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高分子材料未來的發展

因應全球暖化下高分子工業之發展. 高分子材料未來的發展. 陳志勇 國立成功大學 化工系. 陳志勇 國立成功大學 化工系. 背景. 氣候異常 地球暖化 温室氣體 (CO2) 的減量 石油資源匱乏 衝擊化石能源與化石材料的來源 再生能源 / 生質材料的開發 高分子材料 有機材料、以石化為原料

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高分子材料未來的發展

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Presentation Transcript

  1. 因應全球暖化下高分子工業之發展 高分子材料未來的發展 陳志勇 國立成功大學 化工系 陳志勇 國立成功大學 化工系

  2. 背景 氣候異常 地球暖化 温室氣體(CO2) 的減量 石油資源匱乏 衝擊化石能源與化石材料的來源 再生能源/生質材料的開發 高分子材料 有機材料、以石化為原料 石化上、中、下游,愈上游愈耗能 CO2 排放量愈高 材料回收再利用 背景 背景 ※金屬鋁的再生只需原鋁生產過程之1/20 的能量 Chuh-揚陳NCKU

  3. 地球的暖化 ( 一)地球自体的温度 圖2 地球的熱收支 太陽电磁波之波長為0.2 至0.7 微米 地球放射的电磁波為4.0 至100 微米的紅外線 依据地球紅外線能量計算,理論上地球平均表面温度為零下18.5oC， 此為等價黑体温度。 ( 二)地球大氣温度 地球平均表面温度實際測量為零上15oC， 與理論值差為33.5oC， 此稱為地球大氣造成的温室效應。 產生温室效應之原因: 地球以紅外線向宇宙放射,但被放射的能在途中被氣体( 温室效應氣体)吸收,從而地球受到保温。 温室玻璃罩 溫室效應氣体有: 自然的水蒸氣、CO2 、甲烷、臭氧、N2O 等 人工的氟利昂

  4. (三) 地球熱收支 圖2–3 地球的熱收支

  5. 2. 甲烷在大氣中濃度的變化 來源：水田等有机物腐敗發酵、畜生糞便厭氧性發酵及天然氣。 每年增加1％。

  6. 3. 一氧化二氮(笑氣)在大氣中濃度的變化 來源: 施用化肥、化石燃料和生物量燃燒。 每年增加0.26% 4. 臭氧在大氣中濃度的變化 於成層圈遭CFC增加而破壞減少: 臭氧層 於對流圈反而增加，年增加2至3% 5. CFC(氟利昂)在大氣中濃度的變化 FC-11; FC-12 : 人工合成，非天然 年增加5%

  7. 引自1993年通產省編 、電力新報社出版 世界能源儲藏量

  8. 國際原油價格走勢圖 石油即將告馨 世界能源消耗量變遷史 Chuh-Yung Chen NCKU

  9. 因應之道 • 從追求物質豐富、生活舒適 • 轉至與環境協調共存 • ●材料和產品的完全循環利用 • ●環境協調型產業－21世紀發展方向 • ※環境材料－支撐21世紀高度文明的物質基礎 • 考量： • 資源消耗量 • 能源消耗量 • 温室氣体產生量 • 環境負荷量 LCA 生命週期分析

  10. 環境協調性 舒適性 先進性 環境材料性能的三維坐標表

  11. LCA 生命週期分析 • 考量： • 資源消耗量 • 能源消耗量 • 温室氣体產生量 • 環境負荷量

  12. 投入 排出 原料獲得 原料 排往大氣 能源 材料製造與加工 排往水中 再 生 循 環 排往其他 環境 固態廢棄物 產品生產 使用 流通 消費 作為有用的產品 在整個壽命周期 中物質和能量的 平衡情況 廢棄

  13. 購物袋之LCA調查數據（單位：每1000袋）

  14. LCA 生命週期分析 環境影響評價 環境負荷之改善 原物料及製程之 改善或最佳化 環境負荷分析 LCA 定量調查 LCA研究構成圖

  15. 高分子材料 消費性包裝材 : 3C Housing 輕、薄、短、小 泛用級塑膠 使命壽命短 著重回收＆生質材料的開發 Bio-Plastic(BP) = 生質材(25%)＋石化材 永久材 : 結構材、建材 使命壽命長 追求高强度 Composite materials FRP (Fiber-Reinforce Plastics) Engineering Plastics Nano-Composite Materials 的開發 功能性材料 :光電材料、薄膜分離材料、 、 、 著重功能性 ※金屬鋁的再生只需原鋁生產過程之1/20的能量 Chuh-Yung Chen NCKU

  16. Green plastics & Biomass Plastics

  17. Green plastics & Biomass Plastics

  18. DuPont Bio-PDO Process O HO OPO = 3 OH O OH HO OH = HO OPO 3 HO OH OH HO OH O HO HO OH Gene 1 Glucose Gene 2 Presidential Green Chemistry Award 2003 Gene 3 Gene 4 PDO(3G) 3GT Sorona™ Polymers Fibers, Resins, etc DMT

  19. Major Components In Lignocellulosic Biomass 木質纖維素 • Lignin: 15-25% • Complex network of aromatic compounds • High energy content • Treasure trove 有價值的 • of novel chemistry 木質素 半纖維素 • Hemicellulose: 23-32% • A collection of 5- and 6-carbon sugars linked together in long, substituted chains- branched • Xylose , arabinose , glucose, mannose and galactose 木糖 樹膠醛醣 半乳糖 • Cellulose: 38-50% • Long chains of beta-linked glucose • Semicrystalline structure 4/22/03 Re: J.D. McMillan, NREL

  20. 牧草 Grass Secondary Cell Wall http://digital.library.okstate.edu/oas/oas_pdf/v72/p51_56.pdf

  21. 其它生質材 • 天然乳膠 • 油脂 (Alkyd Resin) • 蟲膠 • 明膠 • 阿拉伯膠 • 甲殼素 • 、、、

  22. 生質材之特徵 • 生物分解材 • 一般為碳水化合物，高分子主鏈非碳－碳鍵 • 而為碳－氧／氮鍵 • 3. 為結晶材、質硬而脆 • 4. 高温加工易水解、回收物性下降 • 因應之道： • 與石化材摻混 • 加工助劑： 鏈延長劑、增韌劑

  23. Chain Extender Plastic Degradation & Chain Extension • Polycondensates (PET, PBT, PLA, PC, TPU & PA) degrade during processing primarily through hydrolysis • Degradation leads to poor properties and inability to recycle material in demanding applications • Chain extenders increase the molecular weight of poly-condensates by re-coupling their degraded chains while their synthesis, processing, re-processing or recycling is taking place

  24. Chain Extension Chemistry

  25. 非石化材 • PVC (Polyvinyl choride) • 用途﹕ 包裝材、永久材(建材、壁紙、地磚、氣密窗) • 原料來源﹕氯乙烯(vinyl chloride) • 乙炔 電石土(碳化鈣、CaC)加水反應 • HCl NaCl(海水、塩田)水溶液之两性膜電解 • CH≣CH + HCl ClCH=CH2 (VCM) • 塑化劑 DOP 環境荷爾蒙 • 高分子塑化劑 MBS • (MMA-Butadiene-ST) • 壓克力寡聚物 • PVC改質劑

  26. 有關環境材料問題之因應之道(1) 有關環境材料問題之因應之道: 低耗能／低CO2排放量／低LCA 1. 增加材料之生命週期 2. 資源回收再利用 3. 生質(可再生)資源的尋求與開發 環境材料之研究重點: 1. 耐久性材料的開發 2. 生質材料／仿生材料的化、物性基礎研究 3. 生質材料與石化合成材料之摻合加工研究 4. 高分子材料之回收再利用研究 Chuh-Yung Chen NCKU

  27. 高分子材料 消費性包裝材 : 3C Housing 輕、薄、短、小 泛用級塑膠 使命壽命短 著重回收＆生質材料的開發 Bio-Plastic(BP) = 生質材(25%)＋石化材 永久材 : 結構材、建材 使命壽命長 追求高强度 Composite materials FRP (Fiber-Reinforce Plastics) Engineering Plastics Nano-Composite Materials 的開發 功能性材料 :光電材料、薄膜分離材料、 、 、 著重功能性 ※金屬鋁的再生只需原鋁生產過程之1/20的能量 Chuh-Yung Chen NCKU

  28. 永久材﹕車輛產業、航太產業、3C產業、綠色建築產業永久材﹕車輛產業、航太產業、3C產業、綠色建築產業 ***著重“省能源(輕、強)” 工程塑膠 耐高温、優異的機械强度 特異分子結構、繁瑣合成步驟、高温加工 複合材料 (FRP) Fiber﹕Glass Fiber Carbon Fiber 高温(大於1000oC)製程、難回收(粉碎斷裂) Plastics Thermoplastics Thermosetting plastics 無法回收再用 “綠色製程”“資源回收再利用(環境材料)” Nano-Composite Plastics

  29. 高分子奈米複合材料的優勢 結構性材料 : 永久材 高分子奈米複合材 包裝材:鋁箔包裝 : 防水、阻氣 環保問題 綠色包裝材；取代多層膜材 高分子奈米複合阻氣材

  30. 結構性高分子材料 車輛產業 航太產業 3C產業 綠色建築產業 ***著重“省能源(輕、強)” “綠色製程” “資源回收再利用(環境材料)”

  31. 為了抑制、減少廢气，人們正在通過各种技術來改善汽車的油耗。尤其是，油耗和汽車重量密切相關，所以通過減輕汽車重量來改善油耗已成為一种主要的發展方向。當然，利用替代礦物燃料的新型清淨能源汽車的開發也取得了很大進展，但車輛的輕型化對這种利用替代礦物燃料的汽車來講也同樣是必要的。為了抑制、減少廢气，人們正在通過各种技術來改善汽車的油耗。尤其是，油耗和汽車重量密切相關，所以通過減輕汽車重量來改善油耗已成為一种主要的發展方向。當然，利用替代礦物燃料的新型清淨能源汽車的開發也取得了很大進展，但車輛的輕型化對這种利用替代礦物燃料的汽車來講也同樣是必要的。

  32. 功能性高分子材料 材料功能化、高值化 1. 離子交換樹脂 9. 電致發光／變色高分子材料 2. 吸附樹脂 10. 非線性光學高分子材料 3. 離子交換纖維 11. 環境敏感高分子材料 與活性碳纖維 智能高分子材料 水凝膠 4. 高分子分離膜 12. 感光高分子材料 5. 高分子色譜固定相 13. 醫用高分子材料 6. 高分子試劑 14. 高分子電解質 7. 高分子擔体催化劑 15. 高分子染料 8. 導電高分子材料 16. 液晶高分子材料

  33. 能源問題之研究重點 1. 再生能源 (1) 太陽能電池、染料敏化電池： 　　　相關元件與材料(封裝與Housing)的開發 講求高效率、高壽命、高透明、高耐候、、、 (2) 燃料電池： 　　　相關元件與材料(封裝與Housing)的開發 　　　講求高效率、高壽命、高安全性(氫氣之密封、 　　　　　　　　　　　 氫氣對材料的脆化) (3) 生質能 ：生質酒精的純化 2. 省能製程 綠色製程 高分子薄膜

  34. 背景-1 Atmospheric concentrations of important long-lived green house gases over the last 2,000 years 全球暖化與溫室效應 • 全球氣溫攀升、海平面提高、地表覆蓋冰量減少，全球暖化。 • 溫室氣體(CO2、CH4、 N2O)在大氣中逐年濃度提高。 Observed changes in (a) global average surface temperature (b) global average sea level (c) Northern Hemisphere snow cover for March-April IPCC Climate Change 2007:Synthesis Report IPCC Changes in Atmospheric Constituents and Radiative Forcing. In Climate Change 2007:The Physical Science Basis

  35. 背景-2 Global annual emissions of anthropogenic GHGs from 1997 to 2004 World primary energy consumption by fuel type 溫室氣體與不可再生能源 • 二氧化碳占溫室氣體七成以上、大部分來自不可再生的化石燃料(石油、煤炭、天然氣)使用。 • 世界能源消耗不可再生的化石燃料占七成以上。 Share of different anthropogenic GHGs in total emissions in 2004 in terns of CO2-eq IPCC Introduction. in Climate Change 2007:Mitigation IPCC Climate Change 2007:Synthesis Report BP Statistical Review of World Energy June 2007

  36. 背景-3 • 潔淨能源包括 : • 水力、地熱、海洋能、風力、太陽能。 • 太陽能 : • 分布廣、無廢料、長久。 • 太陽能電池 : • 無噪音、無汙染、可無人值守、不須經常維護、建設週期短、規模大小隨意、可簡便地與建築物結合。 IEA member government budgets for total renewable energy R&D annual investments for1974-2003 • 太陽能電池的研發受到重視 IPCC Energy Supply. in Climate Change 2007:Mitigation

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