Nagai Research Group

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Professor Kazukiyo Nagai

Plastic in wonderland: 膜的世界

我們的研究室主要是在開發能運用與新世代高分子機能膜的新素材。包含 (1) 使用在溫室效應之氣體”二氧化碳(CO2)”的分離回收、潔淨能源”氫(H2)”的純度提高、以及為了處理石油瓦斯和天然瓦斯等的分離膜、(2) 隱形眼鏡、人工肺之透氣膜、(3) 有機電致発光、太陽能電池、軟性電子顯示以及包裝用途之高阻隔膜。

CO2分離跟H2精製之膜

"膜”持有調控由膜相隔的兩層空間之物質得移動、例如氣體、液體、離子以及生物物質等之分離的特殊功能。膜的分離技術於以往的技術相較、有很多的優點且整體來看也比較容易。例如: 能在低溫下的等溫操作、不需要添加劑、低能量消費等。近年來這項技術不斷在進步、主要被使用在空氣分離、氮氣的純度提高、天然瓦斯分離、煙道氣的純化、脱水、揮發性有機化合物的回收等。特別是潔淨能源”氫(H2)”的純度提高和減少溫室效應之氣體”二氧化碳(CO2)” 這兩項技術是特別受全世界的關注。但是在於高CO2壓下玻璃狀高分子膜會被塑性化、而導致膜的分離性能的低下。

因此在於天然瓦斯的純度提高(CO2/CH4分離)、減少由火力發電所排出的CO2(CO2/空気分離)、燃料電池和石油精制時排出的氫氣純化(CO2/H2)等的氣體分離、高分子膜會因塑性化而受影響。事實上、膜的特性建立在高分子的化學結構和微細構造上。所以這項專為膜的材料而設計和合成的高分子、不只對新的膜的材料的開發有貢獻、相信對”膜”的科學技術的發展會有幫助(参考圖1)。而我們的最大目標就是為了地球溫暖化的對策、製造出溫室效應之氣體(特別是CO2)之高分子分離膜。

圖1. 従米作的高分子膜

Printed and flexible electronics devices用途的膜

在於有機発光二極菅(LEDs)、太陽能電池、電池、顯示的領域上、為了實現柔性、目前正在研究使用塑膠基板。但是相較玻璃基板、塑膠基板對於水蒸気和酸素的防禦性會比較低的問題点存在。例如、關於有機LEDs的使用上、需要水蒸気透過度(WVTR)低於10-6 g m-2 day-1的基板(参考圖2)。

此透過度遠遠低於目前使用在商業上技術的分析極限値。因此、決定擁有未滿10-4 g m-2 day-1的WVTR的有機–無機多層柔性膜的透過性是非常的困難像。目前為止、多種高阻隔的分析方法被提案、至今新的技術不停的在開発。我們的目的是機能性高阻隔膜的開発於此阻隔特性之測定方法的成立。

圖2. 需要的水蒸気透過度於酸素阻隔性能

減少塑膠垃圾產生,對地球負擔溫和的塑膠

2016年1月1日, United nations正式啟動”2030年永續發展目標議程”,當中以 "永續發展目標(SDGs)"為基本概念,推廣低碳社會、與自然共存的社會等,以永續性的發展為目標的社會概念。在與我國,2000年全面實施”包裝容器再生利用法“。整個社會概念成功從大量消費型社會轉換為3R (Reduce, Reuse, Recycle) 的循環型社會,也成功減少了產生的垃圾。

另一方,使用過後的塑膠容器流入海洋,造成了不少影響,不只是景觀上的影響,更嚴重的是對於海洋生物的影響,特別是”micro plastics “導致海洋生物的誤食,開始影響了整個海洋生物的生態。這是以整個世界,各國攜手得去克服的問題之一。除此之外在陸地上開始議論,輪胎、纖維、顏料等之耗損而產生的micro plastics 造成的影響。

在整個國際上關於環境問題,資源的有效利用的規定更為嚴格,除了使用免洗類的餐具,塑膠杯裝品之外, 我們已經開始邁入必須建立回收利用的資源循環型社會的時代了。目前推廣利用印刷在包裝上的條碼來管理品質以及物流配送,因IoT(Internet of Things)和AI(Artificial Intelligence)的導入而實現了高效率的管理,同時也使用在”food loss”的預防上。另外”有機Electro Luminescence 之透明plastic film”期待能帶給包裝容器更進一步的高技能化。雖然目前價格上還是比較高還無法實際使用,但以近未來為目標,希望能應用在食品,以及醫療用品等必須維持高水準的安全性之物品的包裝上。

接下來要討論材料,最近開始對於消費者呼籲產品之Biomass plastic的使用。由植物性原料合成的poly(ethylene) (PE), poly(ethyleneterephthalate) (PET) [Bio PE、Bio PET]越來越普及。也開始積極的利用可生物分解的poly(lactic acid) (PLA)。從削減溫室氣體的排出,以及回收利用等多方面觀點之需求下能預期全世界的Biomass plastic的需要會增加的。

我們的目標就是為了減少塑膠垃圾,研發出對地球溫和的塑膠。

聯繫詳細

Kazukiyo Nagai
Department of Applied Chemistry, Meiji University
1-1-1 Higashi-mita, Tama-ku, Kawasaki 214-8571, Japan
E-mail: nagai@meiji.ac.jp

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