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研究生:卜繁智
研究生(外文):Fan-Chih Pu
論文名稱:回收PET之摻合改質及全聚酯纖維強化複合材料研究
論文名稱(外文):Blending Modification of Recycling PET and the Study of All-Polyester Fiber-Reinforced Composites
指導教授:吳昌謀
指導教授(外文):Chang-Mou Wu
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:紡織工程所
學門:工程學門
學類:紡織工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:114
中文關鍵詞:單一高分子複合材料回收聚對苯二甲酸乙二醇奈米複合材料薄膜堆疊法機械性質
外文關鍵詞:Mechanical propertiesRecycled PETNanocompositesSingle polymer compositesFilm stacking
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本實驗分為兩大實驗,一為回收PET之摻合改質,二為全聚酯纖維強化複合材料,並研究其複合材料之特性。本實驗第一部份利用混摻設備,研究回收PET/雲母之非等溫結晶動力學與回收PET/雲母及回收PET/矽酸鹽複合材料之機械性質。第二部分以熱擠壓成形方式,製作全聚酯纖維強化複合材料,透過區隔基材與補強材之熔點,利用不同加工溫度與持溫時間兩變數,成功製作出全聚酯纖維強化複合材料,比較加工溫度效應與持溫時效應對於複合材料機械物性的影響,並對試片進行界面接著、機械與破壞模式等行為特性研究。
由第一部分實驗結果發現,界面改質劑與增韌劑分別對於雲母及矽酸鹽系統有其幫助,界面改質劑對於矽酸鹽系統有提升拉伸強度與楊氏模數的作用,而在雲母系統並不影響;增韌劑在兩系統中皆能提供耐衝擊強度性質。回收PET/雲母複合材料非等溫結晶動力學中可以發現,雲母是一有效成核劑,能大幅使結晶成核提早發生,結晶峰溫度隨雲母添加量增加而升高,且有很強的成核活性;機械性質部分,雲母的添加對於拉伸強度、楊氏模數、彎曲強度以及彎曲模數皆有正面的影響,隨著添加量的變化,與未添加雲母之試片相比,皆有好的表現,耐衝擊強度部分,只需添加5phr之雲母就有良好的表現。
回收PET/矽酸鹽複合材料,在X光繞射圖譜中皆有良好插層結果,層間距離明顯提升,其結果也於穿透式電子顯微鏡與機械物性中驗證。耐衝擊強度可以由測試結果中發現當矽酸鹽添加量為3phr時,30B、I.34TCN與DK2矽酸鹽耐衝擊強度分別提升了17%左右,非常值得注意。雖然矽酸鹽能在某些高分子系統中提升熱變形溫度,但本實驗所使用三種矽酸鹽並未能夠提升回收PET熱變形溫度,其熱變形溫度都在65℃附近。
第二部分透過熱擠壓成形,成功製作全聚酯纖維強化複合材料。相同加工溫度不同持溫時間楊氏模數當225℃持溫6.5min有最佳楊氏模數,達3315.65MPa,與改質PET樹酯相比,增加了77.0%;應變量由4%~10%之間,增加持溫時間會導致斜率下降,此因可能是因為材料本身特性,又受長時間作業,而導致材料本身物性下降,而未能增加界面強度;耐衝擊強度中,可以發現未經纖維補強之改質PET純料耐衝擊強度為13.5J/m,但經補強後都有非常顯著的提升,至少都達420J/m以上,當加工條件為225℃持溫3min有最佳耐衝擊強度,高達811.3J/m。
相同持溫時間不同加工溫度楊氏模數當215℃持溫6.5min有最佳楊氏模數,高達3316MPa,與改質PET樹酯相比,增加了77.0%,應變量由4%~10%之間,斜率由大至小排列分別為215℃、225℃、235℃;耐衝擊強度方面,當以225℃加工條件並持溫3min有最佳耐衝擊強度,高達811.3J/m,與純料相比提升了60.0倍,非常顯著的提升全聚酯纖維強化複合材料的耐衝擊強度。
實驗最後以不同織物組織密度,比較因改變組織對機械物性產生的影響。不同織物組織的機械性質確實由結果顯示,織物密度較高的可以有效提升耐衝擊強度,但對於拉伸測試與三點彎曲測試整體結果不如仿碳纖PET纖維,不過在加工溫度與持溫時間兩變數中有相同的趨勢。
There are two kinds of composites were studies on their mechanical properties in this thesis, one is blending modification of recycled PET (R-PET), the other one is all-polyester fiber-reinforced composites. In the first part of studies, use blending equipment, studied non-isothermal crystallization kinetics of R-PET/Mica and both it and R-PET/Silicate composites mechanical properties. In the second part of studies, all-polyester fiber-reinforced composites were manufactured by hot compaction method, under differential melting temperature of matrix and fiber. Two processing parameters, compaction temperature and dwell time were evaluated.
Results for the Mica/R-PET composites show that the adding of surface modification agent and toughness agent can help to improve the mechanical properties of Mica/R-PET composites. Surface modification agent increasing the properties of tensile strength and modulus, and toughness agent greatly improves impact resistance properties. Results of non-isothermal crystallization kinetics in R-PET/Mica composites, proof that Mica is a good nucleation agent. The peak of crystallization temperature increase by increasing Mica content, and it has very strong nucleation activity. Results of mechanical properties, we found with Mica content, the properties of tensile strength, tensile modulus, flexural strength and flexural modulus, all of mention properties performance well. In the impact resistance property, while 5phr content of Mica, it show the best performance.
R-PET/silicate composites, it shows good intercalation result in the XRD diagraph, increasing d-spacing, and the proof also shows in the TEM diagraph. It is very important that results of impact resistance property, only 3phr silicate content, separately increasing 17% by 30B, I.34TCN and DK2 silicate, Although some silicate can improve HDT in some polymer systems, but in this study, result of HDT are located at 65℃, do not increasing HDT by adding silicate.
In the second part of the study, succeed manufactured all-polyester fiber-reinforced composites. Tensile modulus has the best value with 225℃ and dwell 6.5min, compares with pure modify PET resin, increasing 77.0%. Strain from 4% to 10%, slope decreasing by increasing dwell times. In the impact resistance properties, we found the value of pure PET resin was 13.5J/m, and by fabric reinforced, the value of impact was increased to 420J/m, when the condition was 225℃ and dwell 3min, the value of impact increasing to 811.3J/m. Comparing the mechanical properties with same manufacture temperature but different dwell time, when manufactured at 235℃ and dwell 6.5min has the best tensile modulus, compares with pure PET resin, increasing 77.0%. The slopes from high to low, separately are 215℃, 225℃ and 235℃, when strain from 4% to 10%. The impact resistance has the best value when condition is manufactured by 225℃ and dwell 3min, the value increasing 60 times compares with pure PET resin.
Studied different weaves of the fabric in the final of the experiment, comparing weather this change effects the values of mechanical properties. Results show that, high weave of the fabric, indeed increasing impact resistance property, but do not as well as copy carbon fiber all-PET composites in tensile test and flexural test. There have same trends in two parameters of time and temperature.
目錄
作者簡介與致謝 i
中文摘要 ii
英文摘要 v
符號定義 ix
目錄 x
表目錄 xv
圖目錄 xvii
第一章 前言 1
1.1 引言 1
1.2 文獻回顧 4
1.2.1 微奈米矽酸鹽強化回收PET 4
1.2.2 全聚酯纖維強化強化複合材料 5
1.3 研究動機 10
1.4 研究目的 11
1.5 參考文獻 13
第二章 微奈米矽酸鹽強化回收PET 15
2.1 簡介 15
2.1.1 非等溫結晶動力學與成核活性 17
2.1.2 插層理論 18
2.2 實驗 21
2.2.1 實驗材料 21
2.2.2 實驗儀器 22
2.2.3 實驗流程 23
2.2.3.1 回收PET/雲母複合材料 23
2.2.3.2 回收PET/矽酸鹽複合材料 24
2.2.4 實驗項目 25
2.2.4.1 回收PET/雲母複合材料製備 25
2.2.4.2 示差熱掃瞄分析儀 25
2.2.4.3 回收PET/微奈米矽酸鹽複合材料混摻改質 25
2.2.4.4 回收PET/微奈米矽酸鹽複合材料試片製備 26
2.2.4.5 回收PET/微奈米矽酸鹽複合材料熔融指數測定 26
2.2.4.6 回收PET/微奈米矽酸鹽複合材料熱變形溫度測定 27
2.2.4.7 回收PET/微奈米矽酸鹽複合材料拉伸、三點彎曲測試 27
2.2.4.8 回收PET/微奈米矽酸鹽複合材料耐衝擊測試 27
2.2.4.9 回收PET/微奈米矽酸鹽複合材料TGA測試 27
2.2.4.10 回收PET/微奈米矽酸鹽複合材料穿透式電子顯微鏡觀察
28
2.2.5 實驗代號 28
2.3 結果與討論 29
2.3.1 非等溫結晶動力學 29
2.3.1.1 Ozawa方程式 30
2.3.1.2 成核活性 31
2.3.2 微奈米矽酸鹽插層效應 32
2.3.3 絹雲母層間距離與特徵峰值 35
2.3.4 增韌劑與界面改質劑評估 36
2.3.4.1 回收PET/雲母複合材料 36
2.3.4.2 回收PET/矽酸鹽複合材料 37
2.3.5 回收PET摻合改質機械物性 39
2.3.5.1 回收PET/雲母複合材料機械物性 39
2.3.5.2 回收PET/微奈米矽酸鹽複合材料機械物性 41
2.4 小結 43
2.4.1 雲母系統 43
2.4.2 矽酸鹽系統 45
2.5 參考文獻 46
第三章 全聚酯纖維強化複合材料 63
3.1簡介 63
3.2實驗 69
3.2.1 實驗材料 69
3.2.2 實驗儀器 69
3.2.3 實驗流程 70
3.2.4實驗代號 71
3.3結果與討論 72
3.3.1樹脂流變特性 72
3.3.2 作業條件之決定 73
3.3.3 拉伸測試破壞模式分析 75
3.3.3.1 黑布破壞模式分析 75
3.3.3.2 白布測試破壞模式分析 76
3.3.4 拉伸測試討論(黑布) 77
3.3.4.1 定溫(225℃)之持溫時間效應(黑布) 77
3.3.4.2 定時(6.5min)之不同加工溫度效應(黑布) 79
3.3.5 耐衝擊測試破壞模式分析 81
3.3.5.1 黑布耐衝擊破壞模式分析 81
3.3.5.2 白布耐衝擊破壞模式分析 82
3.3.6 耐衝擊測試討論 83
3.3.6.1 定溫(225℃)之不同持溫時間效應(黑布) 83
3.3.6.2 定時(6.5min)之不同加工溫度效應(黑布) 84
3.3.7 三點彎曲測試討論 85
3.3.7.1 定溫(225℃)之不同持溫時間效應(黑布) 86
3.3.7.2 定時(6.5min)不同加工溫度效應(黑布) 86
3.4 不同織物組織機械物性比較 88
3.4.1 定溫(225℃)之不同持溫時間效應 88
3.4.2 定時(6.5min)之不同加工溫度效應 89
3.5小結 91
3.6參考文獻 94
第四章 總結 111
第五章 建議 113



表目錄
表 2.1回收PET/雲母複合材料界面改質劑對拉伸測試之效應 47
表 2.2回收PET/雲母複合材料界面改質劑對三點彎曲與耐衝擊強 度測試之效應
47
表 2.3定量3phr微奈米矽酸鹽界面改質劑與增韌劑對拉伸測試之效應
48
表 2.4定量3phr微奈米矽酸鹽界面改質劑與增韌劑對三點彎曲、熔融指數、熱變形溫度與耐衝擊強度之效應
48
表 2.5回收PET/雲母複合材料不同添加量之n、K、ε值 49
表 2.6回收PET/雲母複合材料不同雲母添加量之機械性質 49
表 2.7回收PET/雲母複合材料不同雲母添加量三點彎曲、熔融指數、熱變形溫度、耐衝擊強度之機械性質
49
表 2.8回收PET/微奈米矽酸鹽複合材料不同矽酸鹽添加量拉伸性質、耐衝擊強度機械性質
50
表 2.9 回收PET/微奈米矽酸鹽複合材料不同矽酸鹽添加量三點彎曲、熔融指數、熱變形溫度機械性質
50
表 3.1不同測試溫度之毛細管流變儀平均黏度值 97
表 3.2相同加工溫度(225℃)不同持溫時間拉伸測試機械物性表 97
表 3.3相同持溫時間(6.5min)不同加工溫度拉伸測試機械物性表 97
表 3.4相同加工溫度(225℃)不同持溫時間耐衝擊強度、三點彎曲測試機械物性表
98
表 3.5相同持溫時間(6.5min)不同加工溫度耐衝擊強度、三點彎曲測試機械物性表
98
表 3.6一般梭織PET纖維之全聚酯纖維強化複合材料(白布)機械物性
98
圖目錄
圖 2.1傳統複合材料混摻示意圖 51
圖 2.2熔融插層法奈米複合材料示意圖
(a)Intercalated Nanocomposites (b)Exfoliated Nanocomposites
51
圖 2.3體積式下料機示意圖 52
圖 2.4混摻改質造粒過程示意圖 52
圖 2.5不同雲母添加量之非等溫結晶DSC降溫曲線 53
圖 2.6不同雲母添加量之回收PET結晶動力曲 53
圖 2.7不同速率降溫之回收PET結晶動力曲線 54
圖 2.8 Log[-ln(1-Xc(T))]對Log a之Ozawa圖形 54
圖 2.9 Log a對1/Tp2做圖之成核活性 55
圖 2.10 X光繞射示意圖 55
圖 2.11不同30B添加量之X光繞射圖譜 56
圖 2.12不同矽酸鹽由室溫升至700℃TGA圖譜 56
圖 2.13不同I.34TCN添加量之X光繞射圖譜 57
圖 2.14不同DK2添加量之X光繞射圖譜 57
圖 2.15 30B矽酸鹽3phr添加量以20K觀察TEM圖譜 58
圖 2.16 I.34TCN矽酸鹽3phr添加量以20K觀察TEM圖譜 58
圖 2.17 DK2矽酸鹽3phr添加量以20K觀察TEM圖譜 59
圖 2.18 30B矽酸鹽3phr添加量以150K觀察TEM圖譜 59
圖 2.18 I.34TCN矽酸鹽3phr添加量以150K觀察TEM圖譜 60
圖 2.16 DK2矽酸鹽3phr添加量以150K觀察TEM圖譜 60
圖 2.21絹雲母(KF-900)X光繞射圖譜 61
圖 2.22不同雲母添加量之回收PET/Mica複合材料X光繞射圖譜 61
圖 2.23不同30B矽酸鹽添加量之應力-應變曲線 62
圖 2.24試片頸縮現象(necking)示意圖 62
圖 3.1改質PET樹脂、黑布、白布DSC圖譜 99
圖 3.2改質PET樹脂不同溫度之黏度曲線圖 99
圖 3.3未完全含浸成功試片示意圖 100
圖 3.4長時間含浸試片表面部分纖維熔融示意圖 100
圖 3.5全聚酯纖維強化複合材料截面示意圖 101
圖 3.6全聚酯纖維強化複合材料截面示意圖(a)BF25-3 (b)BF25-6 (c)BF25-10
101
圖 3.7全聚酯纖維強化複合材料(黑布,BF15-6、BF25-3)拉伸應力-應變曲線破壞示意圖
102

圖 3.8全聚酯纖維強化複合材料(黑布BF25-3)掃描式電子顯微鏡圖
102
圖 3.9全聚酯纖維強化複合材料(黑布,BF25-6、BF25-10、BF35-6)
拉伸應力-應變曲線破壞示意圖
103
圖 3.10全聚酯纖維強化複合材料(黑布,BF25-6、BF25-10、BF35-6)試片破壞外觀示意圖 (1)圖3.7(a)處(2)圖3.7(b)處(3)圖3.7(c)處

103
圖 3.11全聚酯纖維強化複合材料(黑布BF25-6)掃描式電子顯微鏡圖
104
圖 3.12全聚酯纖維強化複合材料(白布)拉伸應力-應變曲線破壞示意圖
104
圖 3.13相同加工溫度(225℃)不同持溫時間拉伸之應力-應變曲線圖
105
圖 3.14不同加工溫度之TGA圖譜 105
圖 3.15相同持溫時間(6.5min)不同加工溫度拉伸之應力-應變曲線圖
106
圖 3.16耐衝擊試片(黑布)破壞情況(a)未破壞衝擊試片(b)受拉伸試片(c)破壞後45°剪切破壞 107
圖 3.17耐衝擊試片(白布)試片破壞外觀圖 108
圖 3.18耐衝擊試片(白布)試片破壞SEM圖 108
圖 3.19耐衝擊試片(白布)試片破壞高倍率SEM圖 109
圖 3.20全聚酯纖維強化複合材料三點彎曲後試片外觀
(a)黑布 (b)白布
109
圖 3.21相同加工溫度(225℃)不同持溫時間三點彎曲測試應力-應變曲線圖(黑布)
110
圖 3.22相同持溫時間(6.5min)不同加工溫度三點彎曲測試應力-應變曲線圖(黑布)
110
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