臺灣博碩士論文加值系統

本研究目的在改善農業廢棄物鳳梨葉纖維(Pineapple leaf fiber)與聚乳酸(Poly lactic acid, PLA)的複合材料之界面相容性，藉以提升複合材料的機械性質與耐熱性。運用具反應選擇性構築單元之化合物(4-isocyanato-4'-(3,3-dimethyl-2,4-dioxoazetidino)diphenylmethane, IDD)進行聚乳酸改質，製備改質聚乳酸，再與改質鳳梨葉纖維進行熔融混摻，製備一系列的高性能的改質鳳梨葉纖維/改質聚乳酸複合材料。實驗結果顯示，得知當植物纖維添加15%時其熱變形溫度(HDT)得到較佳的性質改善，最高可提升70.18%；當植物纖維添加5%，可使機械性質測試得到較佳的改善，抗張強度最高可以提升14.07%，耐衝擊強度最高可以提升10.71%。從SEM分析可以觀察到纖維與改質聚乳酸間無纖維抽出或孔洞等現象。由以上結果顯示，經改質後聚乳酸與鳳梨葉纖維之間的界面相容性可以有效的提升，並有效改善複合材料之機械性質與熱性質。不僅能提升聚乳酸複合材料之熱性質與機械性質，並提供一種新的可以有效提升複合材料界面相容性的路徑。

The objective of this study is to improve the interfacial compatibility of pineapple leaf fiber/polylactic acid (PLA) composites, and to enhance the mechanical properties and heat resistance of the composites. The 4-isocyanato-4'-(3,3-dimethyl-2,4-dioxoazetidino) diphenylmethane (IDD) which has reactive selectivity is used to modify the PLA. Then, the IDD modified PLA and the pineapple leaf fibers are melt-blended to prepare a series of high-performance pineapple leaf fiber/modified PLA composites. The results showed that the compatibility of the composite was effectively improved, and the mechanical and thermal properties of composite were elevated after the IDD modification of PLA. The heat deflection temperature (HDT) test showed an increase of approximately 70.18% for PLA. In addition, the tensile and impact strengths of pristine PLA were increased about 14.07% and 10.71%, respectively, when the composite material reinforced with 5% of fibers. SEM analysis showed that the compatibility between the SAF and IP matrix is improved as evidenced by the absence of pull-out fiber and voids on the fracture surface. These results show that the pineapple leaf fibers/IDD modified PLA composites not only enhance the thermal and mechanical properties of PLA, and provide a new method to improve the interfacial compatibility.

目錄
摘要 I
ABSTRACT II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 IX
圖目錄 XII
第 一 章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 生物可分解塑膠之介紹 3
1-2-1 生物可分解塑膠合成方法 5
1-2-2 可分解塑膠分解方式 6
1-2-3 生物可分解塑膠性能評價及標準 7
1-3 聚乳酸之簡介 10
1-3-1 聚乳酸之製備合成方法 11
1-3-2 聚乳酸與其他生物可分解塑膠之物性優劣比較 14
1-3-3 聚乳酸的優缺點 14
1-4 纖維之簡介 15
1-4-1 天然植物纖維的化學組成及特性 16
1-4-2 天然纖維特點及性質比較 18
1-4-3 鳳梨纖維之簡介 19
1-5 複合材料 21
1-5-1 基材與補強材的主要功能 22
1-5-2 複合材料的優缺點 23
1-5-3 矽烷偶合劑的介紹 25
1-5-4 IDD的介紹 27
第 二 章 文獻回顧與研究動機 29
2-1 產業界運用天然資材的介紹 29
2-2 天然植物纖維的研究 30
2-3 天然植物纖維補強高分子複合材料研究 32
2-4 天然纖維補強聚乳酸複合材料研究 36
2-5 改質聚乳酸研究 39
2-6 (4-isocyanato-4'-(3,3-dimethyl-2,4-dioxoazetidino)diphenylmethane, IDD)的研究 43
2-7 研究動機 45
第 三 章 實驗內容 47
3-1 實驗藥品 47
3-2 儀器設備 50
3-3 儀器測試方法及條件 53
3-4 實驗概述 60
3-5 實驗流程 61
3-5-1 合成(4-isocyanato-4'-(3,3-dimethyl-2,4-dioxoazetidino)diphenylmethane, IDD)化合物及分析(圖3-1) 61
3-5-2 改質聚乳酸的合成及研究(圖3-2) 63
3-5-3 鳳梨葉纖維的處理(圖3-4) 64
3-5-4 鳳梨纖維/聚乳酸複合材料的製作 66
第 四 章 結果與討論 68
4-1 IDD單體的特性分析 68
4-2 改質聚乳酸的製備分析 71
4-2-1 FT-IR監測IDD反應濃度及反應時間 71
4-2-2 改質聚乳酸之化學結構鑑定 73
4-2-3 改質聚乳酸之X-射線光電子能譜儀圖譜分析 75
4-3 改質鳳梨葉纖維的製備分析 76
4-3-1 改質鳳梨葉纖維的FT-IR分析 76
4-3-2 改質鳳梨葉纖維的NMR分析 77
4-3-3 改質鳳梨葉纖維的TGA分析 79
4-4 複合材料-熱性質分析 80
4-4-1 複合材料之TGA分析 80
4-4-2 複合材料之DSC分析 82
4-4-3 複合材料之HDT分析 86
4-5 複合材料-機械性質分析 88
4-5-1 萬能材料試驗機-抗張強度測試 88
4-5-2 萬能材料試驗機-抗彎強度測試 90
4-5-3 耐衝擊試驗機測試 91
4-5-4 動態機械分析儀測試(DMA) 93
4-6 微結構分析 96
4-6-1 偏光顯微鏡(POM)分析 96
4-6-2 場發式掃描電子顯微鏡(SEM)分析 98
4-7 吸水性測試 100
4-8 生物可分解性測試分析 102
第 五 章 結論 104
第 六 章 參考文獻 106
 
表目錄
表1-1 生物基塑料、石化基塑料及生物可分解塑料之間簡單區分表 4
表1-2 各項生物可分解塑膠的合成方法及代表產品 5
表1-3 各項分解塑膠的分解機制表 6
表1-4 生物可分解塑膠性能評價及優缺點 7
表1-5 各種不同的生分解度之標準化測試方法 8
表1-6 各國生物可分解塑膠的檢測方式及規範 9
表1-7 生物可分解性高分子之物性優劣比較 14
表1-8 聚乳酸的優缺點 14
表1-9 纖維分類表 15
表1-10 常見植物纖維的化學組成 17
表1-11 天然植物纖維與玻璃纖維的特點比較 18
表1-12 人造纖維與天然植物纖維的機械性質比較 19
表1-13 鳳梨纖維化學成份表 20
表1-14 複合材料的主要成分與性質 22
表1-15 基材與補強材的主要功能 22
表1-16 影響複合材料的因素及缺陷 24
表2-1 常見植物纖維的化學組成 30
表2-2 天然纖維補強PLA、PHBV和PP的力學性質 31
表2-3 鹼處理纖維補強複合材料性質 32
表2-4 亞麻與聚丙烯和聚乳酸複合材料的力學性能 33
表2-5 添加不同天然植物纖維比例之複合材料拉伸強度表 35
表2-6 大麻纖維對高密度聚乙烯的機械性值測試表 35
表2-7 聚乳酸/天然植物纖維複合材料之拉伸強度分析表 36
表2-8 各種不同纖維長度、長徑比、臨界長度、纖維的拉伸強度表 39
表2-9 聚乳酸和改質聚乳酸的機械性質表 41
表3-1 各種成分比例及配方 60
表3-2 各物質之代號說明表 60
表4-1 PLA與IP的各原子組成 75
表4-2 各種纖維處理之TGA數據表 80
表4-3 複合材料之TGA數據表 81
表4-4 複合材料之DSC數據表 86
表4-5 複合材料之HDT數據表 87
表4-6 複合材料之抗張強度數據表 89
表4-7 複合材料之抗彎強度數據表 91
表4-8 複合材料之耐衝擊數據表 92
表4-9 複合材料之DMA的數據表 96
表4-10複合材料之吸水性數據表 101
表4-11複合材料之生物可分解性測試數據表 103
 
圖目錄
圖1-1 綠色塑膠循環圖 3
圖1-2 ISO與OECD、各國的標準化機構 8
圖1-3 聚乳酸的結構 11
圖1-4 乳酸的生產流程 12
圖1-5 乳酸的立體異構物 12
圖1-6 丙交酯的雙環異構物結構示意圖 13
圖1-7 由乳酸聚合成聚乳酸的方法 13
圖1-8 天然植物纖維的纖維素之結構圖 17
圖1-9 Arkles作用機構模型 26
圖1-10 合成化合物IDD的結構圖 28
圖1-11 利用IDD合成dendrons之示意圖 28
圖2-1 不同植物纖維與聚丙烯複合材料的機械性質研究 33
圖2-2 不同乙醯化程度的亞麻纖維對聚丙烯複合材料的拉伸性質測試 34
圖2-3 不同的化學處理纖維對PLA的成核效果之POM圖 37
圖2-4 (a)竹纖維(b)椰子纖維(c)香根草纖維未處理與化學處理後的聚乳酸複合材料之拉伸強度 38
圖2-5 不同的木材纖維補強聚乳酸高分子的拉伸性質測試圖[48] 39
圖2-6 MOI改質的聚乳酸13C NMR分析圖 40
圖2-7 利用不同比例的MOI改善聚乳酸的應力-應變曲線圖 40
圖2-8 利用TMDI改質聚乳酸的化學反應式 41
圖2-9 利用PEGA改質聚乳酸的化學反應式 42
圖2-10 不同接枝量的改質聚乳酸應力應變圖 42
圖2-11 含色基團單體的合成 43
圖2-12 超支化化合物的合成 44
圖2-13 利用IDD的不同反應性合成出的啞鈴型狀結構反應圖 44
圖3-1 IDD的合成示意圖及分析 62
圖3-2 改質聚乳酸的合成及流程 63
圖3-3 改質聚乳酸的反應機構 63
圖3-4 鳳梨纖維的處理流程圖 65
圖3-5 鳳梨纖維的鹼處理及酸中和處理(AAF)的反應機構 65
圖3-6 鳳梨纖維的矽烷偶合劑處理(SAF)的反應機構 65
圖3-7 鳳梨纖維/改質聚乳酸與聚乳酸複合材料製備流程圖 66
圖3-8 鳳梨纖維與聚乳酸複合材料的化學鍵結示意圖 67
圖4-1 IDD反應中的副產物示意圖 68
圖4-2 IDD化合物之FTIR光譜圖 69
圖4-4 IDD化合物之13C NMR光譜圖 70
圖4-3 IDD化合物之1H NMR光譜圖 70
圖4-5 IDD化合物的DSC測試圖 71
圖4-6 PLA與IDD的反應濃度之FT-IR光譜圖 72
圖4-7 PLA與IDD的反應時間之FT-IR光譜圖 73
圖4-8 PLA之13C NMR分析圖 74
圖4-9 IP之13C NMR分析圖 74
圖4-10 (a)PLA (b)IP之XPS全譜圖 75
圖4-11 (a)AF (b)AAF (c)NH-Silane (d)SAF的FT-IR分析圖 76
圖4-12 AAF之13C NMR分析圖 77
圖4-13 SAF之13C NMR分析圖 78
圖4-14 SAF之29Si NMR分析圖 78
圖4-15 各種纖維處理之TGA分析圖 79
圖4-16 複合材料之TGA圖 81
圖4-17 複合材料之DSC分析圖(第二次升溫) 83
圖4-18 PLA與IP之DSC分析圖(第二次升溫) 84
圖4-19 複合材料之DSC的Tg分析圖(第二次升溫) 84
圖4-20 複合材料之DSC的Tc分析圖(第二次升溫) 85
圖4-21 複合材料之DSC的Tm分析圖(第二次升溫) 85
圖4-22 複合材料之HDT分析圖 87
圖4-23 複合材料之抗張強度分析圖 89
圖4-24 複合材料之抗彎強度分析圖 90
圖4-25 複合材料之耐衝擊強度分析圖 92
圖4-26 複合材料之DMA的儲存模數(E')分析圖 94
圖4-27 複合材料之DMA的損失模數(E")分析圖 95
圖4-28 複合材料之DMA的阻尼因素(Tanδ)分析圖 95
圖4-29 複合材料之POM圖 (a)PLA (b)PLA/SAF (c)IP/SAF 97
圖4-30 複合材料經耐衝擊測試後之斷裂面表面SEM圖 (a)PLA (b)IP (c)P05SAF (d) I05SAF (e) P15SAF (f)I15SAF 99
圖4-31 複合材料之吸水性分析圖 101
圖4-32 複合材料之生物可分解性測試分析圖 103

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