o f S isal F ibers Effect of T ension on Mechanical P roperties of S isal Fiber and F iberReinforced C omposites Jun Tae Kim Anil N Netravali Department of Fiber Science amp Apparel Design Cornell University Ithaca NY 148534401 USA ID: 403050
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Mercerization of Sisal Fibers: Effect of Tension on Mechanical Properties of Sisal Fiber and Fiber-Reinforced Composites
Jun Tae Kim, Anil N. Netravali *Department of Fiber Science & Apparel Design, Cornell University, Ithaca, NY 14853-4401, USA
姓名：李嘉文
學
號：
1031391102Slide2
Abstract劍麻纖維藉由絲光處理來提升拉伸性能以及增強與大豆蛋白樹脂的界面黏結性。纖維藉由沿著纖維軸施加張力下進行絲光處理能夠使纖維最小化地收縮以及含有較低的微纖角。絲光處理能夠增加劍麻纖維的斷裂強度和楊式係數，以及降低劍麻纖維之斷裂應變和韌性。Slide3
Abstract絲光後劍麻纖維與大豆蛋白樹酯形成纖維增強複合材料顯示與未絲光的纖維增強複合材料比較，增加了斷裂強度12.2%和剛性36.2%。該複合材料的斷裂面利用SEM拍攝，觀察出絲光後的纖維突出部分較短，表示較好的界面黏結性。Slide4
Introduction纖維增強複合材料被稱為先進的複合材料，而大多數原料都來自於石油，基於這些石油所製的合纖、樹脂、複合材料，已造成嚴重生態問題。只有極少數文獻發表可完全降解的‘綠色’複合材料使用天然纖維和生物聚合物，如：蛋白質、多醣複合物。綠色複合材料擁有可持續性、可生物降解性、不破壞環境各方面的顯著優勢。Slide5
Introduction植物性纖維的強度和剛度主要取決於其纖維素含量，是提高纖維性能的關鍵因素。天然纖維的鹼處理(絲光處理)是眾所皆知的化學處理，通過去除半纖維素和木質素來增加纖維素含量。在本研究中，劍麻纖維藉由絲光與否以及改變絲光處理時的張力
，再使用濃縮大豆蛋白 （SPC）
為
基礎樹脂
形成纖維增強複合材料，研究不同條件下對拉伸性能的影響。另外進行
SEM
、
FT-IR
觀察其特徵。Slide6
MaterialsTable 1Chemical compositions and physical characteristics of sisal fibers [29].
Cellulose (%)
Hemicellulose (%)
Lignin (%)
Pectin (%)
Wax (%)
Density (g/cm3)
Microfibrillar
angle (
)
67.0–78.0
10.0–14.2
8.0–11.0 10.02.01.4520.0
Table 1Chemical compositions and physical characteristics of sisal fibers [29].Cellulose (%)Hemicellulose (%) Lignin (%) Pectin (%) Wax (%) Density (g/cm3) 67.0–78.010.0–14.28.0–11.0 10.02.01.4520.0
Sisal fibers
NaOH
SPC
CH
3
COOH
SorbitolSlide7
Mercerization of sisal fibers Fig. 1. Mercerization apparatus for natural fibers showing fiber.Slide8
Preparation of SPC resin將SPC溶解於其重量13倍的去離子水，使用磁力攪拌機直至完全溶解。再將20%(w/w SPC)的山梨糖醇加入以作為增塑劑，以克服樹脂之脆性。使用1M NaOH溶液調整SPC的pH值至
10。然後藉由磁力攪拌機使其均質，並預固化於75℃水浴
30
分鐘。Slide9
Preparation of sisal fiber-reinforced green composites將長度為100mm 重量為10g的劍麻纖維製備成尺寸為100mm 180mm的複合片。將複合片浸泡於預SPC樹脂中再以手擠壓去除過量樹脂，此步驟反覆幾次使SPC
樹脂完全進入劍麻纖維裡面。盡可能對齊地放置在鐵氟龍板上，放置於空氣循環乾燥爐中45℃
再將乾燥後的複合片在施加張力
7MPa
並放置於
120
℃
50
分鐘進行固化。
固化後的複合片放置於
21
℃、
65%RH， 5天後再做拉伸試驗。 Slide10
ExperimentATR-FTIR AnalysisTensile properties of sisal fiberTensile properties of the compositesSurface characterization of sisal fibers and compositesSlide11
Results and discussion Fig. 3. SEM photomicrographs of the cross-sectional image of single sisal fiber.
劍麻纖維是由多個管胞所組成被胞間層所分離可以看到劍麻纖維式V
字形結構，Slide12
Fig. 4. ATR-FTIR spectra of control, slack-M, and tension-M sisal fibers.
C=O1733.8cm-1
C-O
1239.1cm
-1
C=O
來自於半纖維素中的
酯
或羧酸
C-O
來自於木質素中的醯基
絲光後都消失Slide13
Fig. 5. Effect of tension during mercerizing on the tensile properties of the sisal fibers.
應力上升，應變下降楊式上升。這是因為由
FTIR
可以看到
絲光後半纖維素和木質素
消失，導致纖維含有的
纖維素成分居多，比較能
存在
結晶，因為只有一個
組件。
絲光
後纖維會收縮，因為
吸收NAOH後澎潤而收縮導致增加斷裂應變有學者提出無張力下，苧麻大幅提升應變。增加韌性改善強度和剛度就將收縮最小化(施加張力)。絲光下施加張力可以使纖維更順向。半纖維素中的水可以做為增塑劑促進纖維重排。50g為轉折點，變得平行，但長短無法對齊，導致操過50G有些微纖維破掉，但還是比原始的高。Slide14
Fig. 6. Typical stress–strain plots of control, slack-M, and tension-M sisal fibers.Slide15
Table 2Tensile properties of control, slack-M, and tension-M sisal fibers.
Fracture stress (MPa)
Fracture strain (%)
Young’s modulus (
GPa
)
Toughness (MPa)
Control
283.5 (12.10)
a
7.84 (10.98)
5.24 (14.68)
0.53 (19.94)
Slack-M
339.0 (6.95)
7.09 (9.63)
6.12 (14.50)
0.44 (12.03)
Tension-M
381.5 (11.12)
4.78 (6.72)
11.04 (12.75)
0.36 (8.72)
a
Numbers in parentheses indicate the percent coefficient of variation.
pH10
.
50g
鬆弛的主要靠纖維素
含量所
增加強度和剛度
而有張力
的除了纖維素
含量
還有微纖角變化Slide16
Fig. 7. SEM photomicrographs of the surface of (a) control, (b) slack-M, and (c) tension-M sisal fibers.
‘
方形柵格圖案
表面有雜質
絲光
後去除木質素和半纖維素發現表面更為清潔且略平滑，但也發現纖維開始分離，於是作者使用
spc
增強剪切強度Slide17
Fig. 8. Optical photograph of the control, slack-M, and tension-M sisal fiber-reinforced composites with SPC resin.
三個樣品放在白紙上樣品厚度
約
0.8
-0.9mm
透明度可以表示介面接合
強度大小，越透明越大
絲光後介面接合強度較強，因為絲光後使纖維更親水，使
SPC
更好擴散在
纖維表面Slide18
Table 3Tensile properties of the composites with control, slack-M, and tension-M sisal fibers.
Fiber volume fraction (%)
Fracture stress (MPa)
Young’s modulus (
GPa
)
Fracture strain (%)
Toughness (MPa)
Moisture content (%)
Control
58.1
168.0 (4.36)
a
2.79 (7.99)
12.71 (9.02)
15.53 (15.93)
12.31
Control (theoretical)
170.0
3.18
Slack-M
56.7
176.3 (7.44)
3.36 (5.75)
10.55 (17.42)
11.72 (19.81)
13.43
Slack-M (theoretical)
197.7
3.61
Tension-M
54.4
188.5 (7.47)
3.80 (8.84)
8.61 (5.97)
11.04 (14.28)
13.56
Tension-M (theoretical)
213.3
6.40
a
Numbers in parentheses indicate the percent coefficient of variation.
值差是因為在手工
製作
過程，纖維
差的
對齊度以及
不均勻的張力。
自動化可以
消除
這
難題
絲光
後表面水含量
較多因為
纖維
中的
木質素
和半纖維素
較
少。Slide19
Fig. 9. SEM photomicrographs of the fracture surface of composites with (a) control, (b) slack-M, and (c) tension-M sisal fibers and SPC resin.Slide20
Conclusions劍麻纖維絲光過程可以增強斷裂應力以及楊式模數，而絲光過程將纖維內的半纖維素和木質素去除，增加了纖維素含量而形成高結晶相，使斷裂應變和韌性降低。在絲光過程施加50g/fiber的張力顯示最強的斷裂應力以及最高的楊式係數，而超過此張力斷裂應變和楊式係數變成較低。Slide21
Conclusions未經處理的劍麻纖維從斷裂應力283.5MPa楊式模數為5.24GPa通過slack-M處理增加19.5%MPa和5.24GPa，而在50g/fiber張力下絲光，斷裂應力和楊式模數為三者最高，分別為381.5MPa(34.5%)和11.04GPa(110.7%)。
強度和剛性的改善不只有纖維素含量這個原因，還有微纖角之改變。Slide22
Conclusions劍麻纖維-增強複合材料的斷裂強度和楊式係數經由絲光處理而增加，從未處理過的168.0MPa和2.79GPa增加至含有張力絲光處理的188.5MPa和3.80GPa。絲光過程將木質素和半纖維素移除，這有利於增強纖維/樹脂的黏結性，特別在含有張力下絲光效果更為顯著。
雖然絲光後拉伸性能有顯著地增加，但是得到的值比理論值還低，這是因為製造過程不能獲得完美的纖維取向，另外，絲光過程要使每根纖維受力均勻是不可能的。Slide23
Thank you for your listeningSlide24Slide25Slide26
木質素