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昆山科技大学高分子材料系专题研究计画书
崑山科技大學高分子材料系專題研究計畫書
題目
TiO2+α-纖維素強化聚丙烯之製備及研究
指導老師
日期
100.5.19
研究學生
李建宏
1、前言(包含題目定義、研究動機及研究目標)
利用CNC(cellulosenanocrystals)或CNF(cellulosenanofibrils),須將天然纖維素經過一連串的提煉及精製過程,如此一來反而對環境不友善。
基於綠色環保之概念,本研究將直接使用天然(α-纖維素)短纖維,其中α-纖維素為纖維素纖維之主要組成成分,在木漿及棉麻等纖維素纖維中含量達85%以上。
天然短纖維長度將截成約200~600μm,以期藉由這些天然短纖維的添加達到增韌PP之效果。
α-纖維素或嫘縈將先利用硬脂酸施以表面改質,以增進α-纖維素與聚丙烯(polypropylene,PP)基材間之界面親和性(affinity)。
PP為最被廣泛使用之五大泛用塑膠之一,有關PP高分子之基本物性、加工性,與應用已被廣泛研究。
在PP基材增韌研究方面,PP複合材在低溫下具有高楊氏模數及衝擊強度,因此,廣泛應用於許多工業產品。
利用奈米碳酸鈣粉體強化PP已被證實可以提升PP之剛性(stiffness)及衝擊韌度(impacttoughness)[1-9]。
Chanetal.[10]利用平均粒徑為70nm的奈米碳酸鈣,先利用硬脂酸行表面改質,使奈米碳酸鈣能均勻分散於聚丙烯高分子基材中,且在添加量在20wt%(7.8vol%)下,可提升PP之衝擊強度(Izodimpactstrength)達7倍之多,由原來之50J/m提升至370J/m。
再者,Chanetal.[5]使用44nm奈米碳酸鈣粉體強化聚丙烯,在添加量為9.2vol%之下,可提升PP之抗拉強度及楊氏係數達85%。
也由於奈米碳酸鈣粉體在PP基材中之成核效應,因此,降低PP之球晶尺寸,也使PP之impactstrength提昇幅度達到300%,notchedfracturetoughness提昇幅度更達到500%。
棒狀纖維素鬚晶(rod-likecellulosewhiskers)經證實其楊氏模數可達143GPa[11],較鋼(steel)強,與克拉纖維(Kevlerfiber)相近,且約為高模數碳纖維的一半。
此等棒狀纖維素鬚晶可由天然纖維素纖維,如棉、麻、樹木、蔗渣、椰子纖維等提煉出來。
Ljunbergetal.[13]則利用棒狀纖維素鬚晶來強化isotacticPP(iPP),結果發現棒狀纖維素鬚晶在PP基材中具有成核劑之效用,且可提升PP之抗拉強度及斷裂伸度分別達42%(19MPato27MPa)及50%(8%to12%)。
此外,亦有國外學者利用CNC[14]、麻纖維[15]、或CNF[16]來增韌PLA。
但利用棒狀纖維素鬚晶、CNC、或CNF則須再將天然纖維素經過一連串的提煉及精製過程,如此一來反而對環境不友善。
在PP基材中加入二元強化相,α-纖維素及TiO2奈米粉體,無論是在理論與實際上皆可達到增韌強化PP基材,又可大幅加速PP之光降解速率,如此將可大幅改善PP高分子對環境之負擔。
因此,本研究將採用此二元強化相來製備PP/α-Cellulose/TiO2三元複材。
首先,此二元強化相,即α-纖維素及TiO2奈米粉體,將先利用硬脂酸予以表面改質,使此二元強化相在非極性之PP基材中能均勻分散,如此方可顯現其效果。
基於shearlagmodel原理,此短纖維加入到PP基材中,藉由PP與天然短纖維界面剪應力的傳送,而將PP所承受的拉伸應力,由基材中傳送至天然短纖維。
在此情況下,所添加之天然短纖維可降低PP受負荷時,在PPbulk中所承受之拉伸應力。
此外由於天然短纖維在PPbulk中並無方向性,因此可使PP受拉伸應力時之cracklength增加,進而提高PP之toughness。
本研究之第二強化相為奈米二氧化鈦,TiO2為一種半導體粒子,利用紫外光照射可產生
、
及
活性自由基(activeradicals)。
這些自由基將使高分子分子鏈中之C-H鏈產生氧化作用,而導致降解[17]。
自從1960年代,科學家就已經發現TiO2具有光觸媒作用[18]。
但將TiO2奈米粉體加入高分子中,加速高分子之光降解(photo-degradation)作用的研究卻很少。
TiO2在紫外光照射下會產生電子-電洞對(electron-holepairs),TiO2光觸媒作用已被證實可成功地應用在水及空氣淨化、有機污染物的分解、及殺菌作用[18,19]。
高分子基於穩定及變性防止(preventionofdenaturation)方面的降解研究相當多[20-24];但基於環境保護的降解研究卻相當少。
而高分子產品在目前使用卻與日俱增,所形成環保的威脅也日益嚴重。
早期的掩埋處理方式已逐漸被焚化方式所取代;但焚化處理方式容易產生有毒氣體,因此可分解性高分子產品已廣獲重視。
合成高分子一般為生物不可分解性,早期研究發現聚乙烯醇(PVA)及聚乙二醇(PEG)等水溶性高分子可利用光降解作用加以分解[25,26];然而,近年來有一些研究是注重於高分子基材中添加具光觸媒作用之二氧化鈦(TiO2)奈米粉體,以加速高分子材料之光降解作用,但此方面的研究目前尚少。
Hidakaetal.[27]將平均粒徑為30nmTiO2與PVC(100~200μm)、PVC/PVLC(400~600μm)(聚氯乙烯及聚偏二氯乙烯共聚合體,PVC/PVLC為95/5)製成水性懸浮液,並在此水性懸浮液中添加過硫酸鉀或過氧化氫,以加速光氧化降解速率,且利用紫外光來照射此水性懸浮液。
結果發現水性懸浮液中之氯離子及二氧化碳濃度皆隨照射時間之增加而增加,顯示在此水性懸浮液中產生了光氧化降解作用。
Choetal.[28]將平均粒徑約20~40nm的TiO2(DegussaP25)奈米粉體與PVC在THF中混合,並利用離心法去除團聚狀的TiO2,而後將PEEK/TiO2懸浮液塗佈於載玻片(slideglass)上,形成PVC/TiO2薄膜複材,薄膜厚度約25~30μm,TiO2含量為0~2wt%。
並利用波長小於300nm之紫外光在氮氣(N2)進行光觸媒研究。
經300小時紫外光照射後發現,PVC分子量減少了2/3,重量損失達27%。
且經FT-IR檢測發現CO2、H2O、及carbonylgroup的吸收強度有明顯的增加,顯示光觸媒作用極為明顯。
掃描式電子顯微鏡(SEM)發現經紫外光照射後,TiO2粉體周圍明顯出現空孔(cavities)現象,且由於可見光散射作用,導致PVC/TiO2薄膜複材產生快速白化現象。
再者,由X-ray光電子圖譜(XPS)發現PVC/TiO2薄膜複材表面氯含量亦逐漸地減少,Choetal.[28]研究也顯示出TiO2對於加速高分子光觸媒降解應用方面之潛力。
TiO2奈米粉體在高分子基材中是否均勻分散實為一重要課題,若無足夠的立體障礙,TiO2奈米粉體在低極性高分子基材中易產生明顯的團聚(agglomeration)現象[29],因此,直接將TiO2奈米粉體加入高分子基材中將會導致巨大的團聚現象,其尺寸可達幾個毫米(μm)。
毫米尺寸TiO2將大大地降低TiO2的光觸媒效果,主要原因有二:
其一是減少TiO2與基材間之接觸表面積,其二是導致快速白化(whitening)效應,而白化效應會大大地降低光在高分子基材中之穿透深度[29]。
此外,奈米粉體間之間也會有奈米空孔(nanocavities)存在,這也會產生少許的散射效應而降低TiO2的光觸媒效果。
由此可見,若能將TiO2奈米粉體均勻地分散在高分子基材中,則光觸媒效果將會獲得很大的提升。
Zanetal.[30]則先將矽烷偶合劑接枝於TiO2(平均粒徑約70~100nm)奈米粉體上,並將苯乙烯單體導入,形成PS-g-TiO2,改善TiO2在PS中的分散現象。
PS-g-TiO2薄膜厚度約40~50μm,並利用254nm紫外光在大氣中照射。
結果發現PS-g-TiO2薄膜經300小時照射後,PS基材的分子量減少了75%,重量損失達29%。
SEM發現TiO2粉體在PS基材中均勻分散;且經紫外光照射後,PS-g-TiO2薄膜不論是在表面或內部皆出現明顯的大空孔,相較於純PS則僅在表面出現小的空孔,顯示TiO2可明顯提高光觸媒效果。
Shiraietal.[31]將PMSO(polymethylsiloxane)蒸鍍在TiO2表面,以改善TiO2在乙烯基高分子(vinylpolymers)之分散性。
Shangetal.[32]將粒徑約13.2nm的TiO2奈米粉體與PS廢棄物在THF(tetrahydrofuran)溶劑中製成PS/TiO2薄膜複材,其中TiO2含量為2.0wt%,薄膜厚度經SEM檢測約為35μm。
並將此PS/TiO2薄膜在298K的大氣中接受254nm紫外光照射160小時。
結果發現添加TiO2之光降解速率遠高於未添加者,且在光降解過程中CO2含量增加,也會產生carbonyl基團,顯示光觸媒氧化作用(photo-oxidation)。
且Shangetal.[32]發現在PS/TiO2光降解過程中所產生的有毒氣體量是微乎其微,這現行焚化時產生大量毒性氣體有天壤之別。
在Shangetal.[32]的研究顯示在PS中加入TiO2確可加速PS之光分解速率,他們也提出了PS在光降解過程中可能的機制。
2、研究方法與步驟
2-2-1實驗器材
1.雙螺桿混練機(twin-screwextruder)。
2.熱壓成型機(compressionmolding)。
3.萬能強力試驗機(Instron3369)。
4.Izod衝擊強力試驗機(universalimpacttester,QC-639E)。
5.場發射式掃描式電子顯微鏡(JSM6330F)。
6.穿透式電子顯微鏡(JEOL3010,TEM)。
7.X-ray繞射分析儀(SiemenD5000XX-raydiffractometer)。
8.熱機械性質分析儀(Dynamicmechanicalanalyzer,DMA,TA2580)。
9.示差掃描式熱卡計(Differentialscanningcalorimeter,DSC,Perkin-ElmerDiamond)。
10.標準紫外光燈(波長254nm)。
11.傅立葉轉換紅外線光譜轉換儀(FT-IR,Bio-RadDigilabFTS-400withATR)。
2-2-2實驗步驟
3、參考文獻
[1]P.M.Mcgenity,J.J.Hooper,C.D.Paynter,A.M.Riley,C.Nutbeem,N.J.Elton,J.M.Adams,Polymer33(1992)5215.
[2]J.Jancar,A.T.Dibenedetto,A.Dianselmo,Polym.Eng.Sci.33(1993)559.
[3]W.C.J.Zuiderduin,C.Westzaan,J.Huetink,R.J.Gaymans,Polymer44(2002)261.
[4]Y.S.Thio,A.S.Argon,R.E.Cohen,M.Weinberg,Polymer43(2002)3661.
[5]C.M.Chan,J.SWu,J.X.Li,Y.K.Cheung,Polymer43(2002)2981.
[6]G.M.Kim,G.H.Michler,Polymer39(1998)5689–5697.
[7]G.Levita,A.Marchetti,A.Lazzeri,Polym.Comp.10(1989)39.
[8]Q.X.Zhang,Z.Z.Yu,X.L.Xie,Y.W.Mai,Polymer45(2004)5985.
[9]Y.Lin,H.Chen,C.M.Chan,J.S.Wu,Macromolecules41(2008)9204.
[10]Y.Lin,H.Chen,C.M.Chan,J.S.Wu.Polymer51(2010)3277.
[11]A.Sturcova,G.R.Davies,S.J.Eichhorn,Biomacromolecules6
(2)(2005)1055.
[12]A.J.deMenezes,G.Siqueira,A.A.S.Curvelo,A.Dufresne,Polymer50(2009)4552.
[13]N.Ljunberg,J.Y.Cavaile,L.Heux,Polymer47(2006)6285.
[14]A.Pei,Q.Zhou,L.A.Berglund,CompositesScienceandTechnology70(2010)815.
[15]A.K.Bledzki,A.Jaszkiewicz,CompositesScienceandTechnology70(2010)1687.
[16]M.Jonoobi,J.Harun,A.P.Mathew,K.Oksman,CompositesScienceandTechnology70(2010)1742.
[17]L.Zan,S.Wang,W.Fa,Y.Hu:
L.Tian,andK.Deng:
Polymer47(2006)8155.
[18]A.Fujishima,T.N.Rao,andD.A.Tryk:
JournalofPhotochemistryandPhotobiology,C:
PhotochemistryReviews1(2000)1.
[19]M.R.Hoffmann,S.T.Martin,andW.Choi:
D.W.Bahnemann,ChemicalReviews95(1995)69.
[20]B.RandyandJ.F.Rabek,Photodegradation,PhotooxidationandPhotostabilizationofPolymers,JohnWileyandSonsLtd,London,1975.
[21]Z.Osawa,T.Sunakami,andY.Fukuda:
Polym.Degrad.Stab.43(1994)61.
[22]Z.OsawaandM.Aiba:
PolymerPhotochemistry2(1982)339.
[23]A.Torikai,H.Kato,K.Fueki,Y.Suzuki,F.Okisaki,andM.Nagata:
J.Appl.Polym.Sci.50(1993)2185.
[24]P.K.WellandJ.P.S.Badyal:
J.Polym.Sci.,PartA:
Polym.Chem.30(1992)2677.
[25]S.Nishimoto,B.Ohtani,H.Shirai,andT.Kagiya:
J.Polym.Sci.,Polym.Lett.23(1985)141.
[26]S.Nishimoto,B.Ohtani,H.Shirai,S.Adzuma,andT.Kagiya:
J.Polym.Commun.26(1985)292.
[27]H.Hidaka,Y.Suzuki,K.Nohara,S.Horikoski,Y.Hisamatsu,E.Pelizzetti,andNSerpone,JournalofPolymerScience,PartA:
PolymerChemistry34(1996)1311.
[28]S.ChoandW.Choi:
JournalofPhotochemistryandPhotobiology,A:
Chemistry143(2001)221.
[29]R.LaibleandK.Hamann:
AdvancedColloidInterfaceScience13(1980)65.
[30]L.Zan,L.Tian,Z.Liu,andZ.Peng:
AppliedCatalysisA:
General264(2004)237.
[31]Y.K.Shirai,K.Kawatsura,andN.Tsubokawa:
ProgressinOrganicCoatings36(1999)217.
[32]J.Shang,M.Chai,andY.Zhu:
JournalofSolidStateChemistry174(2003)104.
[33]G.E.P.Box,W.G.Hunter,J.S.Hunter,StatisticforExperimenters,JohnWiley&Sons,NewYork,1978.
[34]G.E.P.Box,N.R.Draper,EmpiricalModel-buildingandResponseSurfaces,JohnWiley&Sons,NewYork,1986.
4、
專題計畫執行進度﹝以甘梯圖表示﹞
月份
工作項目
1月
2月
3月
4月
5月
6月
7月
8月
9月
10月
11月
12月
文獻探討
PP/α-Cellulose文獻探討
PP/TiO2文獻探討
實驗設計(RSM設計)
進行實驗
材料準備
複材製備
實驗檢測
撰寫報告
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