108 年 國立臺灣大學森林環境暨資源學系碩士班乙組《生物材料化學加工》

此題為名詞解釋題，主要測試考生對生物材料化學加工領域常用術語的理解程度。

1. Delignification: 木材脫木質素的過程。這是紙漿製造和木材改質的重要步驟，旨在去除木材中的木質素，以提高纖維的純度和反應性。
2. CMC: 羧甲基纖維素 (Carboxymethyl cellulose)。一種纖維素衍生物，具有良好的水溶性、增稠性、保水性、懸浮性和成膜性，廣泛應用於食品、醫藥、紡織、造紙等領域。
3. Crystallinity Index: 結晶度指數。衡量聚合物材料中結晶區與非晶區比例的指標。對於纖維素等生物聚合物，結晶度影響其機械強度、溶解性、反應性等性質。
4. Flavonoids: 黃酮類化合物。一類廣泛存在於植物中的酚類化合物，具有抗氧化、抗炎等生物活性，在天然染料、藥物和化妝品中有應用。

此題分為兩部分：第一部分要求列舉塗料性質檢驗項目，第二部分探討固形成分降低對家具生產的影響。

第一部分：塗料性質檢驗項目

塗料的性質檢驗項目眾多，旨在確保塗料的適用性、耐久性、環保性及施工性能。以下列舉五種常見且重要的檢驗項目：

1. 黏度 (Viscosity): 影響塗料的流動性、塗刷性、噴塗性及儲存穩定性。
2. 固成分含量 (Solid content): 指塗料中不含溶劑的成分（樹脂、顏料、添加劑等）的百分比。直接影響塗膜厚度、遮蓋力、乾燥時間及 VOC 排放量。
3. 光澤度 (Gloss): 衡量塗膜表面反射光線的能力，影響家具的外觀質感。
4. 耐候性 (Weather resistance): 評估塗料在戶外或惡劣環境下的耐久性，包括耐紫外線、耐濕熱、耐水性等，影響家具的長期使用壽命。
5. 附著力 (Adhesion): 塗膜與基材（木材）之間的結合強度，是塗膜完整性和耐久性的基礎。

第二部分：固形成分降低的影響

若家具工廠購買的塗料固形成分從 60% 降至 30%，這表示塗料中溶劑的比例顯著增加（從 40% 增加到 70%）。這將會產生多方面的影響：

此題主要考察對針葉樹木材中聚多醣（主要是纖維素和半纖維素）分離方法、主要成分及其組成的理解。

分離針葉樹木材中聚多醣的方法：

針葉樹木材的主要成分是纖維素、半纖維素和木質素。分離聚多醣通常需要先去除木質素，因為木質素會與纖維素和半纖維素緊密結合，阻礙其分離和純化。

一種常見的分離方法是化學處理：

1. 預處理 (Pretreatment): 首先將木材粉碎成細粉，以增加反應表面積。
2. 脫木質素 (Delignification): 這是關鍵步驟。常用的方法包括：
   • 鹼處理 (Alkaline treatment): 使用氫氧化鈉 (NaOH) 或其他鹼性溶液，在一定溫度和時間下處理木材。鹼液可以溶解和移除部分木質素，並對半纖維素產生一定程度的降解。
   • 氯化漂白 (Chlorination/Bleaching): 使用氯化物（如二氧化氯 $ClO_2$）進行漂白，進一步去除殘留的木質素。
   • 過氧化氫漂白 (Peroxide bleaching): 使用過氧化氫 ($H_2O_2$) 或過氧乙酸等氧化劑，在鹼性條件下漂白，對環境較友好。
   • 有機溶劑法 (Organosolv method): 使用有機溶劑（如乙醇、醋酸）與水混合，在加熱條件下分離木質素和纖維素。
3. 酸水解 (Acid Hydrolysis): 在脫木質素後，使用稀酸（如硫酸 $H_2SO_4$）在加熱條件下進行部分水解。酸水解可以選擇性地降解半纖維素，而對結晶度較高的纖維素影響較小。通過控制酸濃度、溫度和時間，可以實現半纖維素與纖維素的分離。
4. 過濾與洗滌 (Filtration and Washing): 分離得到的固體部分（主要是纖維素）需要經過多次水洗，以去除殘留的酸、鹽類和降解產物。
5. 純化 (Purification): 根據需要，可能還需要進一步的純化步驟，如鹼處理以去除殘餘木質素或降解產物。

主要分離部及其單糖組成分及比例：

通過上述分離過程，主要可以獲得兩大部分：

此題考察對木材中可溶性抽出成分（extractives）及其對木材利用影響的理解。

抽出成分 (Extractives) 是指木材中可以被水或有機溶劑（如乙醇、丙酮、己烷等）溶解和提取出來的非結構性化學物質，它們不構成木材的結構骨架（纖維素、半纖維素、木質素）。這些成分種類繁多，包括單寧、油脂、蠟、樹脂、酚類化合物、萜烯類、揮發油、色素、礦物質等。

抽出成分對木材利用的影響：

抽出成分對木材的性質和用途有著顯著且多方面的影響，既有積極作用，也有消極作用。

積極影響的例子：

1. 防腐防蟲性 (Natural durability and pest resistance): 許多抽出成分，特別是酚類化合物（如單寧、類黃酮）和萜烯類，具有天然的抗菌、抗真菌和抗蟲活性。例如：

   • 紅木 (Redwood) 和 柏木 (Cedar) 等木材因含有豐富的單寧和揮發油，具有優異的天然耐久性，不易受腐朽菌和昆蟲侵蝕，適合用於戶外建築、圍欄、屋頂瓦等。
   • 松木 (Pine) 中的樹脂和松節油成分也具有一定的防腐和防蟲作用。
   • ** teak (柚木)** 中的柚木油 (teak oil) 含有豐富的單寧和揮發油，使其具有極佳的耐候性和抗腐蝕性，是製作高級家具、船舶甲板和戶外設施的理想材料。

2. 顏色和香氣 (Color and aroma): 抽出成分是木材天然顏色的主要來源，也賦予木材獨特的香氣。

   • 紅木 (Rosewood) 的深紅色、櫻桃木 (Cherry) 的紅褐色、胡桃木 (Walnut) 的深棕色等，都與其所含的色素類抽出成分有關。這些獨特的顏色和紋理使得這些木材在高級家具、樂器和裝飾裝修中備受青睞。
   • 檀香木 (Sandalwood) 的濃郁香氣則來自其豐富的揮發油成分，使其成為製作香料、工藝品和宗教用品的珍貴材料。

3. 加工性能和表面特性 (Machining and surface properties): 某些抽出成分可以影響木材的加工性能，例如潤滑作用可以使木材更容易切割；而有些樹脂成分則可能堵塞刀具。此外，一些抽出成分（如蠟質）可以改善木材表面的光澤和光滑度。

此題考察對木材膠合劑的要求、常見膠合劑的種類及其特性與適用時機的理解。

理想木材膠合劑應具備的特性：

一個理想的木材膠合劑應該具備以下特性，以確保木材製品的強度、耐久性和美觀性：

1. 高強度 (High strength): 膠接強度應至少等於或優於被膠接木材的強度，即膠接接頭應能承受與木材相當的應力而不發生破壞（內聚破壞），而不是膠層與木材之間脫開（黏合破壞）。
2. 良好的耐久性 (Good durability): 膠層應能長期穩定地承受使用環境中的各種因素，包括濕度變化（吸濕、乾燥）、溫度變化（熱脹冷縮）、化學物質（如酸、鹼、溶劑）、生物侵蝕（如微生物、昆蟲）以及機械應力（如振動、衝擊）。
3. 良好的黏結性/浸潤性 (Good adhesion/wettability): 膠合劑應能良好地浸潤木材表面，並與木材表面形成牢固的物理或化學鍵合。這意味著膠合劑在固化前應具有適當的黏度，能夠滲入木材的微細孔隙。
4. 適當的固化速度和操作時間 (Appropriate curing speed and working time): 固化速度應適中，既能保證生產效率（快速固化），又必須提供足夠的操作時間（開放時間，open time），以便將木材部件精確就位並施加足夠的壓力。
5. 低收縮率 (Low shrinkage): 膠合劑在固化過程中收縮率應盡可能低，過大的收縮會產生內應力，導致膠層開裂或與木材分離。
6. 耐水性/耐濕性 (Water/moisture resistance): 根據使用環境，膠合劑需要具備不同程度的耐水性。例如，用於室內家具的膠合劑可能只需要一定的防潮性，而用於戶外結構或海洋環境的膠合劑則需要極高的耐水性。
7. 耐熱性 (Heat resistance): 膠層應能在一定溫度範圍內保持其強度和穩定性，特別是對於需要承受高溫的應用（如某些結構或汽車內飾）。
8. 環保性和安全性 (Environmental friendliness and safety): 膠合劑應盡量減少或不含對人體健康有害的揮發性有機化合物 (VOCs) 和有毒物質，並且在生產、使用和廢棄過程中對環境的影響最小。
9. 成本效益 (Cost-effectiveness): 膠合劑的價格應與其性能相匹配，滿足經濟可行的要求。
10. 易於施工 (Ease of application): 應易於混合（如雙組份）、塗佈和清潔。

三種常用木材膠合劑的比較與使用時機：

以下比較三種常見的木材膠合劑：脲醛樹脂膠 (Urea-formaldehyde, UF)、聚醋酸乙烯酯乳膠 (Polyvinyl acetate, PVAc) 和環氧樹脂膠 (Epoxy resin)。

特性/膠合劑	脲醛樹脂膠 (UF)	聚醋酸乙烯酯乳膠 (PVAc)	環氧樹脂膠 (Epoxy resin)
強度	高強度，通常優於木材本身。	中等強度，適合一般木工，強度低於 UF 和 Epoxy。	極高強度，通常能達到或超過木材的強度，可承受高應力。
耐久性	耐濕性較差，不耐長時間浸水，但耐熱性尚可。

此題考察對循環經濟概念的理解，以及生物材料加工和硫酸鹽紙漿生產與循環經濟的關聯性。

循環經濟 (Circular Economy)

循環經濟是一種經濟發展模式，其核心理念是**「減少、再利用、再循環」(Reduce, Reuse, Recycle)**，旨在最大限度地減少資源消耗和廢棄物產生，並將產品、組件和材料在最高價值狀態下持續循環利用。它與傳統的「線性經濟」(Linear Economy) 模式（即「開採、製造、使用、丟棄」）相對立。循環經濟強調的是：

• 設計優化: 從產品設計階段就考慮其可拆卸性、可修復性、可回收性。
• 資源效率: 提高資源利用效率，減少一次性消耗。
• 延長產品壽命: 通過維修、翻新、再利用來延長產品的使用週期。
• 廢棄物最小化: 將廢棄物視為資源，通過再循環、再製造等方式重新納入生產和消費體系。
• 再生能源利用: 優先使用可再生能源。

生物材料加工利用為何符合循環經濟精神？

生物材料（如木材、纖維素、澱粉、蛋白質等）的加工利用之所以符合循環經濟的精神，主要體現在以下幾個方面：

1. 可再生性 (Renewability): 生物材料大多來源於可再生的生物資源（如農作物、森林），可以通過可持續的種植和管理來不斷供應，不像化石資源是有限且不可再生的。
2. 生物降解性 (Biodegradability): 許多生物材料在生命週期結束後可以被微生物分解，回歸自然，減少對環境的長期污染。這符合減少廢棄物進入垃圾填埋場或自然界的目標。
3. 資源綜合利用 (Comprehensive utilization of resources): 生物質原料（如農業廢棄物、林業殘餘物）通常含有多種成分（纖維素、半纖維素、木質素、蛋白質、油脂等），通過先進的生物精煉技術，可以將這些成分分離並轉化為多種高附加值的產品（如生物燃料、生物塑膠、化學品、飼料等），實現了「從搖籃到搖籃」(Cradle to Cradle) 的理念，最大限度地減少了廢棄物的產生。
4. 碳循環 (Carbon cycle): 生物材料在生長過程中吸收大氣中的二氧化碳，並在生命週期結束後分解釋放，形成一個相對閉合的碳循環，有助於減緩氣候變化。

硫酸鹽紙漿生產流程中的循環經濟體現：

硫酸鹽紙漿（Kraft process）是目前世界上最主要的化學製漿方法。其生產流程中，雖然仍存在一些挑戰，但已經整合了許多符合循環經濟原則的措施，以提高資源利用效率和減少環境影響：

1. 木質素的回收與利用 (Lignin recovery and utilization):
   • 機制: 在硫酸鹽製漿過程中，木質素被溶解到黑液 (black liquor) 中。

此題要求說明木材撥水劑的組成成分以及其對木材性質和耐久性的影響。

木材撥水劑 (Water-repellent preservatives, WRPs) 的組成分：

木材撥水劑通常是一種複合型的處理劑，旨在同時賦予木材撥水性、防腐性、防蟲性，並在某些情況下改善尺寸穩定性。其主要組成分包括：

1. 撥水性物質 (Water-repellent agents): 這是 WRPs 的核心成分，用於降低木材的吸水性和表面潤濕性。常見的撥水性物質有：

   • 蠟類 (Waxes): 如石蠟 (paraffin wax)、微晶蠟 (microcrystalline wax)、蜂蠟 (beeswax) 等。蠟類物質在木材細胞腔和細胞壁中形成疏水層，阻止水分滲入。
   • 有機矽化合物 (Organosilicon compounds): 如矽油 (silicone oil)、矽烷 (silanes)、矽氧烷 (siloxanes) 等。這些化合物能與木材表面的羥基 (-OH) 形成共價鍵或物理吸附，在其表面形成一層疏水的矽氧烷網絡，具有優異的撥水效果和耐久性。
   • 脂肪酸及其衍生物 (Fatty acids and their derivatives): 如硬脂酸 (stearic acid) 等，也能提供一定的撥水性。
   • 植物油 (Vegetable oils): 如桐油、亞麻籽油等，雖然也會提供一定的撥水性，但其主要作用是填充和固化，同時也帶有天然的防腐效果。

2. 防腐防蟲劑 (Preservatives): 為保護木材免受真菌（腐朽菌、黴菌）和昆蟲（如白蟻、甲蟲）的侵蝕，WRPs 通常會添加防腐防蟲藥劑。

   • 銅基化合物 (Copper-based compounds): 如醋酸銅 (copper acetate)、碳酸銅 (copper carbonate)、銅唑 (copper azole, CA) 等。銅離子具有廣譜的殺菌和殺蟲作用。
   • 有機殺菌劑 (Organic biocides): 如季銨鹽 (quaternary ammonium compounds, Quats)、IPBC (Iodopropynyl butylcarbamate)、DCOIT (2-n-octyl-4-isothiazolin-3-one) 等。
   • 硼化合物 (Boron compounds): 如硼酸 (boric acid)、硼砂 (borax)。對真菌和某些昆蟲有效，且對人畜毒性較低。

3. 溶劑或載體 (Solvents or carriers): 為了使撥水劑和防腐劑能夠均勻地滲透到木材內部，需要使用溶劑或載體。

   • 有機溶劑 (Organic solvents): 如礦物油精 (mineral spirits)、石油溶劑 (petroleum distillates) 等。能溶解蠟類和部分有機防腐劑，並幫助其滲透。
   • 水性載體 (Aqueous carriers): 對於水溶性防腐劑和某些改性矽烷，會使用水作為載體。

此題考察對造紙工業中填料的種類、特性及其對紙張性質影響的理解。

造紙工業中填料 (Filler) 的種類與特性：

填料是造紙過程中添加到紙漿中的細小無機礦物粉末，它們不參與纖維的結合，而是分散在纖維之間或附著在纖維表面。添加填料的主要目的是改善紙張的外觀、印刷性能和某些物理性能，同時也能降低紙張的生產成本。

主要填料的種類與特性：

1. 碳酸鈣 (Calcium Carbonate, $CaCO_3$):

   • 種類: 主要分為兩種：
     • 重質碳酸鈣 (Ground Calcium Carbonate, GCC): 由天然石灰石或大理石研磨而成，顆粒形狀不規則，粒徑分布較寬。
     • 輕質碳酸鈣 (Precipitated Calcium Carbonate, PCC): 通過化學沉澱法製備，顆粒形狀規則（如立方體、針狀、紡錘形），粒徑較小且分布均勻。
   • 特性:
     • 白色度高 (High brightness): 具有良好的白色度，能提高紙張的白度。
     • 遮蓋力好 (Good opacity): 能有效阻礙光線穿透，提高紙張的不透明度。
     • 填充性好 (Good filler retention): 尤其 PCC，由於其粒徑和形狀，容易被纖維吸附。
     • pH 值中性或微鹼性: 對紙張的影響較小，有助於提高紙張的耐久性，適用於製造酸性紙和鹼性紙。
     • 成本相對較低: 尤其是 GCC，是目前使用最廣泛的填料。

2. 滑石粉 (Talc, Hydrated Magnesium Silicate, $Mg_3Si_4O_{10}(OH)_2$):

   • 特性:
     • 細膩度高 (High fineness): 顆粒非常細小且呈片狀。
     • 潤滑性好 (Good lubricity): 具有滑爽的觸感，能改善紙張的平滑度。
     • 遮蓋力好 (Good opacity): 由於其片狀結構，能有效增加紙張的不透明度。
     • 疏水性 (Hydrophobicity): 具有一定的疏水性，有助於提高紙張的抗水性。
     • pH 值中性: 對紙張穩定性影響小。
     • 成本較高: 相較於碳酸鈣。

3. 高嶺土 (Kaolin, Clay, Hydrated Aluminum Silicate, $Al_2Si_2O_5(OH)_4$):

   • 特性:
     • 白色度適中 (Moderate brightness)。
     • 遮蓋力好 (Good opacity)。
     • 填充性好 (Good filler retention)。
     • pH 值呈弱酸性: 可能對紙張的長期耐久性有一定影響（尤其是在高溫高濕環境下）。
     • 常用於塗布紙 (Coated paper): 其顆粒形狀和表面特性使其成為優良的塗布顏料，能形成光滑的塗布層，改善印刷質量。

4. 二氧化鈦 (Titanium Dioxide, $TiO_2$):

   • 特性:
     • 白色度極高 (Extremely high brightness): 是所有填料和顏料中白色度最高的。
     • 折射率極高 (Very high refractive index): 具有無與倫比的遮蓋力和不透明度，只需少量添加即可顯著提高紙張的白度和不透明度。
     • 化學穩定性好 (Chemically stable)。
     • 成本最高: 是最昂貴的填料，通常用於對白度和不透明度有極高要求的特種紙或高檔紙張。