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椰殼纖維改質研究 黃國賢、林谷彥 崑山科技大學高分子材料系 摘要 本實驗以椰殼纖維原料利用四乙氧基矽烷為無機前驅體，以溶凝膠進行改質。通過紅外光譜分析(FTIR)、熱失重分析(TGA)、掃描電子顯微鏡分析(SEM)等設備，研究了改質後椰殼纖維的表面形態和熱性質。由實驗結果知，纖維的增重率顯著提高，纖維中的羥基與四乙氧基矽烷水解後的羥基發生了聚縮合反應。經SEM觀察椰殼纖維的斷面、表面形態，顯示纖維粉與四乙氧基矽烷具有良好的反應性；改質後之纖維粉的耐熱性隨著TEOS用量之增加而提高，但其吸濕率卻相反。 關鍵詞：椰殼纖維、四乙氧基矽烷、溶凝膠法、耐熱性 一、前言 隨著現代工業的發展，自然環境受到愈來愈嚴重地破壞，環境污染及資源缺乏使人類認識到有效利用自然資源的重要性,天然植物纖維具有價廉質輕，比強度和比剛度高等優良特性，可自然降解，是製備環境友好和重要的原料。[1] 天然植物纖維(Natural Vegetable Fibers,NVF)是世界上除藏最為豐富的資源，在自然界中每年生長存在的NVF中纖維素的總量可以高達千億噸，遠遠超過了地球上現存的石油總儲量；NVF增強熱塑性塑料是一種新型的綠色環保型複合材料，符合生態環境要求，具有巨大的經濟潛力[2]。 椰殼纖維屬低成本天然纖維，是一種從椰子果實中獲得的木質纖維素纖維，由於缺少適當的出路，這些來自椰樹果實的椰殼纖維中實際上只有一小部分用於工業生產中，但傳統的應用只消耗了世界椰殼產量的一小部分，大部分都被遺棄，這不但浪費資源，還造成一定的環境污染，因此研究天然椰殼纖維並將其應用於工業生產，既可彌補纖維資源的不足，又有利於環境保護、生態平衡及能源節約[3-4]。椰殼纖維中纖維素含量較高，半纖維素含量較低，具有優良的力學性能、耐濕性、耐熱性較優異；由於椰殼纖維具有可降解性，對生態環境不會造成危害，此外，椰殼纖維韌性強，還可替代合成纖維用作複合材料的增強基材等[5-6]。 強極性的纖維素類纖維固有的特性就是與疏水性聚合物不相容。當兩種材料不相容時，通常可以採用引入第三種材料的方法產生相容性，這第三種材料的性質要介於前兩種材料之間，起到偶聯或架橋的作用，稱為偶聯劑。採用偶聯劑處理木材是一種簡單有效的方法。偶聯劑起”分子橋”的作用，在木材和塑膠之間形成共價鍵或絡合鍵。一方面，偶聯劑與木材羥基中的氧鍵合，減少了木材表面的羥基數目，從而提高木材的疏水性，降低其表面張力；另一方面，偶聯劑與塑膠基體存在一定的物理作用[7]。 由於木纖維是由纖維素、木質素等組成，含有大量的極性羥基和酚羥基官能團，因此表現出較強的極性和親水性。而聚烯烴類樹脂是典型的非極性樹脂，具有疏水性。因極性相差較大，從而導致親水的極性木質表面與疏水的非極性樹脂介面的介面相容性很差，將木粉未經處理直接與聚烯烴類樹脂複合得到的複合材料各項力學性能不夠理想，所以目前對木塑複合材料的研究主要集中在如何改善兩者的相容性上，通常採取的方法是用偶聯劑處理木粉[8]。 因此本研究擬利用TEOS來改質椰纖維，探討不同改質時間或不同體積之TEOS對椰纖維在表面形態及相關性質之影響。 二、研究方法與步驟 2-1試藥 四乙氧基矽烷(Tetraethyl orthosilicate 98%，TEOS) 試藥級,Acros。 椰殼纖維粉：自製,顆粒大小0.147μm。 氨水(Ammonia Water)試藥級,島久藥品株式會社。 2-2儀器設備 傅立葉光譜分析儀 (FT-IR，Bio-Red Digilab FTS-3000) 掃描式電子顯微鏡(SEM，Jeol 5610) 熱微分重量分析儀 (TGA，Du Pont 2200)。 2-3實驗步驟 2-3-1 1 將２g椰殼纖維粉與不同體積之TEOS進行混和，並以１Ｍ的氨水當溶劑，經充分攪拌後，靜置在25℃下反應，經反應後烘乾再稱重，以PCTnm(n=TEOS體積，分別為5ml或10ml，m=反應時間，分別為12、24或48小時)表示之，並裝袋檢測其性質。 2 將２ｇ的椰殼纖維粉與不同體積 (5ml、10ml、15ml、30ml) 的四乙氧基矽(TEOS)進行混和，並以１Ｍ的氨水當溶劑，經充分攪拌後，靜置在室溫下 (約25℃) 反應24小時後、烘乾再稱重，並以PCTn(n= TEOS體積，分別為 5ml、10ml、15ml、30ml), 並裝袋檢測。 2-4檢測與分析 傅立葉光譜分析儀 (FT-IR) 測試試驗 利用紅外線光譜儀(FTIR Bio-Rad Digilab FTS-3000型)與ATR系統，進行分析改質椰殼纖維粉之官能基變化。 掃描式電子顯微鏡 (SEM) 測試試驗 用掃描式電子顯微鏡(SEM，Joel5610)觀察改質椰殼纖維之外表型態組織，用纖維方式直接掃描。 熱重分析儀(TGA)測試試驗