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】
耦合劑(Coupling Agent)
1. 矽烷類耦合(Silane Coupling)
矽烷類最早用於改善玻璃纖維與樹脂基質的親和性，也被證實對植物纖維複材有優異效果。其增進界面性能的機制有多種理論，而最廣為被接受的有兩種：一是化學鍵結理論，藉由矽烷分子一端與樹脂基質官能基產生共價鍵，另一端與多醣類羥基結合形成類似於橋梁的結構，使基質與纖維實際連結在一起；另一種機制同樣與共價鍵產生有關，但主要強調纖維表面的自由羥基被矽烷類取代而降低吸水性，進而改善界面性質。
矽烷類處理受到許多因子的影響，諸如矽烷主鏈結構、酸度(Acidity)、溶液pH值、處理後的乾燥條件、纖維化學構型(Topology)與官能基類型。矽烷類的通式為X3Si-R，X端多為可以在水中被水解形成矽烷醇(Silano)，在乾燥過程中矽烷醇會發生自體縮合形成以醚鍵連結的高分子聚合物，並與纖維羥基鍵結形成矽氧烷(Siloxane)的連續聚合層(圖六)。常見的種類有甲氧基 (Methoxy)、乙氧基(Ethoxy)與氯基(Chloro)；R端通常為乙烯基(Vinyl)與胺基丙基(Aminopropyl)等官能團，主要與基質發生反應。而選用適當的官能基類型和特定樹脂在特定條件下反應極為重要，各種不同的矽烷類產品大多能改善吸濕性，但部分如n-Octyltrimethoxyilane反而對成品有負面效果。
圖六、(a)分子水解形成醇類；(b)自體縮合成聚合物；(c)與纖維上的羥基反應
2. 異氰酸酯共聚(Isocynates Copolymerization)
異氰酸酯由R–N=C=O作為其結構代表，廣泛用於粒片板的膠合劑。異氰酸酯用來改善植物纖維FRP界面性能可以透過兩種方式進行：一是將異氰酸酯當作表面塗料預先將纖維包覆，二是可與基質混合後共聚。George與Thomas以甲苯與腰果酚(Cardanol)的衍伸物CTDIC (Cardanol Derivatives of Toluene Di-isocyanate)用於改良劍麻纖維。CTDIC的長鏈與纖維素結合後使纖維表面變得疏水，減少樹脂濕潤的阻礙，也讓纖維在熱塑性樹脂中有良好分散性。
另一種常見的異氰酸酯PMPPIC (PolymethylenePolyphenyl Isocyanate)則被發現可提高FRP成品熱穩定性與降低吸水性。在沒有催化劑反應下，羥基為電子提供者而異氰酸酯為電子接收者，–N=C=O官能基就會與多醣類羥基以共價鍵結合產生氨基甲酸酯鍵(Urethane Linkage)（圖七）。而使用多官能基的異氰酸酯時則可以產生聚氨酯(Polyurethane; PU)，例如有2組–N=C=O官能基的二異氰酸酯(Diisocynate)與二醇類可形成直鏈狀的聚合物，而選用多元醇則可以合成網狀聚合物。Joly等人發現烷基分子鏈長會影響纖維吸水性能進而影響FRP性質，這是由於纖維表面水分較容易與異氰酸酯結合，異氰酸酯會先形成尿素而降低和樹脂反應。其他如TMI (3-Isopropenyl-dimethylbenzylisocyanate)處理的木粉–PP之FRP材料，明顯提升拉伸與彎曲強度，而DIH (1,6-Diisocyanatohexane)與HEA (2-Hydroxyethyl Acrylate)處理的麻纖維均與聚酯樹脂有良好的結合強度。
非藥劑類處理(Non-chemical Treatment)
除了化學藥劑的使用，另有許多不以藥劑反應為主要機制，但同樣可以改變表面性質或增進界面的方法。如木材工業常用的熱改質技術即可降低纖維吸水性與增加尺寸安定性；同樣以物理方法如電漿處理(Plasma Treatment)則是利用外加電場來改變纖維表面電荷狀態以增加界面物理吸附能力，也可以改變纖維表面能，還可搭配不同氣體達到不同改質目的。其他類似的技術有濺鍍(Sputtering)與電暈放電(Corona Discharge)等。
除了物理吸附外，部分種類的物理處理法因環境溶液或氣體的反應，會對纖維表面有蝕刻(Erosion)作用而達到表面粗糙化，也同樣能提升界面性能。此技術在竹纖維的實際應用雖尚未普及，但仍有利用不同介質與條件的研究成果。除了前述纖維粗糙化以外，還發現對纖維染色性更高、濕潤性也大幅提升，纖維表面氧/碳比例提高、Tg提高。強度方面，電漿處理過的南美莿竹(Guadua angustifolia)雖可增加BFRP界面的結合品質，但單支竹纖維強度實際上是降低；另個研究則指出會因為外加電場功率提高而使竹纖維嚴重損壞，但若在同功率下，重量損失會---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》432期，更多資料請見下方附檔。