在數百萬個物種，為了適應環境，經過數億年發展出生物各種特性，包含高效、節能、多功能、自行組裝、多層次構造，以及能夠自我修復等特性。科學家研究、模仿這些生物材料特性，以仿生材料應用在各個產業中。「仿生材料於紡織產業之應用」指出，紡織產業面臨綠色減碳製造時代的來臨，更需要低環境衝擊材料技術投入，利用生物合成的仿生材料，取法例如強韌多功能蜘蛛絲蛋白、烏賊特殊自我修復蛋白、低表面阻力的鯊魚皮膚結構、出淤泥而不染的蓮葉效應等之永續性以及可循環性，可作為永續紡織產業發展之關鍵環節。
基於全球環境保護及減碳意識提升，使用綠色材料為全球發展趨勢。隨著生物技術的發展，生物合成材料生產技術進步幅度超乎預期，低毒性、高生物相容性、可降解、低碳環保為其主要特性。以生物合成材料製造之柔性電子產品受到國際消費性電子品牌商越來越多注目，「生物合成材料於電子產業應用及發展趨勢」列舉一些生物合成材料於柔性電子產品之應用，藉其材料特性克服傳統電子產品中常遇到的材料形態限制，並擴大應用範圍。工研院材化所開發微生物生產PABA之綠色製程技術，搭配精密聚縮合及製膜加工技術，開發可溶型LCP材料，以建立關鍵材料自主化之優勢，提升國內PCB產業之國際競爭力。
隨著聯合國及歐盟訂定減少未來全球塑膠垃圾累積的法規，使用回收以及生物可分解材料已成未來趨勢。PHAs (Polyhydroxyalkanoates)為微生物儲存能量的高分子，因其生物可分解性，對於未來減少一次性塑膠的使用深具發展潛力；然而PHAs目前仍難以普及於產業應用，主因來自生產成本過高。「PHAs生物合成技術現況」探討現今PHAs的研發與市場現況，以及透過不同策略降低成本的技術發展；並報導工研院材化所透過廢棄物料源所得之丙酸作為料源，以改質大腸桿菌進行PHBV的生產，並以不同形式的混摻技術建立不同PHBV驗證產品，包括PHBV膜片及廚餘袋。未來期能整合低成本生產技術以及客製化PHAs聚合技術，落實永續無毒低碳原料應用的全球目標。
消費者需求驅動快速消費產品(FMCG)市場，對綠色、可持續和天然成分的需求正在快速增加。使用細菌生產、酵素協助或全細胞生物來合成原料，正符合這些價值；而進一步與可再生、可回收或廢棄原料的使用相結合，更能達到在地料源、綠色潔淨製程、與本土產業共生合作等具有社會貢獻並與地方連結的永續訴求。「生物合成技術於皮膚護理產品的永續應用」首先介紹皮膚護理原料的綠色技術發展，並針對近年來生物合成技術新原料，就其主要來源、永續性訴求、功效與應用進行剖析。
材料×製程 合擊打造聚酯低碳轉型競爭力
隨著2021年第26屆聯合國氣候變遷會議(COP26)制定「將全球升溫控制在攝氏1.5度以下」之重要目標後，各國積極公布淨零排放路徑，而我國於2021年4月宣布於2050年前達成淨零轉型的目標，各大國際品牌亦競相喊出「Net ZERO！」之口號。低碳轉型方向多元，如使用再生材料、採用單一材質/生分解/植物基永續材質之產品設計，或進行低能耗綠色製程取代等。使用再生材料已是各廠商普遍執行之方向，並尋求更多不同來源且具有故事性之再生料；而單一材質產品設計是目前國際品牌綠色轉型擬定之關鍵策略之一，例如全聚酯衣、全聚酯鞋或是單一材質包材之設計等；製程轉型也是重點發展方向之一，連續式反應押出製程具備反應快速、無溶劑使用及製程彈性調控之特點，與傳統批次式溶劑法比較，極具省時節能之優勢，因此連續式反應押出製程成為綠色製程轉型之新寵兒。
「聚酯反應押出低碳改質再製技術」一文報導，低碳風潮吹起，全球130個國家宣示2050年前達到淨零排放，國際品牌大廠亦競相公布綠色轉型路徑，強調使用再生料、產品單一材質設計以及發展低碳綠色製程。其中，低熔點聚酯材料為紡織業及製鞋業關鍵需求材料，以達成全聚酯衣、聚酯鞋之開發目標。市售低熔點聚酯以批次式溶劑共聚而成，此方法可彈性調控共聚單體結構，但製程易受桶槽規格限制且反應極為耗時。工研院開發連續式聚酯低碳改質技術，製程僅需5~15分鐘，能彈性調整材料結構及製程參數，為低碳綠色製程具發展潛力的技術之一。
「低溫聚酯開發與複材應用」指出，在全球節能減碳風潮及綠色環保政策驅動下，熱塑性複合材料因擁有韌性高、耐衝擊性能佳、製造週期短、可重複加工性，而成為開發的重點。其中，熱塑性工程塑料之PET可利用雙螺桿反應押出技術製備成低溫聚酯，改善其冷卻時結晶速度過快、熔融張力小而導致成型加工的困難，使之具備良好的柔軟性和低熔點。而優異的機械強度和易加工特性，使其適合作為後續熱塑性複材應用之原料，並可進一步透過再生與高值應用技術，導入環保綠建材產品市場。不僅能去化混合聚酯廢塑，減少焚燒與掩埋所造成的環境污染，亦能同時達成高值應用的目的。
隨著全球政府禁塑法令的實施，兼之品牌商逐步要求材料供應商提供綠色循環或低碳的環保塑膠製品，以實現淨零碳排的目標，意味著接下來從不可再生的石化塑料轉向使用可再生綠色塑料的壓力將越來越大。而此綠色塑料意指其起始料源是透過包含循環、CO2轉化或生質原料所製得，後兩者仍存在生產成本如何降低的挑戰，而循環料源也就是透過消費後塑膠產品的回收再製，其相關技術與文獻已相當成熟，剩下的就是思考如何藉由化學回收的優勢，創造塑料廢棄物回收再生後更好的價值。「循環PET再製高值聚酯材料」概述如何以回收PET作為原料，藉由一鍋法的化學回收，將其轉化成熱塑性聚酯彈性體與可生分解聚酯材料PBAT。
塑料當今被廣泛地運用在各個領域，根據聯合國統計，每年有13,000,000噸的塑膠製品流入海中，導致嚴重的生態問題。為了達到永續經營的目標，塑膠廢棄物處理問題成為世界關注的項目。「聚酯光催化降解技術」首先介紹光催化的機制，並從此切入介紹不同的光降解策略，利用能階的概念分析不同策略的執行目的，也闡述除了光降解聚酯之外，其他聚酯光催化的應用，不僅結合光降解聚酯的優點，也為聚酯廢棄物處理找到新的解方。文中亦報導台科大化工系於光降解塑料的研究成果，以及日前台科大與工研院利用鹼性條件以及二氧化鈦光觸媒的光降解策略。
熱塑性聚酯彈性體因具有優良的機械性質、可加工性、彈性與可回收性，而被大量地應用於汽車、液壓軟管、電線電纜、電子與體育用品等領域。但其材料價格相對於傳統橡膠較高也限制著廣泛應用的可能性。發泡製程是賦予材料輕量化的技術，其中超臨界流體發泡製程更具有產品尺寸精度高、生產快速與減碳的優勢。而聚酯彈性體發泡材展現出高回彈、低壓縮型變等性能，擁有能取代不可回收的EVA發泡中底且大量應用於鞋材的潛力。「可循環再生聚酯彈性體之微孔化發泡技術」主要探討熱塑性彈性體之種類與特性，同時分享工研院材化所研究團隊在聚酯彈性體改質技術上的經驗以及相關的發泡加工成果。
主題專欄
活性金屬接合氮化矽陶瓷基板具有優異的綜合性質，如高導熱率、高韌性與低熱膨脹係數，以及現今所有其他陶瓷基板皆無可比擬的可靠度。這些特性使得Si3N4 AMB基板成為電動車、風力發電及高鐵等亟需高可靠度、高功率元件封裝材料的不二選擇。「活性金屬接合陶瓷電路板技術」就常見商用陶瓷基板材料特性、活性金屬焊接技術及發展趨勢進行介紹。儘管成本昂貴，Si3N4 AMB仍被認為是最具有潛力的基板材料，特別是唯一可展現化合物半導體高性能的基板選擇，市場需求隨著興起，各大廠也紛紛提出擴充產能的計畫。未來因應高功率元件的需求，將朝向高導熱Si3N4陶瓷材料、更厚銅箔及更薄界面層貼合技術發展，而降低成本與厚銅蝕刻也是待解課題。
「瘤胃微生物群進行木質纖維素生物轉化之永續能源化與高值化技術」文中報導，木質纖維素是一種豐富的有機資源物，在生物燃料與化學生產方面具有值得開發的潛力，然而其複雜頑強的外部結構，大幅阻礙生物轉化為生物燃料和高值產品。在瘤胃等自然系統中，不同的微生物群落通過物理滲透與酶協同作用，可增強木質纖維素降解活性，促進細菌、真菌和原生動物的纖維素降解與纖溶活性，提高與產甲烷菌之間的合養關聯，生產甲烷、氫氣和揮發性脂肪酸。開發瘤胃類比生物反應器具未來發展前景，可將木質纖維素有效進行生物轉化為生物燃料和化學品。
竹纖維加固樹脂(BFRP)為近年受矚目的植物纖維複合材料，但其商業化因為機械性能不佳且耐候性不良而受到限制，主要原因為纖維與基質間親和性不佳。鑑此，許多改良木材與其他植物纖維表面的技術被應用在BFRP的界面改良，從不同面向來增加其界面性能。「竹纖維複合材料纖維改性與界面處理技術回顧」一文透過文獻回顧，得知不同技術主要可歸類為三種機制：①減少水分阻礙樹脂流動與親和；②增加粗糙度以提供結合面積與增加摩擦力；③利用耦合劑將原先不反應的物質連結。文中說明BFRP界面性能與親和性可在處理後有效提升，期望藉由相關文獻回顧能對未來BFRP生產與使用提供完整參考。
專文篇篇精彩，歡迎賞閱！結合技術發展與產業需求，歲末年終，盤點一整年淬練的研發成果，本期加碼《
2022年工研院材料與化工研究所 亮點技術》特刊，精選
材化所14個研究組之百項亮點技術，隆重推薦給讀者，歡迎各領域業界參考指教，攜手合作。凡對以上內容有興趣的讀者，歡迎參閱2022年12月號『工業材料雜誌』或參見材料世界網，並歡迎
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