張鈞瑋、張豐丞 / 臺灣大學森林環境暨資源學系
竹纖維加固樹脂(BFRP)為近年受矚目的植物纖維複合材料，但其商業化因為機械性能不佳且耐候性不良而受到限制，主要原因為纖維與基質間親和性不佳。鑑此，許多改良木材與其他植物纖維表面的技術被應用在BFRP的界面改良，從不同面向來增加其界面性能。透過文獻回顧，得知不同技術主要可歸類為三種機制：①減少水分阻礙樹脂流動與親和；②增加粗糙度以提供結合面積與增加摩擦力；③利用耦合劑將原先不反應的物質連結。文中列舉不同文獻說明BFRP界面性能與親和性可在處理後有效提升，期望藉由本篇回顧能對於未來BFRP生產與使用提供完整參考。
【內文精選】
竹纖維複合材料與界面
FRP是將強度與剛性較高的纖維相(Fiber Phase)加入可由流體樹脂固化的基質相(Matrix Phase)所形成的一種複材。由於竹材應用的快速發展與許多天生的優異性質，過去將其當作纖維相材料的研究已非常充分，搭配各種基質如熱塑性樹脂聚乙烯(Polyethylene)、聚丙烯(Polypropylene;PP)、聚苯乙烯(Polystyrene; PS)、聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride; PVC)與如環氧樹脂(Epoxy; EP)、酚醛樹脂(Phenolic Formaldehyde; PF)、多元醇聚酯(Polyester)等熱固性樹脂也都有大量的研究。
然而，影響複材性能有許多不同因子共同作用，如纖維的長度越長可提供越多連續的結合面積供應力傳遞；纖維直徑越小可提高界面的總面積；纖維形狀若為粉狀則因界面不足而使複材強度較低；若為細長帶狀纖維除了有連續面以外，還可以透過纖維自身表面摩擦力進行編織，達到不同性能。此外，纖維添加量太低會破壞基質材料的完整性而降低成品性能，過高則會因基質界面不足以包覆所有纖維而造成缺陷。
化學表面處理
1. 鹼處理 (Alkaline Treatment)
鹼處理可改善植物纖維FRP界面親和性，其中牽涉許多機制。首先是清潔，鹼性物質可以將纖維表面的脂溶性物質、果膠、木質素與蠟質等清除，使樹脂更易接觸到纖維表面。其次是在鹼性環境下，多醣類長鏈會被切斷，亦即剝皮反應(Peeling Reaction)，在纖維素長鏈中則是β-1,4糖鍵斷鍵，而在半纖維素中各種鍵結亦可能斷裂。此外，醣類單體也會在鹼性環境下被切成更小的單元，這使得半纖維素部分降解，也造成纖維素結晶區破壞而變成更多長鏈游離的非結晶區；且半纖維素與木質素得以持續被降解，使纖維表面更為粗糙，進而增加微觀上與基質接觸的面積。這個效果可以增強機械錨定(Mechanical Anchoring)的作用與摩擦力。而細胞壁與中膠層降解可以讓竹纖維內部的單元纖維(Elemantary Fiber)分離，創造更大的包覆表面積。此外，據Costa等人指出，纖維直徑經鹼處理後會變小，且單支纖維強度會提升，也可以提高粗糙度、表面能、濕潤性與黏合功。
第三個機制為膨潤效應(Swelling Effect)，纖維素結晶區會被鹼性藥液中的離子鑲嵌，使纖維素長鏈間距變大，增加更多藥劑或樹脂進入的空間與接觸面積。此外，纖維的羥基與金屬離子會形成醇鹽(Alkoxide)，並在乾燥後使Cellulose I轉而形成Cellulose II。由此可知，鹼處理不僅會影響纖維素結晶度、纖維素結晶型態、長鏈排列還會降低纖維素的聚合度甚至是醣類的種類。圖二說明鹼處理使表面變粗糙。
圖二、NaOH將竹纖維表面粗糙化示意圖
2. 乙醯化(Acetylation)
乙醯化為常見的木材表面改質技術，意指將乙醯官能基接到高分子上，在竹材表面則是接到纖維表面的羥基上，其反應如圖三所示。此法透過酯化將纖維素進行塑化，反應過程會產生副產物乙酸，必須在複材成形前清除。使用醋酸酐(Acetic Anhydride)可使纖維表面大量的羥基被取代而變得疏水，有助於尺寸安定性與耐生物劣化性；乙醯化處理用於多種不同植物纖維FRP的研究均有同樣發現。且由於羥基被取代後無法再吸水，因此樹脂接觸到表面時不會因水分子存在而阻礙其緊密包覆纖維。
圖三、竹材表面乙醯化示意圖
竹纖維經乙醯化處理後的化學性質曾被研究，如以不同比例AA/DMF (Acetic Anhydride /Dimethylformamide)處理的桂竹(Phyllostachys makinoi)纖維熱降解溫度提高。竹纖維乙醯化後再製成BFRP已有相關研究，16~24 Mesh乙醯化竹粉加固之HDPE的最佳破壞模量(Modulus of Rupture; MOR)為23.7 MPa。乙醯化程度越高，可能造成MOR輕微下降，而MOE、木螺釘保持力和層間強度均上升。MOR下降是由於竹粉在加工中的分散性不佳產生應力集中，而上升的各項性質可歸功於界面的結合強度變高---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》431期，更多資料請見下方附檔。