臺灣博碩士論文加值系統

本研究旨在利用溶液摻合法的混摻製程，藉由奈米碳管的添加，製備具有抗靜電功效的生物可分解性塑膠奈米複合材料，並探討奈米碳管的添加對生物可分解性塑膠複合材料物性的影響。本研究選用多層奈米碳管填充於生物可分解性塑膠-聚乳酸中。並對奈米碳管的表面進行改質，改善有機相與無機相間相容性不佳的情形。
以液相氧化法改質奈米碳管，於奈米碳管表面產生較具極性之羧酸官能基﹙carboxylic acid﹚，增加奈米碳管分散性及與穩定性。以本系統所製備之奈米複合材料經由表面電阻值的測試後，發現分別添未改質奈米碳管及改質奈米碳管3%後，材料表面電阻係數分別由1×1016 Ω/square降至8.98 ×107 Ω/square及9.57×105 Ω/square。在熱性質方面，分別添加未改質奈米碳管及改質奈米碳管1%後，材料玻璃轉移溫度分別由48.3上升至52.81℃與57.87℃，材料的5wt %重量損失溫度分別由315℃上升至328℃與335℃。在機械性質方面，分別添加未改質奈米碳管及改質奈米碳管3 %後；於30℃下，材料儲存模數分別較純聚乳酸高38.8 %及81 %，但其奈米複合材料韌性聚乳酸基材低。

The aim of this study is to make antistatic biodegradable plastics, which is added carbon nanotube, by solution blending method. Besides, the research also explores how addition of carbon nanotube will influence the physical properties of biodegradable plastics nanocomposites. Multi-wall carbon nanotube was selected to blend with biodegradable plastics-poly lactic acid. The incompatibility of the surface of carbon nanotube between organic phase and inorganic phase can be further improved by chemical modification. By liquid phase oxidation, the surface of nanotube will produce carboxylic acid group, and the one will form a well-dispersed electrostatically stabilized colloid solvent.
The carbon nanotube we made in this study have some interesting properties: firstly, in the surface resistivity test, we found that the addition of unmodification carbon nanotube and modification carbon nanotube will improve the antistatic property of materials. The surface resistivity of materials with 3% of unmodification carbon nanotube and modification carbon nanotube decreased from 1×1016Ω/square to 8.98 ×107 Ω/square and 9.57×105 Ω/square. Secondly, in the thermal property test, it was found that the glass transition temperatures of materials with 1 % of unmodification carbon nanotube and modification carbon nanotube, increase from 48.30℃to 52.81℃and 57.87℃, respectively. The 5 % weight loss temperatures of materials increase from 315.51℃ to 328.20℃and 335.58℃, respectively. Finally, in the mechanical property test, we discovered that the storage modulus of materials with 3% of unmodification carbon nanotube and modification carbon nanotube increase 38.8 % and 81 % compared to pure poly lactic acid. The toughness of materials of unmodification carbon nanotube and modification carbon nanotube decrease with pure poly lactic acid.

目 錄
中文摘要 ---------------------------------------------------------------- i
英文摘要 ---------------------------------------------------------------- ii
誌謝 ---------------------------------------------------------------- iv
目錄 ---------------------------------------------------------------- v
表目錄 ---------------------------------------------------------------- viii
圖目錄 ---------------------------------------------------------------- ix
一、 緒論---------------------------------------------------------- 1
1.1 前言---------------------------------------------------------- 1
1.2 研究動機及目的------------------------------------------- 4
二、 文獻回顧---------------------------------------------------- 5
2.1 生物可分解塑---------------------------------------------- 5
2.1.1 分解性塑膠之分類---------------------------------------- 6
2.2 奈米碳管---------------------------------------------------- 16
2.2.1 奈米碳管形態學------------------------------------------ 17
2.2.2 碳奈米管的優點------------------------------------------- 21
2.2.3 奈米碳管應用---------------------------------------------- 23
2.2.4 高分子-奈米碳管複合材料------------------------------ 24
2.2.5 奈米碳管的分散性---------------------------------------- 29
2.2.6 奈米碳管表面改質---------------------------------------- 31
2.2.7 拉曼光譜表徵---------------------------------------------- 37
2.3 高分子混摻理論------------------------------------------- 39
2.4 奈米碳管與高分子間的鍵結---------------------------- 41
2.5 研究內容及方向------------------------------------------- 45
三、 實驗方法與步驟------------------------------------------- 46
3.1 實驗材料---------------------------------------------------- 46
3.2 實驗分析儀器---------------------------------------------- 47
3.3 實驗樣品及代號------------------------------------------- 49
3.4 實驗步驟---------------------------------------------------- 50
3.4.1 羧化多層奈米碳管---------------------------------------- 50
3.4.2 製備聚乳酸之奈米複合材料---------------------------- 52
3.4.3 實驗儀器分析---------------------------------------------- 55
四、 結果與討論------------------------------------------------- 59
4.1 奈米碳管之官能基化------------------------------------- 59
4.2 聚乳酸／奈米碳管複合材料---------------------------- 69
4.2.1 奈米碳管之奈米複合材料表面電阻測定------------- 69
4.2.2 奈米碳管之奈米複合材料機械性質測定------------- 70
4.2.3 奈米碳管之奈米複合材料熱性質分析---------------- 73
4.2.4 奈米碳管之奈米複合材料形態學分析---------------- 75
五、 結論---------------------------------------------------------- 94
參考文獻 ---------------------------------------------------------------- 96
自傳 ---------------------------------------------------------------- 103













表 目 錄

表2-1 PLA熱性質--------------------------------------------------------------- 13
表2-2 PLA的機械性質--------------------------------------------------------- 14
表2-3 nanotube之性質---------------------------------------------------------- 22
表2-4 奈米碳管與其他材料之機械性質比較表--------------------------- 23
表3-1 系統所使用之藥品出廠公司及純度--------------------------------- 46
表3-2 實驗中所使用之儀器出廠公司及其型號--------------------------- 47
表3-3 實驗樣品及代號--------------------------------------------------------- 49
表4-1 聚乳酸／未改質奈米碳管奈米複合材料之表面電阻測定------ 77
表4-2 聚乳酸／改質奈米碳管奈米複合材料之表面電阻測定--------- 78
表4-3 聚乳酸／奈米碳管奈米複合材料之動態機械性質測試--------- 79
表4-4 聚乳酸／奈米碳管奈米複合材料之熱裂解溫度測試------------ 84
表4-5 聚乳酸／奈米碳管奈米複合材料之玻璃轉移溫度測試--------- 87






圖 目 錄
圖1-1 傳統複合材料與奈米複合材料之差異---------------------- 3
圖2-1 生分解材料與一般石化解性高分子材料分解示意圖---- 9
圖2-2 聚乳酸(poly lactic acid , PLA)合成方法-------------------- 10
圖2-3 聚乳酸之光學立體異構圖------------------------------------- 12
圖2-4 鑽石、石墨、C60與奈米碳管之碳原子結構圖-------------- 16
圖2-5 一維石墨層之晶格向量及捲曲向量示意圖---------------- 18
圖2-6 具開口端之無缺陷單層奈米碳管(SWNT)示意圖-------- 19
圖2-7 （A）多層奈米碳管(Multiwalled Carbon Nanotube，MWNT)；（B） 單層奈米碳管(Single Carbon Nanotube，SWNT)-----------------------------20
圖2-8 不同奈米碳管含量對彈性模術影響------------------------27
圖2-9 絕緣材料的聚苯乙烯加入奈以碳管，使聚苯乙烯具有導電性，作為抗靜電的材料----------------------------------28
圖2-10 奈米碳管分散於高分子中形成導電通路之示意圖------- 28
圖2-11 奈米碳管呈現糾結纏繞的現象------------------------------- 30
圖2-12 雜質便少且管層間分散效果佳------------------------------- 30
圖2-13A 純化前碳管外層佈滿金屬觸媒及不定形碳不純物------- 32
圖2-13B 純化處理後奈米碳管表面很明顯的金屬觸媒或是不定型碳變少----------------------------------------------------32
圖2-14 奈米碳管開口後官能基接枝示意圖------------------------- 34
圗2-15 側壁五元環及七元環側壁示意圖---------------------------- 35
圖2-16 奈米碳管頂部五元環部分示意圖---------------------------- 35
圖2-17 PPEI-EI 官能基化碳管震盪時間對平均碳管長度作圖37
圖2-18 奈米管與高分子之間鍵結的示意圖------------------------43
圖2-19 奈米碳管/聚苯乙烯(CNT/PS)之間的吸附情形------------ 43
圖2-20 表面產生可以與高分子聚合物接枝的官能基------------- 45
圖2-21 奈米碳管上功能性官能基填充於PLA之間示意圖------ 45
圖3-1 羧化多層奈米碳管實驗流程圖------------------------------- 51
圖3-2 聚乳酸之奈米複合材料，實驗流程圖---------------------- 54
圖4-1 奈米碳管於氮氣環境下之熱重損失分析圖---------------- 65
圖4-2 不同比例之強氧化劑比較改質前後之奈米碳管特徵吸收峰影響---------66
圖4-3 改質前後奈米碳管FTIR圖形-------------------------------- 67
圖4-4 SEM觀察其奈米碳管改質前後形態變化------------------ 68
圖4-5 添加未改質奈米碳管於聚乳酸之表面電阻（Ω/square） 77
圖4-6 添加改質奈米碳管於聚乳酸之表面電阻（Ω/square） 78
圖4-7 聚乳酸與填充不同比例奈米碳管，儲存模數（Storage Moduluds）圖形---80
圖4-8 各系統複合材料於測試溫度30℃時儲存模術（Storage Modulus） E’與奈米碳管含量關係圖-----------------81
圖4-9 PLACNT材料之應力-應變曲線圖--------------------------- 82
圖4-10 PLACNT材料之不同奈米碳管含量對斷裂能量趨勢圖 83
圖4-11 聚乳酸與填充不同比例奈米碳管熱裂解溫度圖形------- 85
圖4-12 PLACNT材料不同奈米碳管含量對熱裂解溫度趨勢圖 86
圖4-13 聚乳酸與填充不同比例奈米碳管之玻璃轉移溫度圖形 88
圖4-14 PLACNT材料之不同奈米碳管含量對玻璃轉移溫度趨勢圖-------89
圖4-15 SEM分析圖形，低倍率(5K)觀察添加未改質奈米碳管之形態學變化----90
圖4-16 SEM分析圖形，低倍率(5K)觀察添加改質奈米碳管之形態學變化-------------------------------------------------------91
圖4-17 SEM分析圖形，高倍率(20K)觀察添加未改質奈米碳管之形態學變化-------92
圖4-18 SEM分析圖形，高倍率(20K)觀察添加改質奈米碳管之形態學變化--------93

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