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「五高」材料產值百億 搶攻全球兆元綠經濟

2017-12-01 08:50工業技術與資訊

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【撰文】賴宛靖

看好環境友善趨勢,經濟部技術處科技專案與工研院及多家國內業者攜手研發,協助台灣材料產業躋身綠色供應鏈,開發「高品質」、「高價值」、「高友善」、「高循環」、「高安心」的「五高」環境友善創新材料技術,包括生質應用材料、可循環利用的石化材料等,為台灣建構循環經濟體系的基礎,接軌全球綠色商機。

經濟部技術處長羅達生表示,儘管台灣天然資源不足,但科技專案投入開發環境友善材料多年,迄今已掌握45項專利、技轉超過55家廠商。

今年9月發表的科專五項環境友善材料研究成果,展現出以綠色材料帶動產業升級的成果,其中「生質聚酯材料」與遠東新世紀公司合作開發,因應國際飲料大廠強烈需求,推出引領全球的生質聚酯材料;而「熱塑型碳纖維複合材料」具可回收再生重複使用、可多樣化加工成型、製程能耗可縮減、產製工時快速等特性,已獲台灣最大橡膠輸送帶專業製造廠鑫永銓技轉,用以開發耐撞、可回收的碳纖高質感行李箱,行李箱價格由原本的數千元增值至萬元以上;「輕量化生質複合材料」、「生質吸水觸感調控助劑」,已獲美國農業部(USDA)的生質優先(BioPreferred)標章,「輕量化生質複合材料」更成功製作成生質鞋墊,將有助台灣鞋業代工廠,符合國際知名運動用品大廠對於綠色供應鏈的要求,帶動綠能商機。

在經濟部、工研院及眾多台灣卓越廠商的努力下,各項亮眼新技術都通過功能性測試,與廠商合作過程中也通過實驗工廠的生產相容性測試,可以說已取得終端客戶下單的門票。

利用PEF生質聚酯材料所製成的各種產品,包含具有吸濕排汗、涼感及發熱等功效的機能...
利用PEF生質聚酯材料所製成的各種產品,包含具有吸濕排汗、涼感及發熱等功效的機能服飾及瓶子等,可取代原有的聚酯材料並充分達到節能減碳的目的。 攝影/黃鼎翔
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高阻氣性PEF生質聚酯材料:環保生質不漏氣

由石油提煉製成的聚酯材料是人類生活不可或缺的原料,但石油日漸枯竭,人類開始從寶特瓶等廢棄物提煉出聚酯材料,藉由廢物再利用,減少地球垃圾爆量的壓力。然而,全球材料產業追求的綠經濟是希望從源頭就不用石化產物,在生產聚酯材料的過程中,若使用能吸附空氣中二氧化碳的植物,更能達到減碳目的,也是「生質產品」最大亮點。

因此,在遠東新世紀公司與工研院一同研發PEF (Polyethylene Furanoate)生質聚酯材料,成功推出全世界第一支百分之百以高阻氣性PEF生質聚酯材料製作成的可口可樂寶特瓶,在2015年米蘭世博會首次曝光時,受到全球矚目,並取得歐盟食器認證,向世人展現台灣所生產的PEF生質聚酯材料,其阻氣性、耐用性高於石化產物製成的聚乙烯對苯二甲酸酯材料(Polyethylene Terephthalate;PET)達10倍以上,完全可取代原有的聚酯材料。

工研院積極開發高阻氣性PEF生質聚酯材料及其上游單體材料技術,協助遠東新世紀公司開發100%生質材料的可樂瓶身,讓國內廠商有機會與世界品牌大廠接軌。研究團隊應用木薯等材料,由於其分子結構特性與現有PET接近,其剛硬的分子鏈結構特性使其「玻璃轉移溫度(Glass transition Temperature)」與機械特性優於石化提煉之PET,可製造出更輕薄、更輕巧,卻更結實的飲料包裝瓶或食品包材,不僅能延長食物保存期限,還能降低碳排放量達50-70%,更讓人振奮的是,PEF生質聚酯材料完全沒用到一滴石油,相信在全球能源拮据的情況下,未來將是國際大廠極為倚重的包材。

放眼全球,生質PEF聚酯材料含量30%的瓶器,已推廣至商業化應用,許多國際知名大廠紛紛採用,截至目前為止有29個國家販售生質PEF聚酯材料含量30%的包材。以可口可樂為例,只要看到瓶身有大大的綠葉標章,就表示瓶身是可回收的生質材料製成,如此一來,能提升消費者對品牌的好感度,支持企業對地球環境永續所做的努力。

除了做成包裝瓶與食物包材,PEF聚酯材料製成纖維後所生產布料,也廣泛用於各類服飾,在工研院氧化製程的協助下,遠東新世紀在2016年的世界地球日,發表全球第一件100%由PEF生質聚酯材料製成的機能性服飾。PEF生質聚酯材料含量達30%已廣泛應用於吸濕排汗、涼感、發熱等機能服飾上,但要做到含量100%的挑戰又更大,遠東新世紀與工研院攜手開發的100%生質PEF聚酯材機能服飾,性質與一般PEF聚酯材料一致,可染色、熨燙、印刷、加工成型,連清洗收藏方式也一樣,壽命上也不會因為是生質纖維而提前崩解,質感與一般PEF聚酯材料相同,卻能減輕環境莫大負擔,在綠色供應鏈蔚為風潮之際,相信具備生產此材質能力的廠商,必能在全球的綠色供應鏈中取得先機。

木質素PU發泡材:廢料變身高價材

木質素是樹木細胞壁的主要構成成分,同時也是造紙業的廢棄物,全球造紙業每年產生約5,000萬噸的木質素,目前九成以上被當做廢料燒掉或丟棄,排到河流中還會造成環境汙染。木質素分子結構剛硬,機械特性與熱性質優異,工研院透過自行研發的「混合分散安定模擬與應用系統」,改善木質素與傳統石化材料的相容性,再藉由研磨分散設備/製程的設計,來降低木質素粒徑,使木質素與傳統石化材料有更佳之相容性與安定性,藉此開發高性能生質複合材料,並協助廠商導入現有的石化材料製程,開發出環境友善的高強度生質複合材料,較傳統石化材料更堅硬耐用。

透過「混合分散安定模擬與應用系統」開發出的「木質素PU發泡材」,可應用於生活中常見的結構材料、隔熱材,由於木質素剛硬的特質,只需使用比原石化商業製程更少的原料用量,就可生產出同樣堅固耐用的板材,不僅為廠商省下原料成本,更能製作成輕量又兼具強度的產品,相當適合應用於建材、運動器材等。

以衝浪板為例,將木質素加入PU發泡材所製作出的產品,不僅可媲美國際知名廠商生產的衝浪板,其剛性更高,更耐用,性能更優越,以同樣原料組成為例,原本僅能生產新手用的衝浪練習板,在原料中加入木質素,並導入工研院所研發之「混合分散安定模擬與應用系統」後,可使PU發泡強度大幅提升,便能生產出專業衝浪手使用的高級板材,在價格上則有二至三倍的提升,成為高性能、高價值的產品,重點是,廠商無須更改生產線或新增加工設備,僅需調整原料比例及簡易分散設備即可生產出高價值、高循環、高品質的產品,商機無限。

工研院應用「混合分散安定模擬與應用系統」,改善木質素與傳統石化材料並導入生產製程中,已協助久聯化工建立了環保包裝保護材開發及驗證技術,不僅減少碳排放量,更具有高性能,也協助廠商提升產品毛利及市占率,在面對國外產品長期的競爭壓力下,此一新技術讓台灣廠商所生產的各類PU發泡材更具優勢,尤其是在生質材料上的應用比例增高,讓生產建材板材的廠商也能達到節能減碳的目的,目前預估木質素PU發泡材的年產值為新台幣二至三億元,相信在全球關注節能減碳作為的同時,這類材料的應用將更為廣泛。

將環境友善材料用於製鞋,並且取代塑膠等會危害環境的產物,有助於強化台灣製鞋產業的...
將環境友善材料用於製鞋,並且取代塑膠等會危害環境的產物,有助於強化台灣製鞋產業的競爭優勢。 攝影/黃鼎翔
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生質吸水觸感調控助劑應用:吸濕排汗又減碳

近年來廣受歡迎的機能服飾紡織品,許多耳熟能詳的國際知名運動品牌所採用的機能性布料,有七成來自於台灣,若希望紡織品也能為環境永續貢獻一份心力,從台灣領頭做起會將最具效益。

工研院利用自蔗糖發酵而成之生質聚多元醇,開發出水性、完全不含任何危害地球環境之有機化學物質的「生質吸水觸感調控助劑」,經過此一布料調控助劑處理後的普通紡織品,瞬間具有絕佳吸濕排汗功能,高吸水性小於一秒、高蕊吸高度,每十分鐘達八公分以上,顯示出絕佳的排汗吸濕力。

透過生質助劑調控布料之表面吸水性能的技術,使布料兼具「吸濕排汗機能性」及「親膚觸感」的特性,具有一般油石化提煉出的酯類化合物無法達到的特殊絲柔感及反撥彈性,無須使用到可能傷害地球環境的化合物,就能讓機能服飾穿起來的質感更加親膚、輕柔。

不僅如此,運用「生質助劑調控布料表面吸水性能」的技術,使布料展現極佳的耐洗濯堅牢度,同時協助紡織廠取代原有的吸水劑與柔軟劑,提高產品的生質成分達42% ,符合美國農業部BioPreferred認證的高標準,讓廠商無須耗費巨資改動原有生產線及原料,即可將一般石化紡織品,改良為高技術層次、又可廣泛應用於高階機能性紡織品的布料,也是目前全球首創生質材料達到優越吸濕排汗,兼具親膚柔軟性的生質紡織用助劑。

利用熱塑性碳纖維複合材料技術,製成質地輕、剛性強且重壓不會脆裂的行李箱。 攝影/...
利用熱塑性碳纖維複合材料技術,製成質地輕、剛性強且重壓不會脆裂的行李箱。 攝影/黃鼎翔
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輕量化生質複合材料:廢材改質製鞋舒適

鞋是人類生活中天天要用的產品,據統計,美國女性平均擁有19雙鞋;光是台灣,每年被丟棄的鞋子達540萬雙,更讓人憂心的是,鞋子所使用的材料很難回收、燃燒又會產生毒氣、掩埋也不會腐化,成為地球環境殺手之一。以製程最為複雜、應用到最多石化產物的運動鞋為例,台灣的運動鞋代工業產能居全球之冠,每年約生產超過五億雙鞋,占全球產能的三分之一。台灣鞋業以外銷為主,因應品牌大廠對環境友善材料需求,如能切入環保材質之研發與應用,對於商機拓展將是很大的幫助。

為此,工研院開發出具有緩衝性能之「輕量化生質複合材料」,應用從已被污染土地生產之非糧食工業澱粉、稻殼、咖啡渣等農業廢棄物或是從國內紙廠的廢棄產物中取得的木質素、紙纖維,成為補強結構的最佳材料,用環保生質塑化劑塑化改質後,進行發泡程序,馬上就可變身為鞋子裡最重要的軟墊。

研發過程中也發現,一般純澱粉發泡後孔洞大,容易壓碎,耐水性差,遇水容易溶解,要應用在鞋墊中還須經過許多挑戰。工研院透過簡單的工業澱粉改質程序,使其能均勻分散於高分子基材中,讓孔洞發泡更均勻,孔徑達到 30至150微米等級,質地柔軟可彎曲,經驗證後發現能應用在拖鞋中層軟墊,未來能依產品需求作成各種應用形狀,製作出建材、絕材等各式各樣的輕量化生質發泡材料。

此技術成功取代了製程中的塑膠、危害環境的石化產物,生質碳占比達30%,符合美國農業部政府優先採購之BioPreferred生質標章(Biomass≧25%)標準。一般製程鞋類售價約在1.5美元,使用該標章認證過的生質材料,售價可提高二至三美元,可大幅提升台灣製鞋產業推進綠色供應鏈的優勢。

熱塑性碳纖維複合材料技術:堅硬質輕可回收再製

全球的熱塑性連續纖維補強複合材料(Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic Composites;CFRTP),年平均成長率為12%,多應用於3C、工業產品及汽車零組件等領域,但因為工程上常用的塑料種類很多,如PC、PP、PA、PE及ABS等,但其與纖維間的界面結合相容性卻不盡相同,使用上有其難度。

工研院針對纖維間的相關界面改質,開發出表面處理劑用於纖維複材應用、以水為溶劑的「水相無溶劑環保配方」,並提供客製化表面改質技術,成功技轉給台灣第一大橡膠輸送帶大廠鑫永銓公司,生產出引領世界潮流的「熱塑性碳纖維」。

經濟部技術處科技專案與工研院及多家國內業者攜手開發「高品質」、「高價值」、「高友...
經濟部技術處科技專案與工研院及多家國內業者攜手開發「高品質」、「高價值」、「高友善」、「高循環」、「高安心」的環境友善創新材料技術,協助產業打入綠色供應鏈。 攝影/黃鼎翔
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鑫永銓公司利用熱塑性碳纖維及其他塑料的織法,製成質地輕、剛性強的行李箱,不僅能呈現出千變萬化的時尚外觀,其輕巧,韌度、剛性也足,即便是重壓踩踏也不會脆裂,壓力消失後行李箱馬上復原。有別於目前市面上廣為應用的碳纖維成分是無法回收,此一技術生產之熱塑性碳纖維具百分之百可回收的特性,絞碎後可再製成其他產品,使用上不會造成地球負擔,更符合全球知名品牌對於節能減碳的需求。

另一亮點是,應用此技術之後,可以大幅縮短碳纖維製程。以碳纖單車架的生產流程為例,光成型時間就需要兩個多小時,應用新技術加上場內自動化生產,僅需兩分鐘即可完成,有效降低工時成本。此外,「熱塑型碳纖維複合材料」具有可回收、再生重複使用、可多樣化加工成型、減少製程能耗、產製工時快速等優點,相當符合綠色產業應用的環保趨勢。

目前鑫永銓公司的熱塑型碳纖維表面處理技術,已先應用於行李箱、鞋子大底等,未來可衍伸應用於錶帶、釣魚捲線組煞車來令片、汽車內裝配件、手機外殼、競速模型車車底盤及零組件、多軸航拍機、自行車零組件、滑雪板等多樣化產業,將先從民生用品著手,目標推展至汽車甚至航太工業。

台灣作為全球材料供應鏈的中流砥柱,有能力也有使命為過去的線性經濟造成浪費與環境危害踩下煞車。因應全球對環境永續的需要,台灣廠商可從材料源頭就致力追求零廢棄的目標,相信這樣的決心與能力,也將帶來更大的商機。

工業技術與資訊

1991年創刊的《工業技術與資訊》月刊,為工業技術研究院發行之全院性對外出版品,主要提供工研院重大技術發展、相關產業趨勢、技術移轉成效等內容,為一般大眾接觸工研院的管道之一。工研院是台灣最大的產業技術研發機構,不論技術引進、人才培育、育成中心、技術服務移轉,對台灣中小企業的發展具有舉足輕重的地位。

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