在實際應用的環境中，生物性膜能夠承載多少外力衝擊下仍能維持 其結構等機械性質都會影響到膜的應用極限與方向。薄膜的機械性質 測定是將膜的兩端以夾具固定，以一定的速度與力量將膜拉長，膜斷 裂時的拉伸長度及所施予的外力，即代表膜之柔軟性與強度。生物性 膜的機械性質與所選用的生物材料結構黏著性及製作方法有密切的關 係 (Guilbert and others, 1996)。一般而言，高分子鏈間以越強或越多的 分子作用力纏繞交結者，膜越不易被拉斷。膜製作過程中因成膜溶液 中之高分子原料種類濃度、使用之溶劑與塑化劑之種類與濃度、乾燥 溫度等均有可能導致薄膜中巨分子的空間構型巨分子鏈的交纏情形變 化，進而造成對膜機械性質的影響。
參、材料與方法 3.1. 材料
1. 玉米澱粉：Starch from corn, SIGMA-ALDRICH, Inc. (St. Louis, MO, USA)生產。約27% 直鏈澱粉含量。
2. 棉花纖維素：Sigmacell Cellulose, Type 20. SIGMA-ALDRICH, Inc.
(St. Louis, MO, USA)生產。原廠提供之比重1.607、折射率1.54。
3. 甘油：Glycerol, Nacalai Tesque Inc. (Kyoto, Japan)生產 3.2. 設備
1. 奈 米 級 介 質 研 磨 機 ： Netzsch-Feinmahltechnik GmbH (Staufen, Germany)生產，型號Minipur，其外觀如圖3-1a所示，研磨室之結構 如圖3-1b所示。
2. 雷射粒徑分析儀(laser diffraction particle size analyzer)：
Beckman Coulter(CA, USA)生產，型號LS 230 i. 粒徑量測範圍0.4 ~ 2000 μm；
ii. 分 析 所 採 用 的 數 學 模 式 為 Fraunhofer laser diffraction, Mie scattering和PIDS (polarization intensity differential scattering)。
生產，型號Models 3510R-DTH。頻率40 kHz。
4. 震盪器：Scientific Industries, Inc. (NY, USA)生產，型號G-560 (Votex- Genie 2)。
5. 動態流變儀(應力控制型)：TA Instrument (New Castle, DE, USA) 生產，型號AR-2000ex。
6. 掃瞄式電子顯微鏡(scanning electron microscopy, SEM)：Hitachi (Japan)，型號 S-800。
7. 穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope, TEM)：
Hitachi (Japan)，型號 H-7100。
8. 質地測定儀(Texture analyzer)：Stable Micro System(
Godalming, England) 生產，型號 TA-XT2i。
9. 測微器 (micrometer)：mitutoyo (Japan)生產
圖3-1a 奈米級介質研磨機。
Figure 3-1a. Nanoscale media milling apparatus.
控制器(controller) 研磨室(milling chamber)
預拌槽(pre-stirring tank)
循環泵(circulation pump) 低溫水槽(low temperature
water bath)
圖3-1b 奈米級介質研磨機設備示意圖。
Figure 3-1b. A sketch of nanoscale medium grinding apparatus.
(陳，2006)
3.3. 實驗流程及步驟
Preparation of Raw Materials for suspension 22 g cotton cellulose / 400 g deionized water
24 g corn starch /400 g deionized water
Media Milling Media: 0.3 mm Y-Zr beads
Operation conditions:
3000 rpm, 60min (cellulose), 120min (starch)
Solid content
Particle size
Morphology (SEM/ TEM)
Mixed starch, cellulose and glycerol
Morphology (SEM) Film
Mechanical strength (Texture analysis) Rheology
Rheology
3.3.1. 原料濃度
進料濃度為24 g澱粉加400 g之去離子水(重量百分濃度約6 %)與22 g纖維素加400 g之去離子水(重量百分濃度約5.5 %)。由於Minipur奈米 級介質研磨機中的產品回收率與固形物含量隨著濃度愈高造成懸浮液 之黏度提高而使回收率及固形量下降，造成研磨後的出料濃度小於進 料濃度。後續實驗中澱粉及纖維素會將會以不同比例混合成膜並測定 流變性質，濃度不同將會造成實驗變異。故進料濃度將高於5%，並測 定產物固形物含量，將水分調整回5 %。總體積(約400 mL)的選擇係依 據介質研磨機之容量設計(相當於預拌槽體積)。
3.3.2. 介質研磨
研磨機操作參數如下：
i. 研磨介質：粒徑0.3 mm 之球形釔鋯珠，比重約6~ 7。
ii. 研磨介質填充體積：140 mL (約575 g) 。 iii. 研磨轉子轉速：3000 rpm。
iv. 研磨室體積：200 mL。
v. 預拌槽體積：400 mL。
vi. 循環泵體積流量：600 mL/min
研磨介質採用粒徑0.3 mm之釔鋯珠，實驗採用0.3 mm之釔鋯珠，原 因有二。其一，釔鋯珠之硬度高，耐磨性佳，在高轉速、長時間的研 磨下，對試樣的污染最低。其二，要將纖維素材料研磨至奈米等級，
研磨介質的大小必須0.3 mm以下；0.8 mm之研磨介質在極限的比能 下，仍無法將產品達到奈米級之要求。(趙，2004)。介質分離元件的尺 寸為0.15 mm，當研磨材料之尺寸大於0.15 mm時，該材料會滯留於研 磨室內直到粒徑下降至0.15 mm以下方可隨溶劑流出經循環泵再送回 研磨室內。
研磨之詳細步驟如下：
1. 加入140 mL研磨介質釔鋯珠至研磨室中。
2. 加入200 mL去離子水於預拌槽中。
3. 將研磨轉子轉速設定為3000 rpm，循環泵流速設為600 mL/min。
4. 將24 g玉米澱粉或22 g棉花纖維懸浮於150 mL去離子水中再緩慢加 入預拌槽。
5. 用50mL之去離子水將殘餘物料加入預拌槽中，開始計時。
3.3.3. 澱粉薄膜之製作
澱粉薄膜製備之流程，如圖3-2所示。將澱粉及研磨後澱粉懸浮液 與研磨後纖維素懸浮液以不同比例 (10/0、9/1、7/3、5/5, w/w)混合配 製成總重為40 g 之懸浮液，總固形物含量為5%。表3-1為各樣品澱粉 與纖維素含量與其代號。甘油的添加量為總固形物含量10% (0.2 g)。將 澱粉懸浮液置於水浴鍋加熱，溫度達85℃以上，持續加熱10分鐘，最 後將10 g 澱粉糊溶液倒入塑膠培養皿 (內徑為9 mm) 中，於25℃/ 80%
RH烘箱烘乾。
圖3-2 薄膜製備流程圖
Fig 3-2.The flow chart of preparation of film.
Milled starch (MS) Milled cellulose (MC)
Mixed in a beaker (40 g)
Put in a water bath (T=95°C )
Poured on plastic Petri dishes
Placed in oven for 2 day (25℃ and 80% RH)
over 85°C for 10 min
Film
Starch Glycerol
表3-1 澱粉懸浮液組成及代號
Table 3-1. Description of starch suspension composition and relative codes.
Native starch
Milled starch
Milled
cellulose glycerol Sample codes
40 0 0 0 S
3.3.4. 粒徑量測
粒徑量測儀器為Beckman Coulter (CA, USA)生產之LS 230，粒徑量 測範圍0.4 ~ 2000 μm，光源經濾光處理後，偵測下限可達40 nm。於25°C
下，以去離子水在進行儀器背景值較正，所有研磨後之試樣皆在取樣 後隨即以去離子水稀釋成100 ppm，試樣於量測期間採流動方式，可避 免試樣中粒子因物理聚集或重力堆疊所造成的量測誤差。利用分析軟 體(FLEX Software, Microtrac Inc., USA)分析散射訊號，計算粒子之 Doppler shifts 以求得粒徑分佈百分比、平均粒徑（mean particle size）
等粒徑分佈參數。
3.3.5. 流變性質量測
以應力控制型動態流變儀量測懸浮液流動曲線(flow curve)，探討剪 切速率、剪切應力、及黏度間的關係，並輔以流體經驗式評估其流動 行為。將澱粉與澱粉纖維素懸浮液置於樣品載台(peltier plate)上，以4 公分2PoP角的椎板(cone and plate)在25 ℃下預轉(pre-shear) 1 min 後立即 進行量測。控制剪切速率先由0PP升至500 sP-1，可得懸浮液的上升曲線(up P curve)圖。選擇Herschel and Bulkley model來說明流體的性質，並討論
3.3.6. 顯微觀察
觀察研磨所得奈米粒子之顯微結構，確認粒子粒徑分佈。
i. 掃描式電子顯微鏡：將研磨後之試樣稀釋10倍後滴於於載台 上，使用離子覆膜器（Hitachi E101 Ion Sputter）在真空狀態下 將溶劑快速抽乾並在樣品表面鍍上金膜。澱粉及纖維素原料則 直接取其粉末，塗抹於載台；薄膜取自然斷裂面或使用液態氮 使其脆斷再將黏貼於載台上，於真空狀態下以離子覆膜器將樣 品表面鍍上金膜後。以SEM（Hitachi S-800 Field Emmission SEM）於電壓20KV下觀察樣品之表面顯微結構。
ii. 穿透式電子顯微鏡：將研磨後之試樣稀釋10倍後滴於於TEM專 用之200 mesh鍍碳銅網 (01800-F,Ted Pella, Inc., U.S.A. )，使其 自然乾燥，乾燥後樣品直接以TEM觀察，利用CCD照相系統擷 取所需影像。TEM所用之電子源為熱陰極電子槍(LaBB6B燈絲)，
最大加速電壓為120kV。
3.3.7. 厚度分析
澱粉膜在25℃、50%RH 下平衡一天後，以測微器 (micrometer) 進行量測。測量十個不同位置薄膜的厚度，計算其平均值，紀錄為澱 粉薄膜厚度。
3.3.8. 機械性質分析
薄膜機械性質測定依照部分修改之ASTM Method D882-02 (ASTM, 2002)之方法，以質地測定儀進行測試，將樣品固定於測定探頭 (A/TG) 之夾具上進行膜之延展性 (elongation at break) 與抗張強度 (tensile strength) 測定。首先先將膜裁切為60 × 30 mm 啞鈴型大小(上下寬度為 30mm，中間則為20mm)，置於25℃/50% RH 的密閉空間中平衡一天後 進行實驗。質地測定儀以5 kg 砝碼進行校正，夾具間距及拉伸速率分 別為20 mm 與1.0 mm/sec。Elongation at break (%) = (DL× 100)/L，其中 DL 為膜被拉裂時的伸長量，而L 為膜之原始長度 (20 mm)。Tensile strength (kPa) = F/A，其中F 為拉裂膜所需的最大力 (mN)，而A為膜之 截面積。最後計算其楊氏模數(Young’s modulus )，楊氏模數為材料粒 學上的名詞，彈性材料承受正向應力 時會產生正向應變。楊氏模數=
應力(tensile strength)/應變(elongation at break)，越大表示物體越不容易 變形。
肆、結果與討論 4.1. 原料性質
原廠提供之纖維素平均粒徑(未說明為何種平均)為 20 μm，澱粉則 未提供粒徑資訊。經以靜態光散射粒徑分析儀(Beckman Coulter LS 230) 檢測，澱粉粒徑分布如圖4-1a 與圖 4-1b 所示，非單峰分布，粒徑分佈 在10~ 30 μm 之間。體積平均粒徑為 16.50± 0.99 μm，粒數平均粒徑則 為9.43± 0.22 μm。纖維素粒徑分布如圖 4-2a 與圖 4-2b 所示，為一單 峰分布，粒徑分佈在10~140 μm，體積平均粒徑為 36.5± 0.38 μm，粒 數平均粒徑則為5.53± 0.01 μm，
0
Particle Diameter (μm)
Volume (%)
Passing Volume (%)
Volume (%) Passing Volume (%)
圖4-1a 玉米澱粉之體積粒徑分布圖。
Fig.4-1a. Particle size distribution of native corn starch by volume.
0
Particle Diameter (μm)
Number (%)
Passing Number (%)
Number (%) Passing Number (%)
圖4-1b 玉米澱粉粒數粒徑分布圖。
Fig.4-1b. Particle size distribution of native corn starch by number.
0
Particle Diameter (μm)
Volume(%)
Passing Volume (%)
Volume(%) Passing Volume(%)
圖4-2a 棉花纖維素之體積粒徑分布圖。
Fig.4-2a. Particle size distribution of cotton cellulose by volume.
0
Particle Diameter (μm)
Number(%)
Fig.4-2b. Particle size distribution of cotton cellulose by number.
4.2. 介質研磨對物料粒徑的影響
4.2.1. 介質研磨對澱粉粒徑的影響
介質研磨後之澱粉的平均粒徑，隨著研磨時間增加而變化(圖 4-3a 與4-3b)。體積平均粒徑隨著研磨時間的增加而下降，研磨 180 分鐘的 後，體積平均粒徑為9.1± 0.49 μm。從體積粒徑分佈圖(圖 4-4a)也顯示 出隨著研磨時間增加，粒徑分佈圖由右(大粒子)往左(小粒子)移動，小 粒子逐漸增加，在 120 分鐘之後粒徑分佈始為雙峰分佈(bimodal distribution)，表示此後才開始出現奈米/次微米顆粒。粒數平均粒徑一 開始也會緩慢下降，但在90 到 120 分鐘間劇烈的下降，研磨 180 分鐘 後，粒數平均粒徑為0.12± 0.01 μm。粒數粒徑分佈圖皆為單峰分佈(圖 4-4b)，於 90 至 120 分鐘之後研磨，粒數粒徑分佈圖有一個大的轉變，
在研磨90 分鐘粒數平均粒徑為 3.52 ± 0.08 μm，在 120 分鐘奈米/次微 米粒子急速增加，平均粒經降為0.1 ± 0.01 μm，粒徑從微米進入奈米 尺度。從體積與粒數平均粒徑變化趨勢來看，推測介質研磨對於澱粉 顆粒的破壞是屬於表面侵蝕(abrasion)，研磨介質不斷對澱粉顆粒表面 進行破壞，在 120 分鐘之前澱粉顆粒本身結構並未被破壞，經由 120 分鐘的研磨，澱粉顆粒表面結構已被破壞無法繼續承受外力而崩解破
0
Milling Time (min)
Volume mean (μm)
圖 4-3a 澱粉體積平均粒徑變化。
Fig. 4-3a. Volume mean particle size of reduction for starch.
0
Milling Time (min)
Number mean (μm)
圖 4-3a 澱粉粒數平均粒徑變化。
Fig. 4-3a. Number mean particle size of reduction for starch.
0
Particle Diameter (μm)
Volume (%)
Fig. 4-4a. Volume particle size distribution of starch suspension after being milled different time.
0
Particle Diameter (μm)
Number (%)
Fig. 4-4b. Number particle size distribution of starch suspension after being
表 4-1 不同研磨時間下澱粉奈米/次微米粒子之體積與粒數百分率。
Table 4-1. Volume and number percentage of nano/submicron particle of starch at different milling time.
Milling Time (min) Volume (%) Number (%) 0 0 PaP 0 PAP 30 0 PaP 0 PAP 60 0 PaP 0 PAP 90 0 PaP 0PAP 120 1.30 ± 0.08 PbP 99.86 ± 0.06 PBP 150 9.98 ± 0.93 PcP 99.93 ± 0.03 PBP 180 17.60 ± 1.05 PdP 99.94 ±0.01 PBP Each value presents Mean ± SD, n = 3.
以下的粒子，研磨 90 分鐘後亦無小於 1 μm 以下的粒子產生，直到研 磨 120 分鐘後才出現小於 1 μm 的粒子，雖然體積百分率僅有 1.3%屬 於奈米/次微米粒子，但若以粒數百分率來看，奈米/次微米粒子已達 99%以上，顯示在數量上超過 9 成為奈米/次微米粒子。研磨時間的增 加對奈米/次微米粒子數並無顯著性的影響。
4.2.2. 介質研磨對纖維素粒徑的影響
介質研磨後之纖維素的粒徑，依照研磨時間之不同而變化(圖4-5a
介質研磨後之纖維素的粒徑，依照研磨時間之不同而變化(圖4-5a