TWI545092B - Water - permeable and environmentally friendly materials and their production methods - Google Patents

Description

透水性環保材料及其製作方法

本發明係關於一種透水性環保材料之製作方法，其原料為玻璃，搭配使用石墨化的植物纖維粉末，使玻璃可被回收作為高透水性環保材料並具有導電力。

眾多的包裝材料當中，玻璃瓶或玻璃罐以其透光、折射、可見度高等物理特性，以及具有阻隔、耐熱、耐鹼、耐酸等特質，一直都是許多需要高度安全性的產品，如食物、飲料、藥品等物質在選擇包裝時的第一首選。

玻璃的原料是矽砂，其理論上可具有百分之百可回收再生的特性。而以廢玻璃瓶為例，其最佳的回收方式是「原型利用」，像是有菸酒相關公司針對其所生產的米酒、啤酒等產品，透過押瓶費制度及逆向回收系統，將所收回的玻璃酒瓶，在廠房內經過清洗與高溫消毒處理後，可直接作為裝填原產品的容器使用。這種不經破碎再生處理，直接以「原型利用」的方式再使用，具有最高的環保效益，能最大化節省成本與資源。

不過在實務上，並不是所有的廢玻璃都存在方便的回收管道而供原製造公司重新利用，同時也有相當數量之廢棄玻璃本身已破損而沒有原型利用的可能，因此，其他處理廢棄玻璃的方法也逐步被開發並日益成熟，例如利用熔爐將廢棄玻璃重新熔融後再製為 新的玻璃瓶罐。然而，由於玻璃所含微量金屬之成分會影響其色澤表現，例如較常見的透明、褐色與綠色三種，因此在重新熔融之前，需要將廢棄玻璃進行顏色分類，但也不是所有顏色之玻璃都有被相關回收業者用於重新熔融再製。

有鑑於此，如何開發一種新穎的廢棄玻璃再生方式，使玻璃不論外觀、種類、色澤，都可一體適用此再利用方式而回到人們的生活中，為相關技術領域所要面對的一個問題。

本發明之主要目的，係提供一種透水性環保材料之製作方法，其將玻璃體顆粒化之後，經與植物纖維粉末混合並壓成錠體，再於封閉環境下進行燒結程序，使植物纖維粉末因悶燒而石墨化，具有導電能力。玻璃顆粒則會因接觸表面軟化，而在空間結構上固定位置，並利用植物纖維粉末在石墨化過程中因縮小體積而留下些許空間作為孔隙，達到透水的目的。

本發明之又一目的，係提供一種透水性環保材料之製作方法，其可透過球磨的方式將玻璃顆粒研磨為粒徑較為均一的細小粉粒，燒結後的透水性環保材料會因觸感較為光滑細緻而有較高的商業價值。

本發明之另一目的，係提供一種透水性環保材料，其能作為濾材、透水性地磚，或者是牆面吸附材、隔音材料等應用，具有耐磨耗且透氣的特性，更因材料是以玻璃為主體，具有無毒的優點。且其在結構上包含有石墨，可作為靜電濾材。

本發明之更一目的，係提供一種透水性環保材料，其所含成分當 中的玻璃可來自玻璃廢棄物，經過物理方法將玻璃廢棄物顆粒化後進行再製、再利用，發揮環保的精神。

為了達到上述之目的，本發明揭示了一種透水性環保材料之製作方法，其基本之步驟係包含：顆粒化一玻璃體，形成複數個玻璃顆粒；混合該些玻璃顆粒以及複數個植物纖維粉末，形成一混合體；壓製該混合體，形成一錠體；以及於封閉環境下燒結該錠體，形成一燒結體，該些玻璃顆粒部分熔融而相互連接為複數個玻璃連結體，該些植物纖維粉末於封閉環境下燒結而石墨化，形成石墨且體積縮小，而使該些玻璃連結體之間具有至少一流動空間供流體通過。

而對於成品之結構，則係包含：一玻璃結構，其係包含複數個玻璃連結體；以及複數個石墨化之植物纖維粉末，相互連接而提供傳導電流之能力，且其係與該玻璃結構相接觸，並散布於該些玻璃連結體之間，保留該些玻璃連結體之間具有至少一流動空間供流體通過。

10‧‧‧玻璃體

11‧‧‧玻璃顆粒

110‧‧‧玻璃連結體

2‧‧‧植物體

20‧‧‧植物纖維粉末

21‧‧‧石墨顆粒

3‧‧‧混合體

4‧‧‧錠體

5‧‧‧燒結體

50‧‧‧孔隙

S1~S4‧‧‧步驟

第1圖：其係本發明一較佳實施例之步驟流程圖；第2A圖：其係本發明一較佳實施例中，將玻璃體顆粒化之示意圖；第2B圖：其係本發明一較佳實施例中，將植物體粉末化之示意圖；第2C圖：其係本發明一較佳實施例中，錠體形成之示意圖；第3A圖：其係本發明一較佳實施例中，玻璃連結體之形成示意圖； 第3B圖：其係本發明一較佳實施例中，複數個玻璃連結體之間存在孔隙之示意圖，其中玻璃連結體之間亦包含石墨顆粒；第4A圖：其係為本發明一較佳實施例之成品經測試所得之拉曼光譜圖；以及第4B圖：其係為本發明一較佳實施例之成品之顯微鏡拍攝圖。

為使本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：首先，請參考第1圖，本發明關於透水性環保材料之製作方法，其係包含下列步驟：步驟S1：顆粒化一玻璃體，形成複數個玻璃顆粒；步驟S2：混合該些玻璃顆粒以及複數個植物纖維粉末，形成一混合體；步驟S3：壓製該混合體，形成一錠體；以及步驟S4：於封閉環境下燒結該錠體，形成一燒結體，該些玻璃顆粒表面熔融而相互連接為複數個玻璃連結體，該些植物纖維粉末於封閉環境下燒結而石墨化，形成石墨且體積縮小，而使該些玻璃連結體之間具有至少一流動空間供流體通過。

請輔以參考第2A圖，於步驟S1，本發明使用的玻璃體10可為各種玻璃原料，若基於環保觀點及成本考量，以回收廢棄之玻璃製品為佳，例如破碎玻璃窗，或者是原用以盛裝食品、飲料、酒類或藥品之空瓶；而若是以品質和衛生用途為考量，例如作為醫療級的濾材，則以使用較為乾淨的玻璃纖維或TFT-LCD拆解後的廢棄品為原料為佳，避免因回收瓶裝玻璃清洗不完全而存在衛生風險 。步驟S1所指之顆粒化係指經由碾壓、切割或是敲擊的方式，使體積較大、外觀較完整之玻璃體10碎裂為較小之玻璃顆粒11，此階段之玻璃顆粒外觀並不限定為圓形體，具有稜角之不規則形體亦可。然而，基於應用層面上的質感，可在顆粒化該玻璃體之步驟後，進一步使用球磨機對玻璃顆粒11作球磨，使玻璃顆粒11的粒徑小於5微米，而又以小於2微米為佳，此步驟也可提高玻璃顆粒11的尺寸均一性。而若使用高能球磨機，玻璃顆粒11的粒徑能進一步下降到奈米級距(小於100奈米)，有更好的均一性，對成品品質的提升有顯著的影響。

接著，請輔以參考第2B以及第2C圖，步驟S2係將植物纖維粉末20與前述之玻璃顆粒11作均勻混合，兩者之體積比例約為1：0.8~1：1.2，其中以1：1為較佳。植物纖維粉末20係為經乾燥過後的蘆葦、甘蔗渣、稻殼、稻桿、麥桿、椰子殼或棕櫚葉等植物體2經切碎後所形成的粉末體，係因呈乾燥之狀態可避免在備料時有發霉等問題，而在混合上也可以達到比較均勻的結果。植物纖維粉末20的尺寸也以較小的為佳，但其並不適用於使用球磨機，因此其單位體積會大於玻璃顆粒。

接著，將混合後而包含有玻璃顆粒11以及植物纖維粉末20之混合體3透過物理的技術手段壓製為錠體4，所使用的設備可為熱包埋機。在此較佳實施例中，係在230~270℃之溫度下擠壓，壓力約為150公斤/平方公分，玻璃顆粒11與植物纖維粉末20係均勻散布於錠體4之各處。同時，植物纖維粉末20可能還會因受熱而有焦油或焦糖流出錠體4之外，需另行施以簡單的清潔程序將其拭去。混合體3在壓製為錠體4之前，可預先以紙片等離型紙為準錠體 之上下面的襯墊，避免錠體4的成品與壓製模具設備之間發生沾黏，且此紙片可在後續的燒結過程中一併碳化為微量的碳渣或是氣化消失，並不影響生產的結果。

接著，將壓製完成的錠體4送進高溫燒結爐中進行燒結，此步驟的關鍵在於提供封閉環境，使植物纖維粉末不僅是碳化，而是石墨化。且燒結過程中，錠體4的結構也會得以穩固，並且產生孔隙。本發明之較佳實施例係以10.8℃/分鐘之升溫速率，達到600~700℃之燒結溫度後，維持該溫度進行燒結，燒結時間係維持約3小時。時間上會避免超過4小時，避免植物纖維粉末完全氣化消失。本發明於燒結程序所控制的燒結溫度會因不同玻璃種類之T_g點不同而有所變化，原則上需控制於不超過800℃，以避免玻璃顆粒11完全熔融成為一攤流動性的液態物質；請參考第3A圖，本發明於此較佳實施例所使用的燒結溫度可使玻璃顆粒11的表面有些許熔融，而得以與鄰近的玻璃顆粒11連接，因此冷卻後所得的燒結體之內存在多個玻璃連結體110，為具有大量孔隙50的燒結體，而在各個玻璃連結體110之間則散布經封閉環境燒結而石墨化的石墨顆粒21，如第3B圖所示。若是在非封閉環境下高溫燒結，成份會因受熱而碳化，而本發明則是選擇在封閉環境下高溫燒結，為悶燒式處理，使植物纖維粉末不僅是碳化，而是石墨化。燒結後所得之石墨顆粒21之體積係較植物纖維粉末之體積縮小，讓部分原本由植物纖維粉末所占有之空間被空氣所取代，如圖3B所示，燒結體5當中的石墨顆粒21周邊形成氣室或是連通之流動空間。據此，當液體接觸燒結體5時，就可沿著這些流動空間流動而穿過其結構，達到透水的效果，而石墨化之植物纖維粉 末則相互連接而提供傳導電流之能力。

一般碳材料在拉曼光譜上有一些明顯的特性光譜，例如鑽石結構的sp3混成軌域與其他四個碳原子所組成的碳-碳鍵振動的拉曼光譜線位置在1332nm(D peak，又稱為二階雙共振拉曼散射；D peak相當於晶格缺陷，D peak越低則晶格缺陷越少)，產生D峰的原因是在於一個晶粒(crystallite)當中，原子與原子之間有不同的振動方式，每一種振動方式都叫作一種振動模，在文獻中常被稱為尺寸效應(size effect)。如第4A圖所示，本發明經測試封閉環境下燒結後的成品，其拉曼光譜在1591.5nm之表現係為石墨碳的sp2鍵所造成，可確認植物纖維粉末20已石墨化為石墨顆粒21。而經顯微鏡觀察之結構則如第4B圖所示。

本發明所使用到的植物纖維粉末除了包含碳、氫、氧、氮等構成有機物質之元素以外，其也能含有微量的金屬元素，例如銅、鐵、鈉、鉀、…等，其可能會殘留於燒結後的產品當中而阻塞多孔結構，因此本發明在另一較佳實施例中，可將燒結體進行酸洗或/以及鹼洗之處理，以移除這些金屬物質。酸洗以及鹼洗係分別使用磷酸、氫氧化鈉等溶液，此酸洗或鹼洗同時也有助於移除殘留的活化劑，惟燒結體係包含玻璃連結體，因此需避免使用會與玻璃產生反應之液體，例如氫氟酸。

綜上所述，本發明詳細揭示了一種透水性環保材料之製作方法，其成功賦予原本難以處理之回收玻璃再利用之用途；其基於玻璃高熔點的特性，使其在讓玻璃經表面融熔而形成玻璃連結體的同時，讓植物纖維粉末也得以石墨化並縮小體積，因而在玻璃連結體之間產生流通空間供液體流通，並可因石墨的存在而具有導電 力。基於前述各種優點以及高度結合環保概念，本發明確實為一種具開發潛力及經濟價值之透水性環保材料及其製作方法。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

110‧‧‧玻璃連結體

21‧‧‧石墨顆粒

5‧‧‧燒結體

50‧‧‧孔隙

Claims (5)

1. 一種透水性環保材料之製作方法，其係包含步驟：顆粒化一玻璃體，形成複數個玻璃顆粒；混合該些玻璃顆粒以及複數個植物纖維粉末，形成一混合體，該些玻璃顆粒以及該些植物纖維粉末之體積比為1：0.8~1：1.2；於230-270℃壓製該混合體，壓製該混合體，形成一錠體，該錠體主要為該些玻璃顆粒與該些植物纖維粉末所混合而成；以及於封閉環境下燒結該錠體，形成一燒結體，該些玻璃顆粒表面融熔而相互連接為複數個玻璃連結體，該些植物纖維粉末於封閉環境下燒結而石墨化，形成石墨且體積縮小，而使該些玻璃連結體之間具有至少一流動空間供流體通過。
2. 如申請專利範圍第1項所述之透水性環保材料之製作方法，其中於燒結該錠體之步驟中，燒結溫度為600~700℃，燒結時間不超過4小時。
3. 如申請專利範圍第1項所述之透水性環保材料之製作方法，其中該些植物纖維粉末之類型係選自於蘆葦、甘蔗渣、稻殼、稻桿、麥桿、椰子殼以及棕櫚葉所組成之群組其中至少之一者。
4. 如申請專利範圍第1項所述之透水性環保材料之製作方法，其中於顆粒化該玻璃體之步驟後，更包含一步驟：球磨該些玻璃顆粒，使該些玻璃顆粒之粒徑係小於5微米，或使用高能球磨機，使該些玻璃顆粒之粒徑達奈米等級。
5. 一種以申請專利範圍第1項所述之方法所製得之透水性環保材料 ，其係包含：一玻璃結構，其係包含複數個玻璃連結體；以及複數個石墨化之植物纖維粉末，相互連接而提供傳導電流之能力，且其係與該玻璃結構相接觸，並散布於該些玻璃連結體之間，保留該些玻璃連結體之間具有至少一流動空間供流體通過。