塑木复材之流变性质与界面改质之研究.doc

論文題目：塑木複材之流變性質與界面改質之研究 研究生：陳建源 指導教授：王曄 博士 摘 要 在高密度聚乙烯與木粉系統的塑木複材中，木粉跟乙烯基材界面之間微弱的交互作用，使得複材的機械性質無法有效提升。為此加入相容劑以改善界面作用，提升複材的機械性質。官能性聚烯，類如以馬來酸酐或丙烯酸處理過的線性低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯以及SEBS共聚物等，與聚乙烯和木粉混合之後，可以增加其界面交互作用。本研究利用動態機械分析（DMTA）、RDAⅡ流變儀以及毛細管流變儀，檢測複材動態機械性質以及穩態流變性質與複材界面之間的變化關係。研究結果顯示，複材的穩態黏度隨著木粉含量的增加而增加。添加相容劑有助於增加木粉與基材的界面黏著，複材的黏度因而隨之增加；而隨著相容劑濃度的增加，黏度也相對的增加。在動態機械性質方面，塑木複材加入相容劑之後，tanδ波峰振幅跟著降低，而且tanδ的波峰溫度也會往高溫移動；證實相容劑有助於增強複材的界面交互作用。加入相容劑之後，複材的儲存模數也會增加。 簡介 高分子材料的製品因為價格低廉、容易加工及其性質的可調配性，在我們日常生活中已成為不可或缺的物品。複合材料常用的填充物有無機粉末以及人造纖維；其中人造纖維對高分子材料有絕佳的補強效果。在我們自然界中，也有許多天然纖維可供利用，與常用的補強材料如玻纖、滑石粉、碳酸鈣等相比，天然纖維具有價格低、重量輕、韌度高等優點。另外天然纖維不像滑石粉、碳酸鈣等粉末補強材料，會產生粉塵，影響人體健康；天然纖維的硬度也比人造纖維低，對人體或加工設備的損傷也較少。以亞麻纖維為例，它的最大剛性可以比美克維拉纖維，與玻璃纖維比較，亞麻纖維複材密度較低，但是在加入相同比例之下，卻有相似的的機械強度[1]。 雖然木質纖維是很好的補強材料，但是在應用上仍有其困難需要克服。木質纖維表面為親水性，而塑膠基材為疏水性，兩者表面性質差異極大會形成明顯的界面層，這對塑木複材機械性質的補強有嚴重的負面影響[2]。再者，木質纖維不像一般無機補強材料，可以耐熱、耐高溫；木質纖維在高溫的加工環境下容易劣化，劣化的木質纖維對塑木複材的機械性質有負面的影響，並且使得塑木複材成品色澤變深。如果木質纖維在高剪切力的作用之下，會造成纖維破損，影響塑木複材的機械性質。因此如何使木質纖維與塑膠基材更為相容以及找出適宜的加工條件，是開發塑木複材的關鍵所在。本研究即在探討塑木複材界面的交互作用，以及利用流變性質探討複材界面作用之機制。 實驗材料： (a)基材：高密度聚乙烯，商品名為Taisox 9003，密度0.954 g/cm3，熔點132℃。 (b)填充劑：木粉由德商J. RettenmainerSohne GMBH提供，品名為Celluflex，濕度6 ± 2 %。 (c)相容劑： 1. LLDPE-MA：Du Pont公司所提供，型號MB-226D，接枝率為0.9%，熔點為122℃。 2. HDPE-MA：Du Pont公司所提供，型號為MB-100D，接枝率為0.9%，熔點為136℃。 3. HDPEgAA：由Uniroyal Chemical公司所提供。型號為PB1009，接枝率為6%。 4. SEBSgMA：由Shell Karton公司提供，型號為FG-1901X，接枝率為2%。 5. PPgMA：由Uniroyal Chemical公司所提供。型號為PB3002，接枝率為0.2%。 實驗步驟 (a) 木粉乾燥：將木粉置於熱循環式烘箱，設定溫度為65℃烘乾48小時。 (b) 混煉實驗：雙螺桿押出機(弘煜機械)，PSM30，80 RPM，木粉的進料由側邊進料器進料。相容劑先行與基材在室溫下預拌。 (c) 流變實驗：將混練後的顆粒置於65℃烘箱中，烘乾48小時後，以毛細管流變儀（Dynisco LCR 7001），測量高剪速率時的黏度。另外以熱壓成形機，製成厚度約0.5 mm的試片，熱壓溫度為170℃，以旋轉式流變儀（Rheometrics RDA2），測量低剪速率時的黏度。 (d) 動態機械性質：由動態機械分析儀測量（PerkinElmer 7e），試片規格12×13×3 mm；Hz，升溫速度為2℃/min。測試前將試片置於65℃烘箱48小時。 結果與討論 不穩定流動 圖1及圖2分別為純HDPE及木粉含量30 wt%的塑木複材在不同溫度下，由毛細管流變儀測得的黏度與剪速率的關係。在圖中除了不穩定的區域之外，黏度隨著溫度的增加而降低，並且隨著剪速率的增加而降低。在剪速率大於40 s-1之後，發生不穩定流動（unstable flow）的現象，當剪速率達1000 s-1以上才又恢復。在不穩定流動區域，擠出物發生熔融破裂（melt fracture）的現象，表面