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2020-05-14工研院用纖維素製成裝潢用膠 獲愛迪生獎金牌
461 期
Author 作者
郭家銘／本刊主編。
工業技術研究院材料與化工研究所（以下稱工研院材化所）研究團隊，憑藉「無甲醛環保接著劑」於今（2020）年四月勇奪有創新界奧斯卡獎之稱的愛迪生獎（Edison Awards）金牌。此不含甲醛的技術使用纖維素作為基底，目前已成功打進國際知名連鎖傢俱大廠供應鏈，並完成產品認證。本期《科技報導》專訪團隊的靈魂人物——工研院材化所組長林顯光，帶讀者一窺無甲醛環保接著劑的研發故事。
林顯光與研發團隊，憑藉「無甲醛環保接著劑」榮獲愛迪生獎金牌。（工研院材化所提供）隨著裝潢進到家中的甲醛
居家裝潢無論是櫃子、天花板還是地板，會使用到膠合板，並利用內含甲醛（formaldehyde）的樹脂作為接著劑。「這些傢俱、地板、天花板裡的甲醛會緩慢釋放，短則3年、長則15年，甚至20年。」林顯光說甲醛在生活中無所不在，更讓人擔心的是它對人體的危害。
甲醛具有刺激性，只要0.1百萬分點濃度（ppm）即能對人體粘膜產生刺激。這種物質也被聯合國列為一級的致癌物，可能造成血癌、鼻咽癌、氣喘、暈眩、頭痛、呼吸道與皮膚的症狀。
為了避免甲醛侵害人體健康，林顯光也提到有廠商用，製作出能「捕捉」甲醛的噴劑，然而這種方法的成效相當有限，他舉例像是裝潢材料或家具較內層的地方就是噴劑無法接觸到的死角，無法有效作用。另外，也有廠商嘗試以塑膠膜材包覆裝潢板材表面，然而甲醛為氣體，依然會從縫隙逸散而出，防不慎防。
成本低廉 讓尿素甲醛樹脂仍為主流
然而目前國內外裝潢仍以尿素甲醛樹脂作為接著劑的原因，在於「成本」考量。林顯光提到，在化工材料裡，尿素與甲醛可說是最便宜的用料（每公斤約10~15元），相比壓克力、環氧樹脂等（每公斤百元起跳），可節省近十倍的成本。
此外，甲醛也具有防腐的作用， 它能避免白蟻、粉蠹蟲（ambrosia beetle）等害蟲蛀食板材，讓傢俱和裝潢維持較好的狀態。「甲醛其實就是我們常見的福馬林。它為什麼可以當防腐劑？因為它對生物的傷害是很大的。」林顯光這麼說。
不過，尿素甲醛樹脂除了傷身，也有其它擾人的缺點。首先，由於兩者相加後成為主劑的儲存安定性不好，且很快就會硬化，因此混合後的半小時內就要使用完畢，這也導致製作接著劑的工廠無法離板材工廠太遠。再來，由於尿素甲醛的耐水性不佳，若要製作廚房、浴室等潮濕環境的裝潢，就需加入含酚類或美耐皿樹脂的物質，如此不僅增加額外的成本，這些添加物也會與甲醛反應並產生其它毒害。
不願與牲畜爭糧而放棄好材料
林顯光與他的研究團隊，想要找一種新的接著劑，既能保留尿素甲醛樹脂的優點，又可解決它危害健康、混合後不耐放等缺點。
團隊研發的靈感源於國研院一名來自美國的顧問，林顯光回顧五、六年前，第一次在這名顧問的介紹下，得知可以用大豆製作一種新的接著劑。「他用大豆取出油跟蛋白後，把剩下的大豆渣改質後，做出一種無甲醛的膠。」林顯光說，「他大概是全世界最早做無甲醛膠的人，也跟加拿大一家合板廠合作製出無甲醛的合板。」這個使用大豆剩材的想法無疑讓林顯光與團隊十分驚喜，但他們隨即也想到，以大豆製膠會不會同時有與牲畜競爭糧食的疑慮，讓他們有些卻步。
林顯光也因此開始尋找大豆之外，更好的替代品。當時，正在研究纖維素改質研究的林顯光，沒想到他想找的替代材料就在眼前。說也恰巧，他遇上國內一家製作尿素甲醛樹脂的化工廠商也有意願研發無甲醛的接著劑，雙方一拍即合，也促成了利用纖維素製作新型接著劑的研發。
纖維素改質帶來製膠曙光
纖維素是自然界中含量十分豐富的天然有機物，像是樹木中就有超過一半的成分是纖維素。但這麼堅硬的物質，又是怎麼變成柔軟又黏稠的膠呢？這個答案就在於林顯光團隊正在研究的「改質」這個環節。林顯光以果汁作為例子來解釋改質的過程，他說市售的柳橙汁和芭樂汁等果汁飲料，會較原本自水果榨出的原汁來得濃稠，原因便在於原汁中加入了經改質的水溶性纖維素，增加了黏稠度。而像是牙膏中也加入了改質的纖維素，它讓牙膏「在刷牙前穩定靜止不流動地站在牙刷上」林顯光說。
不過，如果水溶性纖維素未經熱硬化處理，就可能會重新溶於水中。團隊在研究的過程中，發現一種常用於衛生紙與紙箱製造的四級銨鹽（quaternary ammonium cation）作為硬化劑的效果特別好，因而嘗試將四級銨鹽加入改質後的纖維素中。這種硬化劑能與纖維素完成交聯反應（cross-linking reaction）、形成網狀結構，並產生媲美尿素甲醛樹脂的硬度。
林顯光回憶，「我當時用一個接觸長度一公分的木頭，把它黏著以後，我是拉不開的，這個力量至少有60~70公斤，表示纖維素有良好的接著能力。」他也補充，若在水溶性纖維素裡加入水性乳膠，還能達到耐水煮的效果。
此外，為了取代甲醛的驅蟲功能，團隊從板材製程與膠的性質著手。他們以180℃的高溫消滅木材中的原生蟲，並藉由板材底側塗上或直接添加在膠材中的環保殺蟲劑（如畢芬寧）根絕外來害蟲。而消費者的配合也很重要，若能將室內濕度控制在60~70％以下，也能避免白蟻等害蟲蛀食高含水量的木材。
無甲醛接著劑對人類生活的影響
憑藉纖維素製作的無甲醛接著劑榮獲愛迪生獎金獎，林顯光表示他與整個團隊都感到相當不可思議。接著劑所帶來的改變，不只影響著板材工業，生活中常見如含甲苯的強力膠也含有許多致癌物質，若能將有機溶劑代換成無毒、水性的材料，整個社會都能受益。 如此小而不起眼的物品，說不定將悄悄在我們身邊掀起一波革命，改變你我的居家環境。