聚乳酸/石墨烯複合材料之製備與性質研究

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技術學刊第三十六卷第三期民國一一○年 

Journal of Technology, Vol. 36, No. 3, pp.139-148 (2021)

聚乳酸/石墨烯複合材料之製備與性質研究

歐珍方詹軒竺

國立勤益科技大學化工與材料工程系

摘要

本研究以溶液混合法將石墨烯 *16 JUDSKHQH VKHHW 添加於聚乳酸

3RO\ODFWLF$FLG 中製備複合材料，探討 *16 含量對於 3/$ 的熱性質 WKHUPDO

SURSHUWLHV、結晶行為、抗拉性質 WHQVLOHSURSHUWLHV 與阻水性質 ZDWHUYDSRU

EDUULHU 的影響。添加 aZW*16 於 3/$ 內，由結果顯示，複合材料之熱裂解溫度 7G 隨著 *16 含量增加至 ZW達最高點 ႏ，比純 3/$ 提高了ႏ，含與 ZW*16 複合材料與 ZW具相同之 7G點。複合材料的玻璃轉移溫度 7J 與純 3/$ 幾乎相同，複合材料之 7P與7P除了含

ZW*16 外大致與純 3/$ 相同。在拉伸性質方面，複合材料之抗張強度 76 與彈性模數 ( 皆隨著 *16 含量增加至 ZW*16 達最大值，然後隨著

*16 含量增加至 ZW而下降。與純 3/$ 比較，含 ZW*16 複合材料具有最高的抗張強度與彈性模數，分別提高了與。複合材料之水氣透過率 ZDWHUYDSRUWUDQVPLVVLRQUDWH:975 皆比純 3/$ 低，含 ZW*16 複合材料水氣透過率比純3/$ 降低了。複合材料之接觸角隨著 *16 含量增加而提高，表示石墨烯的添加提高了聚乳酸複合材料的親油性。 關鍵詞：聚乳酸，石墨烯，複合材料，水氣透過率。

7+(352'8&7,21$1'3523(57,(62)32/</$&7,'(

**&20326,7(6),//(':,7+*5$3+(1(**

&KHQJ)DQJ2X +VXDQ&KX&KDQ

Department of Chemical and Materials Engineering National Chin-Yi University of Technology

Taichung, Taiwan 411, R.O.C.

Key Words: SRO\ODFWLF DFLG JUDSKHQH FRPSRVLWHV ZDWHUYDSRU WUDQVPLVVLRQ

UDWH

$%675$&7

&RPSRVLWHVZHUHSURGXFHGE\VROXWLRQPL[LQJSRO\ODFWLFDFLG3/$ ZLWKJUDSKHQHVKHHWV*16 7KHREMHFWLYHRIWKLVVWXG\LVWRLQYHVWLJDWH

WKHHIIHFWRI*16FRQWHQWRQWKHWKHUPDOVWDELOLW\FU\VWDOOL]DWLRQEHKDYLRU

WHQVLOHSURSHUWLHVDQGZDWHUEDUULHUSURSHUW\RI3/$ 7KHWHPSHUDWXUHRI

PD[LPXPGHFRPSRVLWLRQUDWH7GRIWKH3/$*16FRPSRVLWHVFRQWLQXRXVO\

LQFUHDVHG ZLWK LQFUHDVLQJ *16 FRQWHQW WR ZW 7KH YDOXH RI 7G IRU

FRPSRVLWHZLWKZW*16FDQEHUDLVHGE\ႏ 7KHFRPSRVLWHVKDYH

通訊作者：歐珍方，HPDLORXFI#QFXWHGXWZ

&RUUHVSRQGLQJDXWKRU&KHQJ)DQJ2XHPDLORXFI#QFXWHGXWZ

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 技術學刊第三十六卷第三期民國一一○年

JRRG WKHUPDO VWDELOLW\ ZKLOH SUHVHUYLQJ WKH JODVV WUDQVLWLRQ 7J 7KH

YDOXHVRI7PDQG7PRIFRPSRVLWHVZHUHFRPSDUDEOHWRWKRVHRIQHDW3/$

H[FHSWIRUWKHFRPSRVLWHZLWKZW*16 7KHWHQVLOHVWUHQJWK76DQG

<RXQJ¶VPRGXOXV(RIWKHFRPSRVLWHVLQFUHDVHGZLWKWKH*16FRQWHQWIURP

ZWWRZWDQGWKHQGHFUHDVHGDVWKHFRQWHQWRI*16UHDFKHG

ZW 7KHFRPSRVLWHZLWKZW*16H[KLELWHGWKHPD[LPXPYDOXHVRI

WHQVLOHVWUHQJWKDQG<RXQJ¶VPRGXOXVDQGWKHLQFUHDVHGSHUFHQWDJHVZHUH

DQGUHVSHFWLYHO\FRPSDUHGZLWKQHDW3/$ 7KHZDWHUYDSRU

WUDQVPLVVLRQUDWH:975RIWKHFRPSRVLWHVZDVDOZD\VORZHUWKDQWKDWRI

QHDW 3/$ 7KH FRPSRVLWHZLWKZW*16KDG WKHPLQLPXPYDOXHRI

:975DQGVKRZHGDGHFUHDVH 7KHFRPSRVLWHVJHQHUDOO\H[KLELWHG

KLJKHUFRQWDFWDQJOHVWKDQWKDWRIQHDW3/$LQGLFDWLQJWKHK\GURSKRELFLW\RI

3/$ZDVLQFUHDVHGE\WKHDGGLWLRQRIJUDSKHQH

一、前言

近幾年來廢棄物所產生的汙染物，嚴重造成溫室效應、空氣汙染等環保議題，一般所使用的塑膠以石油為基質，不可再生、密度高、無法自然分解，容易導致大量廢棄物堆積。受到相同環保訴求的影響，高分子產業製程中減少二氧化碳排放，同時為了擺脫對日趨枯竭的石油資源的依賴，大力開發環境友好的可生物分解的聚合物，替代石油基塑料產品，降低對石化原料的依賴，已成為當前研究開發的熱點。高分子產業為我國石化工業中相當重要的一環，除了與日常民生用品息息相關外，高分子材料更廣泛地應用於各種電子、光電、汽機車、環保等產業中。此外，若要推動高分子產業的永續發展，研發製造具多功能、高附加價值、高技術、低污染的高分子產品將是未來的絕對主流。鑑於各種來自石化資源的傳統塑膠製品無法於自然環境中分解，自年代開始，各先進國家莫不競相投入大量人力物力對生物降解高分子進行相關研究開發；

按照美國$670 定義，指出生物降解材料是可通過自然界微生物細菌、真菌等作用而發生降解的材料，生物可分解高分子除了原料外，根據來源不同可分為微生物合成法、

天然物合成法與化學合成法三種>@；因此，生物降解高分子意指在特定環境條件下，其化學結構發生明顯變化，並用標準的測試方法能測定其物質變化的材料。根據美國(/

,QVLJKW 於年月公佈的研究資料顯示全球生質塑膠 %LRSODVWLFV 市場在年約有億美元的規模未來五年更以的年均成長率持續增長，預估在年將達到億美元。目前各項生質塑膠產能大小依序為：澱粉質塑膠、聚乳酸及生物基質聚乙烯。

生質塑膠以澱粉及聚乳酸為主，其中又以聚乳酸的材料技術與產品應用最為成熟，聚乳酸主要使用玉米、甜菜、

蔗糖和小麥作為生質原料，最早於年由 &DURWKHUV 等人以丙交酯開環聚合獲得聚乳酸樣品，而高分子量的聚乳酸卻到年由杜邦公司在美國專利 86 中揭露，其主要關鍵在於丙交酯純化技術的改善，自年

&DUJLO 公司發表純化丙交酯的連續製程方法後，開始將聚

乳酸的量產具體化；目前聚乳酸的最大的生產廠商為美國 1DWXUHZRUNV 公司，其年產量可達萬頓商品名為 ,QJHR，估計至年全球聚乳酸產量可達萬噸。

而丙交酯開環聚合製備聚乳酸是現今聚乳酸的主要生產方法>@。

聚乳酸是以乳酸為主要原料聚合得到的聚合物，原料乳酸 /DFWLF$FLG 可由玉米之類的植物中取得澱粉經醱酵後製得，經由縮合聚合反應將乳酸聚合成低分子量之聚乳酸，再利用偶合劑 &RXSOLQJ DJHQW 將低分子量的聚乳酸聚合成具有良好機械物性的較高分子量聚乳酸，可開發成包裝材料、纖維、不織布和薄膜等產品>@。

聚乳酸原料來源充分而且可以再生。聚乳酸的生產過程無污染，而且產品可以生物降解，實現在自然界中的循環，因此是理想的綠色高分子材料，也是目前最有發展前途的可生物分解高分子材料。3/$ 之應用範圍廣泛，可以在擠出、注塑、拉膜、紡絲等多領域應用，具體如下：

一般家庭用品：用於家用桌布、食品包裝網或袋等的製造。

一般衣料：藉由和羊毛混紡，可製成具生物可分解性、

較佳的光亮度、絲綢感以及快乾性的衣料纖維。

專業用途：製造工程網布、過濾材、蔬果栽培網及布、

繩、線等。

醫療用品：可製造手術縫合線、骨釘、衛生用尿片、衛生棉和繃帶等。

聚乳酸之優點有：

為生物可分解塑料 ELRGHJUDGDEOHSODVWLFV，具有和天然纖維 H[羊毛、蠶絲相似的性質，在特定溫濕度下能經細菌分解，對人體無毒且污染低，但在一般條件下又能保持其性能。

適用自然分解、堆肥、焚化等各種廢棄物處理方式。

原料來自植物或化工原料，相較於其他塑膠材料 H[

3(7 單獨依賴石油，為可再生資源，具永續發展的優勢。

和其他塑膠材料 H[3(7 相比，3/$ 具有親水性、纖維強度大、抗紫外線、密度低等優點，也具有較好的手

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歐珍方和詹軒竺：聚乳酸石墨烯複合材料之製備與性質研究 

感、舒適性、捲曲性、捲曲度保持性和染色性能等。

具有良好的結晶性及透明度，容易製成絲狀、薄膜、或鑄形成產品。

不易燃燒。

而聚乳酸之缺點有：

玻璃轉化溫度約 a ႏ，但因為是線性結構聚合物，應用受限於其在耐熱和材料強度上的不足。

若利用與其他高分子塑膠 300$、3(7、3%7、1\ORQ 及3& 合膠化的方法來改良機械特性，但是不同添加物或改變它原本的性質與優勢，易產生環保、回收等問題。

3/$ 的使用可能會影響塑膠的回收：塑膠的回收原是透過比重來區分不同的塑膠 3(、3(7、36、33、39&，但若加入3/$，其所具的低熔點特性，會影響其他五種塑膠的回收。

製備 3/$ 所需的成本較高。耐熱性差使得聚乳酸的應用受到極大限制，例如用作包裝容器，不適用於要求耐熱的容器如湯碗、湯杯等的食品用途，更不適用於微波爐加熱的容器。即使用於無耐熱要求的管材、板材、建材等，在夏季的倉庫保管及裝櫃運送中也可能發生變形。

聚乳酸薄膜的透水透氣性都比聚苯乙烯薄膜要低。因此，改善聚乳酸的耐熱性對於開拓聚乳酸的應用領域非常重要，以現階段而言，未改性的聚乳酸材料目前只能用作日用生活雜物的射出成型品，但具耐熱特性的聚乳酸產品則能夠在電子、辦公室事務器材外殼、汽車內裝零件領域等扮演好工程塑膠角色，並展開廣泛應用。很多研究報告將各種填充劑 ILOOHU、耐衝擊改善劑 LPSDFWPRGLILHUV、塑化劑 SODVWLFL]HU 與其他高分子加入來改善 3/$ 之性質以符合所需>@。加入奈米矽顆粒 6L2>@、奈米碳管

FDUERQ QDQRWXEHV &17V >@ 與有機改質層狀矽酸鹽

RUJDQLFPRGLILHG OD\HUHG VLOLFDWHV 20/6 >@可改善 3/$ 之剛性 VWLIIQHVV、熱穩定性 WKHUPDOVWDELOLW\、耐燃性 ILUHUHWDUGDQF\ 與氣體透過性 SHUPHDELOLW\>@。

加入ZW以下之奈米矽顆粒可提升 3/$ 之彈性模數、

艾氏 ,]RG 耐衝擊強度、熱變形溫度 +'7、

與 ႏ，含 ZW奈米矽顆粒之複合材料的熱裂解溫度提高ႏ>@。另外，在聚乳酸高分子中加入成核劑可有效地提高聚乳酸本身的結晶速率，一方面能小幅提昇產品的熱變形溫度，再者也直接提高其加工成型特性容易脫模、縮短成型週期，是改善聚乳酸耐熱性不佳的一種重要方式，因價格低廉且對環境無害之滑石粉 WDOF，因此常被應用於聚乳酸加工製程中作為成核劑使用。

英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆 $QGUH

*HLP 和康斯坦丁·諾沃肖洛夫 .RQVWDQWLQ 1RYRVHORY 利用膠帶往石墨沾黏後，反覆沾黏石墨烯在膠帶上，最後分瀸出石墨烯，這個方法被稱為膠帶法 VFRWFK WDSH

PHWKRG，他們也因此榮獲年諾貝爾物理獎>@。石墨烯的特性與石墨澵同，石墨烯 JUDSKHQH 是由共價鍵的碳

原子形成的二維平面結構，因此每一個原子都曝露表面，

具有突出的導電、導熱、光學和機械性質。石墨烯既是最薄的材瀌，也是最強韌的材瀌，斷裂強度比最好的鋼材還要高出百倍，同時它又有很好的彈性，拉伸幅灏能達到自身尺寸的。石墨烯的導電性比銅更好，導熱性遠超一切其他材料。石墨烯有大特性>@：線性光譜、高電子遷移率、獨特光學性質、高延展性、堅韌，及只有一個原子這麼薄。因此石墨烯的應用已成眾所矚目的焦點，未來石墨烯被眾所期待能在新世代的電子元件、導熱材料熱界面材料、電晶體、單分子氣體偵測、場發射源及其真空電子器件、海水淡化、塗料領域、生物器件、感光元件、

透明觸控螢幕、太陽能電池等領域中有嶄新的應用。雖然已有學者將石墨 JUDSKLWH >@、氧化石墨烯 *2

JUDSKHQHR[LGH>@、或石墨烯>@加入 3/$ 來改善熱性質、機械性質與其他性質等。3/$ 內加入奈米石墨片

1*3ZW，結晶溫度達到最高，添加 ZW1*3 之 3/$ 具最大抗拉強度>@。然而因為 *16 為單層結構具有高延展性與堅韌性，我們希望藉由 *16 的添加，來改善 3/$ 之性質，提升 3/$ 之耐熱性、抗張強度、水氣阻隔性與抗拉等性質，希冀因此擴展3/$ 之應用範圍與提升其附加價值，同時探討*16 添加量與性質之相關性。

二、研究方法

 實驗材料

一聚乳酸：數目平均分子量 0Q ，重量平均分子量0Z ，廠商：廣謀公司。

二石墨：PHVK，純度，廠商：美國，$OID$HVDU

&R:DUG+LOO0HVVDFKXVHWWV86$。

三硝酸鈉 VRGLXPQLWUDWH1D12、濃硫酸 VXOIXULFDFLG

+62、濃硝酸 QLWULFDFLG+12、過錳酸鉀SRWDV

VLXP SHUPDQJDQDWH .0Q2、鹽酸K\GURFKORULF

DFLG+&O、過氧化氫K\GURJHQSHUR[LGH+2、四氫੻喃 WHWUDK\GURIXUDQ7+) 等藥品皆為試藥級。

 實驗步驟

一石墨烯 *16 的製備

本研究利用改良式的+XPPHU 法，以天然石墨片為原料 PHVK 來製備石墨烯 JUDSKHQHVKHHW*16。首先將天然石墨、硝酸鈉置於P/ 三頸燒瓶中，在冰浴環境下，緩緩加入濃硫酸 +62 與濃硝酸 +12 混合攪拌均勻後，再緩慢加入過錳酸鉀 .0Q2 混合物，氧化反應持續天。之後以 +&O 緩慢滴入，作為清洗並移除多餘之硫酸鹽離子之緩衝溶液。再以過氧化氫 +2 緩緩地加入，終止氧化反應。最後將氧化的懸浮物過濾，並使用大量蒸餾水清洗產物，經由離心法將懸浮溶液純化，

所得固態氧化石墨再重複此程序直到懸浮溶液呈中性。接

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著將離心後產物置入真空烘箱 ႏ，乾燥後得到棕色粉

體，即為氧化石墨烯 *2JUDSKHQHR[LGH，詳如>@。最後經熱還原手法，將*2 粉體放入高溫爐內，先通入惰性氣體 $U 分鐘，再快速升溫至 ႏ並恆溫分鐘後即可獲得石墨烯 *16JUDSKHQHVKHHW。石墨與 *2 之各種性質如; 光繞射光譜儀 ;UD\ 分析、拉曼光譜 5DPDQ

VSHFWURVFRS\、7*$ 熱重損失儀及 ; 光電子能譜儀分析

;UD\SKRWRHOHFWURQVSHFWURVFRS\;36 在我們之前的論文中已有討論分析>@。

二3/$*16 複合材料之製備

取J 的 3/$ 溶於 PO 四氫੻喃中，再以電磁加熱攪拌器於ႏ下加熱攪拌小時，作為有機相，外觀呈透明狀。分別將J、J、J、J、J、

J、J 的石墨烯加入 PO 四氫੻喃中，以超音波震盪機震盪PLQ 使其均勻分散在四氫੻喃溶液中，作為無機相。將配製好的有機相與其對應之無機相混和均勻，置於ႏ加熱板上加熱攪拌分鐘後。使用濕膜塗佈機刮膜，刮膜厚度為P。刮膜完後置於 ႏ烘箱內烘分鐘，再於ႏ烘箱內烘分鐘，將膜撕起後，再於 ႏ

烘箱內烘小時。分別獲得石墨烯含量為、、

、、、與的 3/$*16 複合材料。

三儀器測試

熱重分析儀 WKHUPRJUDYLW\DQDO\]HU7*$ 儀器型號：'X3RQW7$4:LOPLQJWRQ'HODZDUH

86$。

測試條件：D 升溫速率：ႏPLQ，測試溫度 a

ႏ。

E測試環境：氮氣流率 POPLQ。

示差掃描卡計分析儀 GLIIHUHQWLDOVFDQQLQJFDORULPHWHU

'6&

儀器型號：'X3RQW7$。

測試條件：D 升溫速率：ႏPLQ，測試溫度 a

ႏ。

E測試環境：氮氣流率 POPLQ。

拉伸試驗機

廠牌型號：7LQLXV2OVHQ+.6。

測試條件：拉伸速度PPPLQ。

場發射掃描電子顯微鏡 ILHOGHPLVVLRQVFDQQLQJHOHFWURQ

PLFURVFRSH)(6(0 廠牌型號：-HRO-60)。

測試條件：樣品液態氮下斷裂面，加速電壓N9，

放大倍率倍。

水氣透過率測試儀 ZDWHUYDSRUWUDQVPLVVLRQUDWH

:975

廠牌型號：0RFRQ。

測試條件：$670)，測試面積：FP。

測試環境：氮氣流率POPLQ，溫度 ႏ，相對溼度。

圖 D*UDSKLWH；E*2；F*16 之 5DPDQ 圖

穿透式電子顯微鏡 WUDQVPLVVLRQHOHFWURQPLFURVFRS\

7(0

廠牌型號：-(2/-(0。

測試條件：倍率倍。

加速電壓：N9。

接觸角計

廠牌型號：)7$6/

液滴體積：O。

三、結果討論

 5DPDQ 光譜分析

拉曼光譜 5DPDQVSHFWURVFRS\ 常被用作鑑定石墨結構之分析儀器，也常用作奈米碳質表面接枝的鑑定。

圖中可以明顯看到表示 VS軌域的 aFP吸收峰，

稱作 'EDQGGHIHFWVLQKHUHQWLQWKHJUDSKLWHDQGWKHHGJH

HIIHFWRIJUDSKLWH$JPRGH，即 && 鍵；和 VS混成軌域 a

FP吸收峰稱作 *EDQG LQSKDVH YLEUDWLRQ RI WKH

JUDSKLWHODWWLFH(JPRGH，即 & & 鍵。因此利用此兩訊號之強度比值 I^D / IG 我們可有效判斷石墨化程度的完整 性，當石墨化程度越趨完整，其 ID / IG比值越小，反之，

當石墨化越不完整，ID / IG越大。在拉曼圖譜中，石墨為 VS混成軌域，故只有*EDQG 訊號；石墨經氧化形成氧化石墨烯其結構，其*EDQG 變寬及位移至高頻段，且 'EDQG

*UDSKLWH

*2

,QWHQVLW\DX

*16

5DPDQ6KLIWFP

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表一 *UDSKLWH、*2 與 *16 之 5DPDQGDWD

6DPSOH 'EDQGSHDN5DPDQVKLIWFP *EDQGSHDN5DPDQVKLIWFP ID I^G

*UDSKLWH

*UDSHKHQH2[LGH

*16

圖 3/$*16 複合材料之 7*$ 圖

之訊號強度變大。原先石墨之 ID / IG為如表一經氧化後形成氧化石墨烯 *2之 I^D / IG提高至，歸因於石墨經氧化反應後而接枝含氧官能基所造成，使得 VS混成軌域所佔比例增加；當氧化石墨烯還原成石墨烯 *16 後，*EDQG 則些微位移回石墨之 *EDQG 訊號位置。同時，

'EDQG 強度下降其表示氧化石墨烯表面上之大量含氧官能基團，如&2& 鍵結被移除，且平面結構上的碳原子重新自我組裝而恢復成以VS混成軌域為主的結構 I^D / IG

，說明了化學還原方式幫助石墨烯的生成。

 熱重分析 7*$

由前述論文>@之數據知 *16 在 ႏ之前具有優良的熱穩定性WKHUPDO VWDELOLW\，因此在高分子基材內添加

*16 將影響其熱穩定性。純 3/$ 與 3/$*16 複合材料之7*$ 曲線如圖所示，所得數據如表二。由表二知純 3/$ 之最大分解速率溫度 7G，曲線一次微分之最大值為ႏ。3/$*16 複合材料的 7G皆比純3/$ 高，顯示添加*16 可提高 3/$ 之熱穩定性。複合材之熱裂解溫度大致上隨著石墨烯含量增加至 ZW升高至最高點

ႏ，與純 3/$ 提高了 ႏ，而含 ZW與 ZW

*16 複合材料與含 ZW*16 複合材料具有相同的 7G點

ႏ。熱裂解後之灰分則隨著 *16 含量的增加而增加，

因為在 ႏ內 *16 是安定而難分解的。由上述結果發現，隨著添加*16 含量的增加，可導致 3/$*16 複合材料之熱裂解之延遲 GHOD\，熱穩定性也越好，此原因為薄片狀 IODNHOLNH的 *16 在 3/$ 熱裂解過程產生了遮蔽效果VKLHOGLQJHIIHFW。事實上，層狀之 *16 增加了熱裂解

表二 3/$*16 複合材料之 7*$ 數據

*16FRQWHQW

E\ZHLJKW

7HPSHUDWXUHRIWKHPD[LPXP UDWHRIGHJUDGDWLRQႏ

IURPG7*$

5HVLGXH

QHDW3/$

副產物之擴散路徑長度，阻止了揮發性產物之擴散，因此而提升了高分子基材料的熱穩定性。

 '6& 分析

圖為 3/$*16 複合材料之 '6& 圖，數據整理於表三。純3/$ 之玻璃轉移溫度 7J 為 ႏ，複合材料之7J點似乎不受*16 之添加而有明顯改變，介於 a

ႏ之間。純 3/$ 之冷結晶溫度 7FFROGFU\VWDOOL]DWLRQ

WHPSHUDWXUH 為 ℃，添加 aZW*16 複合材料之7F以aႏ微高於純 3/$ 之 7F，顯示*16 之添加會降低3/$ 分子之移動性 PRELOLW\。*16 含量超過 ZW

之複合材料不再出現7F，表示*16 含量超過 ZW之複合材料在加熱過程不會再結晶，顯示其結晶能力因*16 之添加而下降。純3/$ 結晶之熔化過程出現兩個熔點，分別為較低溫度之7Pႏ 與較高溫度之 7Pႏ，表示 3/$ 結晶具有不同晶粒大小 VL]H 或排列完整性

SHUIHFWRIRUGHULQJ。添加 aZW*16 複合材料之 7P

與7P大致與純3/$ 相同，表示少量 *16 不會改變 3/$

結晶晶粒大小或排列完整性。但*16 含量超過 ZW之複合材料之7P消失了，因為*16 含量 ZW與 ZW之複合材料在加熱過程沒有再結晶之故。而在7P方面，除了*16 含量 ZW之複合材料外，大致與純 3/$ 相同只比純3/$ 提高了 aႏ，顯示具有較大的結晶晶粒或排列完整性，但含大量ZW*16 複合材料之 7P卻比純 3/$ 降低了 ႏ，表示添加 ZW*16 會降低 3/$ 的結晶性與晶粒完整性。由以上結果知，添加*16 對於 3/$

:HLJKW

7HPSHUDWXUH&

^1HDW3/$ZW*16

ZW*16

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表三 3/$*16 複合材料之 '6& 數據

*16 含量 7Jႏ 7Fႏ 7Pႏ 7Pႏ QHDW3/$

*16

圖 3/$*16 複合材料之 '6& 圖

結晶性之影響與*16 的量有關。添加 aZW*16 複合材料之結晶晶粒大小或排列完整性大致不變。但大量添加ZW*16 則會降低了 3/$ 的結晶性與晶粒完整性。

若與其他文獻比較，1DULPLVVD 等人>@將 aZW奈米石墨片 QDQRJUDSKLWH SODWHOHW1*3 以雙螺桿 %UDEHQGHU 混和，純3/$ 與複合材料之 7J點介於aႏ，7P介於

aႏ，表示添加 aZW奈米石墨片對與 3/$ 之 7J與7P點影響不大，作者歸因於奈米石墨片添加ZW

以上則分散不均而聚集所致。3DSDJHRUJLRX 等人>@將

aZW*2 加入 3//$SRO\OODFWLFDFLG，結果顯示添加aZW*2 對 3//$ 之 7J與7P影響不明顯。

=KDQJ 等人>@將 aZW完全脫層之烷基官能化石墨烯 RFWDGHF\ODPLQHIXQFWLRQDOL]HG JUDSKHQH 2'$* 加入3/$，結果發現複合材料之 7J介於aႏ，7P

介於aႏ，顯示添加 aZW2'$* 對 3/$ 之 7J與7P影響不大。0LWWDO 等人>@將 ZW與

ZW*16 加入 3/$，結果顯示對 3/$ 之 7P影響不明顯。

而本研究的結果為添加ZW 以上 *16 對 7P與7P才有影響。由以上比較知，欲提高3/$ 之 7J與7P需添加足

夠量之石墨、石墨烯或 *2，添加物之分散性也是影響效

果之因素。

表四 3/$*16 複合材料之拉伸性質

*16 含量 7603D (03D İE 1HDW3/$

*16

 拉伸測試

由表四所列之抗張強度、彈性模數和斷裂伸長率數據顯示，當添加*16 至 ZW時，複合材料之抗張強度由純 3/$ 之 03D 增加至最大值 03D，提升了，

但*16 含量增加至 ZW時，抗張強度卻急遽下降至

03D 且比純 3/$ 抗張強度低，之後隨著 *16 含量繼續增加至ZW，抗張強度線性下降至最低值 03D。由上述結果知，微量添加aZW*16 可提高複合材料之抗張強度，但*16 含量超過 ZW會降低抗張強度且隨著*16 含量增加而線性下降。在彈性模數方面，*16 的含量對複合材料彈性模數影響之趨勢與抗張強度大致相同，純3/$ 的彈性模數為 03D，*16 含量 ZW

之複合材料具有最高值 03D，比純 3/$ 提升了

，但當 *16 含量繼續增加，彈性模數開始下降，*16 含量ZW之複合材料具有最低彈性模數 03D，遠低於純3/$ 的彈性模數。由上述結果知，添加 aZW

*16 可提高 3/$ 的複合材料之彈性模數。由這些結果知，

含ZW*16 之複合材料具有最高的抗張強度與彈性模數，但含ZW*16 之複合材料卻具有最低抗張強度與彈性模數。由於*16 具非常高之抗張強度與彈性模數，少量添加在分散性佳之情況下可提高基材之抗張強度與彈性模數。但大量加入後，因分散性不佳而造成明顯的聚集現象，因此無法發揮其補強效果。複合材料之斷裂伸長率İE 隨著*16 含量的增加而線性下降，由純 3/$ 之下降至*16 含量 ZW複合材料的，造成此結果之原因，由於無機物的添加往往會使得聚合物之斷裂伸長率下降。與其他文獻比較，於3//$ 加入 aZW*2

>@，純 3//$ 之彈性模數分別為 03D，添加 ZW

*2 可獲得最佳提升效果，但也只提升了，小於本研究之。於 3/$ 加入 aZW 石墨烯>@，純 3/$

之抗張強度、彈性模數分別為與 03D，複合材料之彈性模數隨著石墨烯含量增加而增加，含ZW 石墨烯複合材料具最大值，與純3/$ 比也只提升了，小於本研究之。而複合材料之抗張強度卻隨著石墨烯

+HDW)ORZP:

7HPSHUDWXUH&

ZW*16

ZW*16 QHDW3/$

(7)

圖 3/$ *16 複合材料之 6(0 圖D QHDW 3/$；E

ZW*16；FZW*16；GZW*16；

HZW*16î

含量增加而下降，含ZW 石墨烯複合材料之抗張強度下降了，但本研究最高提升了。於 3/$ 加入

aZW*2DQGJUDSKHQHQDQRSODWHOHWV*13>@，含

ZW石墨烯之未含塑化劑 3/$ 之抗張強度與彈性模數

圖 3/$*16 複合材料之 :975 與 *16 含量關係圖

分別提升了與。

 掃描式電子顯微鏡 6(0 分析

由圖的 6(0 圖可發現，純 3/$ 試片為均勻狀態，

當添加*16 後，會有顆粒與片狀的 *16 產生，含 a

ZW*16 之複合材料，*16 分散性較好，但隨著 *16 含量的增加，*16 數量越多顆粒也越大，當 *16 含量超過

ZW時，有明顯的聚集現象產生，較大顆粒與片狀的 *16 出現。由上述結果知，*16 含量 ZW以下，*16 分散性較好，因此對於3/$ 拉伸性質之補強具有顯著之效果，

由前述複合材料之拉伸性質知，含ZW*16 複合材料具有最高的抗張強度與彈性模數之結果可獲得驗證。當

*16 含量超過 ZW，複合材料的抗張強度與彈性模數隨著*16 含量的增加而線性下降，此結果可歸因於 *16 的聚集。

 水氣透過率 :975 分析

由圖顯示添加 *16 可降低水氣透過率。純 3/$ 之水氣透過率為 JPGD\，複合材料之水氣透過率隨著添加*16 含量的增加至 ZW，水氣穿透過率下降至最低值JPGD\，與純 3/$ 相比下降了，即阻水氣性提高了。當 *16 含量再增加至 ZW時，水氣透過率提升至JPGD\，但還是比純 3/$ 低。添加 *16 可降低水氣透過率之原因在於 *16 之層狀結構，水分子要通過薄膜遇到*16 之阻礙，需要「繞道而行」才能通過薄膜，增加了路徑長度，因此降低了水氣透過率。路徑長度隨*16 含量增加而增加，因此水氣透過率隨 *16 含量增加至ZW而下降。但是當 *16 含量增加至 ZW

時，水氣穿透率反而上升但仍比純3/$ 還低，推測可能之原因為，*16 含量過多在 3/$ 基材內無法均勻分散造成聚集現象，此可由6(0 圖獲得證實。聚集之發生會引起成膜時微孔洞的產生，因此提高了水氣透過率，抵銷了部分因路徑長度增加而造成水氣透過率下降之效果。由上述結 D

E

F

G

H

*16ZW

:DWHU9DSRU7UDQVPLVVLRQ5DWHJPGD\

*16

(8)

圖 3/$*16 複合材料之表面與水的接觸角圖DQHDW3/$；EZW*16；FZW*16；GZW*16；

HZW*16；IZW*16

果知，在 3/$ 添加 *16 可增加阻水性，提升之效果與

*16 含量有關。3/$ 阻水性的提升可提高了其應用範圍與價值。

+XDQJ 等人>@將低含量 YRO*216 加入 3/$，

結果顯示2與&2的透過係數 SHUPHDELOLW\FRHIILFLHQW分別下降了與。顯示 *216 加入 3/$ 對 2與&2

的阻氣性可因*216 的加入而提升。

 接觸角分析

我們藉由樣品表面與水的接觸，來測得水與材料表面的接觸角，3/$*16 複合材料之表面與水的接觸角如圖

所示，測試結果列於表五。一般疏水的材料表面具有比

較大的接觸角，親水的材料則有比較低的接觸角。由測試結果顯示，純3/$ 之接觸角為，隨著 *16 含量的增加，接觸角隨之增加，含ZW*16 複合材料具有最大接觸角達。由此可推測，添加 *16 可增加 3/$ 之親油性，而且複合材料之親油性隨著 *16 的濃度增加而增加。

四、結! 論

綜合歸納上一節的實驗測試數據分析，我們在本論文中所獲致的結論，簡扼敘述如下幾點：

添加 *16 可有效提升 3/$ 的熱穩定性，複合材料之 7G

明顯隨著*16 含量增加而提高。*16 含量、與

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D E

F G

H I

(9)

表五 3/$*16 複合材料之接觸角

*16 含量接觸角

1HDW3/$

ZW*16

ZW之複合材料具有相同且最高之 7G，比純3/$ 提高了ႏ。

複合材料之 7J點不受*16 之添加而明顯改變。複合材料之7P與7P大致與純3/$ 相同，除了含 ZW*16 之複合材料。此結果表示少量*16 不會改變 3/$ 結晶晶粒大小或排列完整性。添加了ZW*16 則會降低 3/$ 的結晶性與晶粒完整性。

在拉伸性質方面，複合材料之抗張強度 76 與彈性模數 ( 皆隨著 *16 含量增加至 ZW*16 達最大值，然後隨著*16 含量增加至 ZW而下降。

添加 *16 可降低 3/$ 之水氣透過率，水氣透過率隨著

*16 含量增加至 ZW 而下降達最低值，比純 3/$ 降低了，亦即阻水性提升了。當 *16 含量繼續增加至ZW，因 *16 產生聚集現象，導致材料產生微孔洞，水氣透過率因此上升，但還是比純3/$ 低。

於 3/$ 內適量的添加 *16，可提高 3/$ 之熱穩定性、

抗拉強度、彈性模數及阻水性，也因此提高了 3/$ 之商業價值與應用範圍。

參考文獻

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/D\HU´Journal of Chung Cheng Institute of Technology 

 年月日收稿

 年月日初審

 年月日複審

 年月日接受

聚乳酸/石墨烯複合材料之製備與性質研究