不同含量馬來酸酐接枝聚丙烯對聚乳酸烯聚丁烯摻合物相容性改...

JHGT 2020.03, Vol.27, No.2(121-126) Journal of the Hwa Gang Textile 華岡紡織期刊第二十七卷第二期 ISSN 1025-9678 http://www.jhgt.org.tw/pdf/jhgt-27.2(121-126)(2020-03).pdf

不同含量馬來酸酐接枝聚丙烯對聚乳酸/聚苯乙烯-聚乙

烯-聚丁烯摻合物相容性改善之製備技術及特性評估 Preparation Technology and Characterization of Polylactic Acid/Polystyrene-Polyethylene-Polybutylene Blends with

Different Contents of Maleic Anhydride Grafted Polypropylene

鄭喬薺 1、張家綺 1、樓靜文 2,3,4,5,6、林佳弘 1,4,5,6,7,8*

Chiao-Chi Cheng1, Jia-Ci Jhang1, Ching-Wen Lou2,3,4,5,6, Jia-Horng Lin1,4,5,6,7,8* 1逢甲大學纖維與複合材料學系纖維應用與製造實驗室

2亞洲大學生物資訊與醫學工程學系, 3中國醫藥大學附設醫院醫學研究部 4閩江學院海洋學院化工與材料系, 5天津工業大學紡織學院

6青島大學紡織服裝學院, 7中國醫藥大學中醫學系 8亞洲大學時尚設計學系

1Laboratory of Fiber Application and Manufacturing, Department of Fiber and Composite Materials, Feng Chia University,

Taichung City 40724, Taiwan 2Department of Bioinformatics and Medical Engineering, Asia University, Taichung 41354, Taiwan

3 Department of Medical Research, China Medical University Hospital, China Medical University, Taichung 40402, Taiwan 4Department of chemical engineering and materials, Ocean College, Minjiang University, Fuzhou 350108, China

5School of Textiles, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China 6College of Textile and Clothing, Qingdao University, Shangdong 266071, China

7School of Chinese Medicine, China Medical University, Taichung 40402, Taiwan 8Department of Fashion Design, Asia University, Taichung 41354, Taiwan

*林佳弘：[email protected]

摘要

本實驗以聚苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物 (SEBS) 彈性體高分子為增韌劑，以馬來酸

酐接枝聚丙烯 (PP-g-MA) 為相容劑，對脆性聚酯材料聚乳酸 (Polylactide, PLA) 進行改質。

改變其混合比例，透過單螺桿造粒機及射出成型機製備 PLA/SEBS/PP-g-MA 複合材料，以探

討不同混合比例對於機械性質與熱性能的影響及PP-g-MA含量對PLA與SEBS之間相容性的

影響。由結果顯示，PLA/SEBS/PP-g-MA混合比例為 39/60/1，衝擊強度為 315.63 J/m²，達到

顯著增韌之效果，改善 PLA 的脆性問題，並且由 SEM 測試中表現其增韌機制。而

PLA/SEBS/PP-g-MA複合材料中，SEBS的存在改善其共混物可能存在熱穩定性不足之缺點，

使熔點提升至約 174℃。

關鍵字：聚乳酸、聚苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、馬來酸酐接枝聚丙烯、機械特性、增韌改性

Abstract

In this experiment, polystyrene-ethylene-butylene-styrene block copolymer (SEBS) elastomer

polymer was used as a toughening agent, and maleic anhydride grafted polypropylene (PP-g-MA)

was used as a compatibilizer. The polylactic acid (Polylactide, PLA), a brittle polyester material, was

modified. The mixing ratio was changed, and PLA/SEBS/PP-g-MA composites were prepared by

single-screw granulator and injection molding machine to investigate the effects of different mixing

ratios on mechanical properties and thermal properties and PP-g-MA content on PLA. The impact of

compatibility with SEBS. The results show that the PLA/SEBS/PP-g-MA mixing ratio is 39/60/1,

and the impact strength is 315.63 J/m², which achieves a significant toughening effect, improves the

brittleness of the PLA, and demonstrate the toughening mechanism of PLA/SEBS/PP-g-MA by SEM

test. In the PLA/SEBS/PP-g-MA composites, the presence of SEBS improves the shortcomings of

the blends that may have insufficient thermal stability, increasing the melting point to about 174 °C.

Keywords：Polylactide, Polystyrene-B-Poly(Ethylene-Co-1-Butene)-B-Polystyrene, Maleic Anhydride Grafted

Polypropylene, Mechanical Properties, Toughening Modification

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mailto:[email protected]

Journal of the Hwa Gang Textile, 2020.02, Vol.27, No.2

前言

聚乳酸(Polylactide, PLA)是一種熱塑性脂肪族

聚酯，由單體乳酸聚合而成，乳酸為一天然存在的

有機酸，可以藉由化學合成或可再生資源合成[1]。

隨著石油資源日漸短缺，可生物降解材料引起相當

大的關注，由於 PLA 具有良好的加工性能、生物相

容性及生物可降解性，使 PLA 具有相當大的優勢來

取代普遍存在的石油基材料，但其固有的脆性問題

及熱穩定性不足亦限制其應用[2-4]。

聚苯乙烯 -乙烯 -丁烯 -苯乙烯嵌段共聚物

(Polystyrene – ethylene – butylene - styrene Block

Copolymer, SEBS) 是一種熱塑性彈性體

(Thermoplastic Elastomer , TPE) ，是由 SBS(苯乙烯

-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)氫化而來，其分子構型

為 A-B-A 型的三嵌段共聚物，由兩端硬鏈段與中間

軟鏈段構成，兼具塑膠與橡膠特性，其耐熱性約為

105℃ ，加工溫度最高可達 270℃[5-6]。由於 SEBS

具有較高的回彈性與韌性，高溫下，具有良好的塑

性與熱穩定性且易於加工，其優異的性能而被廣泛

應用於脆性材料的改質。

馬來酸酐接枝物是一種以馬來酸酐為單體，在

合適的溫度下與其他材料進行接枝而得到的聚合

物。馬來酸酐接枝聚烯烴中，透過馬來酸酐提供之

極性基團醛基引入聚烯烴之非極性鏈段做為增容

劑，使其被大量運用於材料的改質[7]。

將 PLA 與各種彈性體或橡膠共混來改善其特

性，是最常見與最有效的方法[8-9]，但由於多數體

系不混溶，需通過添加合適的相容劑來提高相容性。

本研究以 SEBS 彈性高分子為增韌劑，以馬來酸酐接

枝聚丙烯(PP-g-MA)為相容劑，對脆性聚酯材料 PLA

進行改質，透過不同的混合比例製備 PLA/SEBS

/PP-g-MA 複合材料，探討對機械性質與熱性能影響

及PP-g-MA含量對PLA與SEBS之間相容性的影響。

理論

混煉加工原理

熔融混煉針對熱塑性材料本身的缺點、性能不

足的問題，添加適當的補強材，在混煉機中加熱熱

塑性材料與補強材進行熔融混煉，主要目的是為了

降低混合物的不均勻度以達到改質之目的。將高分

子材料與填料預混合後倒入料斗內，藉由單螺桿推

進，由進料段至各個加熱段，再進入壓縮段，使高

分子熔融，當高分子材料與添加劑均勻混煉後，經

由模頭押出，再經過冷卻系統冷卻，最後由造粒機

製造出母粒[10]。

射出成型加工原理

射出成型技術是高分子成型中大量生產且最常

使用的方法之一。利用熱塑性高分子的熱可塑性，

加熱熔化成流體狀態，再經高壓注入模具模穴內，

直到冷卻固化後製得塑膠樣品。射出成型製程是一

個循環性的作業流程，其可分為六個階段：塑膠熔

融、閉模、射出填料、保壓、冷卻及開模頂出[10]。

接枝原理

在高分子共混體系中，由於高分子材料中許多

非極性材料與極性聚合物相容性差，因此可以透過

接枝改性，改善其性能。接枝共聚物是由 A 單體組

成高分子主鏈，B 單體接枝在主鏈上形成支鏈，而自

由基接枝共聚合是最常見之方法[11,12]。

實驗

實驗材料

(1). 聚乳酸(Polylactide, PLA)：型號為 LLC 2003D，

密度為 1.24 g/ mm2，熔點為 210℃，熔體流動

指數為 0.6 g/ min (ASTM D1238)，購自 Nature

Works。

(2). 聚苯乙烯 -乙烯 -丁烯 -苯乙烯嵌段共聚物

(Polystyrene-b-poly(ethylene-co-1-butene)-b-pol

ystyrene, SEBS)：型號為 G1657M，密度為 0.90

g/cm2，熔融指數 22 g/ 10 min，購自美國科騰

高性能聚合物公司 (Kraton Performance

Polymers Inc.U.S.A)。

(3). 馬來酸酐接枝聚丙烯(Maleic anhydride grafted

polypropylene ,PP-g-MA)：型號 Fusabond P613，

熔體流動指數為 120 g/ min (IOS1133)，接枝率

為 0.5 %。購自美國杜邦公司(DuPont,US)。


實驗流程

本實驗以熱塑性彈性體 SEBS 為增韌劑，以

PP-g-MA為相容劑，對脆性聚合物 PLA進行改質。

在混合之前，首先將 PLA、SEBS、PP-g-MA在 70℃

下乾燥 24 小時，再將 PLA/SEBS/PP-g-MA以不同混

合比例（0/100/0、19/80/1、39/60/1、17/80/3、37/60/3、

100/0/0）進行預混合後，經由單螺桿造粒機(加工溫

度為 190-200-210-190 ℃ ，轉速 40 rpm) 製備

PLA/SEBS/ PP-g-MA摻合物。再經由射出成型機在

溫度 200-200-200-200℃及壓力 20~30 MPa 下製備

PLA/ SEBS/PP-g-MA複合材料，並探討 PLA/SEBS/

PP-g-MA 複合材料不同混合比例之比例變化對拉伸

性能、彎曲性能、衝擊性能及熱力性能影響及

PP-g-MA含量對 PLA與 SEBS 之間相容性的影響。

實驗測試

(1). 拉伸性能測試：根據 ASTM-D638 之測試標準，

使用 Instron 5566 萬能強力試驗機進行測試進

行測試，測試時上、下夾具夾持試片的長度各

為 25 mm，夾具的拉伸速度為 50 mm/ min。

(2). 衝擊性能測試：根據 ASTM-D256 之測試標準

進行缺口衝擊測試，試片具有 V 字型缺口，缺

口深為 2.54 mm，試片大小為 63.5 mm × 12.7

mm × 3.2 mm。

(3). 三點彎曲測試：根據 ASTM-D790 之測試標準

進行彎曲測試，射出試片依據 ASTM-D618 高

分子樣片規定處理，試片大小為 127 mm × 12.7

mm × 3.2 mm，支撐跨距為 50 mm，測試速率

為 2 mm/ min。

(4). 示差掃描分析儀 (Differential Scanning

Calorimetry, DSC)：秤取 PLA/SEBS/PP-g-MA

複合材料 5-8 mg，裝入鋁盤中進行密封。設定

升溫速率 10 ℃/ min，將溫度從 40 ℃升溫至

200 ℃。在 200 ℃持續 5 分鐘，以消除熱歷程。

以降溫速率 2 ℃/ min，將溫度從 200 ℃降溫

至 40 ℃，觀察結晶情況，再以升溫速率 10 ℃

/ min，將溫度從 40 ℃升溫至 200 ℃，觀察熔

融情況。

(5). 掃描式電子顯微鏡 (Scanning Electron

Microscope , SEM)：以碳膠將待觀察樣本固定

於載台上方，將樣本觀察面上鍍金，利用掃描

式電子顯微鏡在操作電壓為 15 kV 下觀察材

料之斷面形貌。

結果與討論

圖 1 為 PLA/SEBS/PP-g-MA 複合材料不同混合

比例對拉伸強度之影響。圖 1 純 PLA 的拉伸強度為

30 MPa，當 PLA/SEBS/PP-g-MA混合比例為 19/80/1

與 39/60/1 時，拉伸強度分別為 9.17 MPa 與 11.18

MPa，相較於純 PLA分別下降約 70 %與 63 %。當

PLA/SEBS/PP-g-MA 混合比例為 17/80/3 與 37/60/3

時，拉伸強度分別為 6.57 MPa 與 7.83 MPa，相較於

純 PLA 分別下降約 77 %與 73 %。由結果看出，PLA

為一剛性材料，當 SEBS 含量較高時拉伸能量由彈性

體 SEBS 消散，使其在拉伸力作用下更容易拉伸，導

致拉伸強度下降。當添加1 wt%與3 wt%之PP-g-MA，

增加 PLA 與 SEBS 兩者間的相容性，而對共混物而

言，添加 3 wt%之 PP-g-MA之相容性優於添加 1 wt%

之 PP-g-MA，導致共混物拉伸強度更低。因此，使

共混物整體拉伸強度下降的因素包含彈性體 SEBS

的存在與 PP-g-MA 改善共混物的相容性

[8,9,10,13,14]。

圖1 不同混合比例之PLA/SEBS/PP-g-MA複合材料拉

伸強度強度


比例對衝擊性能之影響。由圖 2 中，純 PLA 的衝擊

強度為28.38 J/m²，純SEBS的衝擊強度為22.39 J/m²，

當PLA/SEBS/PP-g-MA混合比例為19/80/1與39/60/1

時，衝擊強度分別提升至 252.82 J/m²與 315.63 J/m²，

相較於純 PLA 分別增加 9 倍與 11 倍，當


時，衝擊強度分別提升至 146.94 J/m²與 214.59 J/m²，


相較於純 PLA 分別增加 5 倍與 8 倍。由結果看出，

共混物中 SEBS 含量為 60 wt% 相較於 80 wt%具有

更好的衝擊強度。得知添加適量的 SEBS 彈性體有助

於提升共混物之衝擊強度，係因 SEBS 分散於 PLA

中，受衝擊時 SEBS 彈性體成為應力集中點，吸收外

力所帶來的能量，從而阻止 PLA 裂紋的生成，顯著

表現出增韌的效果。不過，一旦添加過量的 SEBS

彈性體會降低 PLA 材料固有的的剛性和強度

[8-10][15-17]。當添加 1 wt%與 3 wt%的 PP-g-MA改

善 PLA與 SEBS的相容性，但添加 3 wt%之 PP-g-MA

卻相較於添加 1 wt%之 PP-g-MA衝擊強度低。係因

共混物之相容性更好且 SEBS含量太高，稀釋了 PLA

保留之強度，導致衝擊強度下降。因此，SEBS 彈性

體含量與 PP-g-MA 含量均會影響

PLA/SEBS/PP-g-MA 複合材料衝擊強度。由結果得

知 PLA/SEBS/PP-g-MA含量比為 39/60/1，具有最佳

之衝擊強度，表現出顯著增韌效果。

圖2 不同混合比例之PLA/SEBS/PP-g-MA複合材料衝

擊強度。


比例對彎曲性能之影響。由圖 3 中，純 PLA 彎曲強

度為 34.71MPa 純 SEBS 彎曲強度為 0.32 MPa。當


時，彎曲強度分別為 12.16 MPa 與 16.11 MPa。當


時，彎曲強度分別為 7.75 MPa 與 12.79 MPa。由結

果看出，當 SEBS 彈性體含量增加，彎曲強度會呈現

下降趨勢。添加 1 wt%與 3 wt%之 PP-g-MA，增加

PLA 與 SEBS 兩者間的相容性，而添加 3 wt%之

PP-g-MA 能使共混物彎曲強度更低。此結果與拉伸

強度測試類似[10]。

圖3 不同混合比例之PLA/SEBS/PP-g-MA複合材料彎

曲強度。


比例之 SEM圖。根據圖 4中純 PLA具有光滑之斷面，

PLA/SEBS/PP-g-MA 共混物斷面較純 PLA 的斷面粗

糙，而分散於 PLA 中之液珠為 SEBS，其在受外力

衝擊下成為應力集中點，形成明顯的韌窩，此為

SEBS 彈性體吸收能量之機制，達到增韌效果

[10,13-15]。在 PLA/SEBS中添加 PP-g-MA，增加 PLA

與 SEBS 兩者間的相容性，提升其界面黏合性。

圖 4 PLA/SEBS/PP-g-MA 複合材料不同混合比例之

SEM 圖 (a)純 PLA (b)純 SEBS (c)19/80/1

(d)39/60/1 (e)17/80/3 (f)37/60/3。

表 1 為 PLA/SEBS/PP-g-MA 複合材料之熱力性

質表。由表 1 中，純 PLA 熔點為 166.11℃，當

PLA/SEBS/ PP-g-MA的混合含量為 19/80/1、39/60/1、

17/80/3 與 37/60/3，熔點大約均為 174℃，係因 SEBS


結構含有飽和鍵，具有良好熱穩定性，因此，添加

SEBS 有助於提高整體共混物之熔點，改善 PLA 熱

穩定性不足的缺點。

表 1 PLA/SEBS/PP-g-MA 複合材料之熱力性質表

混合

比例

PLA/SEBS/PP-g-MA 複合材料

100/0/0 19/80/1 39/60/1 17/80/3 37/60/3

熔點

(℃) 166.11 174.88 174.04 174.11 172.96

結論

本研究成功以 SEBS 彈性高分子為增韌劑，以

PP-g-MA為相容劑，對脆性聚酯材料 PLA進行改質，

透過不同混合比例，製備出 PLA/SEBS/PP-g-MA 複

合材料。

當 PLA/SEBS/ PP-g-MA 複合材料含量比為

39/60/1 時，由拉伸強度測試可以得知，其有較佳的

拉伸強度為 11.18 MPa，相較於純 PLA下降約 63 %。

由衝擊強度測試可以得知，其衝擊強度為 315.63

J/m²，與純 PLA相較下增加約 11 倍。由彎曲強度測

試可以得知，其有較佳的彎曲強度為 16.11 MPa。由

SEM 測試可以得知，當 PLA/SEBS/ PP-g-MA 複合

材料含量比為 39/60/1 時，有明顯的韌窩出現，表現

出能量吸收之特性，達到增韌效果。由 DSC 測試可

以得知，在 PLA/SEBS/ PP-g-MA 複合材料中，SEBS

的存在有助於改善 PLA 熱穩定性不足之缺點，使整

體熔點提升至約 174℃。

致謝

本研究能夠順利完成,作者要感謝科技部的協助

其編號為 MOST 107-2622-E-468-003-CC3。

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