PPPPPPPP-g-MA////改質 椰殼纖 維複 合材 之製備改質 椰殼纖 維複 合材 之製備改質 椰殼纖 維複 合材 之製備改質 椰殼纖 維複 合材 之製備 黃 國 賢 、 賴 韋 志 崑 山 科 技 大 學 高 分 子 材 料 系 摘 要摘 要摘 要摘 要

本研究將廢棄的椰殼纖維利用四乙氧基矽烷(TEOS)為前驅體，以溶凝膠法

進行改質與 PP-g-MA(聚丙烯接枝馬來酸酐)經由雙螺桿混煉機來製備塑木複合

材，並經 FT-IR、DMA、SEM、XRD、和 TGA等儀器來進行分析。經實驗結果

顯示，適量的 TEOS改質椰殼纖維與 PE-g-MA之添加均能有效提高複合材的動

力學性能及耐熱性；經 SEM觀察複合材的斷面結構分析，顯示 TEOS改質椰殼

纖維與 PP-g-MA或 PE-g-MA具有良好的相容性；PE-g-MA的添加對晶型有些許

改變，但其影響不大。

關鍵詞：椰殼纖維、四乙氧基矽烷(TEOS)、聚丙烯接枝馬來酸酐(PP-g-MA)、塑

木複合材

一一一一 、、、、 前 言前 言前 言前 言

資源危機、生態及環境問題引發了全世界對社會經濟之持續發展與生態及環

境保護相關研究的熱潮，許多能滿足環保要求之新材料不斷湧現。在這種背景

下，一種將天然木材與合成塑料通過復合而製得的新材料－塑木複合材料(Wood

polymer/plastics composites，簡稱 WPC) 就是一種很有發展潛力的新型材料

【1,2】。因而，利用天然木材與聚烯烴等塑料共混製備可降解塑料，無論從綜合

治理水污染，還是節省石油等不可再生資源方面考慮，塑木複合材(WPC)的製備

和加工，皆蘊含著巨大的經濟效益和環保效益【3,4】。

塑木複合材料(WPC)是以木材和塑料為原料，加入偶聯劑等改質助劑，經過

熱壓複合、熔融擠出等不同加工方式製成的一種新型材料。這種材料既能充分發

揮塑木與木材的優點，克服因木材強度低、變異性大等造成的使用局限性，又能

克服有機材料低彈性模量等使用缺陷。並能改進材料的物理力學性能和加工性

能，降低成本，並擴大其應用範圍，提高材料的附加價值【5,6】。目前塑木已

廣泛應用於建築、裝飾、交通和包裝等領域【7】。

聚丙烯（PP）塑料，具有加工性能優良，屈服強度，拉伸強度及彈性模量

均較高，電絕緣性良好，耐應力龜裂及耐化學藥品性較佳等優異的性能，同時，

其原料來源豐富，價格低廉，製品無毒無味，故聚丙烯是近40年來世界上發展最

快的高分子合成材料之一【8,9】；但聚丙烯的缺點也是非常明顯的，其熱變形

溫度較低，低溫衝擊強度低，同時聚丙烯是非極性聚合物，分子鏈上不含有極性

基團，因而其相容性，染色性和抗靜電性不佳，特別是聚丙烯與其他多數聚合物

及無機填料不能有效地共混，極大限制了聚丙烯向工程塑料及其他方面的發展

【10】。因此，開發具有高彎曲模量，高衝擊強度的聚丙烯複合材料已經成為迫

切的需求【11】。

天然植物纖維材料是自然界中資源最豐富的天然高分子材料，每年生長總量

多達千億噸，是一種極為重要的資源，而且自然界中的植物是每年不斷的生長，

故植物纖維是自然界中最豐富的可再生有機資源【12,13】；椰殼粉的主要成分

為天然植物纖維，它與一般的木纖維相比，具有質地緻密堅硬、比強度高、價格

低廉、可降解等優點【14】，但傳統的應用只消耗了世界椰殼產量的一小部份，

大部分都被遺棄。這不但浪費資源，還造成了一定的環境污染，因此，研究天然

椰殼纖維並將其應用於工業生產，既可彌補纖維的資源不足，又有利於環境保

護、生態平衡及能源節約【15】。

由於椰殼纖維中的木質素和纖維素帶有強級性的羥基等官能基團，使塑木複

合材料具有極性和吸濕性，而多數熱塑性塑料為非極性【16】，因而兩者極性相

差極大，故其界面相容性不理想，從而嚴重影響了複合材的性能，為了提高共混

物中分散相和連續相的界面張力，利用物理或者化學的方法，對椰殼纖維的表面

進行處理，改變纖維表面的狀態，以達到改善界面相容性的目的【17】。Sol-gel

方法是製備材料的低溫濕化學合成法，具有反應溫度低，反應達到分子水平上的

均勻，工藝簡單等優點，被廣泛應用於陶瓷，玻璃，薄膜，生物材料以及許多特

殊功能材料等材料領域。近年來，Sol-gel方法也成為木材科學領域的研究重點。

用Sol-gel方法製備的木材/無機複合材料時，四乙氧基矽烷（TEOS）是最為常用

的前驅體之一，通過Sol-gel方法在木材內部引人無機物，實現以SiO2為主成分的

凝膠填充在木材空隙中，一方面改善了木材本身許多固有的缺陷，另一方面可以

提高木材的強度、耐熱性、阻燃性、耐腐性、及尺寸穩定性等性能【18,19】。

二二二二 、、、、 實 驗實 驗實 驗實 驗

2-1 試藥試藥試藥試藥

Polypropylene-Graft-Maleic anhydride (PP-G-MA)，密度 0.903 g/cm³，融熔指數 120

g/10 min，台灣杜邦代理商。polyethylene-Graft-Maleic anhydride，(PE-G-MA):

台灣杜邦代理商。椰殼纖維粉，自製，粒徑約 147µm。硬酯酸，Tetraethyl

orthosilicate (TEOS)，Ammonia Water，前三項藥品皆為試藥級，購自島久藥品株

式會社

2-2 儀儀儀儀器設備器設備器設備器設備

1. 雙螺桿混煉機 (SHJ-20，南京杰業擠出裝備股份有限公司)。

2. 熱壓成型機 (GT-7014-A，高鐵科技股份有限公司)。

3. 傅立葉光譜分析儀 (FT-IR，Bio-Red Digilab FTS-3000)。

4. X-Ray 繞射分析儀 (X-Ray Diffraction，D/Max2500)。

5. 掃描式電子顯微鏡 (SEM，Jeol 5610)。

6. 熱微分重量分析儀 (TGA，Du Pont 2200)。

7. 動態機械黏彈性儀 (DMA 2980 TA Instruments)。

2-2 實驗步驟實驗步驟實驗步驟實驗步驟

1. 將 2g 的椰殼纖維粉與不同體積 (5ml、15ml、30ml) 的四乙氧基矽(TEOS)

進行混和，並以 1M的氨水當催化劑，經充分攪拌後，靜置在室溫下 (約 25

℃) 反應 24小時後於 100℃烘乾，可得改質椰殼纖维粉。

2. 將定量 2%的硬酯酸加入到 50g PP-g-MA 塑料中且加入不同體積(5ml、

15ml、30ml)之 TEOS改質椰殼纖維粉來進行均勻混和。

3. 將混和均勻的樣品放入雙螺桿混煉機，在加工溫度範圍 162~172℃下進行混

煉擠壓，製得 PP⁄改質椰殼纖維複合材。

4. 將製得的 PP⁄改質椰殼纖維複合材塑料放入熱壓成型機在 170℃下進行壓片

成型，首先預壓 2分鐘後再填入塑料將模具填滿後再熱壓 3分鐘。製得 PP⁄

改質椰殼纖維複合材(厚片試樣)，標號 P(CSm)n(m=5ml、15ml、30ml、為

TEOS在複合材中所占的體積，n為椰殼纖維粉在複合材中所占比例%數)。

5. 另外，為探討 PE-g-MA 與椰殼纖維所占比列%數對塑木性質的影響，本實

驗繼續利用前述條件與方法，添加定量的 PE-g-MA (10%)改變椰殼所佔比

例，製得標號 P90E10(CS5)n之複合材(n=5、7、9、11為椰殼纖維在複合材中

比例%數，P90E10為添加 10%的 PE-g-MA)，裝袋並檢測。

2-3 檢測與分析檢測與分析檢測與分析檢測與分析

1. 傅立葉光譜分析儀 (FT-IR) 測試：

利用紅外線光譜儀(FTIR Bio-Rad Digilab FTS-3000型)與 ATR系統，進行分

析聚丙烯⁄改質椰殼纖維複合材之官能基變化。

2. X繞射分析儀 (XRD) 測試:：

將樣品取 1x1cm膜片，測試條件為 2°/min，掃描角度 3~40度，電壓 20kv，

電流 100mA，觀察樣品於結晶的繞射分析。

3. 掃描式電子顯微鏡 (SEM) 觀察：

用掃描式電子顯微鏡(SEM，Joel5610)觀察聚丙烯⁄改質椰殼纖維複合材之斷裂

面型態組織，用剖面的方式直接掃描複合材。

4. 熱重分析儀 (TGA) 測試：

將樣品秤取 5~5.5mg 至於白金盤中，測試條件為 20℃/min，30℃加熱至 600

℃、氮氣流量 50ml/min，觀察樣品於加熱過程中的熱裂解情形。

5. 動態機械分析儀 (DMA) 檢測：

將薄片裁成約 15mm×35mm 大小，並以游標卡尺測量薄片厚度，將樣品固定

於動態機械分析儀 (DMA-2980) 單臂夾具上，並以1Hz、升溫速率 3℃/min 的

條件，並由 30℃~150℃，藉由 DMA 之動態數據來觀察此薄片內部分子架構

的相互影響性質。

三三三三 、、、、 結 果與 討論結 果與 討論結 果與 討論結 果與 討論

3-1 複 合 材 之複 合 材 之複 合 材 之複 合 材 之 FT-IR 分 析分 析分 析分 析

圖 1 曲線(a)是利用未改質椰殼纖維製成之複合材，在 2900~3000cm-1、

1300~1500cm-1主要為椰殼纖維粉中的 CH與 CH2伸展振動吸收峰。 而曲線(b、

c、d)是以經由 TEOS改質椰殼纖維製成的複合材，由圖中可以知道，隨著 TEOS

體積的增加，3250~3500cm-1處的波峰強度也隨之提高，這主要是因為 TEOS 濃

度增加，因水解產生之羥基(O-H)亦越多所致。其次，複合材料中，由于 SiO2 顆

粒表面也有少量羥基存在【20】，隨著加入量的增加，羥基濃度增大。此外在

1015~1095cm-1

之 Si-O-C與 Si-O-Si之吸收峰隨著 TEOS體積的增加其強度隨之

增大，但在 1147cm-1之 C-OH吸收峰卻越不明顯。這主要是因為多體積之 TEOS

水解後產生之 Si(OH)4 濃度亦越多，一方面會與纖維素發生聚縮合；另一方面發

生自縮合的機會亦越多，所以在 1015~1095cm-1處之吸收峰隨著 TEOS體積之增

加而增強，但纖維素之 C-OH因與 Si(OH)4中之-OH發生聚縮合，故吸收峰變成

不顯著。這些結果都證明了 TEOS水解後之產物確實與椰殼纖維發生反應。

圖 2曲線(a)在 1647cm-1處出現振動吸收峰，這是改質 PE與改質 PP中馬來

酸酐之羰基(C=O)的特徵吸收峰【21】。由曲線(b、c、d)可見在 1600~1650 cm-1

處之吸收波峰隨著改質椰殼纖維填加量之增加而增長，此為椰殼纖維吸附水變形

振動峰【22】，這是因為椰殼纖維 C-OH 與 TEOS 水解後產生之 Si(OH)4聚縮合

後，SiO2粒子表面也有少量羥基存在【20】，因此，隨著椰殼纖維添加量的增加，

所含的 SiO2 量增加，導致了波峰的增強；同時椰殼纖維含有大量的 C-H 結構

【23】，所以在 2900~3000 cm-1附近的 CH 振動吸收峰會比未添加椰殼纖維的波

峰強。

3-2 複 合 材 之複 合 材 之複 合 材 之複 合 材 之 X-Ray 分 析分 析分 析分 析

利用 X 射線衍射儀來觀察改質椰殼纖維粉與基材間的層間距離變化，是否

對複合材的晶型結構造成影響。由圖 3曲線(a)可知，PP-g-MA在 14.2°、16.98°、

18.64°、21.16°和 21.88°處有很強的衍射峰，他們分別對應 α 晶型 PP-g-MA

(110) 、(040)、(130)和(111、041)晶面的衍射，是 PP-g-MA 典型 α晶型【24,25】。

由曲線(b、d)可以觀察到，在 23.88°有結晶衍射峰，對應的晶面為(200)，此為

PE-g-MA 正交晶系，是一種穩定的相晶系【26】，表示 PE-g-MA 確實均勻分散

在 PP-g-MA基材中，而導致 PP-g-MA再結晶構造上有些許的改變，但其影響不

大。從曲線(c、d)可見，添加改質椰殼纖維粉後，其衍射峰強度變弱，這主要是

因為 TEOS水解後產生的 Si(OH)4和椰殼纖維表面的 OH發生縮合反應，所形成

的 SiO2是一種無定形物質，進行Ｘ射線衍射時，削弱了衍射峰的強度【27】。此

複合材以 α-PP-g-MA 晶相為主所構成，α 晶型對材料剛性與熱穩定性貢獻較大

【28,29】，所以此材料能表出良好的熱穩定性與力學性質。

3-3 複 合 材 之複 合 材 之複 合 材 之複 合 材 之 SEM 分 析分 析分 析分 析

利用掃描式電子顯微鏡來觀察未改質椰殼纖維複合材與椰殼纖維和 TEOS

水解聚縮合後產物斷裂面之型態變化。圖 4(a)為以未改質之椰纖做成之複合材，

其斷面較平滑；而圖 4(b)是用 5mlTEOS 改質的椰殼纖維製成之複合材，其斷面

發生較大幅度的塑性變形。這種界面層的形成主要是 TEOS 水解後產生的

Si(OH)4和椰殼纖維表面的 OH發生縮合反應，改善了椰殼纖維與 PP的相容性，

並提高兩者間之黏結強度【30,31】；另一方面，SiO2粒子在複合材料受到衝擊時

能夠誘導基體發生塑性變形，吸收大量的衝擊能量，使材料由脆性斷裂變為韌性

斷裂【32】。由圖 4(c)及 4(d)可知，當 TEOS用量為 15ml或 30ml時，由於產生

之 SiO2過多，而形成較大之顆粒，致無法分散在複合材內部，造成團聚現象發

生，因此藉由 SEM可進一步證明 P(CS15)9、P(CS30)9力學性能(DMA)下降的原因。

圖 5(a)為純的 PP/PE-g-MA複合材，材料斷面平滑、整齊、沒有塑性變形屬

於典型的脆性斷裂，而圖 5(b、c)為添加改質椰殼纖維粉之複合材，隨著椰殼纖

維比例的增加，複合材斷裂面的椰殼纖維顯得更為明顯，且複合材的斷面並無大

量的孔洞，且大量椰殼纖維在基體中斷裂，撕裂區較多，表示椰殼纖維與 PP基

體界面黏結強度良好，呈現明顯韌性斷裂【33】。而圖 5(d)椰殼纖維添加至 11%

時，複合材斷面的椰殼纖維產生團聚現象，可見複合材的韌性較差，因此進一步

證明 P90E10(CS5)11力學性能(DMA)下降的的原因。

3-4 複 合 材 之複 合 材 之複 合 材 之複 合 材 之 TGA 分 析分 析分 析分 析

藉著熱微分重量分析儀觀察在氮氣氛圍內複合材的熱變化情形及其熱分解

情形。由圖 6與表一知道，以 TEOS改質椰殼纖維製成的複合材在裂解溫度上明

顯比純複合材有所提升，這表示改質後的椰殼纖維有助於提高複合材的耐熱性

質；且隨著 TEOS體積增加，複合材的失重速率減少、裂解溫度和殘餘量隨之提

升。這是因為，TEOS 經水解聚縮合後產生之 SiO2 本身就具有良好的耐熱性

【34】；另一方面椰殼纖維中的 OH 與 TEOS 水解所形成的 Si(OH)4發生縮合反

應，形成了 Si-O-Si與 Si-O-C的網狀結構，阻止了椰殼纖維分子鏈的運動，使分

子鏈在加熱過程中斷裂則需要更高的溫度【20,35】。

由圖 7 與表二知道，曲線(b、d)及(f)為添加部份 PE-g-MA 製成之複合材，

由資料顯示，在裂解溫度(Td10)上明顯比未添加 PE-g-MA之複合材還高；且前述

複合材的分解速率皆較緩慢，由此得知 PE-g-MA 的加入有助於提高複合材的耐

熱性質，這主要是因為，PE 起始裂解溫度為 456℃，另一方面，PE在高溫下的

熱穩定性也較好【36】，所以複合材能表現較好的熱性能。其次，以改質椰纖做

為複合材之加強材比未改質之椰纖製成之複合材，其耐熱性亦較佳，如曲線(e)

與(c)及曲線(f) 與(d)間的比較。

3-5 複 合 材 之複 合 材 之複 合 材 之複 合 材 之 DMA 分 析分 析分 析分 析

為了研究複合材動力學性能的性質，經由 DMA來測量複合材本身在震動負荷

下的動態模量及力學損耗與溫度之間的關係。從圖 8可以看出，PP-g-MA /未改質

椰殼纖維粉製成的複合材儲存模量比純 PP-g-MA 要高，這表示椰殼纖維粉起了增

強 PP-g-MA的作用【37】，這是因為椰纖材料之加入而使複合材於受力時能將力量

做適當的分配，不致於形成應力集中所致。另經過 TEOS改質椰殼纖維粉製成的複

合材儲存模量比純 PP-g-MA和 PP/未改質椰殼纖維複合材有所提高，這主要是因為

TEOS水解後產生的 Si(OH)4和椰殼纖維表面的OH發生縮合反應，形成新的 Si-O-C

鍵結合，增強椰殼纖維與聚丙烯兩相間的結合與改善椰殼纖維分散性，同時降低了

界面相中分子鏈的活動能力，因分子鏈運動受限，造成儲存模量上升【37,38】。而

儲存模量可以反應出材料的硬度，硬度越大材料越不容易變形【39】。

曲線(d、e)隨 TEOS用量的增加，儲存模量有逐漸下降的趨勢，這主要是因為

多體積之 TEOS水解後產生之 Si(OH)4 濃度亦越多；SiO2粒子間會相互接近，一方

面易于形成裂紋，另一方面 SiO2粒子容易團聚，這些團聚引起複合材料損害而產

生應力集中【33】，在纖維和塑料在基體中間形成了弱的界面連接帶，但界面黏結

作用不強，因此，當複合材受到外力作用時，很容易被破壞，使複合材的力學性能

下降。

從圖 9可以看出，隨著椰殼纖維的增加，複合材料的儲存模量明顯上升，這主

要是因為，剛性較大的椰殼纖維對聚丙烯分子內的運動有束縛作用，從而提高了複

合材的儲存模量【40】。由圖 9曲線(a,b)來比較，曲線(b)為加入 10%PE-g-MA之複

合材，與純 PP-g-MA 的儲存模量相比之下有所提高，這是因為，作為分散相的

PE-g-MA與共聚物中的 PP鏈段具有良好的相容性降低了二者間的界面張力，增強

了界面應力的傳遞，這不僅有利於 PE-g-MA 在基體中的變形分散，還大大增強了

分散相和連續相間的界面粘結【41】。曲線(f)隨著椰殼纖維的增加，儲存模量有下

降的趨勢，這是因為，隨著木粉填充量的增加，填料所佔據的體積比例增大，同時

椰殼纖維分散性變差，顆粒堆砌嚴重，使基體產生應力集中，導致複合材的力學性

能下降【42】。

四四四四 、、、、 結 論結 論結 論結 論

本實驗利用 TEOS 對椰殼纖維進行改質與 PP-g-MA混煉製成塑木複合材，

改變 TEOS之濃度或添加定量 PE-g-MA(10%)改變其改質椰殼纖維之填加量，探

討其對複合材相關性質之影響，經實驗結果可以得到底下幾點結論：

1. 經由 FT-IR與 SEM分析結果顯示， PP-g-MA與 TEOS改質椰殼纖維粉之間

具有良好相容性。

2. 利用 TEOS 改質椰殼纖維粉與 PP-g-MA 或 PP-g-MA /PE-g-MA 製成之複合

材，均能有效提高複合材耐熱性質，且隨 TEOS 用量之增加，耐熱效果明顯

提高。

3. 當 TEOS添加至 5ml或椰殼纖維粉添加至 9%時，儲存模量達最大值。

4. 添加 PE-g-MA (10%)製成之塑木複合材，有較高的儲存模量。

5. 改質椰殼纖維粉的添加並無明顯改變 PP-g-MA本身的晶型結構，而 PE-g-MA

的添加對晶型有些許改變，但其影響不大。

五五五五 、、、、 參 考文 獻參 考文 獻參 考文 獻參 考文 獻

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六六六六、、、、圖表圖表圖表圖表

圖 1 TEOS改質椰殼纖維粉之 IR光譜

a-P(CS0)9 b-P(CS5)9 c-P(CS15)9 d-P(CS30)9

圖 2 改質椰殼纖維粉之 IR光譜

a-P90E10 b-P90E10(CS5)5 c-P90E10(CS5)7 d-P90E10(CS5)9

圖 3 複合材之 XRD 圖譜

圖 4 複合材之 SEM

a-PC9 b-P(CS5)9 c-P(CS15)9 d-P(CS30)9

圖 5 複合材之 SEM

a- P90E10 b- P90E10 (CS5)7 c- P90E10 (CS5)9 d- P90E10 (CS5)11

圖 6 複合材之 TGA 圖譜

圖 7 複合材之 TGA 圖譜

圖 8 各種塑木的儲存模量

圖 9 各種塑木的儲存模量

表一 複合材熱重分析

試樣

熱性質熱性質熱性質熱性質

Td 10 (℃℃℃℃) 分解速率分解速率分解速率分解速率(%⁄℃℃℃℃) 殘餘量殘餘量殘餘量殘餘量(%)

P(CS0)9 327 -1.281 0.667

P(CS5)9 378 -1.573 2.953

P(CS15)9 415 -1.622 5.170

P(CS30)9 434 -2.102 5.723

表二 複合材熱重分析

試樣

熱性質熱性質熱性質熱性質

Td 10 (℃℃℃℃) 分解速率分解速率分解速率分解速率(%⁄℃℃℃℃) 殘餘量殘餘量殘餘量殘餘量(%)

PP-g-MA 433 -2.288 0.623

P90E10 439 -2.344 1.428

P(CS0)9 327 -1.281 0.667

P90E10(CS0)9 354 -1.300- 1.137

P(CS30)9 434 -2.102 5.497

P90E10(CS30)9 446 -2.401 5.723