農林學報 47 (4) : 37 - 53 (1 998) 。。

添加物及原料自己方對擠壓緩街

產品機械特性之研究

彭錦樵 1 ) 李卓峰 2) 蕭世傑 3) 林有德、 4)

( 接受刊載日期:中華民國 87 年 9 月 16 日)

摘要:本實驗是利用國產單軸擠壓機在固定的操作條件下，以飼料玉米粉及聚乙煽醇 (PVA)

為主原料，添加各種不岡比f9lJ之添加物(碳酸鈣、尿素、二氧化矽) ，分點探討加工參數(聚

乙:崎醇在飼料玉米粉之比例、添加物添加比例)對擠壓產品之機械特性(抗壓力、彈性指數及

楊氏模數)之影響。

結果顯示:

L添加碳酸鈣的 3 x 3 複因子實驗設計結果。顯示， PVA 添加比例例如維持在 30% '添加碳

酸鈣的比例維持在 0.6% '對產品的機械性狀影響顯著。添加二氧化矽的 3 x 3 複因子實驗設計結果顯示， PVA 添加比例為 30% '添加二氣化矽的添加量為 0.6% '對產品的機

械特性有正相關。添加尿素的 3 x 3 複園子實驗設計結果顯示，在添加 PVA30% '尿素

為 0.6% '所得產品機械特性最佳。

2.經過綜合比較的結果顯示，添加碳酸鈣及二氧化矽的產品，能承受的抗壓，性能較高，但彈性

較差 。 添加尿素的產品，抗壓力較小，但具有質地較柔軟，有較佳的緩衝效果。因之，就機

械性狀而言，應該視產品的需要，選擇添加物的種額與數量，及 PVA 添加的比憫，才能生

產所需要的包裝緩衝材料。

關鍵詞:飼料玉米粉、聚乙:崎醇、碳酸鈣、二氧化矽、尿素、機械特性

前言 不容腐壞等幾項優點，所以很快的被廣大的

消費群接受，與我們的日常生活緊密的結合

人額的生活自從塑膠原料的誕生後帶來 成一體 。 但隨著人類的大量使用塑膠原料，

了相當巨大的轉變。 塑膠原料自為有可塑性 製造大量的塑膠用品， 結果卻又因為塑膠不

高、加工容易、成本低廉、容易大量製造、 易分解的這項特點，產生了大量的塑膠垃

1 )國立中興大學農業機械工程學系教授。

2) 國立中興大學農業機械工程學系碩士。

3) 國立中興大學農業機械工程學系碩士。

4) 國立中興大學農業機械工程學系碩士。

- 38 一 添加物及原料配方對擠壓緩銜產品機械特性之研究

圾，這些龐大的塑膠垃圾已經造成地球環境 軸擠壓機。使用電壓 220V '正常負載

污染的主因，急需我們研究解決。所以，如 30A 以下，最大負載 35A 。本擠壓機配備

何製造可分解的產品，取代目前所使用的不 如下:

易分解之塑膠原料，以減少塑膠垃圾的產 1. 動力來源:主機為 5Hp 之馬達，同時驅

量，實為當務之急。 動送料螺軸。

緩衝包裝材料最主要是用來吸收物體在 2. 進料機構:包括進料斗及驅動進料螺軸

搬運時所發生衝擊或震盪的能量。一般來 之 0.5Hp 馬達。

說，緩衝包裝材料可以使用紙頸、紡織類或 3. 擠壓作業部:包括長 165mm '直徑

塑膠巔，其中因為塑膠具有的最佳的緩衝特 45mm 之擠壓螺軸，蝶牙深度 2.5mm '

性，所以廣泛地被使用，但卻也成為大量的 節距 9 .44mm 0

塑膠垃圾，造成環墳嚴重污染。因此，如果 4. 加熱套: 220V ' 500W 電熱絲附於摸

我們能利用擠壓技衛的連續生產及無污染之 具上。

特性，以廉價的飼料玉米粉配合可分解性的 5. 出料部:孔徑為 3.92mm '孔數為 4 孔

塑膠原料，以及添加少量的化合物，做為擠 之模真，及配有可謂轉速之切刀一組。

壓機之原料，來生產可被生物分解的緩衝包 6. 控制部:由溫度控制器與溫度感應器控

裝材料，以期能協助解決塑膠緩衝材污染環 制所設定之模具溫度。以三個變頻器改

境之問題，實為可行之途徑。因之，本研究 變電流頻率，調整並控制進料速度、螺

之目的贏利用廉價之飼料玉米粉及聚乙:埔醇 軸轉速與切刀轉速。

為主原料，添加少量化合物，期能對可分解 二、實驗設計

性包裝緩衝擠壓產品之機械特性有進一步之 本實驗是利用國產單軸擠壓機在固定的

研究。 操作條件下，以飼料玉米粉及聚乙埔醇 (PVA)

為主原料，添加各種不同比棚之添加物(磁

材料與方法 酸鈣、尿素、二氧化矽) ，分別揮討加工參

數(聚乙埔醇在飼料玉米粉之比例、添加物

一、寶島在材料與設備 添加比例)對擠壓產品之機械特性(抗壓

(-)實驗材料 力、彈性指數及楊氏模數)之影響。本研究

本實驗所使用的擠壓原料為飼料玉米粉及 之實驗設計如表 1 '為 3 x 3 x 3 複因子設聚乙埔醇 (PVA) 。飼料玉米粉係購自台南 計。

縣新營市台糖副產品加工廠，含水率為 13 在實驗中影響產品特性之操作梅件，如

%。聚乙埔醇係講自台北市長春石油化學 螺軸轉速 (405rpm) 、模具溫度 (80 oc )、模股份有限公司，其品名為 BF-17 '是一種 孔孔數(單孔)及模孔大小 (3 .4mm) 等，在

完全鹼化型聚乙埔醇'平均聚合度為 1700 本實驗進行中均予以固定。原料中的飼料玉

，平均分子量為 748000 。 米粉含水率亦調整在 13% 。

(=.)擠壓機 三、擠壓產品之機械性狀量測

本實驗所使用之擠壓機，係為泰字實業有 卜)抗壓力 (Comperssibility)

限公司(台北，蘆洲)所生產的實驗型單 說壓力:係指測試標本受壓 1 分鐘，造成

一 39 -47(4 ) : 37 - 53 (1998 ) 農林學報

表 13 x 3 x 3 複因子實驗設計

Table 1 3 x 3 x 3 factoríal experiment

操作參數

碳酸鈣添加比例二氧化矽添加比咧理處

尿素添加比例

nu-a

弓，

-1

UA吋

EJ

ιU呵，'，口δ

仇7nut-7-q

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且

PVA 添加比例

nununu'I11

•. 17-7.

可

-nυnunu1ι1i'-7-7-

弓，-nununu------7

』

7-7-

PVA 添加比例: 0- 10% 1- 20% 2- 30%

碳酸鈣添加比例: 0- 0% 1-0.3% 2-0.6%

二氧化矽添加比例: 0- 0% 1-0.3% 2-0.6% 0- 0% 1-0.3% 2-0 .6%

其中

尿素添加比例:

- 40 一

2mm 之變形的最大力量。抗壓力之測定方

法為:每組隨機取 10 個樣本做 3 重樓，敢

樣長度範圍在 50mm - 60mm '以

INSTRON 4464 型物性試驗機，配合使用

直徑 3.5cm 之圓形平面探頭 (adaptor) 施

壓於樣本，並以荷重速率 30mm/min 使

樣本產生 2mm 之變形，維持 l 分鐘時間，

記錄此時最大之受力 (Altieri and

Lacourse , 1990; Bhatnagar e t. al , 1995

:雷 ， 19n) 。

(=.l彈性指數 (Spring index)

係指當一物質在被施力至某一程直後，再

將該施力去除降至零時，該物質恢復至其

原先之形狀之比值。彈性指數之測定方法

為以 INSTRON 4464 型物性試驗機，隨

機取樣 10 個作 3 重複加以測定。鶴試樣本

長度約 50mm' 以直徑 3.5cm 之圓形平面

探頭施壓於樣本，並以荷重速率 30mm/

min 使樣本產生 2mm 之變形。分別記錄第

一次壓縮樣本產生 2mm 變形之力量 (F 1) ,

以及鬆她一分鐘後再度壓縮此樣本產生

2mm 變形之力量 (F2) , F2/Fl 即為彈性

指數。若為一理想彈性體，其彈性指數值

應為 1 '此數值接近 l 代表一個物料真有

比較好的彈性特徵或復原力，亦即適合作

為緩衝材料 (Altieri and Lacourse , 1990;

Bhatnagar et al.， 1995 雷， 1997)

日楊氏模數 (Young 、 s modulus)

應力(受外力時內部感應之力)與應變

(物料受外力作用單位長度變化量)成正

此，其比值稱為楊氏摸數。楊氏模數的棚

定方法為每組 隱機取 10 個樣本以

INSTRON 4464 型物性試驗機，使用直徑

4 . 76mm 之圓形探頭施壓於樣本，其荷重

速率為 1.3mm/min '繪出應力 一應變圈 ，

將所得之圖形數據，利用線性迴歸分析，

添加物及原料配方封擠壓緩銜產品機械特性之研究

找出一次線性關係之斜率，則斜率即可表

示楊氏模數 (Wang et al.， 1995) 。

四、資料分析及統計

將實驗量測研得之各項數據資料利用統

計分析軟體 (Statistical analysis system;

SAS) 加以分析。以變異數分析 (Analysis of

variance; ANOV A) ，分別就不同的添加物

種額(碳酸鈣、二氧化矽、尿素)探討不同

的加工參數(聚乙埔醇在餌料玉米粉之比

例、添加物種類)對擠壓產品之機械性狀

(彈性指數、抗壓性能、楊氏模數)之影

響。

結呆與討論

一、添加物為聽酸甜

(一)抗壓力

抗壓力之測定值代表被測物品的壓縮度，

比較堅硬的物品，抗壓力的測定值較高;

反之，抗壓力瀾定值較低，樣本則為比較

柔軟、富有彈性(雷， 1997; Bhatnagar

et al., 1995 )。對包裝緩衝材料而言，抗

壓力較大，吸收外衝擊所產生能量的能力

較差:皮之，抗壓力小的物質，無法承受

長時間的巨大負荷，但對於吸收外來衝擊

所產生能量的效果較佳。

由表 2 得知， PVA 與敵酸鈣添加的比伊j皆

對產品之抗壓力有極顯著差異。 PVA 添加

比例與碳酸鈣添加比例間對擠壓產品抗壓

力有顯著交互作用。

由表 3 顯示，擠壓產品抗壓力隨 PVA 添加

比例提高而顯著增加 。 PVA 添加比例為

10% 時，抗壓力為 8.02N '添加比例增加

為 20% 及 30% 時， 抗壓力提高至 64.4 1N

及 75.66N '有很明顯的差異。 PVA 添加

比例對抗壓力產生正相關的趨勢，可能是

農林學報 47(4 ) : 37 - 53 (1 998) 咀EA

AUτ

表 2 添加物為碳酸鈣時，操作參數對擠壓產品機械特性之雙方分析

Table 2. The analysis of variance of process variables to extrudate ‘ s mechanical properties under the additiver was calcium carbonate.

加工參數抗壓力 彈性指數 楊氏模數

Pr>F 顯著性 Pr>F 顯著性 Pr>F 顯著性

PVA 上上例 (PP) 0.0001 ** 0.0001 ** 0.0001 ** 碳酸鈣比例 (CP) 0.0001 ** 0.0001 ** 0.0001 **

PP x CP 0.0001 ** 0.0537 NS 。 0001 **

表 3 添加物為碳酸鈣時， PVA 添加比例對擠壓產品機械特性之影響

Table 3. The effects of PV A ratio on the mechanical properties of extrudates under the

addi ti ve was calci um carbonate.

PVA 添加比例 抗壓力

(%) (N)

10 8.02" 20 64.71 b

30 75.66"

彈性指數 楊氏模數

0.859 b

0.863 b

0.902"

0.500" 0.393 訕

。.057 b

表 4 碳酸鈣添加比例對擠壓產品機械特性之影響

Table 4. The effects of calcium carbonate ratio on the mechanical properties of extrudates.

PVA 添加比例 抗壓力彈性指數 楊氏模數

(%) (N)

。 。 28.94ι 。852 " 0.544" 0.3 40.95 b 0.874 b 0.199b

0.6 78.20" 0.898" 0.158 b

因為 PVA 添加比例少，所產生的產品質地

比較酥脆，當添加 PVA 比例增加時，加上

原料中添加的添加物，產生接枝 (grafting)

的作用造成擠壓產品質地蠻的比較密實堅

硬，因此提高了產品的抗壓力。由表 5 得

知， PVA 添加比例增加對產品假密度有增

加趨勢，即表示添加 PVA 比例增加會造成

單位體積質量的增加，使產品組織密實 。

由表 4 顯示 ，擠壓產品之抗壓力隨碳酸鈣

添加比例增加而顯著提高。碳酸鈣由完全

不添加提昇至添加 0.6% 碳酸鈣時，抗壓力

從 28.94N 提昇至 78.20N 0 推測原因可能

是因為，添加碳酸鈣後，使產品的氣孔變

小，變的比較密賞。 Bhalnagar and

Hanna (1995) 擠壓利用激粉為基材的原

料，添加各種不同的添加物，結果顯示，

添加碳酸鈣的實驗處理，所產生的孔隙經

過 SEM 觀察，相當均勻且細小，經過抗壓

力測試，抗壓力為 340kPa 及 229kPa '

相當適合作為緩衝材料。

- 42 一

(斗彈性指數

彈性指數係指當一物質在被施力至某一程

度後，再將該施力去除降至零時，該物質

恢復至其原先之形狀之比值，若為理想彈

性體，其彈性指數值應該為 1 。

由表 2 得知， PVA 添加比例及眼酸鈣添加

比例對產品之彈性指數有極顯著差異。但

PVA 添加比例與碳酸鈣添加比例對擠壓

產品彈性指數無顯著交互作用。

由表 3 顯示. PVA 添加比例為 10% 上升

至 20% 峙，彈性指數不具顯著差異。當

PVA 添加比例由 10% 升至 30% 或由 20%

升至 30% 時，彈性指數具有顯著差異。根

據 Bhatnagar and Hanna (1 995) 所做研

究指出，擠壓產品之彈性指數在 0.88 到

0.92 之間，他們認為已經相當適合作為包

裝緩衝材料，本研究當添加 PVA 比例增加

至 30% 時，彈性指數 (0.898) 已經達到包

裝緩衝材料的要求。 PVA 添加比例增加，

使 PVA 本身的機械性質更真影響力，使產

品的彈性指數增加(雷， 1997 )

由表 4 顯示，碳酸鈣添加比例的增加，產

品彈性指數也呈現顯著地增加趨勢。碳酸

鈣在擠壓的過程中，可能因為加熱而分解

為氧化鈣及二氧化膜，二氧化眼氣體幫助

產品產生完整的膨發，氧化鈣等物質可協

助增強產品中澱粉所產生的架構，囡而使

產品的彈性指數隨碳酸鈣添加比例增加而

有增加的趨勢。王(1993) 利用聚丙埔添加

碳酸鈣對學螺桿押出機內混合效果之研究

結果顯示，當碳酸鈣顆粒均勻分散峙，對

產品之機械性質表現較佳。

白楊氏模數

輝、力(受外力時內 部感應之力)與應數

(物料受外力作用後單位長度變化量)成

正比，其比值稱揖楊氏模數。隨機敢一般

添加物及原料配方對擠壓緩銜產品機械特性之研究

市面上的緩衝包裝材料，外觀形狀為星

形，體積則呈現如飛碟一般，中間高，四

周比較低的形狀，此材料經過楊氏模數測

試所得之結果如圖 1 所示。橫軸為應變，

單位是 mm '縱軸為應力，單位為 Mpa 0

所得圖形線性部份的斜軍事，即為楊氏模

數。理論上，一個的楊氏模數圓形應該為

線性圓形，本圓形在 4mm 左右會出現降伏

點 (yie1d point) ，主要是因為隨機取樣之

緩衝包裝材料形狀的問題，除此之外，此

外緩衝包裝材料不能承受測試，而產生表

面破裂的現象，也是造成降伏點的原因之

一。擷敢圓形 l 上的線性部份，求得其斜

率值為 0.245 '即楊氏模數約為 0.245 。

理論上，如果為一理想彈性，圖形不會有

降伏點，圖形不會產生破裂、永久變形等

狀況，同時當探針開始回至原點時，產品

的回復狀態良好，會一直保持與探頭接

觸，有力量的記錄，在 Omm 時應力才會回

復至零，探頭與被測物體此時才完全分

離，故記錄應力一應變圖形所繪兩條直線

應該完全重合成一直線。

觀察圖 1 '我們將產品施壓力與釋放力的

圖形同時表現在圖形上，施力圖為圖形較

上面的一條，當下壓到達 5mm 後，探針開

始上升回到原點，此時間始記錄釋放力，

在此一過程中，圓形約在 2mm 左右受的應

力為零，如上所述，即產品約在 2mm 左右

與探針分離，使兩條直線無法重合。

由表 2 顯示， PVA 與碳酸鈣添加的比例對

產品之楊氏模數皆有極顯著差異。同時

PVA 添加比例與碳酸鈣添加比例對擠壓產

品楊氏模數有顯著交互作用。

由表 3 顯示，當 PVA 添加比例為 10% 及

20% 時，產品之楊氏模數無顯差異。但

PVA 添加比例由 10% 提高至 30% '或由

一 43 一47(4) : 37 - 53 11998) 農林學報

0.7

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O.L

0.3

0.2

內U

。φ 手(泊的心』∞∞)去豈 。

。 8。 70.6 n 汽0.4 0.3 0.2 i nu

。應變( Strain )

圖 i 市面包裝緩衝材料之楊氏摸數

Fig 1. The Young's modulus of loose-fill pcaking materÌal

/

7

1.5

(2♂υ'二的)Îl 于\

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國0.5

( Strain )

圖 2 PVA 添加比例 30% 、碳酸鈣添加比們 0.6% 之楊氏模數屬

Fig 2. The Young's modulus extrudates at 30% PVA , 0.6% calcium carbonate

應變

44

20% 提高至 30% 時，楊氏模數即有顯著降

低的現象。特別適當添加 PVA 的比例增加

至 30% 時，楊氏模數降至 0.104 '比之前

所使用的市面包裝緩衝材料所得楊氏模數

之值還低，楊氏模數值越低，表示應力一

應變圍的斜率越小，斜率越小，表示產品

受力下壓後，所產生的反應力越小，越能

將所受力量吸收:反之，如果楊氏模數值

越大，代表產品的吸收能量的效果越差，

受有後反映出來的值越大。 PVA 為塑膠原

料， PVA 添加比例的增加，有助於產品的

機械特性的加強。圖 2 為添加 20%PVA 與

添加碳酸鈣 0.3% 時的圖形，圖形在 3mm

左右產生降伏點， 3mm 之後所產生的斜*

與 3mm 以前所產生的斜率已經有所差異，

即表示此產品的承受變形量約只能維持至

3mm 左右，之後便產生變形破裂的狀態，

與探針分離，這顯示擠壓產品的表面被刺

穿，所能承受的應變已經造成產品的敬碎

現象。

由表 4 觀察得知，楊氏模數隨著添加物添

加比例增加，楊氏模數有顯著差異存在。

不添加碳酸鈣峙，產品的楊氏模數值較

大，因為產品所含澱粉較多，產品比較酥

脆，隨著碳酸鈣的添加，眼酸鈣加熱後分

解所產生的二氧化碳'使產品的氣孔組較

為密實，所產生的抗壓力揖高，所以添加

碳酸鈣的量增加，對提高楊氏模數有正面

的影響。

二、添加物為二氧化矽

(一)抗壓力

由表 5 得知. PVA 所添加的比例對產品之

抗壓力有極顯著差異。二氧化矽添加的比

例對產品抗壓力有顯著的差異。 PVA 添加

比例與二氧化矽加比例間對擠壓產品抗壓

力亦有極顯著的交互作用。

添加物及原料自己方對擠壓緩銜產品機械特性之研究

由表 6 所示，擠壓產品抗壓力隨 PVA 添加

比例增加有顯著提高之現象。此現象與添

加碳酸鈣有相同之趨勢(表 5 )。提高

PVA 添加比例，會增加產品的抗壓力，這

顯示飼料玉米粉與 PVA 經過混練加工後，

所生產的產品，當添加物增加時會使產品

結構中的氣孔變小(雷， 1997 ) ，造成產

品結構比較密實，能承受的抗壓力有提昇

作用。

由表 7 顯示，二氧化矽添加比例增加有增

加抗壓力的禮勢，當添加比例為 0% 升至

0.3% '或 0.3% 升至 0.6% 時，產品之抗

壓力並無顯著差異，但當添加二氧化矽的

比例由 0% 升高至 0.6% 時，對產品的抗壓

力有顯著的差異。搬粉與 PM 混合作為主

原料，添加二氧化矽及同時添加二氧化

矽、碳酸鈣，結果顯示單純添加二氧化矽

的抗壓力為 336N '同時添加碳酸鈣及二

氧化矽時，抗壓力提昇為 631N '比起添

加尿素或商品化的抗壓力 105N 及 97N 高

出了許多 (Bhatnagar et al. .1995) 。添加

經過熱處理二氧化矽對改善以異型壓出聚

氯乙矯 (PVA) 門框及窗框，對機械性質

(抗拉及衝擊)之效果最佳 (Fellal泣. S et

al. .1993) 。

(:=)彈性指數

產品之彈性指數應該是越高越好，因為高

的彈性指數表示當產品受力壓縮後，可以

很快的回復原狀，保持最佳的緩衝性能

(曾， 1990 ;雷· 1997 )

自表 5 得知， PVA 添加的比例及二氧化石夕

添加比倒均對產品之彈性指數有極顯著之

差異。但 PVA 添加比例與二氧化矽添加上t

f何對擠壓產品彈性指數無顯著交互作用。

由表 6 得知 ， 添加 PVA 比例為 10% 增加

至 20% 峙，產品之彈性指數並無顯著差

一 45 一

表 5 添加物為二氧化矽時，操作參數對擠壓產品機械特性之變方分析

Table 5. The analysis of variance of process variables to extrudate's mechanical properties under the additiver was silicon dioxide.

加工參數抗壓力 彈性指數 楊氏模數

Pr>F 顯著性 Pr>F 顯著性 Pr>F 顯著性

PVA 比例 (PP) 0.0001 ** 0.0001 ** 0.0002 ** 碳酸鈣比例 (SP) 0.0201 * 0.0001 ** 0.0726 NS

PP x SP 0.0005 ** 0 .436 NS 0.0046 *

表 6 PVA 添加比例對擠壓產品機械特性之影響

Table 6. The effects of PV A ratio on the mechanical propertìes of extrudates under the addi ti ve was silicon dioxide.

PVA 添加比例 抗壓力

(%) (N)

10 8.02C

20 28 .73b

30 44.55"

表 7 碳酸鈣添加比例對擠壓產品機械特性之影響

彈性指數

0.872b

0.877b

0.902"

楊氏模數

0.452" 0.280" 0.054b

Table 7. The effects of silicon dioxide ratìo on the rnechanical properties of extrudates. PVA 添加比例 抗壓力

(%) (N)

0.0 0.3 0 .6

26.63 b

26.93"b

30.75"

異 。 當添加 PVA 比Ø1J 由 10% 升至 30% ' 或 20% 升至 30% 時，產品之彈性指數具

有顯著差異。本研究所得之彈性指數，

PVA 添加比例從 10% 至 30% '彈性指數

維持在 0.872 至 0.902 之闊，根攝 Bhatna­

gar and Hanna (1 995) 所指出，應該也是

屬於適合作為包裝緩衝材料的彈性指數，

此結果與添加碳酸鈣的殼果相同。 PVA 添

加比例增加，同樣會增加產品的機械特性

及彈性，因此，擠壓產品彈性指數會增加

(雷， 1997 )

彈性指數

0.863b

0.889詛

0.900"

楊氏模數

0.286ab

0.324b

0.153b

由表 7 得知，彈性指數隨著二氧化矽添加

比憫的增加有增加的趨勢，當添加 PVA 比

Ø1J盾。%增加至 0.3% '或 0% 增加至 0.6%

時，產品之彈性指數具有顯著差異。可是

當二氧化矽添加比例由 0.3% 升至 0.6%

時，彈性指數並無顯著差異。若以 0.88 至

0.92 的彈心生指數為緩衝材料的標準而

言，由上表之數據顯示，不添加二氧化矽

時彈性指數尚未達到適用標準。若添加二

氧化矽，則隨著添加量的增加彈性指數有

越東越好的趨勢，添加二氧化矽可與 PVA

添加物及厚、料配方封擠壓緩銜產品機械特性之研究- 46

可是當 PVA 添加比例由 10% 升至 30% '

或 20% 升至 30% 時，產品的楊氏模數真

則有顯著差異。與添加碳酸鈣時，同樣的

情形，當 PVA 添加比例增加至 30% 左

右，產品會產生較小的楊氏模數，表示產

品能吸收比較多的能量，緩衝效果較佳。

圖 3 為 PVA 添加比伊~ 30% '二氧化矽添

加比例為 0.6% 時，所繪出的圓形，圖形受

力時所表現的線段相當平滑完整，沒有類

似降伏的現象，表示此緩衝材料能穩定吸

收能量，經過計算，此圖形的楊氏模數為

0.129 ;當探針開始回復原點峙，據針約在

3.5mm 左右與產品分離，顯示，本產品還

是無法承受針狀的施力，表面最後還是產

生破裂的狀態。

由表 7 思示，二氧化矽添加量為 0% 升至

0.3% '或 0% 升至 0.6% 峙，產品之楊氏

模數不真顯著差異。可是當添加二氧化矽

比例由 0.3% 升至 0.6% 時，產品之楊氏模

產生矽氧燒墓，增加機械性能。在利用目

前成長率最高的塑膠之一一聚丙婦 (PP) 做

加工的過程中，添加一些添加物能改善尺

寸欠安定性、熱變形溫度不夠等缺點，但

因為 PP 為非極性物質與某些極性添加物，

在相容性上表現欠佳，導致分散不良，反

而使一些原本有的良好特性也消失了，所

以必項添加一些偶合劑，主要可包括矽燒

額及有機皇太化合物 (Seshan et al., 1985) 。

因之，矽元素在添加物中具有相當的重要

性。

已j楊氏模數

由表 5 知， PVA 添加比例對產品之楊氏模

數有極顯著差異。二氧化矽添加比例對產

品楊氏模數無顯著差異。同時 PVA 添加比

例與二氧化矽添加比例對擠壓產品楊氏模

數有交互作用。

由表 6 得知，當 PVA 添加比例為 10% 升

至 20% 時，產品楊氏摸數並無顯著差異。

0.6

0.5

(泊泊己去)「「尚且

0.4

0.3

0.2

l ) (

。O.盯。.40.35 。.30.25 0.2 0.1 事

i nu 0.05 i nu

應變 (Strain)

圖 3 PVA 添加比例 30% 、二氧化矽添加比例 0.6% 之楊氏模數國

Fig 3. The Young's modulus extrudates at 30% PV A , 0.6% siIicon dioxide

農林學報 47(4 ) : 37 - 53 (1998)

數有顯著差異。推測可能是因為二氧化矽

與 PVA 產生矽氧燒基，在組織中產生較為

有彈性的架構，使產品能吸收較多的能

量，同時能吸收較多的壓力。

三、添加物為尿素

(→抗壓力

由表 8 得知， PVA 添加比例及尿素添加比

例對產品之抗壓力有極顯著差異。 PVA 添

加比例與尿素添加比例對擠壓產品抗壓力

亦有極顯著交互作用。

由表 9 所示， PVA 添加比例為 10% 升至

20% 時，產品之抗壓力並無顯著差異。當

PVA 添加比例由 10% 升至 30% '或 20%

升至 30% 時，對產品之抗壓力有顯著差

異。 PVA 添加比例為 10% 升至 30% '抗

壓力由 8.02N 升至 10 .43N '彼此之間雖

具顯著差異，可能是因為本實驗處理添加

PVA 比例增加，產品真有比較優異的塑膠

特性，使產品的抗壓力增加。

由表 10 顯示，添加尿素的比例由 0% 升至

0.3% 時，對產品之抗壓力並無顯著差異。

當尿素添加比例由 0% 升至 0.6% '或 0.3%

升至 0.6% 時，對產品之抗壓力有顯著差

異。當澱粉與 PM 混合作為主要原料，添

加少量尿素，結果顯示添加尿素的抗壓力

105kPa 比添加眼酸鈣 (209kPa) 或二氧化

矽 (336kPa) 的抗壓力小了許多(Bhatna­

gar et a l.， 1(95) 。

(.::J彈性指數

由表 8 知， PVA 所添加的比例對產品之彈

性指數有顯著差異 。尿素添加的比例對產

品彈性指數有極顯著的差異。 PVA 添君比

例與尿素添加比例對擠壓產品彈性指數有

顯著交互作用。

由表 9 顯示 ，與添加碳酸鈣(表 5 )及二

氧化矽(表 8 )的結果相同， PVA 添加上t

一 47 一

伊j增加對產品的彈性指數有正面的幫助，

原因與前所述相同，添加 PVA 的比例增加

有助於產品的機械特性，對產品之彈性指

數有顯著差異。

由表 10 顯示，添加尿素比例由 0% 增加至

0.3% '或 0% 增加至 0.6% 時，對產品之

彈性指數有顯著差異。當尿素添加比例由

0.3% 增加至 0.6% 時，對產品之彈性指數

並無顯著差異。當尿素添加尿素。%時，

彈性指數為 0.828 '比較不適合作為緩衝

包裝材料，當添加尿素比例提高至 0.3% 及

0.6% 時，彈性指數提高至 0.891 及 0.912

，彈性指數已經可以達到緩衝包裝材料的

範圈，這顯示尿素的添加對由產品的彈性

指數有相當的提昇作用。

q楊氏模數

由表 8 得知， PVA 所添加的比例對產品之

楊氏模數有顯著差異。尿素添加的比例對

產品楊氏摸數無顯著的差異。 PVA 添加比

例與尿素添加比例對擠壓產品楊氏模數並

無交互作用。

由表 9 觀察得知， PVA 添加比例由 10%

升至 20% 、 30% 時，對產品之楊氏模數

有顯著差異。當 PVA 添加比例由 20% 升

至 30% 時，對產品之楊氏模數並無顯著差

異。如同前兩項添加物所得結果相額似，

楊氏模數會隨著 PVA 添加比例增加而變

小，同樣的是在添加比例 30% '楊氏模數

的值最小，發生原因應該與前兩者所述雷

同。觀察圖 4 可發現添加 PVA 比例為 30

%'尿素添加比例為 0.6% 時，所繪出的

楊氏模數圖形相當的平滑完整，楊氏模數

為 0.073 ·楊氏模數值相當小，顯示產品

應該相當柔軟，有彈性 ，但是因為探針的

刺穿，使得產品在釋放力量時，約在 3mm

離開探針。

~是8 添加物及厚、料配方對擠壓緩街產品機械特性之研究

表 8 揖作參數對擠壓產品機械特性之變方分析

Table 8. The analysis of variance of process variables to extrudate's mechanical properties under the additiver was calcium carbonate.

加工參數抗壓力 彈性指數 楊氏模數

Pr>F 顯著性 Pr>F 顯著性 Pr>F 顯著性

PVA 上仁伊rr (PP) 0.0001 ** 0.0012 * 0.0018 ** 碳酸鈣比伊rr (NP) 0.0001 ** 0.0001 ** 0.0645 NS

PP x NP 0.0001 ** 0.0093 ** 0.1582 NS

表 9 PVA 添加比例對擠壓產品機械特性之影響

Table 9. The effects of PVA ratio on the mechanical properties of extrudates under the additive was calcium carbonate.

PVA 添加比例 抗壓力

(%) (N)

10 8.02 b

20 8.36b

30 10.43a

表 10 尿素添加比例對擠壓產品機械特性之影響

彈性指數

0.867b

0.860b

0.902"

楊氏模數

0.116a

0.082b

o.onb

Table 10. The effects of urea ratio on the mechanical properties of extrudates. PVA 添加比例 抗壓力

(0/0) (N)

。 。0.3 0.6

四、綜合比較

7.67 b

7.15 b

12.00"

由表 11 觀察，添加物種類(碳酸鈣、尿

素、二氧化矽)對擠壓產品機械性狀(抗壓

力、彈性指數、楊氏模數)的影響。就抗壓

力而言，添加眼酸鈣所能承受的抗壓力最

大，可達到 70.03N '其次是二氧化矽，能承

受 38 .49N '添加尿素能承受之力最小為

9.33N 的壓力。各種不同的添加物對產品之

抗壓力有顯著差異。 就彈性指數而言，添加

物種頓對產品的彈性{系數不具顯著差異，彈

性指數在 0.861 至 0.875 的範置之間，相當

彈性指數

0.828b

0.89 1" 0.912a

楊氏模數

0.097a

0.084b

0.089ab

接近緩衝包裝材料的 0.88 至 0.92 的範圈，

值得注意的是綜合抗壓力與彈性指數觀察，

碳酸鈣、二氧化矽及尿素所表現的抗壓力有

相當大的差距，至少都有兩倍左右的差距，

顯示產品的組織結構的堅實程度有相當大的

差異。添加尿素的擠壓產品，膨發效果良

好，但缺點是因為膨發的比較好，產品氣孔

較大，產品的比較柔軟 、有彈性，產品結構

所能承受的抗壓力相對的會減小，但彈性指

數並不因此下降。添加碳酸鈣的擠壓產品比

較密實，膨發效果較差，卻能有較佳的抗壓

一 49 一47(4) : 37 - 53 (1998) 農林學報

0.3

0.05

0.2

0.15

0.25

0.1

(叮叮υ」}的)r-、......,_

這j

。016 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

-0.05

應變 (Strain)

圍 4 PVA 添加比例 30% 、尿素添加比例 0.6% 之楊氏模數圖

Fig 4. The Young's modulus extrudates at 30% PVA. 0.6% urea.

PVA 添君比例由 20% 升至 30% 時，對產品

之楊氏模數不具顯著差異。由表 14 得知，

PVA 添加比例增加，對產品之楊氏模數有下

降的趨勢。

由表 13 顯示，隨著添加物添加比例的增

加，抗壓力有下降的趨勢。添加物添加比例

為 0% 升至 0.3% 、 0.6% 時，對產品之抗壓

力有顯著差異。當添加物添加比例由 0.3% 升

至 0.6% 峙，對產品之抗壓力亦具有顯著差

異。就彈性指數而言，添加物添加比例由 0%

增加至 0.3% 、 0.6% 時，真有顯著差異，可

是當添加物添加比例由 0.3% 增加至 0.6%

峙，對產品之彈性指數無顯著差異，彈性指

數維持在 0.86 左右。

由上述之機械性狀的探討結果發現，以

增加抗壓力而言，可以考慮添加碳酸鈣，添

加 PVA 比例為 10% '跟酸鈣添加比例為

0.3% 時，會有最佳的效果。但相對的產品的

硬度將會提高。如果希望包裝緩衝材料的特

性趨向柔軟、富彈性， 應該可以考慮時添加

30% 左右的 PVA 及 0.6% 左右的尿素，經

力，彈性指數也能維持在 0.86 左右，綜合抗

壓力與彈性指數，才能將所得之擠壓產品的

機械特性比較完整性的描述，依據所需要的

緩衝殼果，選擇一值比較適當的緩衝材料。

由表 13 得知，添加碳酸鈣及二氧化矽所得產

品之楊氏模數不真顯著差異，但兩者協與添

加尿素的產品有顯著差異。楊氏模數越大代

表產品越堅硬，反之，楊氏模數越小，代表

產品越柔軟、越有彈性，由此可知，添加尿

素的產品應該比較柔軟有彈性，較適合作為

某種包裝緩衝材料。

由表 12 顯示， PVA 添加比例由 10% 升

至 20% 、 30% 時，對產品之抗壓力真有顯

著差異。當添加比例由 20% 升至 30% 時，

對產品之抗壓力則不具顯著差異。而 PVA 添

加比例對彈性指數具有顯著差異， PVA 添加

比例越高，彈性指數也會越高，當添加比例

增加至 30% 時，彈性指數可達 0.899 '相當

適合作為緩衝包裝材料。就楊氏模數而言，

PVA 添加比例由 10% 增加至 20% 、 30%

時，對產品之楊氏模數具有顯著差異，當

nu wb

表 11 添加物種頓對擠壓產品機械特性之影響

添加物及厚、料配方對擠壓緩銜產品機械特，注之研究

添加物種類

Table 11. The effects of different additives on extrudate' s mechanical properties. 抗壓力 彈性指數

(N) (N/N) 楊氏模數

碳酸鈣

二氧化矽

尿素

70.03" 38 .49b

9.33ι

0.861 " 0.875“ 0.864位

0 .402a

0.324a

0.106C

上標相同之英文字母代表平均數不具顯著差異 (P>0.05) 。

表 12 PVA 添加上tØU對擠壓產品機械性狀之影響

Table 12. The effects of PV A ratio on extrudates mechanical properties.

PVA 添加比 øu 抗壓力 彈性指數

(%) (N) (N/N) 楊氏模數

10 20 30

57.50a

33.29 b

27.07 b

0.827C

0.857b

0.899"

0.473a

0.295 b

0.192b

上標相同之英文字母代表平均數不具顯著差異 (P>0.05) 。

表 13 添加物添加比例對擠壓產品機械性狀之影響

Table 13. The effects of urea ratio on the mechanical properties of eλtrudates

PVA 添加比例 抗壓力 彈性指數

(%) (N) (N/N) 楊氏模數

。0.3 0.6

50.70" 44.79 b

33.79C

0.854b

0.866" 0.867a

0.445" 0.328b

0.278 b

上標相同之英文字母代表平均數不具顯著差異 (P>0.05) 。

過分析應該是比較柔軟、吸收外來能量較多

的產品。就機械性狀而言，添加不同比例與

不同種額之添加物，所製造之產品特性差異

性大，應該依攝產品特性，考慮所使用的原

料組合。例如，所需要的包裝緩衝材料是放

置在包裝箱底部的發泡體，此種緩衝材料便

不適用於太柔軟的產品，自為包裝緩衝材料

會受到被包裝物的重力作用，反而應該考慮

抗壓力較大的產品會較適當。如果緩衝材料

是希望放置在包裝箱四周，防止被包裝物的

移動及碰撞，應該考慮製造比較柔軟、有彈

性的產品。

￡去 τ1'à、.'口問呵

本研究以飼料玉米粉及聚乙埔醇 (PVA)

為主原料，添加碳酸鈣 、尿素及二氧化矽，

依添加物種額共分三種， 每組均為 3 x 3 複

園子設計。分別探討加工數(聚乙:插醇在飼

料玉米粉之比例、添加物添加比例)對擠壓

產品之機械性狀(彈性指數、抗壓性能、楊

氏模數)之影響，可得以下結論:

農林學報 47(4) : 37 - 53 (998)

(一)添加碳酸鈣的 3 x 3 棲因子實驗設計結果

顯示， PVA 添加比例及碳酸鈣添加比例對

產品的機械性狀影響較大。 PVA 添加比伊j

應該維持在 30% '添加碳酸鈣的比例維持

在 0.69毛，可以得到較好之包裝緩衝產品。

(二)添加二氧化矽的 3 x 3 複囡于實驗設計結

果顯示， PVA 添加比例為 30% 時，添加

二氧化矽的添加量為 0.6% 時，對產品的機

械特性影響顯著。

臼添加尿素的 3 x 3 複因子實驗設計結果顯

示，與前兩種添加物的特性相額似，在添

旬，••

5

加 PVA 30% '尿素為 0.6% 峙，所得產

品機械特性最佳。

四經過綜合比較的結果顯示，若以機械特性

為考量，添加碳酸鈣及二氧化矽的產品，

能承受的抗壓性能較高，但彈性較差。添

加尿素的產品，抗壓力較小，但真有質地

較柔軟，有較佳的緩衝效果。因之，就機

械性狀而言，應該視產品的需要，選擇添

加物的種類，及 PVA 添加的比例，配合添

加物的比例，才能生產所需要的包裝緩衝

材料。

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nL ZU 添加物及房、料配方對擠壓j緩銜產品機械特性之研究

The Study of Additives and Feed Composition on Mechanical Properties of Loose-fill Extrudates

Jinchyau peng l)

Shijie HSia03)

7-1/ e4. en LU hr ee qd '.、-

huhu ch

(Accepted for publication: Sep. 16 , 1998)

Summary

The feed corn and polyvinyl alcohot (PV A) was used as the main ingredient in this study.

The different additives such as calcium carbonate, si1icon dioxide and urea were also used. The

experiment was 3 x 3 x 3 factorial design. The effects of process variables (the ration of PVA

to corn grit and the ratio of additives) on extrudate's mechanical properties (compressiblity , spring index , young's modulusl were investigated.

Experimental results indicated that:

1. The 3 X 3 factorial design of adding calcium carbonate showed that PVA ratio at 30% , calcium carbonate ratio at 60% had signifiacnt effect on the physical and mechanical

properties.

2. The 3 X 3 factorial design of adding silicon dioxide showed that PV A ratio at 30% and silicon

dioxide ratio at 0.6% provided the positive correlation with the mechanical characteristics.

3. The 3 X 3 Factorial design of adding urea showed that PVA ratio at 30% , urea ratio at of

0.6% resulted better mechanical properties.

4. The extrudates of adding calcium carbonate or silicon dioxide had higher compressiblity , but lower spring index than adding urea. The extrudates of adding urea had the higher

spring index than the others and better crushing effects.

Abstract

The feed corn and polyvinyl alcohol (PVA) was used as the main ingredient in this study.

The different additives such as calcium carbonate, silicon dìoxide and urea were also used.

Three separate 3 X 3 experiments were design. The effects of process variables (the ratio of

PVA to corn grit and the ratio of additives) on extrudate's mechanical properties (compressib­

li句， spring index , Young's modulus) and biodegradable property were investigated.

Experimental results indicated that: the 3 X 3 factorial design of adding calcium carbonate

showed that PV A ratio at 30% , cal cium carbonate ratio at 0.6% had an effect on the physical

農林學報 47(4) : 37 - 53 (1 998) 一 53 一

and mechanical properties. The 3 x 3 factorial design of adding silicon dioxide showed that PV A

ratio at 30% and silicon dioxide ratio at 0.6% provided the positive correlation with the mechan­

ical charaderistics. The 3 X 3 factorial design of adding urea showed that PVA ratio at 30% ,

urea, ratio at of 0.6%resulted better mechanical properties.

Key Words Feed cron, polyvinyl alcohol, calcium carbonate, silicon dioxide, urea, mechanical properitìes

1) Professor, Dept. of Agrìcultural machìnery Engìneering, National Chung-Hsìng Universìty.

2) Former Graduate Student , Dept. of Agricultural Machìnery Engineering, National

Chung-Hsing University.

3) Former Graduate Student, Dept. of Agricultural Machinery Engineering, National

Chung-Hsing University.

4) Former Graduate Student, Dept. of Agricultural Machinery Engineering, National

Chung-Hsing University.