臺灣博碩士論文加值系統

摘要
本研究基於降低農業廢棄物之污染，以及提高農業廢棄物之附加價值的目的，從鳳梨葉、回收竹筷、香蕉莖幹等含有植物纖維的農業廢棄物中，經由曝曬、乾燥、粉碎、過篩步驟，取得三種平均長度2.3~3.9 mm的短纖。並利用3-Aminopropyltriethoxysilane(A1100)偶合劑對鳳梨纖維(Pineapple fiber，AF) 、香蕉纖維(Banana fiber，BF)、竹子纖維(Bamboo fiber，CF) 等原本親水性表面進行改質，利用矽烷類偶合劑改質植物纖維，改善植物纖維在環氧樹脂(Epoxy resin)中的界面黏著性，接著將20 wt%化學處理植物纖維與環氧樹脂混合，製備新型的植物纖維/環氧樹脂(Plant fibers/Epoxy resin)綠色複合材料。
同時利用微差掃描熱卡計(DSC)、傅立葉轉換紅外光譜儀(FT-IR)、熱重分析儀(TGA)、萬能材料試驗機(Instro Mechanical Tester) 、動態熱機械分析儀(DMA)、光學電子顯微鏡(OEM)、掃描式電子顯微鏡(SEM)等儀器來分析、鑑定天然植物纖維對環氧樹脂複材性質的影響。
FT-IR 檢測得知植物纖維經過偶合劑處理在1000~1100cm-1 有Si-O-Si 網狀結構吸收峰，可以證明偶合劑改變了纖維的表面結構。TGA 的結果顯示，植物纖維經過偶合劑處理過後，會比只經過鹼處理纖維的熱裂解溫度(Td)來的較高，實驗中添加偶合劑處理鳳梨纖維(CSF)的複合材可以提升26 %的5 %熱裂解溫度(Td5)。拉伸測試結果顯示，添加鹼處理纖維約可提升68 %~95 %之抗張強度，而添加偶合劑處理纖維更可得約80 %~117 %之抗張強度。DMA測試結果顯示，添加偶合劑處理植物纖維最高可以提升70 %儲存模數(E'' )及87 %損失模數(E'' )；經由OEM及SEM觀察發現，經過鹼處理後可以改善植物纖維在基材中的聚集現象，而經過矽烷偶合劑處理後則可以提升植物纖維在基材中的分散性及介面黏著性。
此外，利用植物纖維補強環氧樹脂比一般傳統人造纖維對環境較友善，而農業廢棄物的再利用可以降低對環境的汙染，且植物纖維價格低廉可以降低複合材料的成本。

ABSTRACT
In this study, the plant fibers and wasted fibers (pineapple leaf fiber, banana fiber and recycled disposable chopsticks fiber) with an average length from 2.3 to 3.9 mm were chemically modified by 3-minopropyltriethoxysilane (A1100). Subsequently, this modified fibers (20 wt%) and epoxy resin were mixed and cured to form novel fiber-reinforced green composites. The effects of addition of the plant fibers on the epoxy matrix, and the thermal and mechanical properties of plant fibers/epoxy resin green composites were investigated by Differential Scanning Calorimeter (DSC), Fourier Transform Infrared (FT-IR), Thermogravimetic Analysis (TGA), Instron mechanical tester, Dynamic Michanical Analysis (DMA), Optical Electron Microscope(OEM) and Scanning Electron Microscopy (SEM).
FT-IR results showed that the absorption peak of Si-O-Si network structure was found at 1000 ~ 1100 cm-1 for coupling agent treated-fiber, indicating that the surface structure of the fiber was successfully modified by the treatment of coupling agent. TGA results showed that the decomposition temperatures of the chemically modified fiber-reinforced composites were obviously higher than those of untreated fiber-reinforced ones. The pineapple leaf fiber-reinforced composites exhibited better thermal properties than those of the other ones. Tensile test results showed that tensile strength was improved about 68% to 95% by adding alkali treatment plant fiber, and was improved about 80% to 117% while adding coupling agent treated plant fibers. The recycled disposable chopsticks fiber-reinforced composites possessed pronounced mechanical properties. DMA test results showed that the storage modulus (E'') and loss modulus (E'') were improved about 70 % and 87 % by adding coupling agent treated recycled disposable chopsticks fiber. The OEM and SEM results showed that the aggregation of fibers in the matrix can be reduced after alkali treatment process. Moreover, the coupling agent treatment process can enhance the interfacial adhesion and dispersion of plant fiber in the matrix.
Furthermore, this type of reinforced epoxy would be more environment-friendly than the artificial additive-reinforced one. It can also reduce effectively and re-use the waste, as well as lowering the costs of the materials.

目錄
中文摘要 I
英文摘要 III
誌謝 V
目錄 VII
圖目錄 X
表目錄 XIII
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 環氧樹脂(Epoxy resin)的介紹 3
1-2-1 環氧樹脂之開發和特性 3
1-2-2 環氧樹脂之製造 4
1-2-3 環氧樹脂之固化 5
1-2-4 環氧樹脂之應用 7
1-2-5 複合材料之分類和品種 7
1-3 天然植物纖維簡介 9
1-3-1 植物纖維化學組成 9
1-3-2 鳳梨纖維簡介 10
1-3-3 香蕉纖維簡介 10
1-3-4 竹子纖維簡介 11
1-4 矽烷偶合劑(Alkyl silence coupling agent)簡介 11
第二章 文獻回顧及研究動機 14
2-1 植物纖維的研究 14
2-2泛用纖維補強高分子材料 15
2-3 植物纖維補強高分子材料 18
2-4 研究動機 23
第三章 實驗內容 25
3-1 實驗藥品 25
3-2 儀器設備 26
3-3 儀器測試方法及條件 27
3-4 實驗流程 30
3-4-1 實驗概述 30
3-4-2 植物纖維處理流程 32
3-4-3 植物纖維鹼處理 33
3-4-4 植物纖維偶合劑處理 33
3-4-5 植物纖維過篩後的外觀與長度 34
3-4-6 植物纖維/環氧樹脂複材製作流程 35
第四章 結果與討論 38
4-1微差掃描式熱分析儀(DSC)檢測分析 38
4-2 傅立葉轉換紅外光譜儀(FT-IR)檢測分析 41
4-3熱重量分析儀(TGA)檢測分析 45
4-3-1 植物纖維TGA檢測分析 45
4-3-2 植物纖維/環氧樹脂複材TGA檢測分析 48
4-4 機械性質分析 50
4-4-1 拉伸測試 50
4-4-2 動態熱機械分析儀(DMA)檢測分析 53
4-5 光學電子顯微鏡(OEM)檢測分析 58
4-6 掃描式電子顯微鏡(SEM)檢測分析 59
第五章 結論 65
第六章 參考文獻 68

圖目錄
圖1-1 雙酚F型環氧樹脂合成反應機構 4
圖1-2 環氧樹脂與硬化劑反應交聯成二度或三度空間示意圖 5
圖1-3 環氧樹脂與酸酐硬化劑反應機構 6
圖1-4 結構複合材料按不同基材分類 8
圖1-5 結構複合材料按不同增強體形式分類 8
圖1-6 植物纖維的Cellulose 結構圖 9
圖1-7 矽烷偶合劑與植物纖維表面氫氧基的反應機構【15】 13
圖2-1 環氧樹脂添加不同比例回收玻璃纖維之彎曲強度【24】 15
圖2-2 環氧樹脂添加不同比例改質碳纖維複合材之彎曲強度【25】16
圖2-3環氧樹脂改質鳳梨葉的反應機構【26】 17
圖2-4化學處理的鳳梨葉纖維抗張強度與變形量關係圖 17
圖2-5 NMR13C光譜APS的水解反應【28】 19
圖2-6 NMR13C分析未處理與經過5 %鹼處理麻纖維【30】 20
圖2-7 未處理鳳梨纖維與5 %鹼處理鳳梨纖維之SEM圖【34】 22
圖3-1 植物纖維前處理流程圖 32
圖3-2 植物纖維鹼處理反應機構 33
圖3-3 植物纖維偶合劑處理反應機構 33
圖3-4 植物纖維過篩後之光學顯微鏡分析圖: (a)鳳梨纖維、(b)香蕉纖維和(c)竹子纖維 34
圖3-5 植物纖維/環氧樹脂複材製作流程圖 36
圖3-6 植物纖維/環氧樹脂複材反應機制 37
圖4-1 環氧樹脂硬化溫度測量之DSC分析圖 39
圖4-2 植物纖維/環氧樹脂複材硬化溫度測量之DSC分析圖 39
圖4-3 環氧樹脂硬化時間測量之DSC分析圖 40
圖4-4 植物纖維/環氧樹脂複材硬化時間測量之DSC分析圖 40
圖4-5 植物纖維三種處理階段之FT-IR分析圖 42
圖4-6 偶合劑處理植物纖維/環氧樹脂複材之FT-IR分析圖 43
圖4-7 各植物纖維三種處理階段之TGA分析圖- Td5 及 Td25 46
圖4-8各植物纖維三種處理階段之TGA分析圖- Td max 47
圖4-9 植物纖維/環氧樹脂複材之TGA分析圖- Td5 及Td25 49
圖4-10 植物纖維/環氧樹脂複材之抗張強度(MPa)分析圖 51
圖4-11 植物纖維/環氧樹脂複材-儲存模數與溫度之關係圖 55
圖4-12 植物纖維/環氧樹脂複材-損失模數與溫度之關係圖 56
圖4-13 植物纖維/環氧樹脂複材- tan δ與溫度之關係圖 57
圖4-14 植物纖維/環氧樹脂複材表面之OEM分析圖 58
圖4-15 環氧樹脂斷裂面之SEM分析圖 60
圖4-16 EANF複合材斷裂面之SEM分析圖 60
圖4-17 EABF複合材斷裂面之SEM分析圖 61
圖4-18 EASF複合材斷裂面之SEM分析圖 61
圖4-19 EBNF複合材斷裂面之SEM分析圖 62
圖4-20 EBBF複合材斷裂面之SEM分析圖 62
圖4-21 EBSF複合材斷裂面之SEM分析圖 63
圖4-22 ECNF複合材斷裂面之SEM分析圖 63
圖4-23 ECBF複合材斷裂面之SEM分析圖 64
圖4-24 ECSF複合材斷裂面之SEM分析圖 64

表目錄
表1-1 環氧樹脂之應用 7
表2-1 天然纖維/玻璃纖維性質對照表【23】 15
表2-2長纖維與短纖維複合材料熱性質與機械性質【35】 22
表3-1 各種處理方式植物纖維代號 31
表3-2 植物纖維過篩後的長度 35
表3-3 添加不同處理方式植物纖維複合材料代號 35
表4-1 主要官能基吸收峰對照表 42
表4-2各種植物纖維三種處理階段TGA分析結果- Td5 及 Td25 46
表4-3各種植物纖維三種處理階段TGA分析結果 - Td max 47
表4-4 植物纖維/環氧樹脂複材之TGA分析結果- Td5 及Td25 49
表4-5 植物纖維/環氧樹脂之抗張強度(MPa)分析結果 52
表4-6 植物纖維/環氧樹脂複材之儲存模數分析結果 55
表4-7 植物纖維/環氧樹脂複材之損失模數分析結果 56
表4-8 植物纖維/環氧樹脂複材之tan δ分析結果 57

參考文獻
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