臺灣博碩士論文加值系統

本研究將農業廢棄物-鳳梨葉，經由曝曬、乾燥、粉碎、過篩等步驟，回收取得鳳梨葉纖維，並運用新穎的合成方法，製備一系列之溶膠-凝膠法改質鳳梨葉纖維/聚乳酸複合材料。透過溶膠-凝膠法先在纖維表面包覆一層二氧化矽，藉以提升纖維之剛性與耐熱性，再透過矽烷偶合劑處理，提升纖維與聚乳酸間的界面相容性，最後以熔融混煉的方式製備出一系列高性能之溶膠-凝膠法改質鳳梨葉纖維/聚乳酸複合材料。結果顯示，經改質後的鳳梨葉纖維可以提升聚乳酸與鳳梨葉纖維之間的界面相容性，有效改善複合材料之機械性質與熱性質。由熱變形溫度分析，可以得知其熱穩定性獲得改善，纖維添加10%時之變形溫度最高可提升43.9%；機械性質測試在纖維添加5%有較佳的性質，抗張強度最高可以提升10.71%，耐衝擊強度最高可以提升28.20%。從SEM分析可以觀察到纖維與基材間無纖維抽出或孔洞等現象。由以上結果顯示，添加溶膠-凝膠法改質後的鳳梨葉纖維不僅能提升聚乳酸之熱性質與機械性質，並且可以降低塑料成本，減少農業廢棄物，及合乎綠色環保之需求。

In this study, the fibers generated from agricultural waste - pineapple leaf were obtained through exposure, drying, crushing and sifting. Moreover, a novel synthesis was utilized to prepare a series of sol - gel method modified pineapple leaf fiber (PALF) / polylactic acid (PLA) composite. First, the surface of the fiber was covered with a layer of SiO2 via sol - gel method to enhance the rigidity and heat resistance of the fiber. Furthermore, the interfacial compatibility between fiber and PLA was improved by the surface treatment of a silane coupling agent. Finally, a series of high-performance and sol - gel method modified PALF / PLA composites were prepared by melt-blending. The results reveal that the modification of PALF can improve the interface compatibility between the PLA acid and PALF, so the mechanical properties and thermal properties of the composite material were improved effectively. The heat deflection temperature (HDT) test showed an increase of approximately 43.9% for PLA by adding 10% of fiber. In addition, the tensile and impact strengths of pristine PLA were increased about 10.71% and 28.20%, respectively, when the composite material reinforced with 5% of fibers. SEM analysis showed that the compatibility between the untreated fiber and PLA matrix is poor, as evidenced by the presence of pull-out fiber and voids on the fracture surface. On the other hand, the compatibility between fiber and PLA matrix is improved when the fiber is treated by silane coupling agents. Apart from the enhancement of mechanical properties and thermal stability, the incorporation of sol - gel modified PALF can reduce the production cost of the materials, reduce the agricultural waste, and meet the demand of environmental protection.

目錄
中文摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VIII
圖目錄 X
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 生物可分解塑膠之簡介 3
1-2-1 常見化學合成生物降解高分子 5
1-2-2 生物分解性能的評價以及標準 6
1-3聚乳酸之簡介 8
1-3-1聚乳酸的合成 9
1-3-2聚乳酸的應用及發展 11
1-4天然植物纖維之簡介 12
1-4-1天然植物纖維的化學組成與特性 12
1-4-2鳳梨葉纖維之簡介 14
1-5 矽烷偶合劑之簡介 16
1-6溶膠-凝膠法(Sol-Gel)之簡介 18
1-6-1溶膠-凝膠法製備方法 20
1-6-2 溶膠-凝膠法影響因素 22
第二章 文獻回顧及研究動機 25
2-1 天然植物纖維補強高分子材料 25
2-2溶膠-凝膠法改質纖維補強高分子 27
2-3研究動機 31
第三章 實驗內容 33
3-1 實驗藥品 33
3-2 儀器設備 36
3-3 儀器測試方法及條件 39
3-4 實驗概述 44
3-5 實驗流程 45
3-5-1鳳梨葉纖維前處理 45
3-5-2製備溶膠-凝膠法改質鳳梨葉纖維 46
3-5-3溶膠-凝膠法改質鳳梨葉纖維之表面處理 47
3-5-4溶膠-凝膠法改質鳳梨葉纖維/聚乳酸混成複合材料之製作 48
第四章 結果與討論 49
4-1鳳梨葉纖維表面處理 49
4-1-1傅立葉轉換紅外線光譜儀測試(FT-IR) 49
4-1-2固態核磁共振測儀試(NMR) 51
4-1-3 X-射線光電子能譜儀測試(XPS) 54
4-1-4偏光顯微鏡測試(POM) 56
4-1-5熱重量分析儀測試(TGA) 58
4-2複合材料-熱性質分析 62
4-2-1熱重量分析儀測試(TGA) 62
4-2-2微差掃描式熱分析儀測試(DSC) 65
4-2-3熱變形溫度測定儀測試(HDT) 68
4-3複合材料-機械性質分析 70
4-3-1萬能材料試驗機-抗張測試 70
4-3-2萬能材料試驗機-抗彎測試 72
4-3-3耐衝擊試驗機測試 74
4-3-4動態機械分析儀測試(DMA) 76
4-4複合材料-形態分析 82
4-4-1偏光顯微鏡測試(POM) 82
4-4-2掃描式電子顯微鏡測試(SEM) 85
4-5複合材料-生物可分解性分析 88
第五章 結論 91
第六章　參考文獻 94


表目錄
表1-1常見化學合成生物降解高分子 5
表1-2生物分解性能評價方法分類及特徵 6
表1-3 已發佈的生物分解國際標準 7
表1-4 生物降解高分子的應用和發展 11
表1-5 纖維分類表 12
表1-6 天然植物纖維中纖維素、半纖維素及木質素之組成 13
表1-7 鳳梨葉纖維化學成分含量的百分比 15
表1-8 先驅物的特性 19
表3-1各種成分比例及配方 44
表3-2改質纖維反應機構代號 44
表4-1溶膠-凝膠法改質鳳梨葉纖維XPS之分析 54
表4-2鳳梨葉纖維熱裂解溫度、焦碳含量數據表 60
表4-3聚乳酸與複合材料TGA分析數據表 63
表4-4聚乳酸與複合材料DSC分析數據表 66
表4-5聚乳酸與複合材料HDT數據表 68
表4-6聚乳酸與複合材料抗張強度數據表 70
表4-7聚乳酸與複合材料抗彎強度數據表 72
表4-8聚乳酸與複合材料耐衝擊強度數據表 74
表4-9聚乳酸與ESAF複合材料儲存模數之數據表 77
表4-10聚乳酸與ESAF複合材料損失模數之數據表 79
表4-11聚乳酸與ESAF複合材料tanδ之數據表 80
表4-12聚乳酸與複合材料生物可分解性重量損失率數據表 89


圖目錄
圖1-1 直接聚合製備聚乳酸的過程 9
圖1-2 丙交酯(lactide)開環聚合聚乳酸製備流程 10
圖1-3天然植物纖維之Cellulose結構圖 13
圖1-4 矽烷偶合劑與天然植物纖維之反應機構 17
圖1-5 溶膠-凝膠製備過程 20
圖1-6 溶膠-凝膠法反應機構 21
圖1-7 水性矽的聚合行為 22
圖2-1纖維結構體示意圖 25
圖2-2黃麻纖維表面處理之SEM圖(a)未處理(b)鹼處理(c)偶合劑處理 26
圖2-3 纖維表面經溶膠-凝膠法處理之TGA圖 27
圖2-4纖維素溶膠-凝膠法處理之SEM圖(a.纖維素/b.溶膠-凝膠法處理) 28
圖2-5動態力學測試圖 28
圖2-6複合薄膜拉伸測試圖 29
圖2-7溶膠-凝膠法處理纖維之SEM圖(左:未處理、右:溶膠-凝膠法處理) 30
圖2-8複合材料SEM分析圖 30
圖3-1鳳梨纖維鹼處理及酸中和處理之反應機制 45
圖3-2 ISAF鳳梨纖維之反應機構 45
圖3-3鳳梨葉纖維前處理流程圖 46
圖3-4 SGAF鳳梨葉纖維之反應機構 46
圖3-5 ESAF鳳梨葉纖維之反應機構 47
圖3-6鳳梨葉纖維改質流程圖 47
圖3-7改質鳳梨葉纖維/聚乳酸複合材料製備流程圖 48
圖4-1鳳梨葉纖維之FT-IR分析圖 50
圖4-2 BAF纖維固態NMR 碳譜 52
圖4-3 ISAF纖維固態NMR 碳譜 52
圖4-4 ISAF纖維固態NMR 矽譜 53
圖4-5未改質鳳梨葉纖維XPS分析圖 54
圖4-6溶膠-凝膠法改質鳳梨葉纖維XPS分析圖 55
圖4-7鳳梨葉纖維未進行表面處理之表面型態 56
圖4-8鳳梨葉纖維經過鹼處理後之表面型態 57
圖4-9鳳梨葉纖維經過矽烷偶合劑處理後之表面型態 57
圖4-10鳳梨葉纖維化學處理前後(ISAF)之TGA分析圖 59
圖4-11鳳梨葉纖維溶膠-凝膠法表面處理(SGAF)之TGA分析圖 60
圖4-12鳳梨葉纖維環氧基矽烷偶合劑處理(ESAF)之TGA分析圖 60
圖4-13聚乳酸與5%ESAF的複合材料TGA分析圖 63
圖4-14聚乳酸與10%ESAF的複合材料TGA分析圖 63
圖4-15聚乳酸與5%ESAF的複合材料DSC分析圖 66
圖4-16聚乳酸與10%ESAF的複合材料DSC分析圖 66
圖4-17聚乳酸與複合材料之HDT分析圖 69
圖4-18聚乳酸與複合材料之抗張強度分析圖 71
圖4-19聚乳酸與複合材料之抗彎強度分析圖 72
圖4-20聚乳酸與複合材料之耐衝擊強度分析圖 75
圖4-21聚乳酸與5%ESAF的複合材料儲存模數分析圖 77
圖4-22聚乳酸與10%ESAF的複合材料儲存模數分析圖 78
圖4-23聚乳酸與5%ESAF的複合材料損失模數分析圖 79
圖4-24聚乳酸與10%ESAF的複合材料損失模數分析圖 79
圖4-25聚乳酸與5%ESAF的複合材料tanδ分析圖 80
圖4-26聚乳酸與10%ESAF的複合材料tanδ分析圖 81
圖4-27聚乳酸之結晶形態 83
圖4-28改質鳳梨葉纖維/聚乳酸複合材料之結晶形態 83
圖4-29改質鳳梨葉纖維/聚乳酸複合材料之結晶形態 84
圖4-30聚乳酸之斷裂表面SEM圖 86
圖4-31未改質鳳梨葉纖維/聚乳酸之斷裂表面SEM圖 86
圖4-32未改質鳳梨葉纖維/聚乳酸之斷裂表面SEM圖 87
圖4-33改質鳳梨葉纖維/聚乳酸之斷裂表面SEM圖 87
圖4-34聚乳酸與5%ESAF的複合材料生物可分解性分析圖 89
圖4-35聚乳酸與10%ESAF的複合材料生物可分解性分析圖 89

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