鳳梨纖維處理 及應用技術 朝陽科技大學 應用化學系 石燕鳳 教授

大綱 鳳梨纖維的應用─ 造紙(鳳梨宣) 鳳梨纖維的應用─紡織(鳳梨織) 鳳梨纖維的應用─綠色複合材料 植物纖維補強複合材料之研發重點 鳳梨葉纖維處理方法 聚乳酸介紹 綠色複合材料未來發展趨勢

鳳梨纖維的應用─ 造紙(鳳梨宣) 菠蘿宣又名鳳梨宣，又名鳳髓宣 中興大學張豐吉教授於1970年代創製 以鳳梨纖維為主要材料 菠蘿宣具有紙面光滑細緻易於控制筆墨，紙力強適宜多次渲染，紙質潔白不易變色及紙質不易劣化紙張壽命長等優點 適合書畫及裱褙 張大千試用後,認為可比乾隆內府所製,因鳳梨又名菠蘿而親自命名為菠蘿宣, 他盛讚菠蘿宣的特色「滑能駐毫、凝能發墨....」

長春棉紙廠表示，有鑑於國內宣紙原料的樹皮均仰賴國外進口，及國內生產的宣紙用快速處理原料的方法來生產，容易影響紙質，導致紙張易變色也不易保存，加上國內每年又有數量相當多的鳳梨葉廢棄於農地未加利用，與中興大學教授張豐吉合作研發取得鳳梨葉內部纖維製紙 鳳梨纖維經過蒸煮、漂白後進行抄紙，鳳梨纖維比現有的麻、雁皮、楮皮細，且不同的配方、厚度都可能影響紙張品質，抄紙時需要花更多心力，才能製成高品質宣紙 業者表示，「菠蘿宣」的紙質潔白，不易變色，紙張壽命長，經過日照四十小時比較，鳳梨紙的白度不變，雁皮紙則從七十四％降到五十％，更適合做為書畫、裱褙用紙。

造紙製作流程 宣紙的主要原料：青檀皮、蕘花、鳳梨葉、草木灰、竹子、馬拉巴、稻草、栗樹糊等 取鳳梨葉、雁皮等樹皮，搗 碎，加入草木灰等蒸煮 將蒸煮過的樹皮等原材料放於山坡上，日曬雨淋，使之自然煉白 將樹皮等原料碾碎、浸泡、發酵、打漿、加入樹糊後調和成紙漿 用抄紙器將搗好的紙漿手工抄制成紙張 將竹簾上的紙置於木板上，層層相加疊積，在紙上加木板，逐漸加壓，使水流出 將脫過水的紙，輕輕取下，貼於焙籠或焙壁上烘乾;亦有刷於木板上，以陽光曬乾

鳳梨纖維的應用─紡織(鳳梨織) 台灣由於地處亞熱帶地區擁有相當豐富的纖維植物，如苧麻、黃麻、鳳梨纖維、香蕉纖維、藺草、竹、藤、月桃等 早在民國前，台灣就已有取用再來種鳳梨葉上的纖維製成棉紗織成衣料的技術 由於材質優良、柔軟、且耐水性強，織成的布料略帶黃色光澤，相關的生產、紡織與輸出多集中於彰化、南投、鳳山等地 二水鳳梨織遠近馳名，日據時期機織業依材料的不同，可大分「黃麻織」與「鳳梨纖維」等兩類

光復後鳳梨纖維甚至和棉紗一起紡製成衫，涼爽且耐穿，同樣的也因為棉紡織業的引進而造成紡織相關行業輝煌的時代 民國三十二年左右，由於織布所得可比擬公務員的工資，當時農夫多大量栽種取纖，二水地區坑內村附近，家家戶戶，不論男女皆從事取纖織作的工作 當時大甲、鹿港等地的老人家，尤其愛穿以鳳梨布製成的大褂。 光復後鳳梨纖維甚至和棉紗一起紡製成衫，涼爽且耐穿，曾流行過一陣子，後因質優便宜的棉紗及其它纖維大量輸入後，取纖費時的鳳梨纖維因而沒落，現今只有八卦山脈一帶有食用或加工罐頭的南洋種鳳梨大量栽植 台中縣立文化中心編織工藝館 資料

鳳梨纖維的應用─綠色複合材料 石油價格攀升造成人造纖維價格上漲，工業先進國家開始考慮使用植物纖維在工業上的應用 在汽車零件業，植物纖維作為隔音、隔熱和阻尼材料及汽車內部裝飾件已經行之有年 近年來也已開始用於汽車外部零件如擋泥板和擾流板 在建材業包括裝潢材料、合板、模板、包裝木箱、運輸占板、地工材料等，目前也漸漸被植物纖維強化塑膠所取代 在先進國家中綠色複材以每年13%的速度取代建材業所使用的木材

國內應用於建築方面之纖維需求超過20萬噸/年，主要以木纖維為主。但如今因原木砍伐以及全球溫室效應氣體減量壓力與時俱增，若將這些纖維的需求，轉以國內豐富的植物纖維作取代，將可創造更高之效益 由於植物纖維具備極佳之CO2固定能力，且具有調濕/負離子等機能，產業可以應用此可再生之植物資源來生產具機能性的纖維材料與產品

綠色複合材料特性 可回收、可再生 環境負擔性低 低污染、低能源消耗、生物可分解 使用之舒適性 生態資源材料 廢棄物資源化

植物纖維補強複合材料之目標 提升材料之機械強度、耐熱性質 並可降低材料之成本 符合環保綠色複合材料之訴求 能夠承受較高之應力變化及應用於高溫環境 例如汽車內外裝材料、熱食容器、耐高溫容 器、電子光電產品外殼等，將能大幅度提高材料的應用面及附加價值

植物纖維的特點 天然植物纖維如黃麻、瓊麻、亞麻 、 竹子、鳳梨葉纖維等具有相當高的強度 天然植物纖維與合成纖維之差異在於 優點：取得來源豐富、具生物分解性、 屬再生資源、低密度、無皮膚刺激性 缺點：高吸水性、品質差異度較大、熱穩定性 較差、強度沒有玻纖佳、加工溫度不能 超過350oF 近年來基於環境保護之因素，天然植物纖維補強複合材料十分受到重視

植物纖維綠色複合材料之優點 (Professor Heinrich Flegel, director of Production Technology at the DaimlerChrysler Research Center in Ulm, Germany.) 重量減少 10% 與玻纖比較，重量減少 40% 減少生產過程之能源耗費量80% 與類似之玻纖複材比較，成本減少 5% 製造過程不會釋出二氧化碳 有益工作者及使用者之健康

天然植物纖維之主要成份 纖維素(fiber)結構 木質素(lignin)結構

植物纖維之主要類別 草類(Grass) 竹類 (Bamboo) 靭皮部(Bast) 葉脈類(Leaf) 其他類

草類(Grass) 大甲藺 根部多節、淡渴色的短鱗葉包圍，由地下根莖一條條的露出新芽為地上莖，長約一、二公尺。其型態成三角形，古名為【三角蔥】  大甲農會資料

竹類 (Bamboo) 台灣栽培60（品）種竹類竹子面積10萬公頃，較具有經濟價值的主要竹種包括桂竹、孟宗竹、麻竹、綠竹、烏腳綠竹、巨竹等 Kazuya Okubo, Toru Fujii, Yuzo Yamamoto, Composites: Part A 35 (2004) 377–383

靭皮部(Bast) Jute (黃麻) flax (亞麻) hemp (大麻) ramie (苧麻) kenaf (鐘麻) 亞麻

葉脈類(Leaf) Sisal (瓊麻) PALF (鳳梨葉纖維) Henequen (龍蛇蘭葉纖維) 瓊麻, 恆春三寶之一 Henequen leaves ready for harvesting, Mexico

其他類 Cotton (棉花) Coir (椰殼纖維)

植物纖維特性及價格 A. K. Mohanty, M. Misraa, G. Hinrichsen,Macromol. Mater. Eng. 276/277, 1–24 (2000)

A. K. Mohanty, M. Misraa, G. Hinrichsen,Macromol. Mater. Eng

植物纖維補強複合材料之研發重點 植物纖維之精製 去除木質素、 分離出纖維素，尋求在不影響纖維性質下之最佳分離條件及方法，以提取出性質較佳之纖維 纖維之鑑定分析 基本物性、纖維組成、結晶度、機械性質等 植物纖維之改質 降低吸水性、改良與樹脂相容性及提昇其他物性 天然植物纖維補強複合材料性質評估

目前鳳梨取纖的方法可分為 人工取纖方法 機械取纖方法 化學取纖法

人工取纖方法: 早期的方法，先去除邊緣的刺，再壓在 長條椅子上面，用碗刮去葉面的黏液膠質，讓纖維露出。然後再用酸粥或飯汁浸一天，用水清洗黏液。 後來進步到用鍋煮法來取纖維，將鳳梨葉細條放入鍋內蒸煮、煮後取出，在葉片上覆蓋濕的草讓它發酵，發酵後刮除葉片四週的葉肉部份、再將織維綁成一束束的予以漂白，並以草酸液處理，經過水洗及日光曝曬乾躁後即成鳳梨葉纖維，便可紡成紗線、織布。

機械取纖方法 : 鳳梨葉收割後，利用刮麻機將鳳梨葉的葉肉膠質刮除，再將剩下纖維部分予以烘乾或曬乾，纖維經過梳理與整理後切成一定長度，即成鳳梨葉纖維便可紡紗。利用機械開纖取得的纖維強度較低，無法滿足紡紗的要求，因此以往只能將鳳梨葉纖維與其它纖維混紡，來提升紗線強力。

化學取纖法 : 鳳梨葉片使用化學處理(脫膠和改性)的方法進行處理，可以提取纖維。把純鳳梨葉纖維放在特殊油液裡浸泡予以改質，纖維經過加工處理後，其強度比棉花高，外觀潔白，柔軟爽滑，手感如蠶絲。

纖維前處理與強度關係

植物纖維的改質 L. A. Pothan, F. Simon, S. Spange, and S. Thomas, XPS Studies of Chemically Modified Banana Fibers, Biomacromolecules, Vol. 7, No. 3, 893 (2006)

SEM分析

聚乳酸介紹 (Poly Lactic Acid, PLA)

Biodegradable Polymers 何謂生物可分解塑膠 在自然掩埋環境中，能夠被微生物分解成二氧化碳和水的塑膠材料 生物分解性塑膠 Biodegradable Polymers Green Plastics 分 解 二氧化碳 水 腐植土 細菌、黴菌、藻類 例如:聚乳酸 (Poly Lactic Acid, PLA)

PLA的製程 葡萄糖 澱粉(Starch) 纖維素(Cellulose) Dextrose 葡萄糖 Dehydration 減水反應 乳酸菌 發酵 Lactic Acid 乳酸 Lactide 減水乳酸 聚合反應 PLA 聚乳酸 澱粉及纖維素都可以作為PLA的原料來源! 重點是如何將澱粉或植物中的纖維素利用 最經濟的方法轉換成葡萄糖。

PLA在堆肥環境下的分解 Co2+H2O Lactide PLA 減水乳酸 Lactic Acid 乳酸 Hydrolysis 水解反應 Composting Condition 堆肥環境 Lactic Acid 乳酸 Co2+H2O

PLA退化而成的堆肥化 5 天後 2 周後 5 周後

生物分解性塑膠之用途

PLA與纖維的配對 PLA + 合成纖維(玻纖或碳纖) 天然植物纖維 速配指數低 (天然配人工ㄟ不對味) 速配指數高 (天然配天然ㄟ尚好)

鳳梨纖維綠色複合材料 先將纖維乾燥 再將葉片粉碎 利用篩網過篩 浸泡在鹼液中 加入樹脂中 製成複合材料 偶合劑處理

Tensile strength (MPa) PLA/植物纖維補強複合材料 Sample HDT(0C) Tensile strength (MPa) PLA 62.6 39.3±0.19 PLA20 130.7 53.8±0.28 PLA40 139.0 78.6±0.25 PLA60 138.9 65.1±0.42 PLA20* 55.3 46.3±0.65

綠色複合材料未來發展趨勢

採用天然纖維漸成趨勢 歐洲FASHION EXPRESS No.168 報導 歐洲紗線暨纖維大展Expofil的主要參展化學公司均表示，由於石油價格上漲，合成纖維價格還將繼續上漲 合成纖維的漲價，將嘉惠自然纖維，尤其目前天然纖維價格均低的情況，對天然纖維製造商更是有利 業者採用天然纖維漸成趨勢

石油價格走勢

汽車工業因應環保需求，紛紛開發環保概念車-Eco Car. 耐用及使用生物燃料 以植物纖維補強生物可分解塑膠之複合材料做為壁板 預期未來植物纖維補強複合材料以射出成型品為主約佔32%，植物纖維補強生物可分解塑膠之複合材料次之約佔19%，及尖端材料約佔19% Brouwer, R. 2003. Natural Fiber Composites--state of the art, joint meeting of the 32nd session of the Intergovernmental group on jute, kenaf and Allied fibers. Salvador, Brazil.

不只有Hybrid！FORD也將 生活週遭植物塞進汽車中！ AUTONET汽車日報報導 FORD車廠研發部門中的生物材料研究小組，成員為六名女性研究者，開始將生活週遭的自然材料，運用到車輛內部 研究小組希望能採用天然纖維取代玻璃纖維 天然纖維透過了強度的強化之後，可擁有相同於玻璃纖維的功用 天然纖維較玻璃纖維更低的製造成本 重量也更加輕盈 可降低過去玻璃纖維製造時，所產生有毒氣體對人體的傷害

Daimler-Chrysler 使用馬尼拉麻 Global Hemp News Wednesday, October 20, 2004 自2004年九月起Mercedes-Benz A-Class車款運用馬尼拉麻在備胎的外層遮蓋上

使用植物纖維是汽車工業的新趨勢 Plastics Technology -Feature Article By Lilli Manolis Sherman, Senior Editor 植物纖維如kenaf, hemp, flax, jute, sisal 已普遍用於汽車組件 如車門壁板、 座椅靠背、收納箱、 儀表板

纖維水泥Fiber cement 最早於1980年由James Hardie開發出纖維水泥 近年來纖維水泥材料應用於住宅建材成長快速 纖維水泥成品廣泛應用於建築物內外，如牆板、 地板、內襯、 屋頂、磚塊、圍牆、圍牆、裝潢材料等 纖維水泥也應用於水壩、橋墩、人行道、路面等

市場潛力分析 綠色短纖複材可應用於汽車燈罩、後視鏡，及其他射出或熱壓成型的產品。因採用熱塑性塑膠所以可完全回收。綠色長纖複材可應用於擋泥板與擾流板 在汽車零組件產業上，估計台灣每年生產40萬輛汽車，參考德國每輛使用15公斤綠色複材，則綠色複材汽車零件的產值，每年約有新台幣30億元 在民生工業上，我國每年進口新台幣400億以上的木材，大部份用於建築、裝璜、包裝、運輸，如果這個領域四分之一的木材改使用短纖或長纖綠色複材，則將可減少新100億的外匯支出，可能10萬公噸無法應付需要進一步開發國內的植物纖維

生質材料也可是耐用材料 日本應用PLA及其他生物高分子於汽車內裝、行動電話及電腦外殼 Mazda Motor Corp.使用來自玉米88%及來自石油12%之混成PLA於汽車材料上 Fujitsu companies開發PLA/PC混摻物做為筆記型電腦外殼 http://www.plasticengr.com/what's_new.htm

LAPTOP MADE FROM CORN Fujitsu PLA

最新研發成果 植物纖維僅需添加百分之十(重量百分比)以內，就能夠有效提升高分子材料的耐熱性及機械性質 加入聚乳酸當中，其熱變形溫度更可自62.6℃最高提高至139℃，提升幅度超過100%，抗張強度則自39.3 MPa最高提高至78.6 MPa，提升幅度達100% 除可補強材料之機械強度，並可降低材料之成本，且符合環保綠色複合材料之訴求 進一步能夠承受較高之應力變化及應用於高溫環境，例如汽車內外裝材料、熱食容器、耐高溫容器、電子光電產品外殼等，將能大幅度提高材料的應用面及附加價值

結論 農業廢棄資源之應用漸受重視 由於石油及自然資源逐漸耗盡，再生資源的應用會更為重要 天然纖維結構之複雜性，需投注更多之研究，以確保產品性質之穩定性 可預期植纖複材及生物可分解複材的運用將更廣，並可能成為傳統玻纖複合材料及塑膠的替代材料

自然科學博物館-鳳梨特展

謝謝 聆聽 敬請 指教 朝陽科技大學 應用化學系 綠色複材研究室 製作 指導老師: 石燕鳳 教授