强度钢铁五倍还能做晶片!纸製CNF奈米纤维是材料界明日之星?

强度钢铁五倍还能做晶片!纸製CNF奈米纤维是材料界明日之星?

碳纤维可说是这个世代的代表性材料之一,从航太交通、运动器材到建筑的工程结构都能看到它的蹤迹,只有铁四分之一的重量却有四倍钢强度,让它同时也成为「轻量化」的代名词。不过事实上自 1959 由嫘萦纤维製成的碳纤维问世开始,其实碳纤维也出现 50 余年了,而现在看起来能继承其地位的次世代材料,看起来就是木材纤维组成,深具环保色彩的「纤维素奈米纤维」了。

纤维素奈米纤维是什幺?

纤维素奈米纤维是以树木为原料的纤维,同样体积下,重量只有钢的五分之一,却能达到 5~6 倍强度,并同时兼具加工弯曲性高、热膨胀係数小等特性。其製作原理是将普通木材切得非常小製成纸浆,产生以微米为厚度单位的纸之后,再将纸张解离抽取其纤维素,最后製成以奈米为单位的纤维束。再简单一点说,就是把一般的木材用奈米技术做成纸,再抽出来做成奈米纤维。

在未作任何素材加工或上色的状况下,纤维素奈米纤维外表就看起来像透明压克力板。事实上它比一般的石英玻璃还轻,热膨胀係数也只有其 1/50。不仅如此,纤维素奈米纤维也能跟其他不同材质的纤维混在一起製成複合性素材。

用途极广泛,甚至能运用在半导体晶片上

目前有许多科学家与商业机构,正着手将纤维素奈米纤维取代钢、铁或碳纤维,用在航太用途与交通工具上,达到进一步的轻量化与节能效果。像 福特日前就与 Heinz 合作 ,使用类似技术试图萃取番茄纤维製成新一代的车体材料。

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用 CNF 纤维做成的太阳能电池,

不仅如此,美国威斯康辛大学麦迪逊分校已在 Nature Communications 发表 将 CNF 纤维製成电子晶片基层的研究 。目前现有主流的晶片主要以砷化镓为主, 由于这些材质带有毒性且难以回收,一旦废弃后流入自然环境将会造成严重破坏。而 CNF 晶片本身就是「木材」,不但不具有毒性,甚至还可被微生物分解。同时由于 CNF 纤维的孔径小于病毒,也同样具有用在过滤病毒等医疗用途的潜力。甚至长年研究的京都大学 矢野浩之教授大胆预言 ,CNF 将有全面取代石化塑胶的一天。

目前的障碍

纤维素奈米纤维听起来这幺神奇,那为什幺还没有被广泛使用?成本可能是最直接的原因之一,目前 CNF 纤维的製造成本是 1 公斤数千~数万日圆,只需 3000 日圆的碳纤维或 2000 圆的玻璃纤维还贵得多。不过根据日本经济新闻的报导,随着量产技术的提升可望降至 500 日圆以下,成为比碳纤维还便宜的素材。

同时 矢野浩之教授也在接受日媒 採访时提到,事实上 2001 年就已达到利用 CNF 纤维製出强度超越钢的材质。但目前技术还握在少数研究单位与商业机构手上,有广泛度还不足的结构性问题。

在技术层面上,矢野浩之教授也表示如何运用 CNF 与其他材料混合製成複合性材质的技术还有待克服。例如若要和其他塑料混合运用在交通工具上,会有大部分的塑料材料含有一定油份,但 CNF 纤维却亲水导致无法完美混合的问题。

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CNF 纤维刚分离还带有水分的状态,就像果冻一样,

如何量产也是一大问题,虽然 CNF 纤维使用木材还能回收,比起石油塑化材料是要环保得多,但就跟造纸业一样,还是有种植週期较长、树木滥垦以及製程空汙的问题。针对这点,德州大学奥斯汀分校的 Malcolm Brown 教授已成功实验出 经由改造藻类 DNA,大量製造奈米纤维素的技术 ,可望改善进一步改善 CNF 纤维的生产环节。

会是日本未来的希望吗?

在日媒对矢野浩之教授的採访中,矢野不断强调日本相当有发展 CNF 纤维产业的潜力。不光只是日本森林覆盖率高达 70%,具有充沛原料来源的优势;在技术上比起欧美单纯磨碎木材纤维的方法,日本则是透过添加名为「TEMPO」的化学试剂,让纤维更能保持均一的宽度。就连安倍经济学三支箭之一,「日本再兴战略」也将 CNF 纤维名列重点发展项目之一 ,而受到经济产业省的大力支持与关心。

但无论是日本或欧美哪个国家技术领先,重量更轻、强度更佳,并且对环境更友善的 CNF 纤维很可能就会是未来人类的主流材料之一。CNF 纤维出现代表了人类逐渐以技术追求永续环境的理想,而或许也同时是台湾该重新思考其「石化王国」定位的一个徵兆。

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