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研究生:魏開舜
研究生(外文):Wei Kai Shuen
論文名稱:原料配方對擠壓緩衝產品理化機械及生物分解特性之影響
論文名稱(外文):Effects of Feed Compositions on Physical, Chemical, Mechanical Properties and Biodegradability of Cushioning Extrudates
指導教授:彭錦樵彭錦樵引用關係
指導教授(外文):Peng Jinchyau
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:農業機械工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:181
中文關鍵詞:擠壓緩衝材料原料配方
外文關鍵詞:extrusioncushioning materialfeed composition
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本研究是以食用玉米粉為主原料,PVA為副原料並添加不同之添加物,利用擠壓技術來開發包裝緩衝材料。實驗共分兩大組進行,一組添加碳酸鈣,另外一組添加滑石粉。實驗之操作參數包括PVA與添加物之添加比例。研究目的為探討操作參數對產品之物理性狀(膨發直徑、徑向膨發率、軸向膨發與假密度)、化學特性(水溶性指標與吸水性指標)、機械性狀(壓縮性、彈性指數、每週期吸收能量、總吸收能量)之影響,並利用反應曲面法找出最適之原料配方。同時,利用最適原料配方條件下之擠壓產品,做生物分解性之實驗,以瞭解本研究擠壓產品之生物分解特性。
碳酸鈣組之實驗結果顯示:
1. 增加PVA添加比例會使產品膨發直徑與徑向膨發率有先下降後上升之趨勢,並使產品軸向膨發有先上升後下降之趨勢。當PVA與碳酸鈣有交互影響時,在較低碳酸鈣添加比例下,增加PVA添加比例會使產品之假密度與壓縮性下降;而在較高碳酸鈣添加比例下,增加PVA添加比例會使產品之壓縮性有先上升後趨緩之趨勢,但對假密度則無顯著影響。另PVA添加比例與產品吸水性指標及彈性指數成正相關,而與水溶性指標成負相關。
2. 增加碳酸鈣添加比例會使產品膨發直徑與徑向膨發率有先下降後趨緩之趨勢。當碳酸鈣與PVA有交互影響時,在較低PVA添加比例下,增加碳酸鈣添加比例會使產品假密度與壓縮性下降;但在較高PVA添加比例下,增加碳酸鈣添加比例會使產品假密度與壓縮性升高。另碳酸鈣添加比例與產品之軸向膨發、水溶性與彈性指數成正相關,而與吸水性指標成負相關。
3. 產品每週期吸收能量同時受到施力範圍與探頭速率之影響;總吸收能量僅受到施力範圍之影響。
4. 經由反應曲面法求得滿足徑向膨發率>3.0(mm/mm);假密度<0.09(g/cm3);壓縮性<42(N);彈性指數>0.89(N/N)之擠壓緩衝產品之最適原料配方為:食用玉米粉59%,PVA 36%,碳酸鈣5%。
5. 以最適原料配方生產之擠壓緩衝產品,其生物分解率達47.3%。
滑石粉組之實驗結果顯示:
1. 增加PVA添加比例會使產品假密度有先下降後趨緩之趨勢,並使產品水溶性指標有先上升後下降之趨勢。當PVA與滑石粉有交互影響時,在較低滑石粉添加比例下,增加PVA添加比例會使產品之吸水性指標與彈性指數降低,而在較高滑石粉添加比例下,增加PVA添加比例會使產品之吸水性指標與彈性指數升高。另PVA添加比例與產品之軸向膨發成正相關,與壓縮性成負相關,但對膨發直徑與徑向膨發率不具顯著影響。
2. 增加滑石粉添加比例會使產品之膨發直徑與徑向膨發率先下降後趨緩;且使水溶性先升高後趨緩而後略下降;並使壓縮性有先持平後下降之趨勢。當滑石粉與PVA有交互影響時,在較低PVA添加比例下,增加滑石粉添加比例將使產品吸水性指標與彈性指數降低;而在較高PVA添加比例下,增加滑石粉添加比例將使吸水性指標與彈性指數升高。另滑石粉添加比例與產品之軸向膨發成正比,但對假密度無顯著影響。
3. 產品每週期吸收能量與總吸收能量同時受到施力範圍與探頭速率之影響。
4. 經由反應曲面法求得滿足徑向膨發率>2.95(mm/mm);假密度<0.12(g/cm3);壓縮性<62(N);彈性指數>0.89(N/N)之擠壓緩衝產品之最適原料配方為:食用玉米粉64%,PVA 32%,滑石粉4%。
5. 以最適原料配方生產之擠壓緩衝產品,其生物分解率達48.9%。
The corn grit and polyvinyl alcohol (PVA) were used as the major and minor raw materials, and two ingredients (CaCO3, Talc powder) were added separately in the raw material as additives to produce two kinds of loose-fill extrudates with a single-screw extruder. The response surface methodology (RSM) was used to investigate the effects of process variables (the ratios of PVA and the additives) on extrudate’s physical properties (expansion diameter, radial expansion ratio, longitudinal expansion, and bulk density), chemical properties (water solubility index and water absorption index) and mechanical properties (compressibility, spring index, energy absorption of each cycle and total energy absorption). The optimum feed compositions were found according to the information gathered. And the biodegradability of the extrudate produced using the optimum feed composition was also determined.
The results in the experiment using CaCO3 as additive showed that:
1. Increasing PVA ratio would first decrease then increase the extrudate’s expansion diameter and radial expansion ratio, and first increase then decrease the extrudate’s longitudinal expansion. When PVA interacted with CaCO3, at a lower CaCO3 ratio, increasing PVA ratio would decrease extrudate’s bulk density and compressibility; and at a higher CaCO3 ratio, increasing PVA ratio would increase extrudate’s compressibility, but didn’t have influence on bulk density. PVA ratio had a positive correlation with the extrudate’s water absorption index and spring index, and a negative correlation with water solubility index.
2. Increasing CaCO3 ratio would decrease extrudate’s expansion diameter and radial expansion ratio. When CaCO3 interacted with PVA, at a lower PVA ratio, increasing CaCO3 ratio would decrease extrudate’s bulk density and compressibility; and at a higher PVA ratio, increasing CaCO3 ratio would increase extrudate’s bulk density and compressibility. CaCO3 ratio had a positive correlation with the extrudate’s longitudinal expansion, water solubility index and spring index, and a negative correlation with water absorption index.
3. Extrudate’s energy absorption of each cycle was influenced by adaptor’s load and speed, but its total energy absorption was only influenced by adaptor’s load.
4. The optimum feed composition found using response surface methodology was 59% corn grit, 36% PVA and 5% CaCO3 .
5. The biodegradability of the extrudate produced with the optimum feed composition was 47.3%.
The results in the experiment using Talc powder as additive showed that:
1. Increasing PVA ratio would decrease extrudate’s bulk density and first increase then decrease extrudate’s water solubility index. When PVA interacted with Talc powder, at a lower Talc powder ratio, increasing PVA ratio would decrease extrudate’s water absorption index and spring index; and at a higher Talc powder ratio, increasing PVA ratio would increase extrudate’s water absorption index and spring index. PVA ratio had a positive correlation with longitudinal expansion, and a negative correlation with compressibility, but had no influence on extrudate’s expansion diameter and radial expansion ratio.
2. Increasing Talc powder ratio would decrease extrudate’s expansion diameter, radial expansion ratio and compressibility. When Talc powder interacted with PVA, at a lower PVA ratio, increasing Talc powder ratio would decrease extrudate’s water absorption index and spring index; and at a higher PVA ratio, increasing Talc powder ratio would increase extrudate’s water absorption index and spring index. Talc powder ratio had a positive correlation with extrudate’s longitudinal expansion, but had no influence on bulk density.
3. Extrudate’s energy absorption of each cycle and total energy absorption were influenced by both adaptor’s load and speed.
4. The optimum feed composition found using response surface methodology was 64% corn grit, 32% PVA and 4% Talc powder.
5. The biodegradability of the extrudate produced with the optimum feed composition was 48.9%.
壹、緒論 ………………………………………………………1
1.1前言……………………………………………………2
1.2 研究目的………………………………………………3
貳、文獻探討 …………………………………………………3
2.1擠壓技術… ……………………………………………3
2.1.1擠壓技術簡介 ……………………………………3
2.1.2擠壓技術之演進發展 ……………………………5
2.1.3擠壓技術的優點 …………………………………6
2.2擠壓機介紹 ……………………………………………6
2.2.1擠壓機之基本構造 ………………………………8
2.2.2擠壓機之操作參數 ………………………………8
2.2.2.1原料組成配方………………………………11
2.2.2.2套筒溫度……………………………………12
2.2.2.3原料含水率…………………………………13
2.2.2.4螺軸轉速……………………………………14
2.2.2.5進料速率……………………………………15
2.2.2.6螺軸幾何形狀及組成………………………15
2.3可分解性塑膠…………………………………………15
2.3.1可分解性塑膠之定義……………………………15
2.3.2可分解性塑膠之種類……………………………16
2.3.3可分解性塑膠之分析方法………………………17
2.3.4可分解性塑膠之應用範圍………………………18
2.3.5可分解性塑膠之優點……………………………18
2.3.6可分解性塑膠之發展趨勢………………………19
2.4緩衝材料………………………………………………19
2.4.1緩衝材料的意義與功能…………………………19
2.4.1.1緩衝材料的意義……………………………19
2.4.1.2緩衝材料的功能……………………………21
2.4.2緩衝材料的種類…………………………………21
2.5聚乙烯醇………………………………………………22
2.6添加物…………………………………………………23
2.6.1添加物簡介………………………………………23
2.6.2添加物種類………………………………………23
2.6.3本研究所使用之添加物…………………………24
2.6.3.1碳酸鈣………………………………………24
2.6.3.2滑石粉………………………………………25
2.7環保標章簡介…………………………………………25
2.7.1環保標章之緣起…………………………………25
2.7.2推動環保標章之目的……………………………26
2.8生物可分解塑膠之環保標章規格標準………………26
參、材料與方法………………………………………………29
3.1實驗材料與設備………………………………………29
3.1.1實驗材料…………………………………………29
3.1.2實驗設備…………………………………………29
3.2實驗設計………………………………………………31
3.3測試項目及分析方法…………………………………37
3.3.1擠壓產品之物理性狀量測………………………37
3.3.1.1產品膨發特性………………………………37
3.3.1.2產品假密度…………………………………38
3.3.2擠壓產品之化學性狀量測………………………38
3.3.2.1水溶性指標及吸水性指標…………………38
3.3.3擠壓產品之機械性狀量測………………………39
3.3.3.1壓縮性………………………………………39
3.3.3.2彈性指數……………………………………39
3.3.3.3每周期吸收能量……………………………40
3.3.3.4總吸收能量…………………………………41
3.3.4擠壓產品之生物分解性實驗……………………41
3.4資料分析及統計………………………………………42
肆、結果與討論………………………………………………44
4.1添加物為碳酸鈣………………………………………44
4.1.1 產品膨發特性 ……… …………………………44
4.1.1.1 膨發直徑 …………… ……………………44
4.1.1.2 徑向膨發率………………………………50
4.1.1.3 軸向膨發…………………………………56
4.1.2 產品假密度……………………………………62
4.1.3 水溶性指標與吸水性指標……………………67
4.1.3.1水溶性指標………………………………67
4.1.3.2吸水性指標………………………………73
4.1.4 產品壓縮性……………………………………77
4.1.5 彈性指數………………………………………84
4.1.6 每週期吸收能量………………………………90
4.1.7 總吸收能量……………………………………95
4.1.8各反應性狀間之相關性分析…………………97
4.1.9最適原料配方比例之選定與評估……………100
4.2添加物為滑石粉……………………………………104
4.2.1 產品膨發特性…………………………………104
4.2.1.1 膨發直徑…………………………………104
4.2.1.2 徑向膨發率………………………………109
4.2.1.3 軸向膨發…………………………………113
4.2.2 產品假密度……………………………………117
4.2.3 水溶性指標與吸水性指標……………………125
4.2.3.1水溶性指標………………………………125
4.2.3.2吸水性指標………………………………130
4.2.4 產品壓縮性……………………………………136
4.2.5 彈性指數………………………………………142
4.2.6 每週期吸收能量………………………………148
4.2.7 總吸收能量……………………………………152
4.2.8各反應性狀間之相關性分析… ………………152
4.2.9最適原料配方比例之選定與評估… …………157
4.3產品生物分解性……………………………………162
伍、結論 ……………………………………………………166
陸、對今後研究工作之建議 ………………………………171
柒、參考文獻 ………………………………………………173
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