研究方法與目的

本研究擬選擇生物可降解高分子 PLA 與洋麻纖維、有機蒙脫土，以單 螺桿擠製機依重量百分比摻混出固定比例之 PLA/洋麻纖維與 PLA/有機蒙 脫土複合材料作為研究對象。

在實際射出成形時，控制模具溫度與保壓時間長短來影響複合材料之 高次構造的形成，待冷卻後脫模取出試片，並做後續形態觀察與機械性質 測試。

在實驗結果的觀察與分析上，係利用試片顯微鏡之形態觀察方法，探 討複合物之相分佈及結晶性等高次結構，並與成形試片之機械性質測試結 果相互比較分析，以了解模具溫度與保壓時間所影響之高次構造對其機械 性質的影響，做為提升複合物材料製品性能的參考。本研究所採用的顯微 鏡分析分別使用偏光顯微鏡做結晶性的觀察，以及用掃描式電子顯微鏡做 表面形貌的觀察。

第二章 第二章 第二章

第二章 生物可生物可生物可生物可降解塑膠降解塑膠降解塑膠與射出成形原理降解塑膠與射出成形原理與射出成形原理 與射出成形原理

2.1 生物可降解生物可降解塑膠生物可降解生物可降解塑膠塑膠 塑膠

簡單的說，生物可降解塑膠就是能利用自然界微生物進行分解，最後 成為水和二氧化碳或甲烷的塑膠。因為可分解，這種產品可和一般動植物 垃圾與牲畜排泄物，乃至於樹枝、樹葉一起做堆肥，成為土壤改良材料與 綠地土壤甚至肥料。若進行甲烷氣體化，則可回收成為能源。也可稱之為 綠色塑膠。

圖 2.1 綠色塑膠循環圖[21]

而生物可降解塑膠根據來源的不同可以分為以下三種：微生物產生 系、天然物系和化學合成系。

(1) 微生物產生系：

在自然界中，有許多微生物會在體內形成聚酯以作為儲存能量之物質， 太高。直到 1986 年，PLA 才被認為是一項有潛力的日用塑膠，Battelle 公 司和杜邦公司也開始投入相關的生產與加工技術的研究。而當 Cargill 公司 向市場提供了廉價的、高純度的、高分子量的 PLA，才是真正成為其快速 發展的契機，因此，具有實用價值的 PLA 薄膜、纖維等的開發才有了實質 性的發展。

聚乳酸的合成

通常兩步法合成的 PLA 含有殘留單體和少量催化劑，且平均分子量較 高，應用範圍也較廣。然而兩步法也存在生産流程較長，生産成本較高，

過程較複雜，且在生産中需消耗大量試劑等。對於兩步法生産技術而 言，乳酸的環化和提純是製備丙交酯的技術難點，也是製備 PLA 的關 鍵所在。在兩步法生産 PLA 過程中，丙交酯的開環聚合屬鏈式聚合反 應，並且聚合條件和生產過程參數的選擇往往隨引發劑的不同而改變。

聚乳酸的特性 聚乳酸的特性 聚乳酸的特性

聚乳酸的特性：：：：PLA 與一般的高分子材料不同，主要在於其兩項特性。

(1) 完全生物可降解性：

PLA 在自然環境下的降解速度是所有綠色塑膠中屬於相當慢的一種，根 據土質的不同，需經過數年才能逐漸分解為水和二氧化碳，但在堆肥環 境下卻可以分解的很快，短則一周，長則一個月即可完全分解。如圖 2.2 所示：

圖 2.2 PLA 瓶子在堆肥環境下 30 天的變化[23]

(2) 植物來源性：

PLA 是以生物資源為原料的高分子。Natureworks 公司是以玉米澱粉為 原料生產 PLA 的，最近也開始研究使用糧食以外的原料(如有機垃圾、

農業收割後的廢棄物、伐木廢屑等)來生產 PLA。無論是上述哪一種方 式，對於使用後的 PLA 製品不需要做專門回收，它會隨著時間而逐漸 分解；若是回收後以焚燒處理也不需要擔心會排放有害氣體。經過處理 後的 PLA 製品只是將二氧化碳回歸到自然界中，並不會額外增加其他 有害物質，且可與植物的光合作用形成一個碳循環系統，對地球資源的 永續發展有相當的貢獻。

2.2.2 洋麻纖維洋麻纖維洋麻纖維洋麻纖維

洋麻(kenaf)是錦葵科木槿屬中的一個種，學名 Hibiscus cannabinus L.。

一年生之草本韌皮纖維作物，又可稱為槿麻、鍾麻、紅麻。洋麻纖維拉力 強、耐腐、散水快，通常被用於製造麻袋、麻布，或者織成地毯、製造繩 索等。

洋麻的光合作用速度是普通植物的 3～9 倍，是自然界吸收二氧化碳水 平最高的一種植物，因此對於防止地球溫室效應有極高的功效，而在適當

的溫度環境下，3 個月可使洋麻生長到大約 3 公尺上下，如此快速的生長速 度更可無匱乏的供應在各項需求的行業上。除了此項益處外，洋麻纖維有 較高的機械性質和生物可降解性。近年來，也有被使用於造紙業與汽車工 業上如圖 2.5，以此降低森林的破壞。

圖 2.3 洋麻纖維與 PLA 複合，應用於汽車的內裝[23]

2.2.3 蒙脫土蒙脫土蒙脫土蒙脫土(Montmorillonite)

黏土礦物是由矽四面體及鋁八面體兩種基本單位所組成。矽四面體結 構是由四個氧原子圍繞著一個矽原子組成的基本單元，再由基本單元組成 矽土層，在矽土層中每個矽四面體底部的三個氧原子與鄰近的四面體共 用。鋁八面體則是由六個氫氧基圍繞著一個鋁原子所形成，再由八面體單 元組成鋁八面體層。當矽的四面體層與鋁八面體層以 2:1 的比例組成，也就 是兩層矽的四面體層中間夾一鋁八面體，且每一化學簡式單元僅具有 0.25~0.6 之層電荷，因只具有偏低之層電荷，層間作用力陽離子和水可進 入層間，所以可自由地膨脹，即歸類為膨潤石類。而蒙脫土即屬於黏土礦 物中的膨潤石類，其粒徑微小(1µm 以下)、廣大表面積，且具有相當良好的 吸附能力之天然黏土礦物。由於具有特殊的晶體結構和物理、化學性質，

使得蒙脫土具有良好的吸水性、膨潤性、吸附性及陽離子交換等優異性質。

下圖即為蒙脫土之結構示意圖：

圖 2.4 蒙脫土結構示意圖[24]

2.3 射出成形原理射出成形原理 射出成形原理射出成形原理

射出成形的原理是將塑膠粒以固定量且間歇的方式，由進料漏斗加 入，送至加熱管中加熱使其融化後，透過活塞柱向前推進，經過噴嘴射入 模具的模穴中。當模穴充滿後，經保壓一段時間後，由模具的冷卻系統將 塑膠料冷卻成固體，待降低到所要求的溫度後，即可開模頂出成品，然後 繼續下一個射出循環。

射出成形的主要流程，可用下圖表示：

圖 2.5 射出成形主要流程圖

射出成形的主要機制與流程，可以分成幾個部分，下列以最普遍的螺 桿式射出成形機為例子來說明：

(1) 鎖模：通常母模是靜止固定的狀態，然後公模移動靠近並關閉之。射出 成形，是使用高射出壓力材料注入模具內，因此關閉模具時，要求非常 高的鎖模力。

(2) 射出流動：在加熱汽缸內，保持一定溫度壓力狀態下的溶融塑膠材料，

螺桿前進的擠壓壓力而進行射出的動作。

(3) 壓縮保壓：射出後螺桿或活塞不會馬上收回，而會維持模穴內壓力，待 澆口冷卻凝固後，才會回到原來位置。

(4) 模具冷卻：以通過模具水路(亦有空氣冷卻者)的冷卻水帶走注入於模穴 內的溶融塑膠材料之熱量，使其漸漸固化冷卻下來。

(5) 開模頂出：待塑膠降低到適當溫度後，即可打開模具，進行頂出動作，

取出成品。

下圖可提供更完整的概念：

圖 2.6 射出成形完整流程示意圖[25]

2.4 製品成形機制製品成形機制 製品成形機制製品成形機制

熔融塑料透過射出螺桿的擠壓、加熱及高速射出至較冷的模穴，接著歷 經保壓、冷卻固化到脫膜前的成形過程，高分子熔融塑料經歷了複雜的溫 度、壓力與剪切應力等相變化過程履歷，其本身的機械性質、熱性質與光 學性質也隨之產生複雜的變化，例如：模具溫度的提高使高分子熔料體積 膨脹，造成密度變小；壓力提高卻造成壓縮效應使密度變大等。此外，高

分子熔融塑料的黏度變化對於成形製品的性能品質也有很大的影響，提高

等，同時也影響最後成形品之尺寸精度，包括收縮與翹曲變形等。由此可

2.4.3 成形製品的冷卻機制成形製品的冷卻機制成形製品的冷卻機制成形製品的冷卻機制

大的引力場和物理交纏度以及物理作用力。因此，高分子依其分子內、分 子本身及其分子間之結構可分類為[27]：

(1) 一次結構：即分子內結構，是指鏈之構造單位，如：順式、反式，同 排、對排等。即高分子之化學組成及組態（Configuration）。

(2) 二次結構：即分子本身結構，係指一高分子鏈之排列狀態，及其構造 形狀（Conformation）。其結構有伸展鏈（Extended chain）、雜亂捲繞

（Random coil）、規則性捲繞（Folded chain）及螺旋體（Spiral chain or helix）。

(3) 三次構造：指高分子間形成之聚集狀態，雜亂捲體之細胞狀結構、麵 糰結構、鬚狀微泡結構（Fringed-Micelle structure）、折疊鏈

(Folded-chain)之高分子結晶與重疊螺旋體（Super-helix）。

(4) 高次結構：即數種三次結構同時分佈於一高分子內，依其不同的排列

大，晶核不易生成，結晶緩慢，冷卻週期加長，形成較大的球晶。 於製品內部晶核生成和球晶（Spherulites）長大，結晶也比較完整。

由於在中速冷卻區時的結晶速率快、模溫較低、製品脫膜容易，且成 形週期短，所以射出成形條件常在這一溫度區來選擇模溫對成形條件最有 利。

2.6 高次構造高次構造之觀察實驗高次構造高次構造之觀察實驗之觀察實驗之觀察實驗

在高分子的高次構造觀察方面，擬以偏光顯微鏡（Polarized Optical Microscope，POM）觀察其結構組織的高次結構型態，如：結晶、球晶構造、

粒度分佈與偏光程度等性質，在不同的成形參數條件下有何變化。

粒度分佈與偏光程度等性質，在不同的成形參數條件下有何變化。