1304826 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 . 树明係與製造生物可分解性強化複合材料之方法有 關’特別是有關於-種以$白筍殼製造生物可分解性強化 複合材料之方法。 5 【先前技術】 " 塑膠係為近代人類生活中不可或缺的材料，其具有良好的 參 強度、質量輕、價格低廉，以及容易加工等諸多特點，但因傳 統塑膠不易分解，廢棄的塑膠會對環境造成極大的危害，另 10外，目前農業廢棄物的產量亦相當大，若是未能善加利用，不 但造成能源資源之浪費，更易導致環境污染的問題，為了解決 環境污染的問題，必須減少一般塑膠的廢棄物，由於玻璃纖 維、碳纖維等人造纖維在自然環境中的生物分解速率非常低， 因而促進了生物可分解性塑膠的發展。 15 生物分解性塑膠(Biodegradable plastics)是指塑膠材料之高 φ 分子化學結構，可經由某些機制在露天的環境中分解，分解過 程中塑膠會分裂成碎片，再經由水解、溶解或微生物分解成簡 單分子而消失，可以替代以石油為基質的傳統塑膠；生物分解 性塑膠合成方式有以下二種：（1)生化合成，如Polyhydroxy • 2〇 butyrate-valerate ( PHBV ); (2)化學合成，如 Polylactic acid (PLA)、Polycaprolactone (PCL)、Polyvinyl Alcohol (PVA)、 Aliphatic Polyester ; (3)天然聚合物，如澱粉(Starch)、纖維素 (Cellulose);生物分解性塑膠分類如下：⑴脂肪族聚酯；（2)脂 肪族-芳香族聚酯的共聚物；（3)聚乳酸；（4)聚乳酸-脂肪族聚酯 1304826 的物，（5)聚己内酯，（6)聚經基敌酸酿；（?)澱粉合膠；（8) 其他；而生物分解性塑膠的優點& :⑴材料天然無毒；⑺適用 任何廢棄物處理方式(如焚化、掩埋、回收、堆肥），皆不致對 環境造成衝擊；（3)具有類似傳統塑膠製品之物性；（4)丟棄後， 5經由堆肥或掩埋即可完全分解。塑膠之分解速率因曝露環境不 同而異，依技術原理可歸納成四大類，包括生物分解、光分解、 水解、溶解；生物分解性塑膠係指完全經由微生物機制，於一 定的時間内可分解為水及二氧化碳的新一代材料。 由於植物纖維是可被生物所分解的材料，且廢棄處理比玻 1〇璃纖維還容易，因此，從西元2_年開始，許多研究分別將椰 子、瓊麻、竹筍、香蕉葉、蔗渣等纖維加入如聚酯、聚胺酯、 %氧樹脂、聚丙烯等一般聚合物中，發現有不錯的效果；在西 元2000年，T. Uesaka 等人在(BionollelOOl)中加入ceuui〇se triaCetate(CTA)，在含有比較多的CTA時，會形成非結晶形態
15 (amorphous state)，且Mitsuhiro Shibata 等人在PHBA、PBS、PLA 中加入lyocell fabric，隨著纖維添加量越多，拉伸模數與拉伸強 度也隨著提高，在soil viral測試中，重量損失的次序為ly〇cell fabric>PHBA>PBS>PLA，加入纖維的綠色複合材料並不會影 響生物分解性的順序，主要是由複合物的結構來決定生物分解 2〇性的順序；在西元2001年，Μ. Z. Rong等人在環氧樹脂中添加 皁向的西波爾麻之纖維，並藉由偶合劑(KH550，γ-amine propyl triethoxysilane)來改質纖維表面及内部結構；在西元2003年， Mitsuhiro Shibata 等人將 p〇ly(butylenes succinate)、 polyestercarbonate/poly(lactic acid)摻混物和 PLA 中加入馬尼拉 1304826 絲芭蕉纖維，但得到的彎曲模數沒有明顯的趨勢，另外， V.Tserki 等人將p〇ly(butylene succinate-co-butylenes adipate)接
上maleic anhydride形成Bionolle-g-MA提高相容性，添加廢棄的 棉纖維當做補強，由此可知相容性的增加對機械性質有重要 5改善；在西元2004年，Mitsuhiro Shibata等人發現西波爾麻纖 維長度在5mm時，有最大的彎曲強度與拉伸強度，另外，將西 波爾麻之纖維加入(Bionollel020) ’隨著纖維添加量增加，彎曲 模數與拉伸模數也隨之增加；在2004年，R. A. Shanks等人在 poly(3-hydroxybutyrate)加入5%與 12%的PHV，以增加其彈性， 10之後添加亞麻纖維及偶合劑，以增進表面相容，結果顯示彎曲 模數有提升，且在25°C的儲存模數小於損失模數，而損失模數 波峰對應的玻璃轉移溫度有增加，這是因在複合材料中添加偶 合劑的影響；另外’ P. Rizzaralli等人以土壤中的細菌及溶液 中的降解酵素對脂肪族聚酯塑膠之生物分解性做比較，其中研 15究历011〇11_〇1及Bi〇nolle3001在土壤中細菌的重量損失了結果 顯示在15天後BionollelOOl的重量損失約〇 lmg/cm2 ’而 Bionolle3001 的重量損失約〇.6mg/cm2。 由上述可知，生物分解性塑膠的耐熱性與機械強度等性 質還無法與傳統塑膠抗衡，使得這類產品目前鮮少應用於電 氣、電子零件方面’因此’許多研究係將植物纖維加入生物分 解性塑膠，除了能改善生物分解性塑膠的生物分解性以外，更 進-步能夠提升材料的耐熱性與機顧度，但是植物纖維的來 源與製造過㈣成本仍偏高，因此，該生物可分解性塑膠仍無 法廣泛地被應用。 … 20 1304826 【發明内容】 本發月之主要目的在於提供一種以 = :?=之方法，其材料的』二 策出來具有較佳之機械強度。 π八之次—目的在於提供—種Μ白筍殼製造生物
10 15
M b複合材料之方法，其可減少農業廢棄物對於環 境的負擔。 為達成上述目的，本發明所提供利 物可分解㈣倾合㈣之方法，包含訂列步驟：一、 切割該菱白筍殼；=、研磨切割後的茭白祕；三、分離 研磨=的乂㈣殼，以得到纖維與粉末；㈤、將該纖維加 入偶σ齊丨，五、粉末及已加入偶合劑之纖維與生物可分解 性複合材料崎混合，以得到生物可分解性強化複合材 料；藉此，依據本發明之製法所製造出來之成品具有較佳 之機械強度’且本發明之製法所使用的材料來源係為農業 廢棄物’不僅能有效降低《本並可減少農業廢棄物對於環境 的負擔。 20【實施方式】 兹配合圖式列舉以下較佳實施例，用以對本發明之結 構及功效進行詳細說明；其中所用圖式先簡要說明如下： 第—圖係本發明一較佳實施例之製程流程圖； 第二圖係本發明一較佳實施例的纖維加入生物可分解 1304826 - 性塑膠(Bionolle)的放大圖； . 第三圖係第二圖加入偶合劑後的放大圖； 第四圖係本發明-較佳實施例的粉末加入生物可分解 性塑膝(Bionolle)的放大圖； 、5 帛五®係本發明—較佳實施例的纖維之損失模數分析 圖； 第六圖係本發明-較佳實闕之紐質分析圖；以及 • 第七圖係本發明一較佳實施例之重量損失分析圖。 請參閱第-圖，本發明-較佳實施例所提供之以蔓白 10筍殼製造生物可分解性強化複合材料之方法，包含有下列 步驟： 步驟-.利用切割工具將曬乾的菱白荀殼切割成塊狀。 步驟二：將塊狀的茭白®殼放入一粉碎機中粉碎。 步驟三：接著倒入一電動筛析儀以進行筛選，可分離出 I5纖維與粉末，其中介於篩網40目(mesh)(〇 3698mm)至80目 • ( mesh) ( 0.175mm )之間係為纖維，而在篩網80目 (mesh)(0.175mm)以下係為粉末。 步驟四：選用二種偶合劑(由台灣Decuchem c〇 Ltd公司 所生產的 N-P-(aminoethy)-Y-aminopr〇pyltrimeth〇xysilane(Z6〇2〇) -20 與^ycidoxypropyltrimethoxysiia^z^o))，該二偶合劑係可產生 物理鍵結，用以增加該纖維與生物可分解性塑膠之間的相容 性，將該二偶合劑分別與工業用丙酮以3:1〇〇(ν/γ)的比例混 合，並在室溫下攪拌均勻’接著把該纖維與丙酮以25:1〇〇〇(w〜) 的比例稱好重量之後’再分別倒入各該偶合劑，接著加入％ 8 1304826 的填充劑與G.5克_甲烧，該填充劑在本實施例中係為纖 維’並在室溫下攪拌30分鐘之後，須靜置1〇分鐘，待該纖維 沉，’把上層液體倒掉後，再用鐵氟龍薄膜密封，然後在室溫 下靜置12小時，接著使用丙酮沖洗掉附著在該纖維上的偶合 5劑，用以留下改質後的纖維，將改質後的纖維放在80°C的烘 箱中供乾’直到其重量沒有產生變化。 步驟五：將該步驟四的改質後纖維及該步驟三的粉末與生 物可分解性塑膠(Bi〇n〇ne)進行混合，即可得到生物可分解^強 化塑膠。 10 請配合參閱第二圖，該生物可分解性塑膠(Bion〇lle)(10) 在加入該纖維(20)之後，該纖維(2〇)和該生物可分解性塑膠 (Bi_lle)(l〇)之間的相容性很差，使得二者之間的接合處產生 極大的空隙，但在加入該偶合劑之後，如第三圖所示，可以明 顯地看出該纖維(20)與該生物可分解性塑膠(Bi〇n〇UeXl〇)之 15間係為緊密接合，藉由該偶合劑的加入’有效改善了該纖維(2〇) 與該生物可分解性塑膠(Bionolle)(1〇)之間的界面作用力，而 產生良好的相容性；另如第四圖所示，該粉末(3〇)係可均勻分 布在該生物可分解性塑膠(Bionolle)(1〇)中，使得該粉末(3〇) 與該生物可分解性塑膠(Bi〇nolle)(丨〇)之間亦具有良好的相容 20 性。 請配合參閱第五圖，未加入該二偶合劑的纖維(如圖中所示 之®) ’其損失模數較生物可分解性塑膠(如圖中所示之A)為 低’顯示出二者之間的相容性較差，而加入該二偶合劑改質 後’可增進該纖維與該生物可分解性塑膠(Bi〇n〇Ue)的相容 9 1304826 性’以提升損失模數(如圖中所示之C與D)，增加材料的黏性； 另如第六圖所示，該生物可分解性塑膠(如圖中所示之B)加熱 到700°C後將近燒完，而將該纖維和該粉末加入該生物可分解 性塑膠中(如圖中所示之BP10與BF10)發現有等比例的提高焦 5碳含量，且加入該二偶合劑後，該粉末（如圖中所示之 BP10Z6040與BP10Z6020)的焦碳含量(約4-5%)較該纖維(如圖 中所示之BF10Z6040和BF10Z6020)的焦碳含量(約3.7%)為 咼，顯示加入該二偶合劑後，該纖維及該粉末經燃燒後皆可產 生較多的焦碳含量，有助於提升使用的安全性。 10 睛再參閱第七圖，顯示出純的Bionolle (如圖所示之B)的 生物分解性是非常的緩慢，經過了 9〇天後，其重量損失不超 過0.6% ’而加入纖維部份(BF1〇)與粉末部份(Βρι〇)以後，係明 顯改善了生物分解性，其重量損失隨著時間越長而越多，表示 加入纖維部份與粉末部份皆可加快材料生物分解的速率；另 !5外，如圖所示’加入偶合劑(Z6〇2〇)的纖維(BF1〇Z6〇2〇)在前6〇 天的生物分解速率是最快的，但是加入偶合劑(Z6020)的粉末部 份(BP10Z6020)在60天的重量損失也有2.4%，尤其在經過90 天後重量損失有3.7%，本實驗經過200天後，重量損失由大到 小依序為 ΒΠ0Ζ6020、BP10Z6040、BP10、BF10Z6020，這表 20示在Blonolle中加入纖維部份或粉末部份更容易被生物所分 解’且偶合劑(Z6020)能有效加快材料生物分解的速率。 藉此’依據本發明所提供之製法所製造出來之成品係 具有較佳之機械強度與較高的焦碳含量，有助於提升材料使 用的安全性，而且，本發明所使用的茭白筍殼係為農業廢棄 1304826
資材，不僅能降低生物分解性塑膠的成本、促進農業發展並減 少農業廢棄物對於環境的負擔，使得生物分解性塑膠不僅能應 用在一般民生及農業用途，更進一步能應用到電子、光電材料 方面，藉以提高生物分解性塑膠的附加價值。 11 1304826 . 【圖式簡單說明】 第一圖係本發明一較佳實施例之製程流程圖。 第二圖係本發明一較佳實施例的纖維加入生物可分解 , 性塑膠(Bionolle)的放大圖。 ：5 第三圖係第二圖加入偶合劑後的放大圖。 第四圖係本發明一較佳實施例的粉末加入生物可分解 φ 性塑膠(Bionolle)的放大圖。 第五圖係本發明一較佳實施例的纖維之損失模數分析 圖。 10 第六圖係本發明一較佳實施例之熱性質分析圖。 第七圖係本發明一較佳實施例之重量損失分析圖。 【主要元件符號說明】 生物可分解性_(1G) 纖維⑽ Φ 15 粉末(30) 12