硬度之量測結果

在試片的流動剪切前、中、後各取一區域，如圖 4.1，每一區域分別做 三次硬度量測後平均，同一組參數再取 5 個試片做硬度量測平均。最後的 數據如表 4.2-4.4。

圖 4.1 硬度量測區域示意圖

表 4.2 PLA 試片之硬度量測數據

模溫-保壓時間 剪切前 剪切中 剪切後

30℃-1min 83.7 83.5 83.4 30℃-5 min 83.2 84.2 84.6 80℃-1 min 84.1 84.8 84.7 80℃-5 min 84 83.9 84.4 90℃-1 min 83.2 83.2 82.5 90℃-5 min 82.9 83.7 82.8 100℃-1 min 83.8 84.4 82.7 100℃-5 min 84.6 83.9 84.3

表 4.3 PLA/KF 試片之硬度量測數據 0.1mm，所以量測到的部位有可能皆為不含強化材的基質 PLA，所以硬度 方面並不會因強化材的添加而有明顯的變化；而實驗所控制的變因對於硬 度方面的影響，由上述表格比較可知亦無顯著的改變。

4.3 拉伸強度之量測拉伸強度之量測結果拉伸強度之量測拉伸強度之量測結果結果結果

32.19 37.08 45.33

36.23

23.8 22.81

0

25.63 28.29

24.2

11.89 27.85

13.83 15.1

20.17 28.25 29.26

22.25 23.26

0

在上述的表中可以觀察出幾項明顯的趨勢

(1) PLA 試片的拉伸強度普遍比添加強化材的試片好，這和混練後強化材與 PLA 間的附著效果有顯著的關係，可能強化材破壞了 PLA 的均勻性，

導致拉伸性能的下降。亦有可能是混練時，因為長時間處於高溫下且混 練機的強烈剪切作用使得 PLA 與強化材混練過後，造成 PLA 的劣化使 得分子量下降[30]，從而影響到其拉伸強度。

(2) 在 PLA 的試片測試中，保壓 5 分鐘的拉伸強度皆小於保壓 1 分鐘的拉伸 強度；且當保壓模溫升高時，拉伸強度有下降的趨勢，當長時間保壓時，

90℃與 100℃的強度並無多大的區別。

(3) 在 PLA/KF 試片測試中看不出無明顯的趨勢，主要是因為 KF 在長徑比 和表面形貌上有很大的差異，而且彼此間會有聚集的現象產生，其分布 也並不均勻，這種現象很有可能是發生在 KF 的製造與加工的過程，還 有和 PLA 混練時不均勻所造成，所以在拉伸測試時會有很大的落差，故 這方面的數據無法提供作為參考。

(4) 在 PLA/MMT 試片測試中保壓 5 分鐘的拉伸強度會大於保壓 1 分鐘的拉 伸強度，此方面的趨勢與 PLA 試片正好相反，在此極有可能是因為長時 間的保壓使得原先因混練分子量下降的 PLA 密實度變大，且和 MMT 間 能夠有更緊密的附著，所以在拉伸測試中有較佳的性能。

(5) 在 PLA/MMT 試片測試中，短時間保壓的部份，強度在高模溫部份會比 低模溫部份來的高，而在長時間保壓方面，則有相反的趨勢，但在 100

℃時保壓時間似乎對於拉伸強度方面沒有影響。

4.4 拉伸斷面之觀察拉伸斷面之觀察 拉伸斷面之觀察拉伸斷面之觀察

4.4.1 PLA試片拉伸斷面試片拉伸斷面 試片拉伸斷面試片拉伸斷面

由於 PLA 分子結構中之羥基與鄰近碳原子的共平面結構，造成其分子 主鏈不易旋轉，因而呈現剛硬質脆之物性，且因分子主鏈不易旋轉，也使 其在射出成形於模具中之熔融冷卻結晶速率變慢。

以 SEM 觀察 PLA 試片之拉伸斷面(圖 4.5)可以看出在表面並不平整且不 規則，但在表面上並沒有發現纖維狀的細絲，由此可知 PLA 屬於具有脆性 性質的材料。在後面加入強化材的圖中也可以看出 PLA 的脆性。

(a) (b)

圖 4.5 PLA 試片拉伸斷面(a)全斷面 (b)部分放大。

4.4.2 PLA/KF試片拉伸斷面試片拉伸斷面 試片拉伸斷面試片拉伸斷面

由 SEM 的觀察可看出 KF 在長徑比，直徑和表面形貌上有很大的差異。

可發現纖維的直徑範圍由 10 到 60 μm 不等，而且纖維常會附著在一起。

這樣的差異很有可能是在纖維製造與加工的過程中所產生，且和 PLA 混練 時不均勻所造成。

下面一系列的圖為 PLA/KF 在不同參數下的 SEM 拉伸斷面。複合材料 的機械性能對於強化材的分散均勻與否和介面作用力的大小有相當的關 係，由 SEM 圖可以提供部分有關於纖維和高分子間的介面作用力與纖維分 布的資訊。

從圖 4.6(b)可看到有些 KF 與 PLA 間的連結情況不錯，且在拉伸測試過 程中纖維從中斷裂，由此可以知道纖維在拉伸過程中有一定的抵抗作用存 在。這有可能是因為在 KF 與 PLA 在連結時，KF 的表面有一層 PLA 薄膜 覆蓋其上，此由圖 4.8(b)可清楚看出，使得 PLA 與洋麻纖維之間的應力傳 遞較佳。

但大部分的 KF 會在拉伸測試過程中與 PLA 分離，如圖 4.7(b)和圖 4.9(b)，且在圖 4.10(b)中，可看見有些 KF 的配向與拉伸斷面平行，使得拉 伸應力主要由 PLA 所承受，沒有達到以纖維強化高分子的效果，這也顯示 出在高分子與纖維間的介面作用力需要再進一步的加強。

在纖維的分散性方面，由下列各個(a)圖即可以看出，纖維的分布並不均 勻，因此在這方面也需要加強與改善。

(a) (b)

圖 4.6 PLA/KF 試片於模溫 30℃保壓 1 分鐘之拉伸斷面(a)全斷面 (b)部份放 大。

(a) (b)

圖 4.7 PLA/KF 試片於模溫 30℃保壓 5 分鐘之拉伸斷面(a)全斷面 (b)部份放 大。

(a) (b)

圖 4.8 PLA/KF 試片於模溫 80℃保壓 1 分鐘之拉伸斷面(a)全斷面 (b)部份放 大。

(a) (b)

圖 4.9 PLA/KF 試片於模溫 80℃保壓 5 分鐘之拉伸斷面(a)全斷面 (b)部份放 大。

(a) (b)

圖 4.10 PLA/KF 試片於模溫 90℃保壓 1 分鐘之拉伸斷面(a)全斷面 (b)部份 放大。

(a) (b)

圖 4.11 PLA/KF 試片於模溫 90℃保壓 5 分鐘之拉伸斷面(a)全斷面 (b)部份 放大。

(a) (b)

圖 4.12 PLA/KF 試片於模溫 100℃保壓 1 分鐘之拉伸斷面(a)全斷面 (b)部份 放大。

(a) (b)

圖 4.13 PLA/KF 試片於模溫 100℃保壓 5 分鐘之拉伸斷面(a)全斷面 (b)部份 放大。

4.4.3 PLA/MMT試片拉伸斷面試片拉伸斷面 試片拉伸斷面試片拉伸斷面

MMT 本質是一種層狀結構矽質黏土(Layered Silicate Clay)，而根據尼龍 6 使用玻璃粉或滑石粉(Talc)等粉體需要 30%用量才有補強效果，而尼龍 6/MMT 複合材料在 MMT 達到奈米級分散時，則只需要含 5%MMT 或更低 量即可達到相同效果，達到機械物性大幅提升外。

本實驗之關鍵在於使原來微米級的 MMT 撥離其積層片狀物而成為奈 米級分散於 PLA 基材中。而預計分散於高分子基材作為補強關鍵之黏土粒 子，預估是由厚度約 1 奈米之片狀物構成，然後要能均勻分散在 PLA 基材 中，因此具有非常高的界面作用面積。此外黏土填充材料之層狀結構具有 很高的長徑比 (Aspect ratio)，可以阻礙氣體分子滲透故可以降低氣體擴散 速度，所以黏土填充高分子材料可以提升阻氣性效果，因此可以使用在包 裝材料上。依此論點，阻氣性將有助於阻燃性，因為可以使火焰不容易前 進。

但在 SEM 的局部放大圖中，可以看出 MMT 並沒有達到所預期的奈米 級分散，這主要是因為 PLA 並沒有撥離 MMT 積層片狀，且因為 MMT 的 聚集效應所以僅僅達到微米級分散。而微米級分散的效果就如同傳統複合 材料，所以並無法有明顯的性能改善，且因為粒子過大，在 PLA 試片中 MMT 比較類似雜質般的存在，僅達到破壞的作用而無法增強 PLA 試片的 機械性質。

原本所購買改質後的 MMT 並沒有與 PLA 間建立良好的鍵結，所以與 PLA 間的附著效果並不好，故在拉伸斷面上 MMT 造成 PLA 的含量降低且 MMT 所處的位置使得週遭的 PLA 結構遭到破壞。

(a) (b)

圖 4.14 PLA/MMT 試片於模溫 30℃保壓 1 分鐘之拉伸斷面(a)全斷面 (b)部 份放大。

(a) (b)

圖 4.15 PLA/MMT 試片於模溫 30℃保壓 5 分鐘之拉伸斷面(a)全斷面 (b)部 份放大。

(a) (b)

圖 4.16 PLA/MMT 試片於模溫 80℃保壓 1 分鐘之拉伸斷面(a)全斷面 (b)部 份放大。

(a) (b)

圖 4.17 PLA/MMT 試片於模溫 80℃保壓 5 分鐘之拉伸斷面(a)全斷面 (b)部 份放大。

(a) (b)

圖 4.18 PLA/MMT 試片於模溫 90℃保壓 1 分鐘之拉伸斷面(a)全斷面 (b)部 份放大。

(a) (b)

圖 4.19 PLA/MMT 試片於模溫 90℃保壓 5 分鐘之拉伸斷面(a)全斷面 (b)部 份放大。

(a) (b)

圖 4.20 PLA/MMT 試片於模溫 100℃保壓 1 分鐘之拉伸斷面(a)全斷面 (b) 部份放大。

(a) (b)

圖 4.21 PLA/MMT 試片於模溫 100℃保壓 5 分鐘之拉伸斷面(a)全斷面 (b) 部份放大。

4.5 試片高次構造之探討試片高次構造之探討 試片高次構造之探討試片高次構造之探討

℃共提升 20℃的效果。所以可以預估在保壓 5 分鐘時，微米級分散性的 MMT 至少需要模溫 100℃才能有效的發揮誘發結晶的功用，或者是微米級分散性 的 MMT 並不利於球晶之形成，所以 PLA/MMT 試片需要比純 PLA 試片模 溫高 10℃才會開始有球晶的產生，當溫度達到 100℃時，微米級分散性的 MMT 所造成的不利球晶因素影響才會大幅下降。

但由所有的圖中可以看出球晶含量並沒有很高，意即結晶度低，所以 PLA 中還是以非晶區域為主，且球晶還是分散在 PLA 中且彼此間充斥的非 晶區域，所以球晶界面間無法有效的建立鍵結，故雖然有球晶的產生，但 還沒有達到可以強化 PLA 的結晶度，所以顯現出來的拉伸強度也就不如預 期。

(a) (b)

圖 4.22 PLA 試片於模溫 80℃保壓 5 分鐘之偏光顯微照片，其放大倍率分別 為(a)1000 倍內層 (b)1000 倍外層。

(a) (b)

(c)

圖 4.23 PLA 試片於模溫 90℃保壓 5 分鐘之偏光顯微照片，其放大倍率分別 為(a)500 倍內層 (b)500 倍外層 (c)1000 倍內層。

(a)

(b) (c)

(d) (e)

圖 4.24 PLA 試片於模溫 100℃保壓 5 分鐘之偏光顯微照片，其放大倍率分 別為(a)100 倍 (b)400 倍內層 (c)400 倍外層 (d)1000 倍內層 (e)1000 倍外層。

(a) (b)

(c)

圖 4.25 PLA/MMT 試片於模溫 90℃保壓 5 分鐘之偏光顯微照片，其放大倍 率分別為(a)1000 倍內層 (b)1000 倍外層 (c)1000 倍內層局部放大。

(a)

(b) (c)

(d) (e)

圖 4.26 PLA/MMT 試片於模溫 100℃保壓 5 分鐘之偏光顯微照片，其放大倍 率分別為(a)100 倍 (b)200 倍內層 (c)200 倍外層 (d)1000 倍內層 (e)1000 倍

外層。

第五章

5.2 改進建議改進建議 改進建議改進建議

本研究的實驗中，尚有一些待改進與檢討之處，列舉如下：

(1) 混練時，避免過高的溫度與過強烈的剪切力造成高分子的劣化使其分子 量大幅下降，且宜加入適當的分散劑，讓強化材可以更均勻的分布在高 分子基材中。

(2) 蒙脫土的改質方面，可使用電漿改質蒙脫土表面，使其表面帶有官能 基可以與 PLA 的相互鍵結更好；或者使用適當的插層劑撐大蒙脫土的 層間距離，使其容易被撥離，進而達到奈米級的分散。

(3) 洋麻纖維方面，在先前的處理必須盡量達到均一性，而後在其表面做適 當的改質，使纖維的附著性能提升且彼此無太大差異；最後加入分散劑 使纖維的分佈能夠均勻，達到強化的效果。

參考文獻參考文獻 參考文獻參考文獻

[1] Chen Y, Chiparus O, Sun L, Negulescu I, Parikh DV, Calamari TA,

“Natural fibers for automotive nonwoven composites.”,Journal of

“Natural fibers for automotive nonwoven composites.”,Journal of