木質素分離技術及其於PCB之應用

 

刊登日期:2011/7/14
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木質素之簡介
木質素與纖維素、半纖維素(Hemicellulose)同為植物骨架的主要成分,是重要的可再生植物資源,也是一種非常複雜的天然聚合物,其化學結構與纖維素和蛋白質相比,缺少重複單元間的規律性和有序性,目前也尚未有最終的定論。在木本植物中,木質素含量為18~33%(硬木18~24% ,軟木25~33%),在草本植物中為15~25% ,樹皮、種殼可達到40~50% 。

木質素是一種具有三維網狀多孔結構的芳香族高分子聚合物,由高度取代的苯基丙烷(C6 + C3, Phenylpropenyl ,圖二)結構單元通過碳- 氧鍵和碳- 碳鍵隨機聚合而成,含有多種活性官能團。苯基丙烷單元分成愈創木基丙烷(G)、紫丁香基丙烷(S)和對羥基丙烷(H)三類,軟木木質素以G 結構單元為主;硬木木質素以G/S 結構單元為主;草本木質素則較為複雜, G/S/H 結構單元分布不定。單元之間的鍵結型式(圖三)主要是碳- 氧鍵約占2/3~3/4 ,碳- 碳鍵約占1/4~1/3 。


圖二、木質素三種單元結構

木質素之分離
木質素之分離需經過破壞性處理,因此分離後木質素的化學結構不同於其天然原始結構,且使用不同之分離方法,木質素結構也有所變化。木質素的分離方法,按其基本原理可分為兩類,第一類是以溶解木質素為黑液之分離法,第二類是以木質素為殘渣之分離法。

傳統造紙工業生產紙漿的製程為硫酸鹽法(Sulfate Process ,又稱為Kraft Process或Alkaline Process)與亞硫酸鹽法(Sulfite Process),此兩種方法皆被歸類為上述第一類分離法。目前全球紙漿生產量的80% 都是採用Kraft 方法製造出來,而台灣僅存的紙漿廠(台紙與華紙)亦採用此種製程。

木質素之性質
天然木質素應為白色或淡色物質,因持有不安定之發色團,受到陽光、溫度或化學藥品刺激下會由無色變有色,並隨著化學分離製程,在經過氧化或其他化學作用時,顏色逐漸加深呈現黑褐色。

分離後之木質素,結構中有複雜的官能基,其分布與種類有關,也與分離純化方法有關,其特性如表一所示,主要含有甲氧基(OCH3)、酚羥基(Phenol)、醇羥基 (Aliphatic Hydroxyl)、羰基( C=O , 含酸基、醛基與酮基),而傳統造紙工業木質素還含有硫基(S ,包含磺酸基-SO3)。

木質素於PCB 之應用
典型的FR-4 PCB (Printed Circuit Board)為目前最泛用的基礎型基板,該規格基板所使用的樹脂之物理和電氣性能可滿足過去大多數個人電腦使用,其製程是將玻璃纖維布含浸環氧樹脂生膠水後,烘烤使其溶劑揮發及部分交聯後形成膠片,經適當的裁切及堆疊,並於上下層加上銅箔,以適當的條件加熱壓合即為銅箔基板。

日本明電舍公司亞麻仁油環氧化後,以木質素做為硬化劑,兩者混合後經加熱處理硬化,可得絕緣性高分子材料組成物。上述反應所使用的催化劑為2- 甲基4- 咪唑(2-methyl-4-imidizole),硬化條件為150~170°C ,硬化時間為10~20 hr ,其材料的Tg 介於85~100°C 之間,彎曲強度在室溫下介於135~145 MPa 。

木質素除上述於硬式銅箔基板(硬板, CCL)之應用外,亦可應用於軟式銅箔基板(軟板, FCCL)中。典型的FCCL是以接著膠塗佈在PI (Polyimide)薄膜上,經過烘烤使其溶劑揮發及部分交聯(B-stage)後覆上銅箔,以適當條件加熱加壓即成FCCL ,此部分通常採用Roll-to-Roll 連續式製程。

在工研院的研究中,萃取植物如稻殼中之木質素取代石油基硬化劑,將其導入環氧樹脂配方中進行開環交聯反應,並將環氧樹脂配方塗佈在絕緣薄膜上,經過預烤後與金屬箔貼合,再進行完全硬烤步驟,所得之軟性金屬積層板為含有生質材料之綠色軟性金屬積層板。此軟性積層板具有高於150°C 之玻璃轉移溫度、更優異的撓曲性質,以及大於5 lb/in 的接著強度。圖九即為以此FCCL 所製成的手機按鍵開關,其最小線寬/ 線距= 0.1 mm/0.076 mm。木質素除上述在基礎CCL 及FCCL 的應用外,若藉由官能基的修飾,可取代環氧樹脂,再藉由配方的調整,則有機會建立更高性質之木質素環氧基板,以降低基板成本及提升各項電子產品之應用……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文


圖九、含木質素之軟板製品

作者:林永展、謝承翰、劉淑芬、楊偉達、張麗敏、謝青城 / 工研院材化所
★ 本文節錄自「工業材料雜誌295期」,更多資料請見:https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=9465


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