本實驗主要是利用雙螺桿混煉機將基材和補強材料進行混摻，基材為聚琥珀酸丁酯 (Poly(butylene succinate)，PBS)，補強材料為鳳梨葉纖維和回收竹筷纖維，兩種天然植物纖維添加之重量比例為7:3，而後利用射出成型機加工成型，製成天然植物纖維補強聚琥珀酸丁酯之綠色複合材料。
首先，利用化學處理方式去除植物纖維表面果膠、半纖維素及其他雜質，然後利用矽烷偶合劑(Triethoxy-vinylsilan)對植物纖維表面進行改質，以增進基材(聚琥珀酸丁酯)與補強材料(鳳梨葉纖維、回收竹筷纖維)之間的界面相容性，製備出天然植物纖維補強綠色複合材料，並探討複合材料本身之形態學、機械性質和熱性質。經由研究結果得知，當經由化學改質天然植物纖維添加量為30wt%之複合材料具有最佳的性質，可從SEM中看出經過化學改質過後，基材與補強材料之間相容性以及天然植物纖維糾結纏繞的現象獲得改善；拉伸強度及彎曲強度分別可提升121.7%、66.1%，耐衝擊強度可提升14.9%；另由TGA和DSC分析，可得知其熱穩定性獲得改善，其熱變形溫度最高可提升33.6%。由以上結果顯示添加植物纖維不僅使聚琥珀酸丁酯之熱性質、機械性質有所提升，並且比人造纖維補強之複合材料更為環保，另外亦可有效地運用農業廢棄物及降低材料之成本。

In this study, poly(butylene succinate) (PBS) was reinforced by pineapple leaves fiber and recycled chopsticks fiber (the weight ratio is 7:3), and twin-screw mixer was used to mix the substrate and reinforcement materials. Subsequently, the test specimens of such natural fiber reinforced poly(butylene succinate) green biocomposites were prepared by injection molding machine.
Firstly, the fibers were chemically treated by alkaline solution and silane coupling agent (Triethoxy-vinylsilan) to remove the pectin, hemicellulose and other impurities on the surface of the fibers. It’s expected that the compatibility between substrate (PBS) and reinforcement materials (pineapple leaf fibers and recycled chopsticks fiber) will be enhanced after the surface treatment. Subsequently, the PBS and reinforcement materials were mixed to form the natural plant fiber reinforced green biocomposites, and the morphology, mechanical and thermal properties of these biocomposite were investigated.
The results reveal that the composite containing 30wt% of chemically modified natural plant fiber exhibited the best properties. SEM analysis shows that the compatibility between the substrate and the reinforcing materials was improved after chemical modification. As adding the fibers, the tensile, flexural and impact strengths of PBS can be improved by 121.7, 66.1 and 14.9%, respectively. TGA and DSC results show that the thermal stability of PBS can be improved, and heat deflection temperature can be increased about 33.6% by the addition of natural fibers. Furthermore, this type of reinforced PBS would be more environmentally friendly than the artificial additive-reinforced one. It can also effectively reduce and re-use the wastes of pineapple leaves fiber and recycled chopsticks fiber, as well as lower the costs of the materials.

目錄
中文摘要 ..I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 VIII
第一章、緒論 1
1-1 前言 1
1-2 生物可分解性高分子的介紹 3
1-3 聚琥珀酸丁酯的簡介 5
1-4 天然植物纖維的簡介 9
1-4-1天然植物纖維化學組成 9
1-4-2 纖維素 12
1-4-3 半纖維素 12
1-4-4 木質素 12
1-4-5 鳳梨葉纖維和回收竹筷纖維的簡介 13
1-5 矽烷偶合劑的簡介 16
第二章、文獻回顧 18
2-1 天然植物纖維的研究 18
2-2 天然植物纖維補強泛用高分子材料 22
2-3 天然植物纖維補強生物可分解性高分子材料 27
2-4 天然植物纖維補強聚琥珀酸丁酯生物分解性高分子材料 33
2-5 聚琥珀酸丁酯(PBS)之分解性 35
2-6 研究動機 37
第三章、實驗內容 41
3-1 實驗藥品 41
3-2 儀器設備 43
3-3 儀器測試方法及條件 45
3-4 實驗概述 50
3-5 實驗流程 52
3-5-1 天然植物纖維處理流程 52
3-5-2 天然植物纖維/聚琥珀酸丁酯複合材料製作過程 53
3-5-3 天然植物纖維鹼處理 54
3-5-4 天然植物纖維偶合劑改質處理 54
3-5-5 天然植物纖維混摻聚琥珀酸丁酯製備過程 55
第四章、結果與討論 56
4-1 天然植物纖維表面處理 56
4-2 天然植物纖維及複合材料FT-IR測試 58
4-3 複合材料機械性質測試 61
4-3-1 拉伸測試 61
4-3-2 彎曲測試 65
4-3-3 耐衝擊測試 67
4-4 微差式掃描熱分析儀(DSC)測試 69
4-5 熱重損失分析儀(TGA)測試 72
4-6 熱變形溫度分析儀(HDT)測試 77
4-7 偏光顯微鏡(POM)測試 79
4-8 掃描式電子顯微鏡(SEM)測試 81
4-9 吸水性測試 85
4-10 海水浸蝕性測試 86
4-11 生物分解性測試 87
4-12 尺寸穩定性測試 89
第五章、結論 91
第六章、參考文獻 94
表目錄
表1-1 昭和高分子公司生產之PBS相關規格 8
表1-2 生物可分解性高分子之應用 9
表1-3 人造纖維分類表 10
表1-4 纖維素、半纖維素及木質素之組成 11
表1-5 農業與一般廢棄物纖維素、半纖維素與木質素組成 15
表2-1 天然植物纖維/玻璃纖維性質對照表 19
表2-2 添加不同比例之矽烷類偶合劑之熱性質 22
表2-3 不同甜菜漿比例、偶合劑比例對熱性質之影響 29
表2-4 不同甜菜漿比例、偶合劑比例對機械性質之影響 29
表3-1 實驗測試試樣代號 51
表4-1添加不同天然植物纖維比例之複材拉伸強度關係表 64
表4-2添加不同天然植物纖維比例之複材彎曲強度關係表 66
表4-3添加不同天然植物纖維比例之複材的耐衝擊強度關係表
68
表4-4 天然植物纖維複合材料之DSC分析 72
表4-5 鳳梨葉纖維熱裂解溫度、焦炭含量數據表 75
表4-6 回收竹筷纖維熱裂解溫度、焦炭含量數據表 75
表4-7 添加不同鳳梨葉纖維和回收竹筷纖維比例對複合材料熱性質
之影響 75
表4-8 複合材料TGA分析結果 77
表4-9 不同天然植物纖維比例、化學處理複合材料熱變形溫度關係表 79
表4-10 不同天然植物纖維比例、化學處理複材熱吸水性關係表 …...86
表4-11 不同天然植物纖維比例、化學處理複材生物分解性關係表... 88
表4-12 不同天然植物纖維比例、化學處理複材尺寸穩定性關係表 90


圖目錄
圖1-1 生物分解性塑膠之分解過程 3
圖1-2 PBS(Bionolle#1001)重複單位結構圖 5
圖1-3 PBS製造流程之概況 7
圖1-4 天然植物纖維之Cellulose結構圖 11
圖1-5 木質素結構圖 13
圖1-6 矽烷類偶合劑與天然植物纖維之反應機構 17
圖2-1 紅麻天然植物纖維之FT-IR光譜分析圖 21
圖2-2 天然植物纖維改質前後之彎曲性質 21
圖2-3矽烷類偶合劑對補強材與基材之間介面相容性的影響 24
圖2-4不同氫氧化鈉濃度對複合材料硬度的影響 25
圖2-5不同氫氧化鈉濃度對複合材料拉伸強度的影響 25
圖2-6不同加工壓力對複合材料彎曲性質的影響 26
圖2-7不同纖維含量、偶合劑改質前後對機械性質之影響 27
圖2-8不同海水老化時間、溫度對機械性質之影響 29
圖2-9不同海水老化時間、溫度對熱性質之影響 30
圖2-10不同老化試驗時間對重量損失之影響 30
圖2-11不同老化試驗時間對複合材料拉伸性質之影響 31
圖2-12不同天然植物纖維含量、化學改質對結晶度之影響 31
圖2-13不同天然植物纖維含量、化學改質對耐衝擊強度之影響 32
圖2-14筊白筍複合材料儲存模數分析圖 34
圖2-15不同化學改質程序對生物分解性之影響 35
圖3-1 天然植物纖維前處理流程圖 52
圖3-2 天然植物纖維/聚琥珀酸丁酯複合材料製作流程圖 53
圖3-3 天然植物纖維鹼處理反應機構 54
圖3-4 天然植物纖維偶合劑處理反應機構 55
圖3-5天然植物纖維偶合劑處理後與聚琥珀酸丁酯之反應機構 55
圖4-1 天然植物纖維未處理之表面形態 56
圖4-2 天然植物纖維鹼處理之表面形態 57
圖4-3 天然植物纖維矽烷偶合劑處理之表面形態 57
圖4-4 聚琥珀酸丁酯FT-IR光譜圖 59
圖4-5 矽烷偶合劑FT-IR光譜圖 59
圖4-6 未處理天然植物纖維FT-IR光譜圖 60
圖4-7 矽烷偶合劑處理天然植物纖維FT-IR光譜圖 60
圖4-8兩種天然植物纖維不同添加比例之複材拉伸強度關係圖.…...63
圖4-9不同天然植物纖維比例、化學處理之複材拉伸強度關係圖 64
圖4-10不同天然植物纖維比例、化學處理之複材彎曲強度關係圖 66
圖4-11不同天然植物纖維比例、化學處理之複材耐衝擊強度關係圖 68
圖4-12 未處理天然植物纖維系列之複合材料DSC分析曲線圖(第二段升溫) 70
圖4-13 矽烷偶合劑處理天然植物纖維系列之複合材料DSC分析曲線圖(第二段升溫) 70
圖4-14 未處理天然植物纖維系列之複合材料DSC分析曲線圖(第一段降溫) 71
圖4-15 矽烷偶合劑處理天然植物纖維系列之複合材料DSC分析曲線圖(第一段降溫) 71
圖4-16 鳳梨葉纖維處理前後TGA分析圖 74
圖4-17 回收竹筷纖維處理前後TGA分析圖 74
圖4-18 未處理天然植物纖維複合材料之TGA分析圖 76
圖4-19 矽烷類偶合劑天然植物纖維複合材料之TGA分析圖 76
圖4-20 不同天然植物纖維比例、化學處理對複合材料熱變形溫度關係圖 78
圖4-21 聚琥珀酸丁酯之結晶形態(65℃) 80
圖4-22 天然植物纖維/聚琥珀酸丁酯複合材料之結晶形態(69℃) 81
圖4-23 天然植物纖維/聚琥珀酸丁酯複合材料結晶放大區域(69℃) 81
圖4-24 聚琥珀酸丁酯(PBS)之斷裂表面分析圖 83
圖4-25 30%未處理天然植物纖維混摻PBS之表面分析圖 83
圖4-26 30%矽烷偶合劑處理天然植物纖維混摻PBS之表面分析圖 84
圖4-27 40%矽烷偶合劑處理天然植物纖維混摻PBS之表面分析圖 84
圖4-28 不同天然植物纖維、化學處理複材其吸水性關係圖 85
圖4-29 不同天然植物纖維、化學處理複材其海水浸蝕性關係圖 87
圖4-30 不同天然植物纖維、化學處理複材其生物分解性關係圖 88
圖4-31 不同天然植物纖維、化學處理複材其尺寸穩定性關係圖 89

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