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新世代林產品-推動林產物利用與研發成果

林務局造林生產組 許美玲

  林產品,顧名思義是以森林產物(主要為木材、竹材)為原料製作的產品。傳統的木材用途,有建材、家具、木地板、雕刻、工藝品等;竹子的用途則有竹掃帚、竹籬笆、竹桿、竹家具、棕葉等。自79年起,我國林業政策即以生態保育與永續發展為施政目標,即由原以木材生產之經濟利用,改為森林永續經營、資源多目標利用,並以維護生物多樣性理念,建構林業經營體系。林務局為達成環境共生及森林永續利用,使用國產木竹材為原料,積極推動林產品創新研發及新興林產品生產技術等研究等工作。如竹葉香精、竹材保青,竹炭、竹醋液等。其中以竹炭最受矚目,已形成產業。將優良台灣竹材燒製成竹炭,可應用於紡織品、建材、樂器、環境改良、食品、醫療保健、電子元件等七大領域。。

壹、台灣新興林產業-竹炭開發與應用

一、竹炭

  台灣竹炭是以國產4年生以上的成熟竹材為原料,採用特殊炭化技術精煉而成,孔隙多,且富含天然礦物質,經不同溫度炭化或活化後之竹炭,分別具有極佳的除臭、調濕、遠紅外線、電磁波屏蔽等功能。竹炭製作過程產生的副產物「竹醋液」,則有抑菌、天然防腐劑等用途。竹炭產品的應用領域極為廣泛,使用過後的竹炭可回歸土壤做改良劑,而不造成地球環境污染。

  竹炭具有非常多的孔隙,平均每公克竹炭的表面積約 300m2,如經活化處理可高達1,200m2以上,相當於半個足球場的面積。這些微小的孔洞具有很強的吸附能力,可調節空氣中的溼度、土壤中的水分;即當周圍環境濕度較大的時候,可吸收水分,而周圍環境乾燥時,能釋出水分;竹炭並可應用作為生物擔體,與微生物結合,進行水質淨化。

  竹炭的主要官能基為炭氫鍵(C-H)、雙炭鍵(C=C)及少許氫氧鍵(O-H),對於硫化物、甲醛、苯、酚或三氯甲烷等有機污染物或有害化學物質等,均具有極佳的吸收和消臭能力。可在製造及處理過程中,依需求及應用性對竹炭表面官能基進行改質。

  竹炭經研磨成粉末後,以遠紅外線輻射率量測系統,量測其熱輻射係數,超過85%,顯示竹炭具有良好的遠紅外線效能。如研磨成奈/微米級粉末,在紡織抽紗製程中添加於纖維中,可製成竹炭纖維,以竹炭纖維製成的衣物,在檢測後具有蓄熱保溫的效果。

  竹炭亦具有電磁波屏蔽效能,電磁波屏蔽作用原理是利用低電阻型導體或干涉型多孔質材料,因為導體材料對電磁波具有導引作用,而多孔質材料可減弱電磁波效能。除具備多孔質特性外,竹炭因含有高矽成分,經800℃以上燒成之竹炭,具有良好導電性,可應用於阻絕電磁波。

二、竹醋液

  竹醋液是竹材炭化時產生的副產物,在炭化過程中,利用熱交換原理收集煙霧並經冷凝後,得到的液體稱為粗竹醋液,將粗竹醋液靜置約3~6個月後,分為三層液體,下層為竹焦油、中間層為竹醋液、上層為輕質竹焦油。取自中間層之竹醋液以二次(或多次)蒸餾處理後,即得到優質之蒸餾竹醋液。

  竹醋液因為是在高溫燒製竹炭時,由燻煙霧氣冷凝而成,故具有獨特煙燻香氣,pH值為2.3~4.0,有機物含量約8%,其中醋酸占有機物的40~60%。目前已分析出竹醋液的成分,共有羧酸類、芳香環類、醛類、酮類、酯類、醇類、醚類、鹼基等65種。經過二次蒸餾處理後得到之竹醋液,可作土壤消毒劑、防蟲劑、燻蒸劑。

  由於竹醋液中含有酸類、酚類及醇類等成分,具有良好的抗菌效果,據研究報告指出,竹醋液含量2.5%以上(培養基pH值小於5.02)對於大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、鏈球菌等有完全抑制的效果,使病菌失去活性,可應用於抗菌劑及食品保鮮劑。但應經正確製程產生,並確實去除焦油、蒸餾純化,並通過衛生安全檢驗後才可使用。

三、竹炭與竹醋液的應用

  竹炭與竹醋液可廣泛地應用於各行各業,例如民生用品、農林漁牧以及工業材料技術等等,甚至於國防及生物醫療。

  (一) 民生應用

  因竹炭之多孔質特性,高比表面積的吸附過濾效能,可應用於過濾與淨化水質。在食品應用方面,行政院衛生署已於95年3月公告竹炭可供為食用天然色素使用,但需符合食用天然色素衛生標準相關規定。目前市售食品有竹炭麵包、麵條、豆花、水餃、花生、冰淇淋等。在清潔用品方面,有洗髮精、沐浴乳、洗面乳(皂)、牙膏等。紡織品有竹炭衣、褲、襪、護具、寢具、鞋墊。其他應用產品如竹炭片、竹炭杯、刮痧片、吊飾、除臭包、竹炭燈、竹炭枕、竹炭陶器、竹炭樂器等,琳瑯滿目,共200多種產品。

  (二) 農業應用

  竹炭與竹醋液可以促進土壤活化,減少病蟲害、提高農作物生?力,亦可使植物花葉顏色更鮮豔,提高持久性。竹炭顆粒亦可應用於漁業養殖場濾水系統,竹炭粉末結合有效生物可應用於畜牧飼料及生產。

  (三) 工業應用

  工業上應用如竹炭電容器,是利用奈∕微米竹炭粒子(nanoparticles or microparticles)具有之高比表面積、發達之孔隙結構及高導電係數,經表面改質處理後,可做為電極材料,得到較高能量密度或高電容量。適用於電池電極、高容量電容之材料,如鋰離子電池、燃料電池,或超高電容器(super capacitor)等。已於94年發表竹炭電容器於電鑽、電動代步車、海水淡化器之應用,同年更獲邀至日本參加世界博覽會展覽,展示台灣竹炭的研發成果。

貳、創新林產品研發-竹葉香精

  竹葉除竹掃帚、粽葉、貓熊的食物等傳統價值外,因用途與成本因素,並無經濟規模與產值可言;96年度由本局、工業技術研究院、台大食品研究所、龍源香料公司等研發團隊,使用台灣優質新鮮竹葉,利用不同之萃取方法,研發出「竹葉香精」,應用於飲品市場,是符合健康、簡單生活LOHAS概念之獨特風味飲品,預期將對台灣飲料市場掀起革命性的風潮,未來可創造30~50億元的年產值,並行銷國際。

參、竹材保青技術研發與應用

  竹材種類很多,色澤紋理各具特色,搭配造景及室內裝飾,能營造出靜逸自在的雅氣。但伐採下來的竹子易腐、易蛀、易喪失原本青綠之色澤,致製品市場受限制。本局委託國立台灣大學,成功開發孟宗竹等8種竹材之保綠藥劑,建立最適宜之處理程序及方法,皆達到良好的竹青保綠效果,並已突破量產技術瓶頸,且降低處理時間及成本,拓展產品應用領域,提高產品附加價值,並延長材料之生命週期。

肆、綠建築材料開發應用

  利用人工林之杉木、柳杉、台灣杉、相思樹、苦楝、桃花心木及竹材等國產材,加工應用於化妝合板、生態工法結構材、室內裝修材、竹薄片、等建材與裝潢用材,成果於96年12月「第19屆台北國際建築建材暨產品展」-「創新林業—新世紀建材」展示區展示。展出效益良好,除直接提高國產材附加價格外,亦間接提高國產材使用率及林農收益。

伍、林產品未來發展及應用展望

一、竹炭生質能發電

  已於95年9月發表「竹炭-生質能發電」,這是利用竹炭製程中收集的廢氣(主要為甲烷),產生電能與熱水,特點有:無污染、高效率、低成本、創新例。

二、血液透析材料

  利用活化製程處理後具有高比表面積及孔隙結構之竹炭材料,再經表面調質及化學接枝處理後(例如:polyethylene glycol、heparin、collagen、polyacrylic acid等),使竹炭材具有親水性、非溶血性及非凝血性質,並與血液有相容性,成為良好之毒素吸附材料,可應用於醫學領域。

三、活性竹炭吸附高輻射游離粉塵

  據96年度研究結論,利用研究計畫自備的活性竹炭,對輻射污染物質、氮化物與硫化物均有不錯的吸附效能,可減少煉油廠廢污水及核電廠輻射污染物處理後的廢料儲存問題。

四、竹炭用於生物高血脂吸附

  過去的研究顯示,竹炭對親油性胺基酸有顯著的吸附特性,如能利用活性竹炭去除低密度脂蛋白,可應用於血液淨化,提昇竹炭於醫療上之應用。

五、竹炭應用於環境淨化

  竹炭與微生物相容性高,如能以活性竹炭做為擔體,結合有效微生物,利用竹炭的吸附與微生物之分解能力,將可有效改善環境中之廢氣、廢污水、重金屬、有毒物質。

六、本土樹種特殊成分之開發利用

  經委託台灣大學、中興大學、中央研究院、台灣師範大學、中國醫藥大學等研發團隊多年研究顯示,土肉桂抽出成分可抑制過量尿酸形成、預防或治療痛風、腎結石之疾病;並具極佳抗氧化活性,可應用於保健、食品等。目前已完成土肉桂基因序列之分析及選育,可作為優良品系篩選指標。

  實驗亦證實柳杉成分具有抑制前列腺癌細胞生長、具極佳蚊蟲趨避性、抗氧化及抗發炎活性,已經持續開發柳杉美白化粧品、合成樹脂,極具產業價值,不但為國內亟待更新的61公頃柳杉林木,預作最佳的利用規劃,更創造了新世代的林產利用模式。      

七、木質材料與非木質材料結合應用

  木質材料即木材、竹材,可與非木質材料如陶瓷、微生物結合,製作高強度、耐腐朽、可回收並具機能性、高附加價值之複合林產品,未來將可應用於醫學、美容、建材、紡織等領域。

  新世代林產品開發與應用,材料取自於國產造林竹木,而森林是可以再生的資源,我們鼓勵國人多選用林產品,除享受健康自然與愉悅外,產品使用終期後又可回歸於自然,不污染環境不造成地球負擔;這也是現在正夯的減碳救地球,我們也可愛用林產品,救地球!   

附記:

  新世代林產品是產官學三方合作的成果,合作團隊有:生態材料產業發展協會及相關會員、工研院材化所、工研院南分院生態材料專案團隊、林業試驗所森林利用組、中興大學劉正字教授、屏東科技大學王秀華教授、台灣大學王松永教授等,在此向團隊致敬。

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