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綠色高分子材料發展及應用 蕭耀貴 副總經理
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綠色高分子材料發展及應用 環境變遷 綠色環保趨勢 PIDC的綠色材料發展及應用 無鹵耐燃塑膠技術 塑木複材技術 生質複材技術
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環境變遷
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虛構亦或真實
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Global Change in One Second
一秒鐘……. 760 噸二氧化碳被製造 1,629 立方公尺冰河在格林蘭融化 710 噸氧氣從大氣層消失 2,300 平方公尺的可耕地消失 5,100平方公尺的森林消失(相當於20個網球場) 1.3 部汽車、4.2台電視機被生產 532 人去麥當勞,吃超過500個漢堡 多出2.4 人,一天多出200,000人
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電子垃圾的危害
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GUIYU-貴嶼鎮…..
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廣東潮陽:貴嶼“三古” 新華社北京3月26日電廣東潮陽市貴嶼鎮,因百里平疇中突出一小山峰而得名。貴嶼自唐文宗開成四年(西元839年)置寨至今爲鎮,已有1100多年的歷史。貴嶼最值一提的有三古。 其一爲古城,貴嶼曾是普寧縣(今普寧市)之縣城。據《普寧縣志》記載:“明嘉靖四十五年,置普寧縣。”如今,古縣治在貴嶼風貌猶存。這裏的南安、北林兩村境內,有一段舊城墻,四周有護城水道,楊家祠西側有“烏門閭”之稱,乃縣治之衙門。“監巷”、“刑厝內”則是古縣治刑、監機關所在地。縣治設四門,東門曰“文恬”,西門曰“武鎮”,南門曰“清平”,北門曰“樂利”。古城外有“進賢門”、“進賢橋”、“水門”等遺址。古城內還有文祠、關帝宮等古建。貴嶺有一條一裏長的古街,橫跨練江兩岸,古街寬不過4米,兩旁是兩三層的小樓房,樓上住人,樓下開店經商,自明代以來,小街就是“商業街”和“文化街”。 其二爲“古橋”。貴嶼有“僑鄉加橋鄉”之稱,鎮內有大小橋梁100多座,其中古橋梁10多座,最有代表性的是橫跨練江南岸、建于宋徽宗大觀二年(西元1108年)的貴嶼大橋。長35米,兩墩三孔,橋板由30條大石組成,每條大石據說重達5噸多,橋面距離江面10米。數百年來,不管地震颱風,貴嶼大橋依然如故。 其三爲“古建”。貴嶼古鎮有100多處明清時期的建築。其中“黃門第”(又稱國舅府)始建于明嘉靖六年(西元1527年),是貴嶼人陳北科的府宅。陳北科曾在明朝任大理寺少卿。建于清代的“八角樓”爲木質結構,以琉璃瓦蓋頂,陡成45度角。樓頂分成八角,頂端有葫蘆鎮之。樓內四面都有大窗,炎夏季節,東西南北風盡入樓內,冬天則陽光滿樓。“八角樓”乃蘇州名建築家張帆飛設計,建築結構嚴謹,數百年來巍然屹立。
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1995年的這項産業,使貴嶼鎮雇傭了十幾萬來自安徽、湖南等地的民工,每年處理逾百萬噸來自美國、日本、南韓等地的電子垃圾。由于處理手段極爲原始,只能通過焚燒、破碎、傾倒、濃酸(王水)提取貴重金屬、廢液直接排放等方法處理,造成了非同尋常的生態惡果。 對河岸沈積物的抽樣化驗顯示,對生物體有嚴重危害的重金屬鋇的濃度10倍于EPA(美國環保署)認定土壤污染危險臨界值,錫爲152倍,鉻1338倍,鉛爲危險污染標準的212倍,而水中的污染物超過飲用水標準達數千倍。 因地下水源污染,貴嶼鎮現在不得不從30公里以外的地區買水飲用;大比例的呼吸道疾病,大面積的肺炎流行,各種癌症及不明病症頻發;甚至一部分從事廢品拆解的女工分娩時羊水呈墨綠色,降生的嬰兒皮膚漆黑一團並很快夭折。
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1995年9月22日,近100個國家的代表在瑞士日內瓦簽署了《巴塞爾公約》的修正案——《反對出口有毒垃圾的協定》,這個協定禁止發達國家以最終處置爲目的向發展中國家出口有毒廢棄物,並規定從1998年1月1日起,發達國家不得向發展中國家出口供回收利用的有毒垃圾。 中國大陸2000年4月1號起,禁止進口廢電視機及顯像管、廢電腦、廢顯示器及顯示管、廢影印機、廢攝(錄)影機、廢家用電話機等十一類廢電器。然而由於監控不力、地方保護等衆多原因,仍然有大量的電子垃圾通過走私源源不斷的流入。
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2002年2月25日,美國兩個環保組織—巴塞爾行動網路[BaselAction Network(BAN)]和矽谷防止有毒物質聯盟[Silicon Valley Toxics Coalition(SVTC)]發表了其聯合撰寫的長篇報告《輸出危害:流向亞洲的高科技垃圾》(ExportingHarm:The High-Tech Trashing of Asia)。 據BAN 與SVTC報告引用Carnegie Mellon University研究結果估計,2002年美國約有1275萬台電腦報廢,其中80%也就是近千萬台的電腦垃圾流入亞洲,而90%將進入中國大陸。在美國處理一噸電子廢物的成本是400美元,而將其運到發展中國家處理只需40美元。 廢棄的電子垃圾又含有豐富的可回收物資,包括貴重金屬、塑膠、玻璃以及一些能再利用的零部件。根據國外的研究報告,一噸電路板,可以分離出286磅銅、1磅黃金、44磅錫,僅1磅黃金就價值6000美元
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生物累積須要時間
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綠色環保趨勢
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Europe Directives/Member State
ELV 「 End of Life Vehicle 」 PPW 「Packaging and Packaging Waste」 RoHS 「 Restricted of Hazardous Substance 」 WEEE「 Waste of Electrical and Electronic Equipment 」 EuP 「 Ecodesign requirements for Energy using Products 」 REACH 「 Registration, Evaluation, and Authorization of Chemicals 」 Toys 「Safety of Toys」 PFOS 「Perfluorooctane Sulfonates」 PoHS 「Prohibition on Certain Hazardous Substances in consumer Products」 PAHs
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WEEE/RoHS 各項條文之關連 使用 廢棄 處理 設計・生産 分別 選別 處理 特別處理 再生 最終處置 4條 產品設計
10 條 情報提供 設計・生産 使用 廢棄 2條 範圍 分別 5條 分類回收 一般 RoHS EuP WEEE 6條 處理設施 選別 處理 ANNEXⅡ 處理 11條 處理設施之資訊提供 特別處理 再生 7條 最終處置
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綠色產品設計原則介紹 減量(Reduce) 再使用(Reuse) 回收再生(Recycle)
省能源 省材料 低(無)污染 減少有毒材料 除去不必要功能 再使用(Reuse) 永續壽命 模組化易修護(易拆卸組合) 部分更替設計(再製造) 回收再生(Recycle) 材料簡單化(材料識別與分類) 易拆卸 易回收材料(相容材料) 模組化
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Nortel Networks之通訊器 舊設計 新設計 原始設計 新設計 差異分析 成本$ 主要零件數,個 組裝時間,分鐘 410 59
原始設計 新設計 差異分析 成本$ 主要零件數,個 組裝時間,分鐘 410 59 15 65 32 5 節省84.1% 節省45.8% 節省66.7% 資料來源:
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IBM ThinkCentre S50 超迷你桌上電腦
國內外綠色設計實例 IBM ThinkCentre S50 超迷你桌上電腦 無論是開機殼、拔硬碟、裝光碟機、插顯示卡、換CPU甚至主機板,連一支螺絲起都不用就可完成拆卸或組裝!完全人性化的設計,所有零組件拆卸時間只要六分鐘! 資料來源:
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Dell電腦的簡易外殼設計 簡易外殼(easy cover)係沿著邊緣設計一分離點(button),而使用者只需輕輕一按即可將微處理器、記憶體、硬碟及等裝置輕易地拆解,亦方便進行維修或升級,整組外殼設計幾乎沒有使用到螺絲的組件
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※資料來源:化學經濟(2003年9月號);工研院IEK-ITIS計畫整理
歐盟制定的環境保護限制措施 ※資料來源:化學經濟(2003年9月號);工研院IEK-ITIS計畫整理
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PIDC綠色高分子材料開發簡介
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無鹵耐燃塑膠技術
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耐燃劑分類 難燃劑 添加型 反應型 氯系 鹵素 溴系 有機難燃劑 磷系 氮系 其它 氫氧化鋁 無機難燃劑 銻系 乙烯化合物 氫氧化鎂
含環氧機化合物 反應型 其它 (鋯系 硼酸鋅或奈米級 )
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燃燒過程與反應
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高分子燃燒機構
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Chemical Effect Condensed Phase
In condensed phase two types of reactions can take place: Breakdown of the polymer can be accelerated by flame retardants. Cause a layer of carbon (charring) on the polymer's surface, shielding the material against oxygen and heat (flame). ※資料來源:成大防火安全研究中心
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塑木複材技術
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塑木應用 什麼叫“WPC”? WPC:Wood Plastic Composite
所謂人造木材,乃是利用塑膠改質後,其質地具有木材之結 構,並可利用顏料之控制或是模具設計的技巧,使產品之表面具有木質的紋路,同時亦可如天然木材般做二次加工,來達到其仿木效果。人造木材除了在外觀上酷似天然木材外,更有不吸濕、不腐爛、不怕蟲蛀之優點;此外亦可藉耐燃劑之添加或材料之設計,使其具防火之功能。大體而言,人造木材除了在剛性及抗壓方面略遜於天然木材外,其他方面之特性則超越了天然木材,而在加工成型方面,可利用模具之不同一次成型許多形狀較為複雜之產品;若在生產上能配合塑膠回收再生技術,則將大大的降低生產成本,尤其在天然木材與石化原料價格愈來愈高漲時,人造木材發展之空間將愈來愈廣。
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塑膠做成WPC 的方法 貼皮:使用PVC仿木膠布進行產品之貼合方式,廣用於傢俱建材業。
混色仿木:即是以調色之技巧,使不同色澤之亂紋呈現仿木之效果。 塑木複材:則是直接將木屑或木粉添加於塑膠,再利用熱壓、射出或押出之方式讓成品呈現多變化之仿木製品。其中塑木複材由於質感及其靈活之加工性己有凌駕其它仿木塑膠成為仿木塑膠之發展主流。
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WPC 緣由 在塑膠工業中,以木質作為填充並不是個新聞。
Rolls-Royce 於 1916 年便已嚐試將木材與塑膠合而為一,然而直至近三十年來,在塑木複材的品質才在各方面獲得大幅的提升,包括木材所佔比例的提升、材料的進步、更佳的物性、以及更好的製程技術。 近代塑木複材 (WPC:Wood Plastic Composite) 於 1970 年代以現代的概念再生於義大利後,於 90 年代初風行於美國,至今已使世界各地包括歐美亞洲各國皆致力於此類研發。 新概念下的 WPC,並非為了如塑膠般具有可大量製造之用途而生產,其成分中真實木材含量相當的高,優點是擁有更佳的戶外耐久性,以及比木頭更低的維護成本。而站在保護森林與 許多缺乏木材國家的立場而言,WPC 無疑是一個具有十足吸引力的商品。
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歷史 1970 年代,以木頭與樹脂 50:50 之比例運用 ICMA San Giorgio 之機器製成。
1990 年代初,美國開發出類似而進一步的產品,並與 PVC 塑膠產品搶奪市場。其中諸如:Louisiana Pacific、American Woodstock、Mobil Oil、Strandex 公司皆製造提供如野餐桌、甲板等產品,其中則有半數於北美地區販售(可適應當地夏日的高溫以及白蟻的侵蝕)。
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WPC 的分類 塑木複材: 又稱 Plastiwood ,由熱塑型塑膠如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)或ABS等與天然木材利用塑膠滲混及加工技術所產製而成的複合材料。為新一代的產品,目前塑膠中心及國外先進國家如美、日、德等國均已研發相關各項產製技術。 仿木: 傳統熱塑性塑膠,但運用色料及加工技巧在生產時,使製品表面可以產生類似木質紋路。多用在異型押出製程中。 代木: 泰半指在熱固性塑膠材料中運用特殊技巧產生類似木質綿密多孔組織的結構。多用在取代金屬或木模的製作材料。
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WPC 的特性 資源的回收與再利 原料採用回收木粉與熱可塑性塑膠,以達資源再生之目地。甚至, 塑木複材自身亦能經粉碎後回收再次利用。
獨特的質感與觸感 具備木材溫潤馨香的質感及觸感;擁有類似木材之肌理、紋路與色澤。產品之比重與硬度均能依需求適度地加以調整。 良好之物理性質與尺寸穩定性 防潮、抗蟲、抗海水侵蝕。成品之尺寸安定性優良,對於環境中的溫差及濕度變化容忍度均較木材為高,不易彎曲變形。此外,更有能抵抗強烈日光﹝紫外線﹞照射或難燃等特殊規格。
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WPC 的特性 優越的成型與加工方式及二次加工性
能以一般塑膠加工之方式快速而大量地生產,例如:押出或射出成型。此外,塗裝印刷容易,並可依照所需求的色澤直接生產,類似木材之紋路亦可一併產生。同時,其成品亦能夠使用傳統的木材加工方法加以施工、修整,例如:鑽、刨、釘、鋸與膠合。
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PIDC-WPC 與實木地板硬度比較例 名 稱 密度(g/c.c.) 硬度(shore D) 硬度(shore D)* 白雲木 0.428 45 50 橡木 0.634 53 64 黃金檀 1.063 80 花梨木 0.806 73 68 玫瑰木 0.626 65 62 象牙木 56 櫸木 0.98 紅木 0.945 69 72 桃花心未 0.723 60 Plastiwood(地板) 0.61 43 ** Plastiwood(角條) 0.627 *註:Shore D 為地板表面上光後之表面硬度,其數值因金油厚度之不平均致所測出值略有差異,故此值僅供參考用!
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塑木複材的應用 由於塑木複材結合了塑膠及木材雙方之優點並摒除雙方各持之缺點,尤其應用於怕潮,怕蟲蛀易霉之場所如海邊、泳地、公園、浴廁、遊樂場、船屋、河堤、船板、甲板,並可依用途及最終使用目的之不同調整塑木複材配方,使其適用於室內地板、壁板、門窗、門框、門廊、圍籬、樓梯,甚至桌椅,舉凡傳統木材所能用之產品,皆可以塑木複材配合傳統塑膠加工技術巧妙作成。
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回收塑膠仿木應用-登山步道工程 (地板+正方形+長方形)
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回收塑膠仿木應用-岸邊工程) (圓柱+接縫地板)
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回收塑膠仿木應用-岸邊擋土牆坡堤工程 (圓柱+接縫地板)
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回收塑膠仿木應用-碼頭 (圓柱+地板+正方形柱)
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回收塑膠仿木應用-碼頭 (圓柱+地板+正方形柱)
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回收塑膠仿木應用-碼頭 (圓柱+地板+正方形柱)
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Prolen 仿竹、仿藤、仿木的專家
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Prolen 仿竹、仿藤、仿木的專家
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Prolen 仿竹、仿藤、仿木的專家
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生質複材技術
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生質材料(Biomass Materials)的優點
環保應用 生質材料(Biomass Materials)的優點 非石化系統,原料來源生生不息。 生產過程消耗能源少,如製造1kg PLA只需58MJ能源,但PS則需耗能85MJ,PET,PP,及PE需80MJ。 CO2排放量少,生產1kg PLA會產生1.8kg CO2,但PET則會產生3kg CO2。 水量使用少,生產1kg PLA用水量約50kg ,但PS則需150kg 。 可生物分解,廢棄物對環境衝擊低。
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生質塑料PLA合成應用再循環
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國外生質材料發展
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生物可分解的 Walkman (SONY) SONY WM-FX202 SONY 最新隨身聽 (walkman) 機身主體採用的植物原料塑膠原料,是以玉米、馬鈴薯等等天然作物為基礎所新開發製造的聚乳酸塑料。因為主原料可回收作為植物資源而與以石油作為原料的傳統的塑料相比,能謀求環境資源的節約和保育之優點。
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廣角鏡》含玉米澱粉的光碟片 日本電子大廠Pioneer公司研究人員4日展示他們研製的藍光光碟片,這種光碟片基材使用玉米澱粉化合物,DVD的儲存容量多達25GB。 【2004/11/05 聯合報】
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TOYOTA內裝 TOYOTA的PLA與東麗的纖維複合(3:7) 紅麻纖維與PLA纖維編織,利用PLA作接著劑 在PLA中添加裂化防止劑
高耐久性、耐摩耗性、耐光性 TOYOTA在印尼以栽培面積6000ha種植聚乳酸原料植物 TOYOTA承繼島津製作所的聚乳酸技術,2004年年產量1000噸。 資料來源:GREEN PLA JOURNAL 2003 NO.11
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Sony-隨身聽外殼 Sony在2002年11月發表WM-FX202隨身聽,主要使用以植物來源的塑膠達90wt% 。
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Sony-電子產品包裝 (2002)Sony發展世界上第一個 以植物來源塑膠作基材的透明包裝。這類包裝使用在隨身聽的透明塑膠罩包裝上。特性除生分解性外,還具有耐衝擊、耐高溫及防濕氣 。 資料來源: Sony 公司
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富士通-筆記型電腦外殼 (2002年6月)—富士通發展了世界上第一個將植物來源的生分解塑膠應用在筆記型電腦外殼上。筆記型電腦的產品名稱為FMV-BIBLO NB computer。富士通預計在2004年全面使用在電腦外殼上。 資料來源:富士通
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富士通-IC封裝捲帶 (2000)—富士通發展了世界上第一個將植物來源的生分解塑膠應用在IC封裝捲帶。 資料來源:富士通
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三洋-光碟片 (2003)Sanyo Mavic Media 與三井化學共同發展世界上第一個商品化PLA光碟片,商品名”MildDisc ,原料來自玉米,每一穗玉米可生產10片光碟片,世界上0.1%的玉米產物,可提供每年90億片光碟片的需求 資料來源: Sanyo Mavic Media
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Fujitsu & Toray: biopolymer cellphones!
Working with fellow Nippon company Toray Industries, Fujitsu has refined the microstructure and improved the mixing compatibility of its polylactic acid (PLA) material with polymer alloyed polycarbonate (a higher glass transition temperature). They says the new polymer alloy has the same heat resistance and moulding properties of the PLA previously developed by the companies, but with a 50% improvement in impact resistance. They just exhibited the mobile phone chassis at the Tokyo International Forum this week. It says it plans to use the new plastic in future mobile phone models to reduce the use of petroleum-based plastics.
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為遵循國際綠色環保規範WEEE(歐盟電子電氣設備廢棄物處理法案)及ROHS(歐盟電子及電器產品特定有害物質限制使用法規)的要求及我國未來2008年「國發重點計畫」,更應該走向廢棄物減量堆肥資源化及再利用的趨勢,而生質複合材料的開發,預估將是塑膠產業未來5-10年的發展方向。 英國,科芬特里, (ENS)- 將廢棄的手機轉變成鮮花,是華威大學的科學家們目前最新的研究計畫。由一種新的高科技材質所製造出的電話,外觀看起來亮麗而光滑。但是當它過氣的時候,他的擁有者可以將電話直接埋進堆肥裡,並且看著它發芽成長。 這種手機外殼是利用PVA製造的可生物堆肥的聚合物,這類聚合物可經由生物分解變成無毒的殘餘物質,並可用利用纖維押出加工、射出成型、應用製膜以及中空成型等製程製出,也已通過食品和藥物相關檢驗,不過過去從未應用在手機上。
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PIDC相關生質複材研究
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高性能及高功能性生質複材運用於3C產品-手機為例
奈米碳管/生質複材開發及加工技術 完成製備奈米碳管生質複材塑膠,改質後CNT的官能基與生質材料產生鍵結,經FTIR分析亦可提高其與高分子間之相容性,且添加量8%以下,即可達到近導電之程度,達預定查核點目標。 完成高導電生質複材,表面電阻值可達104Ω以下,達到預定目標。 高性能及高功能性生質複材運用於3C產品-手機為例
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生質塑料的測試及驗證
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ISO生物可分解材料標準檢測方法比較 檢測方法 ISO 14851 CNS 14433 JIS K6950 ISO 14852
測試原理 氧氣消耗量 密閉呼吸計 二氧化碳釋出量 植種源 (提供微生物) 活性污泥法、土壤懸浮液法、堆肥懸浮液法 腐熟化堆肥 測試環境 好氧性/水相生物分解 好氧性/堆肥化生物分解 受試材料 粉體(粒徑250μm以下薄膜、破片或成形品) 100克粉體、薄膜或成形品/600克堆肥 試驗溫度 20~ 25± 1℃ (使用堆肥懸浮液時可使用較高之溫度) 58± 2℃ (依融點材料可使用適當溫度) 有效性判定 絕對生物分解度>70% 標準品之絕對生物分解度>70% /45天 試驗時間 依實驗數據曲線判定何時達穩定化,但最長可達六個月。 對照材料 cellulose
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高性能及高功能性生質複材運用於3C產品-手機為例
奈米碳管/生質複材開發及加工技術 完成製備奈米碳管生質複材塑膠,改質後CNT的官能基與生質材料產生鍵結,經FTIR分析亦可提高其與高分子間之相容性,且添加量8%以下,即可達到近導電之程度。 完成高導電生質複材,表面電阻值可達104Ω以下。 高性能及高功能性生質複材運用於3C產品-手機為例
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定量測定法 各檢測方法依測試原理、環境、植種源等差異,比較如表。其中 ISO (即 CNS 或 JIS K6953) 規範受試材料需於高溫 (58±2℃) 好氧堆肥化環境中檢測其二氧化碳釋出量 (180天),較符合一般廢棄物丟棄後集中於垃圾掩埋場之處理型態,更能反應及模擬樣品實際使用與分解情形,因此廣被世界各國採用,作為樣品之生物分解率標準檢測方法,其基本檢測單元配置如下圖: 生物可分解性塑膠標準試裝置配置圖(符合ISO 14855)
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植物生長力試驗評估試驗之有效性 第二天生長無明顯枯黃 第十四天生長無毒性
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生物可分解塑膠的檢測、標準與認證 組織名稱 德國 比利時 美國 芬蘭 日本 台灣 DIN CERTCO IBAW AIB Vincotte
生物可分解機構及美國堆肥協會 Atelaito syhdistys 生物可分解塑膠協會 中華民國環保生物可分解材料協會 標章 (登記中) 化學測試/堆肥測試 DIN V 54900 EN 13432 ASTM 6400 GreenPla 認證制度 完全生物可分解測試 EN ISO ISO ISO 14855 ASTM ASTM D5271 ASTM D5338 ASTM D6002 ISO 14851 ISO 14852 ISO 14855 OECD 301C JIS K 6950 JIS K 6951 JIS K 6953 CNS 14432 CNS 14433 CNS 14478 最長期間 6個月 未詳細規範 分解程度 60%(單體)或90%(摻合分子) 90%適當參照數值 60%(單體)或90%(摻合分子) 60%適當參照數值
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生質塑料的改性
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生質塑料改性方法 化學方法 添加多官能基偶合劑 (又稱鏈延長劑),進行反應押出,提高分子量。 共聚合反應改質,導入芳香族或其他特殊官能機團
物理方法 主要係利用混練加工進行改性,主要有下列幾種方法: 生質塑料/植物纖維複合材料機械性質/耐熱性 生質塑料/(奈米)添加劑機械性質/耐熱性/導電性/結晶速度 生質塑料/石油系塑膠合膠機械性質/耐熱性
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PIDC-高耐熱PLA的物性比較 彎曲模數 kgf/mm^2 衝擊強度 J/m 軟化溫度 ℃ 比重 g/cm^3 流動係數 g/10min
300~350 25~30 54~58 1.2~1.25 5~30 PLA-C系列 110~120 PLA-K系列 780~880 30~38 70~94 ~1.2 2~6
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