行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
聚乙烯聚丙烯系汽車保險桿回收料做為絕緣型塑膠路燈的
開發研究
研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 ： 個別型 計 畫 編 號 ： NSC 99-2622-E-151-004-CC3 執 行 期 間 ： 99 年 06 月 01 日至 100 年 05 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立高雄應用科技大學化學工程與材料工程系 計 畫 主 持 人 ： 何國賢 共 同 主 持 人 ： 王怡仁 處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，研究成果報告(精簡版)2 年後可公開查詢中 華 民 國 100 年 07 月 29 日
行政院國家科學委員會補助產學合作研究計畫成果精簡報告
聚乙烯聚丙烯系汽車保險桿回收料做為絕緣型塑膠路燈的開發研究
Study on polyethylene and polypropylene composites as the street lamp poles
計畫類別：□ 先導型 □ 開發型 □ 技術及知識應用型
計畫編號：NSC 99－2622－E －151－004－CC3
執行期間： 2010 年 6 月 1 日至 2011 年 5 月 31 日
執行單位：國立高雄應用科技大學化學工程與材料工程系及國立雲林科技大學
計畫主持人：何國賢 教授
共同主持人：王怡仁 教授
計畫參與人員：王韋翔 蒲信佑
研究摘要(500 字以內)：
人才培育成果說明：
技術研發成果說明：
技術特點說明：
可利用之產業及可開發之產品：
推廣及運用的價值：如增加產值、增加附加價值或營利、增加投資/設廠、增
加就業人數………等。
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完整報告原則上不予公開。
聚乙烯聚丙烯系汽車保險桿回收料做為絕緣型塑膠路燈的開發研究 Study on polyethylene and polypropylene composites as the street lamp poles
指導老師:何國賢 教授 王怡仁 教授 學 生:王韋翔 蒲信佑
系 別:化學工程與材料工程系 研究摘要
本研究旨在製備 PP/PP-g-silane/glass fiber 複合材料，並探討其物理性質之改變。複合 材料的製備先使用 DCP (Dicumyl peroxide)為起始劑，VTMS (Vinyl TrimethoxySilane)當偶聯 劑（Coupling agent），製備 PP-g-silane 偶合劑，再與 PP 及 glass fiber 摻混。PP-g-silane 偶 合劑的鑑定藉由紅外線光譜儀（FT-IR）及交聯度測試鑑定；微觀結構分析則由掃描式電子 顯微鏡（FE-SEM）來觀察聚丙烯與 glass fiber 的介面黏著性；機械性質則以萬能拉力試驗 機測試。之後針對單臂燈桿受風荷載時根部所承受之應力、燈具與燈桿接合介面之應力、 燈桿與基礎接合介面之應力及燈桿開口處之應力進行計算，以評估材料是否達到製作燈桿 之要求。 實驗結果顯示經由 FT-IR 分析與交聯度測試結果確定 Silane 確實接枝於 PP 上且具有 交聯的能力。經掃描式電子顯微鏡（FE-SEM）觀察有添加偶合劑之系統，可看出纖維表面 黏結之樹脂變多且纖維被拔出的現象有明顯的減少。由抗張試驗可發現，以 PP-g-Silane 當 作聚丙烯與玻璃纖維之間的偶合劑，可以改善 PP/GF 摻混後的機械性質。 應力計算顯示，當燈桿受 17 級風時，根部所承受之應力為 11.2 MPa，繞度為 44.8 mm； 夾具螺桿對燈桿所產生之應力為 1.7 MPa；接地螺桿對燈桿所產生之應力為 0.3 MPa；開口 處所承受之應力為 15.9 MPa。 由上述結果可知，以PP-g-Silane當作偶合劑加入PP/glass fiber複合材料時，可提高機械性 質，且當燈桿標高為3000 mm，直徑為150 mm，厚度為25 mm時，所需應力並無超過材料 線彈性之值。 關鍵字：聚丙烯、玻璃纖維、應力分析、燈桿 Abstract
In this article, we aimed to prepare PP / PP-g-silane / glass fiber composite materials, and to observe changes of the physical properties. The grafting of VTMS on PP in the presence of DCP was carried out in a melt process, and then by the mixing of which with PP and glass fiber. By the FT-IR spectroscopy, we can confirm the silane was essentially grafted. Through the degree of crosslinking measurement, we understand the coupling agent were reacted with glass fiber. Microstructure analysis by scanning electron microscopy (FE-SEM) was used to observe the interface of polypropylene and glass fiber adhesion . Mechanical properties of tensile testing machine, and then stress calculations based on single-arm pole model was performed.
Form FT-IR and degree of crosslinking, we have confirmed the silane was essentially grafted and has the ability to carry out crosslinking. SEM of the fracture surfaces of the coupled composites shows a good adhesion at the fiber/PP interface. The tensile modulus values and
tensile strength values of the composites coupled by the macromolecular coupling agent PP-g-Silane are higher than those of the non-coupled materials form tensile test.
Stress calculations show that under 17 level wind, the roots of poles are under the stress of 11.2 MPa, and the deflection is 44.8 mm. Clamp on the light poles generated a stress of 1.7 MPa. The screw between ground and pole generated a stress of 0.3 MPa. Openings are under the stress of 15.9 MPa.
From the above results, the PP-g-Silane as a coupling agent in the PP / glass fiber composite materials, can improve the mechanical properties. When the pole height of 3000 mm, and diameter of 150 mm, and thickness 25 mm, and the required stress did not exceed the value of expeimental stress of PP/ glass fiber composite.
技術成果說明： 由拉伸測試顯示，加入PP-g-Silane當偶合劑時，能大幅提升複合材料之拉伸性質， 隨著交聯的時間增加，提高了複合材料之模數，但因為交聯多而不規則，使分子鏈剛性變 強，造成局部應力集中，交聯度高也影響了結晶，使得結晶度下降，最後造成拉伸性質下 降的主要原因。 熱壓成形 樣品 Tensile strength (MPa) Young’s Modulus (MPa) PP 16.81± 0.9 - PP / 20%GF 24.7 ± 5.1 - PP / 30%GF 30.8 ± 4.0 - PP / 40%GF 32.9 ± 2.4 - PP/20%PP-g-silane(0.5wt%DCP, 2wt%silane) / 40%GF 30.7 ± 2.2 - PP/20%PP-g-silane(0.5wt%DCP, 4wt%silane) / 40%GF 28.7 ± 1.1 - PP/20%PP-g-silane(0.5wt%DCP, 6wt%silane) / 40%GF 21 ± 3.03 - PP/20%PP-g-silane(1wt%DCP, 2wt%silane) / 40%GF 28.1 ± 2.6 - PP/20%PP-g-silane(1wt%DCP, 4wt%silane) / 40%GF 28.7 ± 0.9 - PP/20%PP-g-silane(1wt%DCP, 6wt%silane) / 40%GF 34.6 ± 1.4 - PP/30%PP-g-silane/40%GF 25.6 ± 2.3 2663.8 ± 53.2 PP/40%PP-g-silane/40%GF 29.5 2416.4 PP/20%PP-g-silane/40%GF 8hr 36.8 ± 0.7 2888.9 ± 346 PP/20%PP-g-silane/40%GF 16hr 36.1 ± 2.3 2901.1 ± 224 PP/20%PP-g-silane/40%GF 24hr 35.5 ± 4.5 2901.7± 57.4 PP/20%PP-g-silane/40%GF/5%recycled PP 8hr 37.7 ± 5.8 2887.5 ± 583 PP/20%PP-g-silane/40%GF/10%recycled PP 8hr 26.3 ± 2.9 2716.9 ± 252
射出成形 樣品 Tensile strength (MPa) Young’s Modulus (MPa) Elongation (%) PP 35 1450 300 PP / 20%GF 42.2 ± 0.2 2823 ± 302.5 3.02 ± 0.3 PP / 30%GF 52.5 ± 0.4 3388.6 ± 359.1 3 ± 0.2 PP / 40%GF 57.6 ± 1.4 4103.2 ± 317.7 2.97 ± 0.3 PP/20%PP-g-silane/40%GF 78.9 ± 1.2 4175.6 ± 325.7 3.19 ± 0.1 PP/20%PP-g-silane/40%GF 8hr 66.1 ± 0.4 4296.6 ± 73.8 2.85 ± 0.1 PP/20%PP-g-silane/40%GF 16hr 64.2 ± 0.2 4252.2 ± 67.9 2.7 ± 0.1 PP/20%PP-g-silane/40%GF 24hr 62.9 ± 0.7 4257.6 ± 85.8 2.67 ± 0.1 本研究使用 PP / PP-g-silane / GF 複合材料來製造燈桿，因此需要對燈桿的抗風荷載 能力、地腳緊固螺栓、基礎修造的總體設計估算，來檢核材料是否有達到要求。 假設單臂燈桿的標高 3000 mm，抗最大風速 62 m/s，適用 A 類地區。整體 3000 mm 高 的燈桿為圓柱型，桿根部最大外徑為 150 mm，壁厚為 25mm，單臂燈桿突出之水平投影臂 長為 1200 mm，燈具受風截面寬度為 65 mm，仰角為 15º，尾端燈具重 50 kg ，燈具螺桿數 目為 4 支，燈具螺桿直徑為 10 mm，接地螺桿數目為 4 支，接地螺桿直徑 20 mm，燈桿底 部固定高度為 75 mm，燈桿外徑至底部螺桿中心距離為 135 mm，燈桿開口高度為 500 mm， 燈桿開口角度 120 º。燈桿的主體尺寸及燈具、接地螺桿、夾具、開口處桿體抗風荷載受力 情況見圖一及圖二。 圖一、燈桿構型條件
圖二、風荷載受力狀況
圖六、燈桿開口處 應力分析 燈桿結構分析 燈桿標高 3000mm 燈桿直徑 150mm 燈桿厚度 25mm 風速 17 級陣風(61.2m/s) 根部所承受之應力 11.2MPa 繞度 44.8mm 夾具螺桿對燈桿所產生之應力 1.7MPa 接地螺桿對燈桿所產生之應力 0.3MPa 開口處所承受之應力 15.9MPa
技術特點說明：
矽烷偶合劑( silane coupling agents)是一種能夠改變玻璃纖維增強樹脂複合材料界面能 的化合物，這種化合物便用量最低在玻璃纖維上約 0.05%~0.2%，也會改善玻璃纖維與高分 子聚合物的界面狀態。提高複合材料的強度、耐水性、耐老化性及使用壽命，這種化合物 定義為增強玻璃纖維偶合劑。矽烷偶合劑因具有獨特的雙官能性，可以促進有機聚合物體 和無機礦物表面之結合，使得複合材料長期暴露在空氣中仍有效保持著其強度。以化學觀 點而言，矽烷偶合劑是一類具有特殊結構的有機化合物，一端具有機的反應基團，另一端 則是無機的烷氧矽烷官能基，化學式如下: R’Si(OR) 其中 OR 為直接結合於矽原子上的水解基，如甲氧基，乙氧基等。此水解基會吸收空氣 中水分，或無機填充劑表面水分，而水解成矽醇(SiOH)及 HR，此矽烷醇基可結合於無機填 充劑表面。而 R’是含有雙鍵的不飽和基，如乙烯基。乙烯基矽氧烷和丙烯基矽氧烷是主要 使用的兩種矽烷耦聯劑。 矽烷接枝交聯技術即是在擠出機中將矽烷化合物接枝到聚烯烴上，並在催化劑存在 的條件下，使其與水接觸，在所接枝的分子間進行縮合反應，達到交聯。由於此方法是在 常壓下，在後期水解中完成交聯反應，不會在成型時發生早期過度交聯的問題，因而受到 廣泛的關注。矽烷交聯工藝如圖七所示： 圖七、矽烷交聯工藝 當使用有機矽烷作為交聯劑時，在自由基引發劑存在下進行熔融擠出，聚丙烯大分 子自由基可以打開矽烷分子鏈上的雙鍵，將不飽和矽烷接枝到聚丙烯鏈上，從而使聚丙烯 分子鏈得到穩定。接枝聚丙烯的烷氧基水解產生羥基，然後矽醇脫水形成Si-Ｏ-Si鍵結，從 而使聚丙烯交聯。由於每個矽烷分子具有三個烷氧基，可形成一種“束狀”交聯結構，從而 把聚丙烯的分子鏈連結在一起，使聚丙烯形成交聯網狀結構。因此使矽烷接枝交聯的聚丙 烯在物理性能、電性能等諸方面均超過了過氧化物交聯聚丙烯。 可利用之產業及可開發之產品： 燈桿結構分析方面，當燈桿標高3000 mm，直徑150 mm，厚度25 mm，受17級風時， 根部所承受之應力為11.2 MPa，繞度為44.8 mm；夾具螺桿對燈桿所產生之應力為1.7 MPa； 接地螺桿對燈桿所產生之應力為0.3 MPa；開口處所承受之應力為15.9 MPa。本實驗製備之 複合材料的線彈性值，發現可符合製作燈桿之條件。
推廣及運用的價值： 一般景觀路燈通常以鋁或鋼做為基材,價格通常較為昂貴,加工也較為繁複,而現今在廢 車廠存有許多報廢的保險桿,其材質為聚乙烯或聚丙烯可用來做為景觀路燈的基材,在同樣 的規格下,用回收料所做成之燈桿價格約為以鋁或鋼做為燈桿的四分之一倍,雖然在機械性 質上仍無法比擬,但在適當的設計之下是可以符合所需之強度,因此具有發展及推廣的價 值。
國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表
日期:2011/07/29國科會補助計畫
計畫名稱: 聚乙烯聚丙烯系汽車保險桿回收料做為絕緣型塑膠路燈的開發研究 計畫主持人: 何國賢 計畫編號: 99-2622-E-151-004-CC3 學門領域: 高分子複合與混成材料無研發成果推廣資料
99 年度專題研究計畫研究成果彙整表
計畫主持人：何國賢 計畫編號：99-2622-E-151-004-CC3 計畫名稱：聚乙烯聚丙烯系汽車保險桿回收料做為絕緣型塑膠路燈的開發研究 量化 成果項目 實際已達成 數（被接受 或已發表） 預期總達成 數(含實際已 達成數) 本計畫實 際貢獻百 分比 單位 備 註 （ 質 化 說 明：如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ... 等） 期刊論文 0 0 100% 研究報告/技術報告 1 1 100% 研討會論文 1 0 100% 篇 論文著作 專書 0 0 100% 申請中件數 0 0 100% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 2 2 100% 博士生 0 0 100% 博士後研究員 0 0 100% 國內 參與計畫人力 （本國籍） 專任助理 0 0 100% 人次 期刊論文 0 0 100% 研究報告/技術報告 0 0 100% 研討會論文 0 0 100% 篇 論文著作 專書 0 0 100% 章/本 申請中件數 0 0 100% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 0 0 100% 博士生 0 0 100% 博士後研究員 0 0 100% 國外 參與計畫人力 （外國籍） 專任助理 0 0 100% 人次其他成果
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