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研究生:蔡州永
研究生(外文):Chou-Yung Tsai
論文名稱:玄武岩纖維增強聚丙烯複合材料力學及熱性質研究
論文名稱(外文):A Study on Mechanical and Thermal Properties of Basalt Fiber Reinforced Polypropylene Composites
指導教授:鄧道興
口試委員:李貴琪蘇清淵鄭國彬
口試日期:2012-07-20
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:有機高分子研究所
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:81
中文關鍵詞:玄武岩纖維聚丙烯複合材料體積百分比
外文關鍵詞:basalt fiberpolypropylenecompositesvolume percent
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複合材料係指兩種或兩種以上物理及化學性質不同之材料,進行結合而得的一種新材料。常見的複合材料一般都是結合有機材料和無機材料而成的,利用無機材料的高強度、高硬度、熱穩定性等,結合有機材料的高韌性、可加工性等,製備出具有兩造特性之複合材料。
本研究為利用玄武岩短纖維來增強熱塑性聚丙烯之複合材料,探討複合材料之力學性質及熱性質。其方法系採用混煉法將玄武岩短纖維依照不同比例添加到泛用塑膠聚丙烯基材:過程乃使用雙螺桿混煉機,將玄武岩短纖維均勻混煉在聚丙烯基材內,經破碎造粒後由射出成型機製成玄武岩短纖維/熱塑性聚丙烯複合材料拉伸試片及壓縮試片,以測試並探討其拉伸性質、破損行為及壓縮性質;由TGA分析玄武岩短纖維/熱塑性聚丙烯複合材料之熱重損失及裂解溫度,以及DSC分析其吸熱與放熱時間軸,觀察玄武岩短纖維/熱塑性聚丙烯複合材料加熱過程中吸熱放熱與Tm之變化。
本實驗使用電腦伺服控制拉力試驗機,試驗方法符合CNS4396 K6423之標準,經測試結果顯示,拉伸彈性模數隨著玄武岩短纖維添加比例而增加,添加重量百分比為12%時複合材料具有最大的降伏應力,並提出以纖維增強材之體積百分比臨界值之假設,用以解釋利用玄武岩短纖維來增強熱塑性聚丙烯基材之複合材料,於其拉伸性質中具臨界值之存在。在壓縮強度試驗方面,使用電腦伺服控制壓縮強度試驗機,搭配特殊夾具;經測試結果顯示,在壓縮應變為2.5%,其壓縮強度亦隨著玄武岩短纖維添加比例而增加,在壓縮屈服應力則觀察到添加玄武岩短纖維重量百分比為12%時材料達到最佳屈服應力。在熱性質方面,由TGA及DSC分析顯示,加入玄武岩短纖維增強之複合材料能提高基材之熱裂解溫度,並有助熱穩定性之提昇。


Composites are a new material composed from two or more materials with different mechanical and chemical properties. They are normally formed by integrating organic and inorganic materials, taking the advantages of high stress, high hardness and thermal stability of inorganic ones, combined with the virtue of high toughness, the ability for processing of organic ones to produce a united material with characteristics of both.

This study was to investigate the tensile properties and damage behavior of basalt staple fiber reinforced thermoplastic polypropylene composites. Various proportions of basalt staple fiber were added to the polypropylene, and the twin-screw mixer was applied for the evenly mixing result. Afterward, tensile specimens were obtained by using the injection molding machine. The decomposition temperature and weight loss rate of basalt staple fiber / polypropylene composite were analyzed by TGA. The variation in melting temperature was analyzed by DSC.

A computer servo controlled tensile testing machine was used and the testing method was complied with the standard CNS4396 K6423. The results showed that the tensile elastic modulus increases with the increasing of basalt staple fibers. Also, while the added amount of basalt staple fiber was 12wt%, the proposed composite was with the largest yielding stress. For thermal properties, it was obviously that the inorganic fillers would raise the thermal decomposition temperature that would enhance its thermal stability.


中文摘要 ...............................................i
英文摘要 .............................................iii
誌謝 ...............................................v
目錄 ..............................................vi
表目錄 ............................................viii
圖目錄 ..............................................ix
第一章 緒論 ......................................1
1.1 前言 ......................................1
1.2 研究目的 ......................................3
1.3 論文架構 ......................................3
第二章 文獻回顧 ......................................5
2.1 玄武岩纖維 .............................5
2.1.1 玄武岩纖維的性能 ....................5
2.1.2 正確認識玄武岩纖維 ....................8
2.1.3 玄武岩纖維聚合物複合材料的研究進展 ..9
2.1.4 玄武岩纖維在軍用及民用領域的應用 .12
2.2 聚丙烯 .....................................15
2.3 複合材料 .....................................18
2.3.1 複合材料的定義 ...................18
2.3.2 聚合物基複合材料的特性 ...................18
第三章 理論 .....................................21
3.1 玄武岩纖維之製備 ............................21
3.1.1 礦石原料的選擇 ...................21
3.1.2 玄武岩纖維生產步驟 ...................21
3.2 聚丙烯 .....................................22
3.3 複合材料之機械性質理論 ...................23
3.3.1 拉伸強度理論 ............................23
3.3.2 壓縮強度理論 ............................29
3.4 恆力破壞理論 ............................36
3.4.1 延性破壞 ............................38
3.4.2 脆性破壞 ............................38
3.5 體積百分率計算 ............................41
3.6 複合材料之熱穩定性 ............................41
3.6.1 熱重量損失理論 ...................42
3.6.2 示差掃描熱卡分析 ...................42
第四章 實驗 .....................................43
4.1 實驗材料 .....................................43
4.1.1 玄武岩纖維 ............................43
4.1.2 聚丙烯 ............................43

4.2 實驗設備及測試分析儀器 ...................44
4.2.1 電子天秤 ............................44
4.2.2 雙螺桿捏合機 ............................44
4.2.3 破碎機 ............................45
4.2.4 直壓式單螺桿射出成型機 ...................46
4.2.5 拉伸試驗機 ............................47
4.2.6 壓縮試驗機 ............................47
4.2.7 手持式數位顯微鏡 ...................48
4.2.8 熱重分析儀 ............................48
4.2.9 示差掃描熱卡分析儀 ...................49
4.3 實驗流程 .....................................50
4.4 複合材料之製備 ............................51
4.5 實驗樣品測試條件 ............................52
4.5.1 拉伸強度測試 ............................52
4.5.2 壓縮強度測試 ............................54
4.5.3 熱重分析儀測試 ...................55
4.5.3 示差掃描熱卡分析儀 ...................55
4.5.3 破損分析 ............................55
第五章 結果與討論 .....................................56
5.1 改變玄武岩纖維含量對複合材料拉伸性質之影響 56
5.2 改變玄武岩纖維含量對複合材料壓縮性質之影響 60
5.3 玄武岩纖維/聚丙烯複合材料TGA分析 .........63
5.4 玄武岩纖維/聚丙烯複合材料DSC分析 .........65
5.5 複合材料拉伸試驗之破損分析 ..................67
第六章 結論 ....................................70
第七章 建議 ....................................72
參考文獻 .............................................73
附錄 .............................................74


[1] 胡顯奇,”火山岩變絲”之玄武岩纖維,CAT中國紡織及成衣,2007.12。
[2] 胡顯奇、申屠年,連續玄武岩纖維在軍工及民用領域的應用,高科技纖維與應用,第30卷,第6期,2005,第7-14頁。
[3] 黃麗,高分子材料,北京:化學工業出版社,2010,第39頁。
[4] 陳宇飛、郭艷宏、戴亞杰,聚合物基複合材料,北京:化學工業出版社,2010,第21-22頁。
[5] 李平、智歐,正確認識玄武岩纖維,玻璃纖維,第3期,2008,第35-41頁。
[6] 尚寶月、楊紹斌,玄武岩纖維聚合物複合材料的研究進展,化工進展,第30卷,第8期,2011,第1766-1771頁。
[7] 黃麗,高分子材料,北京:化學工業出版社,2010,第39-47頁。
[8] 陳宇飛、郭艷宏、戴亞杰,聚合物基複合材料,北京:化學工業出版社,2010,第1-6頁。
[9] 許明發、郭文雄,複合材料,台北:高立圖書有限公司,1998。
[10] 陳宇飛、郭艷宏、戴亞杰,聚合物基複合材料,北京:化學工業出版社,2010,第23頁。
[11] 李繼強,塑膠概論,台北:三民書局股份有限公司,1982,第47-52頁。
[12] 陳宇飛、郭艷宏、戴亞杰,聚合物基複合材料,北京:化學工業出版社,2010,第179頁。
[13] 林建中,聚合物物性,台北:文京圖書有限公司,1999,第1-18頁。
[14] 周維祥,塑料測試技術,北京:化學工程出版社,2005,第80-89頁。
[15] 姜偉之、趙時熙、王春生、張崢,工程材料的力學性能,北京:北京航空航天大學出版社,2000,第47-48頁。
[16] 原著:William D. Callister, JR.,譯者:陳俊生、張柳春、楊子毅、簡仁德,材料科學與工程,學銘圖書:歐亞書局,2002,第239-253頁。
[17] 莊東漢,材料破損分析,台北:五南書局,2007,第116-153頁。
[18] 陳宇飛、郭艷宏、戴亞杰,聚合物基複合材料,北京:化學工業出版社,2010,第284-285頁。


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