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一場新材料研發計劃 如何在未來掀起革命? 太陽能板、輕軌列車、紡織全有「它」的身影 

一場新材料研發計劃 如何在未來掀起革命? 太陽能板、輕軌列車、紡織全有「它」的身影 

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未來,一直在進步

2022-03-08 10:00

台灣向來以工業大國自居,舉凡電子、光電、紡織、鞋業、汽車工業及建築等,都是我國的強勢產業,但是,民眾往往看到「成品」,在這些領域中所用的「材料」,卻猶如一個小螺絲釘,雖然構築出一項成品最基礎的部分,卻不是以主角姿態登場,反而是最重要的關鍵配角。

近年來台灣也開始有了自己的「材料」,如近期安坑輕軌車廂的國產車廂、太陽能模組、風機乃至紡織業,都在工研院的努力下,開始有了不一樣的材料創新,而不再只能仰賴國外進口的材料來製造。

 

工研院材料與化工研究所副所長陳哲陽就以太陽能發電模組舉例,以台灣而言,氣候可能比國外許多地方還來得嚴苛許多,像是目前正在澎湖海域場試驗的自製耐候邊框太電模組,為了要達成耐高溫、耐海風吹蝕,且能達到25年的壽命,確實需要在材料上耗費更多心思,而非靠進口材料所能達成,也因此才能發展出比全球各國更進步的材料技術。

 

工研院材料與化工研究所進行「產創新新材料開發計畫」已進入第3年,更結合工研院、中科院、紡織所、金屬中心、鞋技中心、塑膠中心等6個法人能量,聚焦「5+2產業創新」所需高端材料自主,其中更有超過90家以上廠商一同投入新材料研發,如新北市安坑輕軌的輕量化車廂部件、以耐候耐隆複合材料建置耐久無蝕工程塑膠邊框、紗線型RFID提供紡織品履歷資訊等,已讓台灣在材料創新領域上已頗有實績。

 

太陽能發電模組未來需求大增
材料如何耐台灣嚴苛氣候成課題

 

以「高端高分子工程材料開發」來說,目前已與太電模組大廠錸德合作,正在澎湖場域進行測試驗證,工研院材料與化工研究所高分子研究組新事業開發室經理高信敬提到,因應政府的綠能政策,未來初估所需太陽能模組至少5千萬套以上,在大量模組生產的需求之下,傳統太陽能模金的邊框為鋁合金材質,但無法因應台灣冬季強烈的東北季風,且又因為多在海邊建置,還需考量細石風沙吹蝕、高鹽份嚴重侵蝕等問題,因此決定以不會腐蝕的塑膠作為邊框材料。

 

但是,碰到的第一個問題點就是塑膠會有老化問題,要讓這項材料能耐得住風吹雨打,還要保證能使用25年,所以需結合耐隆(Nylon)進行合成結構設計,開發出新的尼龍工程材料。

 

雖然先將材料問題解決,不過高信敬表示,「加工」才是整個計畫最困難的部份,因為一開始生產出來的邊框是軟的,所以後來不斷進行電腦模擬、反覆與廠商間的回饋修正,最後透過異形押出技術,開發出國產耐蝕塑膠邊框。

 

這項技術的開發,讓生產出來的太電模組更為堅固,可以此抵擋風吹日曬雨淋,達成耐候、耐久、耐蝕等長效功能,目前這套糪製耐候邊框太電模組已在澎湖海域場試驗1年多的時間,在試驗期間為了測試其耐用性,還將驗證場域的標準變得更為嚴格,將整套太電模組面朝北、用仰角拉高的方式,讓迎風面變大,甚至還耐得住相當於1620公斤的17級強風風壓。

 

台灣軌道工業跨大步!

「國產輕軌車廂」未來安坑輕軌看得見

 

在另一項「高端複合材料」技術群組中,也與太電模組一樣,已有實際的應用場域,在未來台灣的軌道工業發展上,可望占有一席之地,甚至讓台灣成為國際車體產業供應鏈之一。

 

過去,台灣的列車車廂大多為國外產品,陳哲陽說,軌道車廂的金屬框都是金屬製,一旦重量太多就相當耗電,因此要如何「輕量化」,成為發展軌道車廂部件技術國產化很重要的關鍵,又像是過去車廂外體內外板用的是鋼板,目前開發出來的車體材料技術,則是則用複合板,上下兩層金屬、中間為塑料,與傳統鋼板相比,重量可減少50%。

 

工研院材料與化工研究所葉日翔博士表示,過去如淡海輕軌車廂為原裝進口,但是要將這項材料國產化,就需要有基礎能量,也因為安全性緣故,台灣法規對此相當嚴格,就像是要將塑膠材料放進車廂內,材料都必須經過認證。

 

為了要符合輕量化、強度夠、防火性等要求,除了有認證的問題以外,像是安坑輕軌的車廂外觀有曲面、弧面等美學曲線設計,加上面積又大,很容易在彎曲時,就讓「防火三明治結構板」脫層,增加加工的困難度。

 

也因此,在開發時就不時地改變製程與材料,讓這項材料在製造加工成車廂時,質地能夠軟一點,卻又不能太軟,還要能帶一點彈性。在開發製過程中,連來自中鋼的鋁板原料都曾幾經波折,中鋼甚至還特別為這項計畫做出新的商品。

 

工研院與台灣車輛公司為了完成軌道車輛全車車廂體部件模組化設計製造,與輕量化車體材料技術,也與包括森鉅、中鋼等廠商合作,目前已完成安坑線輕軌廂體部件量產與應用實績驗證,使得國產化技術有了重大突破,未來防火三明治結構板,也規劃用於電動巴士、冷鏈物流車及智慧電車等產業。

 

 

紡織業欲數位轉型

未來RFID藏紗線中助生產、回收管理

 

在「產業創新新材料開發計畫」中,另一項備受關注的材料技術,就是「紗線型RFID」。雖然RFID標籤的使用已在部分快時尚品牌開始使用,但僅止於衣服的吊牌,現行RFID標籤為電子零件,並不耐水洗、酸鹼及清潔劑等,雖然紡織業欲朝向「少量多樣化」、「客製化」、「快速化」的接單生產模式,但卻受限於製程而難以進行自動識別管理。

 

為此,工研院以此計畫發展紗線型RFID標籤來協助紡織產業數位轉型,紡織所副主任邱聯華表示,RFID並非新技術,但如果能將紀錄生產資訊的RFID放進很細的一條紗線中,像是每件衣服一製造出來就有一張「身分證」,未來無論在紡織業生產或回收管理上都能有很大的幫助。

 

邱聯華也舉例,像是半導體廠的無塵衣清洗非常麻煩,特別是衣/帽/鞋的配對,是個莫大的挑戰,清洗後要進行分類,需耗費不少人工,如果未來應用在無塵衣上,對於講求效率的科技廠而言,無塵衣清洗分類也能更有效率。

 

另外,在近年的哥本哈根時尚高峰會上,許多國際大廠包括H&M、Nike等服裝大廠都喊出「2030年要達成100%的回收原料」,也因此在衣物的回收管理上,將成為下一個重要的議題,未來紗線型RFID標籤若能成功商品化,不只能加速紡織業的數位管理,在回收管理上,也因能迅速掌握每件紡織品所有生產管理的資訊,對於供應鏈、回收端都將能有新的發展。

 

紗線型RFID提供紡織品履歷資訊,助於紡織品循環回收,獲得「2020德國iF設計獎」

 

技術特色

 

國產化、輕量化:國際輕軌車廂體模組部件設計製造技術,包括車廂體內外板、天花板、地板模組與符合EN-45545-2規範熱塑複合材料技術,且已實際應用於安坑線輕軌車廂上。


耐久、無蝕:耐候耐隆複合材料技術,透過新型態雙玻太電模組,並結合耐候尼龍合成技術及異型押出技術,開發國產耐蝕塑膠邊框,解決濱海高鹽分場域嚴重腐蝕問題。
產業化:此計畫已開發系列高端材料產品與建置核心技術平台,完成53件技術授權,累計已帶動90家以上廠商群投入新材料研發,包括石化/化工、金屬、陶瓷、紡織及終端應用廠等,年度促進投資金額達20億元以上。

 

 

成功心法

 

配合政府提出「以創新驅動產業升級轉型」,致力「5+2」產業創新,其所需材料及應用系統相當廣泛,透過跨領域結合加速材料系統研發,因此整合6個法人專精能量,用以集中資源、加速開發時程,形成高端創新材料開發體系,帶動跨業應用材料開發與連結能量,健全國內自主新材料供應鏈。

 

開發新技術時,在各個應用領域上,同步進行產業化整合,串連產業價值鏈,推動材料跨域系統驗證,並與工業局高端新材料試量產計畫銜接,運用整合型計畫及試量產計畫,推動業界投入產業化落實,強化國內產業自主研發、產品應用設計、放量生產等能力的拓展。

 

工研院同時也協助國內業者突破高端材料技術瓶頸,發展具產業效益之關鍵材料,建構台灣在材料產業發展新契機及提升國際競爭力。

 

 

【法人科專成果表揚】

經濟部技術處推動我國產業技術研發與創新,規劃執行科技專案,整合法人研究機構、產業界與學術界能量,研發前瞻且具產業應用潛力之技術,促進新興產業發展與產業升級轉型。

技術處為表彰對國內經濟和產業貢獻卓越者,特辦理『法人科專成果表揚』,設置「績優技轉獎」、「創業潛力獎」、「科專有感科技獎」、及「優良計畫獎」等獎項,藉此鼓勵法人更勇於開發具前瞻性、關鍵性及跨領域之產業技術,將研發成果多元移轉落實於產業,提升產業創新效益。

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