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研究生:吳冠陞
研究生(外文):Kuan-sheng Wu
論文名稱:低密度聚乙烯接枝馬來酸酐添加蒙脫土之奈米複合材料強度及熱穩定性研究
論文名稱(外文):A Study of strength and thermal stability of maleic anhydride grafted polyethylene/montmorillonite nanocomposites
指導教授:張銘坤張銘坤引用關係
指導教授(外文):Ming-kuen Chang
學位類別:碩士
校院名稱:國立雲林科技大學
系所名稱:環境與安全工程系碩士班
學門:工程學門
學類:環境工程學類
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:100
中文關鍵詞:熱穩定性強度蒙脫土低密度聚乙烯低密度聚乙烯接枝馬來酸酐
外文關鍵詞:low-density polyethylene (LDPE)montmorillonite (MMT)thermal stabilitystrengthlow-density polyethylene grafted maleic anhydrid
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目前在聚合物材料領域中,無論是基礎研究或工業開發都十分活躍的聚合物╱層狀矽酸鹽(polymer╱Layered Silicate, PLS)奈米複合材料,其中最有應用價值的層狀矽酸鹽是蒙脫土(Montmorillonite, MMT)。在本研究中我們將探討以低密度聚乙烯(low-density polyethylene, LDPE)為基材、蒙脫土為填充料的有機-無機奈米複合材料(低密度聚乙烯╱蒙脫土(LDPE/MMT),低密度聚乙烯接枝馬來酸酐╱蒙脫土(LDPE-g-MA/MMT)),也為LDPE/MMT及LDPE-g-MA/MMT奈米複合材料做了強度與熱穩定性的分析,而主要分析測試的項目是透過拉伸試驗、衝擊試驗、DSC分析、TGA分析、彎曲試驗、硬度試驗及SEM微觀分析完成。從拉伸及彎曲試驗中得到,最大的楊氏模數(比純LDPE提升62.1 %)與最小的彎曲彈性率(剛性提升8.5 %)皆出現在LDPE-g-MA╱MMT-5。在衝擊試驗中,最大的抗衝擊強度(增韌67.88 %)則是出現在LDPE-g-MA╱MMT-4的時候。在硬度試驗中,最大的硬度(提升2.58 %)則出現在LDPE-g-MA╱MMT-3。另外,LDPE-g-MA系統的Td高出LDPE系統10 ℃,且LDPE-g-MA系統的焓皆相對較低,顯然有接枝MA使MMT分散效果增加,熱穩定性也隨之提升。本研究顯示LDPE-g-MA/MMT奈米複合材料運用在勞工防護產品的效能及可靠性具有很高的發展潛力。
In the field of polymer materials at present, polymer/layered silicate (PLS) nanocomposites are very prevailing in basic research or development for industries. Among them montmorillonite (MMT) has the most significant applied value. In this study various components of organic/inorganic nanocomposites of low-density polyethylene (LDPE) matrix which was filled with MMT nano-filler (low-density polyethylene/montmorillonite (LDPE/MMT), low-density polyethylene grafted maleic anhydride/montmorillonite (LDPE-g-MA/MMT)) were investigated experimentally. Properties of strength and thermal stability of LDPE/MMT and LDPE-g-MA/MMT nanocomposites research were carried out. Firstly, different raw materials LDPE/MMT and LDPE-g-MA/MMT nanocomposites were fabricated via twin-screw extruders, then the test specimens were produced by an injection machine in accordance with the test norms. Furthermore, the main analytical tests of tensile test, impact test, bending test, hardness test, DSC analysis, TGA analysis and SEM microstructure were observed. In the tensile test and bending test, the greatest Young''s modulus (increased 62.1% to pure LDPE) and the least rate of bending elasticity (increased 8.5% to rigidity) were obtained at 5 wt% clay content in the LDPE-g-MA/MMT group. In the impact test, the greatest impact strength was obtained at 4 wt% clay content in the LDPE-g-MA/MMT group (increased toughness 67.88% to the pure LDPE). In the hardness test, the greatest hardness occurred at 3 wt% clay content in the LDPE-g-MA group (increased 2.58% to pure LDPE). In addition, the Td of LDPE-g-MA group was almost higher 10 ℃ than of LDPE group, and the enthalpy of LDPE-g-MA group was also lower relatively. It is apparent that dispersion degree and thermal stability are increased because the presence of the MA grafted. This research demonstrated the significant potential efficiency and reliability of LDPE-g-MA/MMT nanocomposites to employ in the development of personal protection equipment for the labors.
目 錄

中文摘要 ----------------------------------------------------------------------------- i
英文摘要 ----------------------------------------------------------------------------- ii
致謝 ----------------------------------------------------------------------------- iv
目錄 ----------------------------------------------------------------------------- v
表目錄 ----------------------------------------------------------------------------- vii
圖目錄 ----------------------------------------------------------------------------- viii
一、 緒論----------------------------------------------------------------------- 1
1.1 前言----------------------------------------------------------------------- 1
1.1.1 奈米複合材料的發展-------------------------------------------------- 2
1.1.2 奈米材料的結構-------------------------------------------------------- 3
1.1.3 聚合物╱層狀矽酸鹽奈米複合材料-------------------------------- 4
1.2 研究內容----------------------------------------------------------------- 7
1.2.1 研究背景----------------------------------------------------------------- 7
1.2.2 研究動機----------------------------------------------------------------- 9
1.2.3 研究目的----------------------------------------------------------------- 10
1.3 研究流程圖-------------------------------------------------------------- 11
二、 文獻回顧----------------------------------------------------------------- 12
2.1 相關文獻----------------------------------------------------------------- 12
2.2 聚乙烯(Polyethylene, PE)------------------------------------------ 16
2.2.1 不同種類聚乙烯之鏈狀結構----------------------------------------- 18
2.3 蒙脫土(Montmorillonite, MMT)---------------------------------- 19
2.3.1 蒙脫土之發展----------------------------------------------------------- 19
2.3.2 蒙脫土之結構----------------------------------------------------------- 20
2.3.3 界面活性劑種類-------------------------------------------------------- 22
2.3.4 蒙脫土改質-------------------------------------------------------------- 22
2.4 奈米複合材料製作的方法-------------------------------------------- 23
2.4.1 無機奈米複合材料的製備-------------------------------------------- 23
2.4.2 有機╱無機奈米複合材料的製備----------------------------------- 24
三、 實驗方法與步驟-------------------------------------------------------- 30
3.1 實驗材料----------------------------------------------------------------- 30
3.2 實驗儀器----------------------------------------------------------------- 30
3.3 低密度聚乙烯╱蒙脫土之混煉-------------------------------------- 32
3.4 低密度聚乙烯╱蒙脫土複合材料之射出成型製程-------------- 37
3.5 拉伸試驗----------------------------------------------------------------- 39
3.6 衝擊試驗----------------------------------------------------------------- 42
3.7 微差掃描熱卡計(DSC)試驗--------------------------------------- 46
3.8 熱重損失分析儀(TGA)試驗-------------------------------------- 48
3.9 彎曲試驗----------------------------------------------------------------- 50
3.10 蕭氏硬度試驗----------------------------------------------------------- 51
3.11 掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察----------------------------------- 52
四、 結果與討論 53
4.1 奈米複合材料之拉伸試驗-------------------------------------------- 53
4.2 奈米複合材料之耐衝擊試驗----------------------------------------- 63
4.3 奈米複合材料之微差掃描熱卡計(DSC)試驗----------------- 65
4.4 奈米複合材料之熱重損失分析儀(TGA)試驗----------------- 69
4.5 奈米複合材料之彎曲試驗-------------------------------------------- 75
4.6 奈米複合材料之蕭氏硬度試驗 78
4.7 奈米複合材料之掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察-------------- 81
五、 結論 86
參考文獻 89

















表 目 錄

表1 聚乙烯主要應用--------------------------------------------------------------- 8
表2 不同種類聚乙烯之物性表--------------------------------------------------- 18
表3 一般蒙脫土化學組成與百分比--------------------------------------------- 20
表4 界面活性劑之種類------------------------------------------------------------ 22
表5 奈米複合材料之配方表------------------------------------------------------ 34
表6 各種組成奈米複合材料之拉伸比較表------------------------------------ 63
表7 各種組成奈米複合材料之耐衝擊比較表--------------------------------- 67
表8 各種組成奈米複合材料之熔點(Tm)及熱焓(吸熱)比較表------ 71
表9 各種組成奈米複合材料之熱裂解溫度(Td)比較表------------------- 73
表10 各種組成奈米複合材料之彎曲比較表------------------------------------ 78
表11 各種組成奈米複合材料之硬度比較表------------------------------------ 81





















圖 目 錄

圖1 奈米複合材料的分類--------------------------------------------------------- 2
圖2 工程安全帽示意圖------------------------------------------------------------ 9
圖3 研究流程圖--------------------------------------------------------------------- 11
圖4 聚乙烯分子之結構式--------------------------------------------------------- 17
圖5 不同種類聚乙烯之鏈狀結構------------------------------------------------ 19
圖6 蒙脫土的理想晶體結構示意圖--------------------------------------------- 21
圖7 插層複合法製備PLS奈米複合材料的流程示意圖--------------------- 26
圖8 插層複合方法分類示意圖--------------------------------------------------- 27
圖9 蒙脫土於高分子中分散型態示意圖--------------------------------------- 29
圖10 混煉射出流程圖------------------------------------------------------------ 33
圖11 LDPE-g-MA粒料-------------------------------------------------------------- 33
圖12 直結式料斗乾燥機------------------------------------------------------------ 35
圖13 雙螺桿擠出機------------------------------------------------------------------ 35
圖14 雙螺桿擠出製程--------------------------------------------------------------- 36
圖15 切粒機--------------------------------------------------------------------------- 36
圖16 磨粉機--------------------------------------------------------------------------- 37
圖17 射出成型機--------------------------------------------------------------------- 38
圖18 射出成型未經剪裁之試片--------------------------------------------------- 38
圖19 拉伸試片之規格--------------------------------------------------------------- 40
圖20 (1)LDPE╱MMT(2)LDPE-g-MA╱MMT拉伸試片------------------ 40
圖21 萬能試驗機--------------------------------------------------------------------- 41
圖22 拉伸試驗圖--------------------------------------------------------------------- 41
圖23 衝擊試片削角機--------------------------------------------------------------- 43
圖24 衝擊試片之規格--------------------------------------------------------------- 44
圖25 (1)LDPE╱MMT(2)LDPE-g-MA╱MMT衝擊試片------------- 44
圖26 Izod衝擊試驗機---------------------------------------------------------------- 45
圖27 Izod衝擊試驗機示意圖------------------------------------------------------- 45
圖28 微差掃描熱卡計( DSC )主機------------------------------------------------ 47
圖29 微差掃描熱卡計( DSC )爐體俯視------------------------------------------ 47
圖30 熱重分析儀( TGA ) ----------------------------------------------------------- 49
圖31 TGA樣品測試------------------------------------------------------------------ 49
圖32 彎曲試驗示意圖 50
圖33 蕭氏硬度機 51
圖34 掃瞄式電子顯微鏡( SEM ) -------------------------------------------------- 52
圖35 LDPE╱MMT奈米複合材料之應力-應變圖----------------------------- 54
圖36 LDPE-g-MA╱MMT奈米複合材料之應力-應變圖--------------------- 54
圖37 LDPE蒙脫土組成與抗拉強度關係圖------------------------------------- 55
圖38 LDPE-g-MA蒙脫土組成與抗拉強度關係圖----------------------------- 56
圖39 LDPE蒙脫土組成與楊氏模數關係圖------------------------------------- 57
圖40 LDPE-g-MA蒙脫土組成與楊氏模數關係圖----------------------------- 57
圖41 LDPE蒙脫土組成與斷裂伸長量關係圖---------------------------------- 58
圖42 LDPE-g-MA蒙脫土組成與斷裂伸長量關係圖-------------------------- 59
圖43 LDPE與LDPE-g-MA蒙脫土組成與抗拉強度比較圖------------------ 60
圖44 LDPE與LDPE-g-MA蒙脫土組成與楊氏模數比較圖----------------- 61
圖45 LDPE與LDPE-g-MA蒙脫土組成與斷裂伸長量比較圖-------------- 62
圖46 LDPE蒙脫土組成與耐衝擊強度關係圖---------------------------------- 64
圖47 LDPE-g-MA蒙脫土組成與耐衝擊強度關係圖-------------------------- 65
圖48 LDPE與LDPE-g-MA蒙脫土組成與耐衝擊強度比較圖-------------- 66
圖49 LDPE╱MMT奈米複合材料之DSC試驗圖----------------------------- 69
圖50 LDPE-g-MA╱MMT奈米複合材料之DSC試驗圖-------------------- 69
圖51 LDPE與LDPE-g-MA各組成之熔點比較圖----------------------------- 70
圖52 LDPE與LDPE-g-MA各組成之熱焓比較圖----------------------------- 70
圖53 LDPE╱MMT奈米複合材料之TGA試驗圖----------------------------- 72
圖54 LDPE-g-MA╱MMT奈米複合材料之TGA試驗圖-------------------- 73
圖55 LDPE與LDPE-g-MA添加蒙脫土之Td比較圖------------------------- 74
圖56 LDPE╱MMT之彎曲應變圖------------------------------------------------ 76
圖57 LDPE-g-MA╱MMT之彎曲應變圖---------------------------------------- 77
圖58 LDPE與LDPE-g-MA添加蒙脫土之彎曲彈性率比較圖-------------- 77
圖59 LDPE添加蒙脫土之蕭氏硬度測試圖------------------------------------- 79
圖60 LDPE-g-MA添加蒙脫土之蕭氏硬度測試圖----------------------------- 80
圖61 LDPE與LDPE-g-MA添加蒙脫土之蕭氏硬度比較圖----------------- 80
圖62 (左)pure LDPE之SEM之分析圖
(右)pure LDPE-g-MA之SEM分析圖(×1000)--------------------
82
圖63 (左上)LDPE╱MMT-1 wt% (右上)LDPE-g-MA╱MMT-1 wt%
(左中)LDPE╱MMT-3 wt% (右中)LDPE-g-MA╱MMT-3 wt%
(左下)LDPE╱MMT-5 wt% (右下)LDPE-g-MA╱MMT-5 wt%
之SEM分析圖(×350)----------------------------------------------------- 83
圖64 (左上)LDPE╱MMT-1 wt% (右上)LDPE-g-MA╱MMT-1 wt%
(左中)LDPE╱MMT-3 wt% (右中)LDPE-g-MA╱MMT-3 wt%
(左下)LDPE╱MMT-5 wt% (右下)LDPE-g-MA╱MMT-5 wt%
之SEM分析圖(×1000)------------------------------------------------------- 85
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