Properties of wood-plastic recycled composites (WPC) made from recycled wood flour and polypropylene
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(3) 謝誌. 研究所兩年光陰，承蒙恩師. 楊德新博士的教導，自實驗設計、課堂報告及. 文字論述均嘔心瀝血的評閱，撿言挑字並給予指正，而學生自恩師身上不只在課 業上有所學習，更習得了處事的方針及做人的態度，感謝老師孜孜不倦的教誨。 一日為師，吾必終身向之學習，永懷感恩，至此，學生再次表達由衷的感謝。 本論文初稿承蒙台灣大學王松永教授、宜蘭大學卓志隆教授以及本系陳載永 教授和吳志鴻教授等師長悉心評閱，提供許多珍貴的建議，使論文更加完善，本 人在此致上誠摯的謝意。 修業期間，感謝本系盧崑宗主任、李文昭教授、吳志鴻教授及沈熙巖老師於 學業及知識上的傳授和解惑;感謝台灣大學黃倬英教授慷慨提供儀器與教導;感謝 木工場張茂榮先生的協助與指導。此外，感謝東霖學長、秋昌學長、家偉學長、 永龍學長、克昌學長、尚哲學長、志憲學長、哲盛學長、毓斌學長、漢民學長、 中譽學長、素玲學姊、瑋玲學姊、瑩瑩學姊於課業上的指導及照顧;感謝智璇、易 琦、振寧、純琍、明桓、翊卉、宗宜、慧宜等同學的幫助與關照;感謝研究室育群、 建銘、玟融、偉成、夆榕、崇煒、雅文、人涵等學弟妹的協助和配合;另外，感謝 系辦公室的麗蓉學姊、翠華、依依、巧鈴於會計與各項事務的指導，感謝各位指 導或關心我的師長、同學和學弟妹們，使我在中興的每一分每一刻，活的真實， 使我至此刻的人生，即有滿滿的回憶。 最後，感謝支持我的家人，在人生路上不斷的付出與陪伴，給予我最好的環 境、最好的機會以及全心的照料，背負了家人的期望，子賢終於完成學業，在此 與你們共同分享這份喜悅。 楊子賢. 謹誌於. 國立中興大學森林學系 中華民國一百零一年八月.
(4) 摘要. 本試驗為探討不同原料組成對木材塑膠複合材(Wood plastic composite, WPC) 物理、機械及耐候性質之影響，在 WPC 之製程上主要使用回收聚丙烯(Recycled polypropylene, RPP)及 SPF（Spruce-Pine-Fir）木粉為原料，再以押出成形方式製成。 其中主要針對不同木粉粒徑大小、添加劑含量及木塑比對 WPC 機械與物理性質影 響加以探討。結果顯示，使用小粒徑之木粉(<125μm)對 WPC 抗拉及抗彎強度的 提升有較佳之效果，且可改變 WPC 之吸水性而減少材料收縮膨潤性。另外耦合劑 (Maleic anhydride polypropylene, MAPP)和潤滑劑(Zinc stearate)的使用在 WPC 中 最適比例皆為 3%，加入適量之耦合劑能增進木材與塑膠之聯結，減少木纖維暴露 於塑膠基質表面，可有效增進 WPC 之機械性質和其尺寸安定性，但過量使用耦合 劑和潤滑劑則會降低其性質。最後，木粉/塑膠維持在 50%或少於 50%時有較佳之 機械性質，超過 50%時隨木粉含量的增加，其強度及各項物理性質會有逐漸降低 之趨勢。 另外，本試驗亦探討不同木塑比所製備之 WPC 經戶外耐候與加速耐候試驗下 之表面性質、物理與機械性質以及化學性質之變化，結果指出，WPC 經戶外和加 速耐候試驗後，抗彎強度與抗拉強度之損失、褪色情形及羰基指數皆隨耐候時間 增長而增加。其中在強度之變化上，經過耐候試驗後，以木粉 30%所製備之 WPC， 有較佳的強度保留率，而木粉 60%製備者則有最差的表現。因此，考慮到最初的 強度以及經耐候劣化試驗後之強度保留率，木粉 50%所製備之 WPC 具有較佳的表 現。. 【關鍵詞】木材塑膠複合材、回收聚丙烯、抗拉強度、物理特性. i.
(5) Abstract. The studied wood-plastic composites (WPCs) here were extruded molding WPCs manufactured using recycled polypropylene (RPP) plastics and SPF wood flour. The study evaluated four parameters:. (1) wood flour particle size; (2) coupling agent. dosage; (3) lubricant content; and (4) the mass ratio of wood and RPPs. The results showed that using finer wood flour (<125 μm) can improve the tensile and flexural strength of WPCs, and reduce the swelling due to water adsorption. The optimal concentration of the coupling agent (Maleic Anhydride Polypropylene) and lubricant (Zinc stearate) in WPCs were both 3 wt%. Adding the proper amount of coupling agent can promote interfacial adhesion between wood and plastic, reduce the exposure of wood fibers to atmosphere,. improve the mechanical properties and significantly. reduce the swelling, but over-dosing the lubricant significantly increased swelling and reduced all the mechanical properties of the WPCs. Maintaining wood content at 50 wt% or less produced the best mechanical properties, and wood content above approximately 50 wt% resulted in reduction of strength and all physical properties of WPCs. In addition, effects of different wood/plastic ratio on the surface characteristics, physicomechanical and chemical properties of WPCs during weathering test were also evaluated in this study. Results indicted that the bending and tensile strength loss, the level of color fading, and the carbonyl index of WPCs increased with increasing exposed time. Of all WPCs, which with 30% wood flour exhibited higher retained strength ratio, however, WPC with 60% wood had lower retained strength ratio than others after weathering. Concerned to physiccomechanical properties of WPCs and its retained strength ratio during exposed time, WPC manufactured with 50% wood flour is ii.
(6) suggested due to its better performance.. 【Keywords】Wood-plastic composites, Recycled polypropylene, Tensile strength, Physical properties.. iii.
(7) 目錄 摘要 ................................................................................................................................... i Abstract............................................................................................................................. ii 目錄 ................................................................................................................................. iv 表目次 ............................................................................................................................. vi 圖目次 ............................................................................................................................. ix 第一章、前言 ...................................................................................................................1 第二章、文獻回顧 ...........................................................................................................4 2.1 不同製程條件對 WPC 性質之影響................................................................. 4 2.1.1 木材纖維的使用對 WPC 之影響 ......................................................... 4 2.1.2 不同添加劑的使用對 WPC 之影響 ............................................................. 6 2.2 不同製程條件 WPC 之耐候性質 .................................................................... 7 2.2.1 物理性質的變化 .................................................................................... 7 2.2.2 機械性質的變化 .................................................................................... 8 2.2.3 化學性質的變化 .................................................................................. 10 第三章、材料與方法 .....................................................................................................17 3.1 材料 ................................................................................................................. 17 3.1.1 回收木粉 .............................................................................................. 17 3.1.2 塑膠 ...................................................................................................... 17 3.1.3 其他添加劑 .......................................................................................... 17 3.2 實驗方法 ......................................................................................................... 17 3.2.1 材料製備 .............................................................................................. 17 3.2.1.3 成形方式 ........................................................................................... 18 3.3 WPC 物理與機械性質試驗 ............................................................................ 19 3.3.1 抗拉強度 .............................................................................................. 19 iv.
(8) 3.3.2 抗彎強度 .............................................................................................. 20 3.3.3 吸水厚度膨潤率與吸水率 .................................................................. 20 3.3.4 密度及含水率 ...................................................................................... 21 3.4 WPC 表面色差值測定 .................................................................................... 21 3.5 WPC 耐候試驗及其性質評估 ........................................................................ 22 3.5.1 戶外耐候試驗 ...................................................................................... 22 3.5.2 加速耐候試驗 ...................................................................................... 22 3.5.3 強度保留率 .......................................................................................... 23 3.6 WPC 表面羰基指數測定 ................................................................................ 23 3.7 電子顯微鏡分析 ............................................................................................. 24 3.8 統計分析 ......................................................................................................... 24 第四章、結果與討論 .....................................................................................................25 4.1 不同木粉尺寸對 WPC 的影響....................................................................... 25 4.2 不同潤滑劑用量的添加對 WPC 的影響 ...................................................... 26 4.3 不同耦合劑用量的添加對 WPC 的影響 ...................................................... 27 4.4 不同木粉與塑膠混合比的使用對 WPC 的影響 .......................................... 28 4.5 押出成形與射出成形之 WPC 性質 .............................................................. 30 4.6 WPC 之耐候性 ............................................................................................... 33 4.6.1 耐候試驗對 WPC 表面顏色之影響 ................................................... 33 4.6.2 耐候試驗對 WPC 表面結構之影響 ................................................... 38 4.6.3 耐候試驗對 WPC 理學性質之影響 ................................................... 42 4.6.4 耐候試驗對 WPC 機械性質之影響 ................................................... 51 4.6.5 耐候試驗對 WPC 表面官能基之影響 ............................................... 64 第五章、結論 .................................................................................................................69 參考文獻 .........................................................................................................................70 v.
(9) 表目次 表 3-1 試材編號和材料配比 ........................................................................................18 Table 3-1 Material compositions of tested wood-plastic composites............................. 18 表 4-1 不同木粉尺寸對 WPC 的影響 ........................................................................ 25 Table 4-1 Changes in properties of WPCs using different sizes of wood flours............ 25 表 4-2 不同潤滑劑用量的添加對 WPC 的影響 ........................................................ 27 Table 4-2 Physical and mechanical properties of the extruded wood/RPP WPCs– changing lubricant (L) content ....................................................................................... 27 表 4-3 不同耦合劑用量的添加對 WPC 的影響 ........................................................ 28 Table 4-3 Physical and mechanical properties of the extruded wood/RPP WPCs– changing coupling agent (CA) content ........................................................................... 28 表 4-4 不同木粉與塑膠混合比的使用對 WPC 的影響 ............................................ 30 Table 4-4 Physical and mechanical properties of the extruded wood/RPP WPCs – changing wood content ................................................................................................... 30 表 4-5 不同木粉/塑膠比例 WPC 的物理性質 ........................................................... 31 Table 4-5 Physical properties of WPC made from different wood/plastics ratios ......... 31 表 4-6 不同木粉/塑膠比例 WPC 的機械性質 ........................................................... 32 Table 4-6 Mechanical properties of WPC made from different wood/plastics ratios .... 32 表 4-7 360 天戶外耐候試驗過程中 WPC 的氣乾密度 .............................................. 43 Table 4-7 Air-dry density of WPC after outdoor weathering for 360 days .................... 43 表 4-8 360 天戶外耐候試驗過程中 WPC 的含水率 .................................................. 43 Table 4-8 Moisture content of WPC after outdoor weathering for 360 days ................. 43 表 4-9 360 天戶外耐候試驗過程中 WPC 的吸水率 .................................................. 45 Table 4-9 Water absorption of WPC after outdoor weathering for 360 days................. 45. vi.
(10) 表 4-10 360 天戶外耐候試驗過程中 WPC 的厚度膨潤率 .........................................46 Table 4-10 Thickness swelling of WPC after outdoor weathering for 360 days ............46 表 4-11 2000 hr 加速耐候試驗過程中 WPC 的氣乾密度 ...........................................47 Table 4-11 Air-dry density of WPC after accelerated weathering for 2000 hr ...............47 表 4-12 2000 hr 加速耐候試驗過程中 WPC 的含水率 ...............................................48 Table 4-12 Moisture content of WPC after accelerated weathering for 2000 hr ............48 表 4-13 2000 hr 加速耐候試驗過程中 WPC 的吸水率 ...............................................50 Table 4-13 Water absorption of WPC after accelerated weathering for 2000 hr ............50 表 4-14 2000 hr 加速耐候試驗過程中 WPC 的吸水厚度膨潤率 ...............................51 Table 4-14 Thickness swelling of WPC after accelerated weathering for 2000 hr .........51 表 4-15 不同木粉/塑膠比例 WPC 耐候 360 天之抗拉強度變化 ..............................53 Table 4-15 Tensile strength of WPC after outdoor weathering for 360 days .................53 表 4-16 不同木粉/塑膠比例 WPC 耐候 360 天的強度保留率 ..................................54 Table 4-16 The strength retention ratio of WPC made from different wood/plastics ratios after outdoor weathering for 360 days .................................................................. 54 表 4-17 不同木粉/塑膠比例 WPC 耐候 360 天之抗彎強度變化 ...............................54 Table 4-17 MOR of WPC after outdoor weathering for 360 days ..................................54 表 4-18 不同木粉/塑膠比例 WPC 耐候 360 天之抗拉彈性模數變化 .......................55 Table 4-18 Tensile modulus of elasticity of WPC after outdoor weathering for 360 days .........................................................................................................................................55 表 4-19 360 天戶外耐候試驗過程中 WPC 的抗彎彈性模數變化 .............................56 Table 4-19 Flexural modulus of elasticity of WPC after outdoor weathering for 360 days ................................................................................................................................. 56 表 4-20 2000 hr 加速耐候試驗過程中 WPC 的抗拉強度變化 .................................. 60 Table 4-20 Tensile strength of WPC after accelerated weathering for 2000 hr ..............60 vii.
(11) 表 4-21 2000 hr 加速耐候試驗過程中 WPC 的抗彎強度變化 .................................. 61 Table 4-21 Flexural maximum strength of WPC after accelerated weathering for 2000 hr ..................................................................................................................................... 61 表 4-22 不同木粉/塑膠比例 WPC 耐候 90 天的強度保留率 ................................... 62 Table 4-22 The strength retention ratio of WPC made from different wood/plastics ratios after weathering for 90 days ................................................................................. 62. viii.
(12) 圖目次 圖 2-1 東部白側柏/HDPE 製備 WPC 的抗拉和抗彎彈性模數變化.......................... 5 Fig. 2-1 Variation in tensile and flexural modulus of elasticity of eastern white cedar–HDPE composites. ( Bouafif et al., 2009) ............................................................. 5 圖 2-2 WPC 吸水率的改變。 ....................................................................................... 6 Fig. 2-2 Variation in average water uptake of WPC. ( Bouafif et al., 2009) ................... 6 圖 2-3 抗拉破裂表面電子顯微照片。 ......................................................................... 7 Fig. 2-3 SEM images of fractures surface of tensile bars. (Nygard et al., 2008) ............. 7 圖 2-4 材料耐候試驗前後的密度。 ............................................................................. 8 Fig. 2-4 Density of injection molded, extruded, and planed WF/HDPE composites before and after accelerated weathering. (Stark and Matuana, 2007) .............................. 8 圖 2-5 材料經耐候試驗後抗拉彈性模數的變化。 ..................................................... 9 Fig. 2-5 Dimensionless elastic modulus as a function of the irradiation time.(La Mantia and Morreale, 2008) ......................................................................................................... 9 圖 2-6 材料經耐候試驗後抗拉強度的變化。 ........................................................... 10 Fig. 2-6 Dimensionless tensile strength as a function of the irradiation time. (La Mantia and Morreale, 2008) ....................................................................................................... 10 圖 2-7 Norrish 降解機制。........................................................................................... 11 Fig. 2-7 Norrish degradation mechanisms. (Muasher and Sain, 2006) .......................... 11 圖 2-8 WPC 劣化後各官能基以及羥基指數的改變。 ............................................. 12 Fig. 2-8 Effect of xenon-arc accelerated weathering on the concentration of: (a) carboxylic acid, (b) esters, (c) vinyl groups, (d) hydroxyl groups present in HDPE based WPC from five different wood species. (Fabiyi and McDonald, 2010)......................... 12. ix.
(13) 圖 2-9 材料劣化後的 FTIR 光譜分析結果。 ............................................................ 13 Fig. 2-9 FTIR spectra of some neat and filled samples after weathering. (Mantia and Morreale, 2008) .............................................................................................................. 13 圖 2-10 不同木塑比(100/0, 30/70, 60/40)經 120 hr 耐候試驗下之 FTIR 光譜圖。14 Fig. 2-10 FTIR spectra of neat SDF, SDF extracted from 120 h irradiated 30% filled samples, and SDF extracted from 120 h irradiated 60% filled samples. (Mantia and Morreale, 2008) .............................................................................................................. 14 圖 2-11 材料耐候試驗前後的 FTIR 光譜分析圖。 .................................................. 15 Fig. 2-11 FTIR spectra of injection molded, extruded, and planed WF/HDPE composite surfaces before and after weathering. (Stark and Matuana, 2007) ................................. 15 圖 2-12 材料耐候試驗前後表面的電子顯微照片。 ................................................. 16 Fig. 2-12 SEM images of injection molded, extruded, and planed WF/HDPE composite surfaces before and after weathering. (Stark and Matuana, 2007) ................................. 16 圖 3-1 Type I 拉伸試片的標準尺寸。 ...................................................................... 19 Fig. 3-1 Tension test specimens I.（ASTM D638）. .................................................... 19 圖 4-1 WPC 於 360 天戶外耐候試驗過程的顏色參數及降雨量變化。 .................. 35 Fig. 4-1 Change of various color parameters of WPCs and rainfall during outdoor weathering for 360 days. (a): L*, (b): a*, (c): b*, (d): ΔE*, (e): rainfall. ...................... 35 圖 4-2 WPC 於 2000 hr 加速耐候試驗後顏色參數的變化。 ................................... 37 Fig. 4-2 Change of various color parameters of WPCs after accelerated weathering for 2000 hr. (a): L*, (b): a*, (c): b*, (d): ΔE*. ..................................................................... 37 圖 4-3 360 天戶外耐候試驗期間各 WPC 表面的電子顯微照片。 ......................... 39 Fig. 4-3 SEM images of surface of WPC during outdoor weathering for 360 days. ..... 39 圖 4-4 2000 hr 加速耐候試驗期間各 WPC 表面的電子顯微照片。 ....................... 41 Fig. 4-4 SEM images of surface of WPC during accelerated weathering for 2000 hr. .. 41 x.
(14) 圖 4-5 360 天戶外耐候試驗前後各 WPC 抗拉斷裂面的電子顯微照片。 ............. 58 Fig. 4-5 SEM images of fractures surface of WPC tensile bars before and after outdoor weathering for 360 days. ................................................................................................ 58 圖 4-6 2000 hr 加速耐候試驗前後各 WPC 抗拉斷裂面的電子顯微照片。 ........... 63 Fig. 4-6 SEM images of fractures surface of WPC tensile bars before and after accelerated weathering for 2000 hr. ............................................................................... 63 圖 4-7 WPC 經 360 天戶外耐候試驗後之 ATR-FTIR 光譜。 ................................. 65 Fig. 4-7 ATR-FTIR spectra of WPCs after outdoor weathering for 360 days. ............. 65 圖 4-8 不同木塑比所製備 WPC 在 360 天戶外耐候試驗過程中羰基指數的改變。 ........................................................................................................................................ 66 Fig. 4-8 Change of outdoor weathering for 360 days of carbonyl index present in PP based WPC from four different wood/plastics ratios. .................................................... 66 圖 4-9 WPC 經 2000 hr 加速耐候試驗後之 ATR-FTIR 光譜。 ............................... 67 Fig. 4-9 ATR-FTIR spectra of WPCs after accelerated weathering for 2000 hr........... 67 圖 4-10 不同木塑比所製備 WPC 在 2000 hr 加速耐候試驗中羰基指數的改變。 . 68 Fig. 4-10 Change of accelerated weathering for 2000 hrs of carbonyl index present in PP based WPC from four different wood/plastics ratios. ............................................... 68. xi.
(15) 第一章、前言. 近年來木材塑膠複合材(Wood plastic composite, WPC)因其備較佳的耐久性 、維護費用低和低成本的優點，而今被大量使用(陳載永等，2002；陳合進等，2003)， WPC是由木質材料和熱可塑型或熱硬化型樹脂所構成，過去常見的WPC可見於以 熱硬化型膠合劑黏合的木質板類當中(合板、粒片板和纖維板) (李佩華 ，2008；陳載永，1979)，或者以樹脂注入的單板等，而此些熱硬化樹脂如環氧樹 脂、酚或尿素甲醛樹脂都常被拿來改善材料木材的物理特性，包括耐久性、耐真 菌、耐腐朽性和減少材料的含水率以及降低材料在高濕度下的收縮膨脹等。然而， 以往以熱可塑型塑膠製備WPC之研究較為缺乏，相關產品特性與資訊較少，直至 近年來纖維與熱可塑形材料的益處才逐漸被了解(楊博智，2007；葉誌峰，2003； Clemons, 2002)，由於熱可塑形WPC可以使許多廢棄的木粉和塑膠再使用，因此在 歐洲和美國相當受歡迎，並且被拿來製造成各式各樣的產品以及應用。 而WPC中纖維的使用有很多種，包括稻殼、稻稈、各式農業廢棄物等等天然 纖維(Yao et al., 2008)，另外也有研究是將回收的玻璃纖維部分填入複合材料 (Valente et al., 2011)，纖維可以利用的範圍很廣，使用此類纖維之益處在於具備低 廉的成本、多半是回收再利用的材料、密 度低，並且通常能提供WPC更好的強度， 在WPC中使用了纖維能改善材料的挺性(Stiffness)和其他機械性能(陳合進等， 2003；黃國雄等，1994)，而Herrmann等人(1998)的研究報告中顯示以天然纖維強 化的複合材料強度能與添加玻璃纖維的材料相比，在許多地方的應用更加合適， 材料的製備也注入了更多的綠色環保概念。 WPC的製作若使用回收的塑膠，能夠延續廢棄塑膠的生命週期，因此可減少 對自然的破壞，使得此一材料對人們的意義不單只是利益上的考量，其中的環保 層面問題更為重要。而過去有許多塑膠產品被大量使用，也產生了許多廢棄的塑 膠垃圾，經研究統計，全球每年塑膠生產量為1億5千萬噸(Simoneit et al., 2003)， 1.
(16) 其中有各式各樣的塑膠，包括聚乙烯(Polyethylene, PE）、聚丙烯（Polypropylene, PP）與聚氯乙烯（Polyvinylchloride, PVC）等等，但是當此些塑膠用品在使用過， 被當成廢料丟棄時，並不會隨著時間分解，因此，對於如何處理此些廢棄的塑膠， 便是重要的問題，然而在回收塑膠的使用上，由於其成分並非單一，因此相對於 單一塑膠的使用，須考慮到回收塑膠對WPC性質的影響，而在各回收的塑膠中， 以PP材料的價格較低，較高的熱穩定性等因素，因此適合拿來當作WPC的材料， 因此本研究便是以回收聚丙烯(Recycled polypropylene, RPP)為材料，開發一新的 木材塑膠複合材。 然而WPC的各項物理以及機械性能會受到許多因素而影響，包括樹種(Ashori and Nourbakhsh, 2010；Bouafif et al., 2009)，製程的壓力以及溫度(Kuo et al., 2009)， 材料的組成(Harper and Wolcott, 2004；Stark and Matuana, 2007)等等，由於諸多因 子均可能會影響WPC的性能，因此對於以何種製程方式能提供WPC較好的機械性 能便顯得相當重要，如耦合劑的添加能改善木粉和塑膠之間的鍵結，潤滑劑的添 加能提升材料成形時的便利性，另外，木粉大小的不同，亦是對WPC性能影響的 因素之一。 現今在各式各樣的建築物、公共建設及工業的利用上均可見到 WPC 相關製品， 在戶外的環境下，材料易受到風吹、日曬和雨淋等因素導致材料劣化，進而影響 材料的使用壽命，其中，木材即是一種容易受到氣候與生物劣化之材料，受劣化 後之性質會影響到整體材料的特性，因此對木填料的選擇，就顯得非常重要。當 WPC 開始劣化時，此些木材就會對材料造成影響，而 WPC 塑膠基質的使用，能 降低木材的吸水性及收縮膨潤率，對於天然的木質材料而言，最大的問題就是材 料的耐久性、耐腐朽性以及尺寸安定性等等，但是使用了塑膠基質的材料之後， 此類問題能獲得有效的改善(李家皇，2010；薛惠今，2009)，過去的研究中，雖 有學者探討以射出成形或熱壓成形方式所製備之 WPC 耐久性評估，但對於不同組 成之押出成形 WPC 之長期耐候研究較為不足，同時在長期耐候試驗下，其 WPC 2.
(17) 化學與機械性質變化亦未有完整之研究。 因此本篇報告即是探討不同木粉尺寸，不同耦合劑含量的添加，不同潤滑劑 含量的添加，不同木材/塑膠比的使用以及不同製程方式的使用對 WPC 基本性質 所造成的影響，並求得一材料的最適化組成，另外，利用耐候試驗評估不同木塑 比的押出成形 WPC 其耐候性質，以各項物理、機械試驗以及利用掃瞄式電子顯微 鏡（Scanning electric microscopy, SEM）拍攝顯微照片以究明材料劣化後之變化， 並且利用傅立葉轉換紅外線光譜儀(Fourier-transform infrared spectrometer, FTIR) 分析材料表面化學結構之變化。. 3.
(18) 第二章、文獻回顧. 2.1 不同製程條件對 WPC 性質之影響 2.1.1 木材纖維的使用對 WPC 之影響 不同的纖維大小以及纖維含量所製備之 WPC 具有不同的物理以及機械性質 ，包括密度、含水率、吸水性、抗拉強度、抗彎強度(Modulus of rupture, MOR)、 抗拉彈性模數(Tensile modulus of elasticity, MOET)和抗彎彈性模數(Modulus of elasticity, MOEB)等，因此，WPC 中木纖維的使用，便顯得相當的重要。Ashori 等 人(2010)以兩種不同大小的木填料來強化塑膠，並以機械試驗評估其性質，結果 顯示添加木纖維的材料強度值比添加木粒片者高，原因是具有較大長徑比 (Length-to-diameter ratio)的木纖維，會使塑膠和纖維之間有更好的應力轉移。而不 同木塑比的使用，亦會影響 WPC 的性質，Adhikary 等人(2008)選用兩種不同的木 塑比來製備 WPC，實驗結果顯示，較高含量木填料的 WPC 會具有較低的強度和 較高的彈性模數值，原因為材料受外力作用時，當應力轉移到較脆的木纖維上， 容易產生破裂，強度值也就隨之下降，而在彈性模數的部分，由於木材為一較具 挺性的材料，因此會提升 WPC 的彈性模數。Bouafif 等人(2009)則選用三種不同 的木塑配比來製備 WPC，並評估其性質，圖 2-1 為不同木粉含量的東部白側柏 (Thuja occidentalis, eastern white cedar)/高密度聚乙烯(High-density polyethylene, HDPE)所製備 WPC 試驗後 MOET 和 MOEB 的變化，結果顯示纖維含量對材料剛度 有顯著影響，在填入木填料之後，WPC 的 MOET 和 MOEB 皆有明顯上升的趨勢， 此原因是纖維為較具剛性的材料，在加入塑膠之後，能抑制塑膠鏈的滑動，降低 材料受力之後的應變，因此能提高材料的彈性模數。. 4.
(19) 圖 2-1 東部白側柏/HDPE 製備 WPC 的抗拉和抗彎彈性模數變化。 Fig. 2-1 Variation in tensile and flexural modulus of elasticity of eastern white cedar–HDPE composites ( Bouafif et al., 2009). 而WPC的吸水性亦會受到木填料的添加而影響，Chen等人(2006)選用4種不同 的木塑比進行研究，結果顯示隨著木粉含量的增加，含水率跟著提升，原因為木 粉為親水性的物質，木粉本身具羥基，易與水分產生氫鍵，提升材料的含水率。 Tajvidi等人(2009)的研究亦顯示WPC之吸水率會隨木粉含量的增加，而有增加之 趨勢。Adhikary等人(2008)的研究與前述相似，隨木粉含量的增加，WPC的吸水 率和吸水厚度膨潤率隨之提升，原因為木粉為親水性材料，易與水分子結合，而 材料在吸水後容易膨脹，因此WPC的吸水率和吸水厚度膨潤率會隨木粉含量改變 而上升。圖2-2則為Bouafif等人(2009)選用三種不同大小的粒片進行吸水率試驗的 結果，圖中顯示隨著粒片粒徑的增加，各材料的吸水率也隨之增加，會有此結果， 原因為較大粒徑的粒片，塑膠對其包覆性差，粒片與水分接觸面積較大，另外， 粒片與塑膠間較差的聯結會有較多的孔隙，能容納更多的水分，因此提升材料的 吸水率。. 5.
(20) 圖 2-2 WPC吸水率的改變。 Fig. 2-2 Variation in average water uptake of \WPC ( Bouafif et al., 2009). 2.1.2 不同添加劑的使用對WPC之影響 製備 WPC 製程中，常會添加適量之潤滑劑來改善材料與模具之潤滑性，以增 進製程的便利性，然而潤滑劑之添入會影響 WPC 之性質，Harper 和 Wolcott(2004) 探討以酯類與硬脂酸鋅類等兩種不同潤滑劑之添入對 PP/楓木木粉所製備之 WPC 性質影響，結果指出酯類潤滑劑的使用容易產生凝核現象(Nucleating tendency)， 相較於硬脂酸鋅的潤滑劑，更容易降低材料性質。而 Stark 和 Matuana(2007)的研 究結果顯示，若使用硬脂酸鋅潤滑劑，會大幅提升 WPC 的吸水率，而在使用了過 量的潤滑劑之後，會抑制木塑之間的聯結，並且會導致 WPC 在機械試驗時，有更 多的纖維拔出現象，降低材料強度值。 另外，為改善 WPC 中親水性的木材和親脂性的塑膠之黏合，通常會加入耦合 劑來改善木塑之間的聯結，Wielage 等人(2003)的研究結果顯示使用低分子量的耦 合劑能使纖維被塑膠的包覆更完整，提升材料的抗拉強度。Adhikary 等人(2008) 則指出，使用熱壓成形的木粉和 HDPE/PP 材料在加入耦合劑(Maleic anhydride grafted polypropylene, MAPP)後，能降低 WPC 的吸水性和吸水厚度膨潤率。而 Nygard 等人(2008)對未添加及添加 MAPP 的材料進行抗拉試驗，並且對抗拉破裂 表面拍攝電子顯微照片，圖 2-3 為其抗拉破裂表面的圖片，圖中顯示未添加耦合劑 6.
(21) 的 WPC(圖 2-3a)木纖維與塑膠之間有較明顯的剝離現象，代表木塑間有較差的聯 結，因此強度值有較低的表現。. (a)Wood/PP. (b)Wood/PP/MAPP. 圖 2-3 抗拉破裂表面電子顯微照片。 Fig. 2-3 SEM images of fractures surface of tensile bars (Nygard et al., 2008). 2.2 不同製程條件 WPC 之耐候性質 2.2.1 物理性質的變化 WPC 廣泛應用於許多戶外的建材上，然而木材與塑膠均為有機材料，在受到 光照和雨水沖刷後容易受到降解，材料的性質因此受到改變，而其中最直接影響 的就是材料表面顏色的改變。Kiguchi 等人(2007)以木粉和 PP 製備的 WPC 來進行 戶外與加速耐候試驗，戶外耐候試驗結果顯示在試驗 3 個月後，其色差值和明度 值達到最大，推測原因為木材中的主要成分為木質素、纖維素和半纖維素，其中 顏色較深的木質素受到紫外光照射後易產生降解，當降解物質受到雨水的淋洗作 用濾出後，WPC 表面顏色逐漸變淡，明度值因此上升，而在加速耐候試驗顯示在 劣化初期，色差值(ΔE*)與明度值(ΔL*)有明顯提升趨勢，耐候時間達 1000 小時 (Hour, hr)後，則不再有明顯改變。Fabiyi 和 McDonald(2010)則選用 5 種不同木 質填料以及 HDPE 製備的 WPC 進行加速耐候試驗，結果顯示各材料的 ΔE*值和 ΔL*值在耐候 1200 hr 之後明顯增加，隨後減少。而 WPC 的紅綠參數值(a*)和黃藍 參數值(b*)有直接的相關性，a*值越大則 b*值越高。 7.
(22) WPC經過劣化後，密度會隨材料的降解產生改變，Stark和Matuana(2007)以射 出和押出成形兩種方式製成的木粉/HDPE材料進行加速耐候試驗，另外，在試驗 時，押出成形材料分為表層和內層材料，圖2-4顯示材料耐候試驗前後的密度，在 耐候前，射出成形材料的密度相對較高，這可能是因為在製程時有較高的壓力， 而在耐候試驗後，每種製程與製備之WPC密度均有下降趨勢，此與SEM顯微照片 中表面的特徵一致，很可能材料表面有許多開裂與剝落，出現在表面以及木粉和 HDPE界面的孔洞，因此降低了材料的密度。. 圖 2-4 材料耐候試驗前後的密度。 Fig. 2-4 Density of injection molded, extruded, and planed WF/HDPE composites before and after accelerated weathering (Stark and Matuana, 2007). 2.2.2 機械性質的變化 WPC在經過劣化之後，機械性質會產生改變，Li(2000)以木粉/HDPE製備的 WPC進行戶外耐候試驗，並於試驗後檢測其抗彎與抗拉性質的改變，試驗結果顯 示，WPC經耐候試驗後MOR大幅下降，約下降50%，而抗拉強度方面也有相似的 結果，強度降低的幅度介於40-50%，導致材料強度降低的原因為降雨及UV光等因 素會使WPC產生降解，強度值因此下降。 Stark和Matuana(2004)則選用木粉以及HDPE製備的材料進行加速耐候試驗 ，並以抗彎試驗檢測其機械性質，結果顯示，純塑膠在耐候1000 hr之後，MOEB 8.
(23) 有上升的趨勢，至2000 hr開始下降，會有此趨勢，原因為塑膠在經過前1000 hr耐 候試驗期間，分子因重排而產生結晶與聯結，在經過2000 hr之後，由劣化產生的 孔隙，使彈性模數開始下降，而在添入木粉的材料，隨耐候時間的增長，彈性模 數皆有下降的趨勢。此外，Stark等人(2004)選用木粉及HDPE製備的WPC進行加速 耐候試驗，材料的彈性模數隨耐候時間的增長而降低，強度值也有相似的結果， 導致WPC機械強度下降的原因，除了塑膠與木材受到光降解之外，水分的滲入， 亦會使木塑間的界面性質下降(Li, 2000；Stark and Matuana, 2004)。Mantia和 Morreale(2008)選用木粉以及PP，兩種不同木塑比製備的WPC進行加速耐候試驗， 並以抗拉強度評估其機械性質，圖2-5顯示，隨耐候時間的增長，在耐候150 hr前 MOET的變化不明顯，隨耐候時間再增長，MOET開始明顯下降，而在木粉含量較 高的材料有較高的MOET，原因為木填料的加入，使WPC有較高的挺性，另外，在 抗拉強度的部分，圖2-6顯示純PP材料隨著耐候時間增長，抗拉強度會明顯下降， 原因為光的照射會誘導其鍵的斷裂，而木粉含量較高的材料抗拉強度的下降是比 較低的，推測是因為填料添加會降低鍵斷裂的含量，因此有填料者有較少的聚合 物受光降解。. 圖 2-5 材料經耐候試驗後抗拉彈性模數的變化。 Fig. 2-5 Dimensionless elastic modulus as a function of the irradiation time (Mantia and Morreale, 2008). 9.
(24) 圖 2-6 材料經耐候試驗後抗拉強度的變化。 Fig. 2-6 Dimensionless tensile strength as a function of the irradiation time (Mantia and Morreale, 2008). 2.2.3 化學性質的變化 WPC 經耐候試驗後，表面的塑膠產生的開裂主要是塑膠分子產生光降解的作 用，而塑膠分子的劣解主要是透過 Norrish 降解機制(Fabiyi et al., 2008)，圖 2-7 為 Norrish I 及 II 的降解機制，由圖中可知，WPC 的降解主要是氧化態塑膠分子上的 羰基吸收 UV 導致(Muasher and Sain, 2006；Stark and Matuana, 2004)。在 Norrish I 機制中，羰基吸收 UV 光會導致 α 裂解產生自由基，而此自由基會攻擊其他高分 子，以交聯(Crosslinking)或斷鏈(Chain scission)方式終止反應。而 Norrish II 的降 解機制中，羰基被激發後會補捉 γ 位置上的氫，而形成 1,4-雙自由基(1,4 diradical) 的光降解產物，隨後再形成環丁醇(Cyclobutanol)，或斷裂形成含烯醇基(Enol group) 及末端乙烯基(Terminal vinyl group)小分子。而烯醇基又可經 Tautomerization 反應， 從 Enol form 轉變成具羰基結構的 Keto form。此類小分子具較佳的流動性，較易 於非結晶區行再結晶反應，而隨著塑膠結晶度提高，塑膠的彈性模數會隨之增加， 但是當分子斷裂速度大於結晶速度時，會降低材料結晶度，MOEB 便會下降。. 10.
(25) (a) Norrish I. (b)Norrish II. 圖 2-7 Norrish 降解機制。 Fig. 2-7 Norrish degradation mechanisms (Muasher and Sain, 2006). Stark 和 Matuana (2004)以 FTIR 檢測木粉/HDPE 製備的 WPC 經加速耐候試驗 後的表面化學性質變化，結果顯示，羰基的含量會隨著耐候的時間增加而上升， 乙烯基亦有同樣的趨勢，然而當耐候時間達 1000 hr 後，乙烯基上升的趨勢漸緩， 由羰基含量不斷上升，乙烯基變化趨勢漸緩的現象，可推測 WPC 在光降解過程中， 羰基的形成主要是透過 Norrish I 機制。另外，由塑膠所降解的小分子可行再結晶 作用來增加塑膠的結晶度，但是當此斷鏈持續發生影響到塑膠中的聯結分子(Tie molecules)時，就會降低塑膠結晶度。 Fabiyi 和 McDonald(2010)選用五種木填料及 HDPE 製備的 WPC 進行加速耐 候試驗，並以 FTIR 分析材料表面，劣化後複合材料顯示在波數 3050-3600 cm-1 的 木多醣體上羥基的吸收峰有明顯改變，在 1508-1512 cm-1 顯示木質素中醚鍵吸收 峰在劣化後的強度值降低，結果皆指出多醣體和木質素在 WPC 劣化後被降解，另 外，在波數 1650-1800 cm-1 為包括酮、氫羧酸和酯鍵的羰基特定吸收峰於材料在 劣化後，吸收峰值有明顯增加，此說明劣化後的 WPC 會產生氧化的現象。. 11.
(26) 圖2-8顯示WPC劣化後各官能基以及羥基指數的改變，圖中顯示羰基和乙烯基 的量值均隨著耐候時間的增加而提升，圖2-8a和圖2-8b顯示所有樹種於耐候大約 200 hr之後，發生去酯化作用，羧酸量增加，耐候試驗初期，酯鍵含量的降低，可 能是由於半纖維素的降解，然而，隨劣化時間再增加，可導致氧化的發生，因此 會有較高的酯鍵含量。木材在WPC劣化後表面的降解可用羥基指數(Hydroxyl index, HI)表示，是依照波數3080–3500 cm-1和2915 cm-1的比例，圖2-8d顯示，HI 值隨劣化而降低，而不同的樹種其HI值並無明顯差異。. (a) Carboxylic acid. (b) Esters. (c) Vinyl groups. (d) Hydroxyl groups. 圖 2-8 WPC劣化後各官能基以及羥基指數的改變。 Fig. 2-8 Effect of xenon-arc accelerated weathering on the concentration of: (a) carboxylic acid, (b) esters, (c) vinyl groups, (d) hydroxyl groups present in HDPE based WPC from five different wood species (Fabiyi and McDonald, 2010). 12.
(27) 而Mantia和Morreale(2008)選用木粉以及PP，兩種不同木塑比製備的WPC進行 加速耐候試驗，耐候試驗過後的試材以FTIR分析其表面的化學變化，圖2-9顯示純 PP和木粉30%材料劣化後之FTIR光譜圖，隨著照射時間增長，羰基的峰值也增加， 顯示PP會受光降解反應影響。同時，增加木粉的含量會增加羰基的含量，可能的 原因是木粉加速了光降解的速率，導致有高含量的羰基。. 圖 2-9 材料劣化後的FTIR光譜分析結果。 Fig. 2-9 FTIR spectra of some neat and filled samples after weathering (Mantia and Morreale, 2008). 圖2-10為不同木塑比(100/0, 30/70, 60/40)經120 hr耐候試驗下之FTIR光譜圖 ，由圖中可知，除了羰基吸收峰以外，木材主要發生光降解的是在1425–1510 cm-1 與木質素聯結的吸收峰，因為木質素的發色基團會吸收UV光，產生降解。為了要 準確的評估木粉的光降解，需要找出一個可參考的吸收峰，此現象可藉由羰基峰 (1738cm-1)和木質素芳香環(1505 cm-1)對吸收峰1375 cm-1和1158 cm-1的比值來解 釋。吸收值經過處理後，可得不同材料的木質素(乙烯基)和羰基吸收峰值的相對. 13.
(28) 強度，結果顯示3種材料的指數並無明顯不同。由此可知，在前120 hr的耐候試驗 期間，隨著時間的增加，木粉並無明顯的降解。. 圖 2-10 不同木塑比(100/0, 30/70, 60/40)經120 hr耐候試驗下之FTIR光譜圖。 Fig. 2-10 FTIR spectra of neat SDF, SDF extracted from 120 h irradiated 30% filled samples, and SDF extracted from 120 h irradiated 60% filled samples (Mantia and Morreale, 2008). Stark和Matuana(2007)則選用木粉/HDPE，兩種不 同成形方式製備的WPC來進 行加速耐候試驗，試材分為射出成形、押出成形表層和內層材料，並於耐候試驗 後以FTIR檢測材料表面的化學變化，圖2-11顯示射出成形、押出成形表層和內層 材料耐候試驗前後的FTIR光譜分析圖，在劣化後，所有材料在吸收峰3318cm-1和 1023cm-1的峰值明顯下降，說明了材料表面木材的減損，另外，押出成形內層材料 的吸收峰值較押出成形外層與射出成形材料為大，原因為其表面有較多的木材。. 14.
(29) (a) Before weathering. (b) After weathering. 圖 2-11 材料耐候試驗前後的FTIR光譜分析圖。 Fig. 2-11 FTIR spectra of injection molded, extruded, and planed WF/HDPE composite surfaces before and after weathering (Stark and Matuana, 2007). 為得知WPC表面實際的改變，Stark和Matuana(2007)的試驗中對材料表面拍攝 電子顯微照片，圖2-12顯示射出成形、押出成形表層和內層材料耐候試驗前後WPC 表面的顯微照片。與未耐候的材料表面(圖2-12a、2-12c和2-12e)比較之下，圖2-12b、 2-12d和2-12f顯示，在經3000 hr耐候試驗後，每一塊材料都有降解的情形，在塑膠 基質上出現明顯的裂縫，此外，木粒片在材料表面有明顯的突出，突出的木粒片 是由於木粒片在吸水與脫水後的膨脹與收縮，此作用會導致木粉和HDPE界面空洞 的產生和HDPE基質的開裂，另外，HDPE安定性雖較佳，但HDPE仍可能會有光降 解作用，使開裂的現象產生。. 15.
(30) (a) Injection(Before weathering). (b) Injection(After weathering). (c) Extrusion(Before weathering). (d) Extrusion(After weathering). (e) Plane(Before weathering). (f) Plane(After weathering). 圖 2-12 材料耐候試驗前後表面的電子顯微照片。 Fig. 2-12 SEM images of injection molded, extruded, and planed WF/HDPE composite surfaces before and after weathering (Stark and Matuana, 2007).. 16.
(31) 第三章、材料與方法. 3.1 材料 3.1.1 回收木粉 本試驗使用的木粉為SPF木粉（由士捷公司所提供），係收集由冷杉（Fir）、 雲杉（Spruce）與松（Pine）組成的商用木材鋸木屑，經乾燥至含水率為2％後， 以電動篩選機將木粉依其粒徑大小區分為尺寸分別為250-180 μm、180-125 μm與 未滿125 μm三種。. 3.1.2 塑膠 本試驗使用的塑膠為回收聚丙烯（Recycled polypropylene, RPP）（由士捷公 司所提供），來源組成多為廢棄之PP容器。. 3.1.3 其他添加劑 試驗中加入之耦合劑（Coupling agent）為順丁烯二酸酐接枝聚丙烯（MAPP） 改善木材和塑膠的聯結，並且加入硬脂酸鋅（Zinc stearate）作為潤滑劑，以增進 材料製程的便利性。. 3.2 實驗方法 3.2.1 材料製備 3.2.1.1 實驗前處理 木粉在試驗前分別使用60 mesh、80 mesh和120 mesh的不鏽鋼篩進行分類，所 得徑級250-180 μm、180-125 μm和未滿125 μm的木粉，再將木粉與塑膠粒，置於 105℃的烘箱中乾燥24 hr，待材料乾燥後冷卻至室溫再取出，以鋁箔袋封存備用。 試驗材料配比如表3-1所示。 17.
(32) 表 3-1 試材編號和材料配比 Table 3-1 Material compositions of tested wood-plastic composites Wood flour size Coupling agent Lubricant Wood/Plastic ratio Sample ID (μm) (wt%) (wt%) (wt%/wt%) MS-1 MS-2 MS-3. <125 125-180 180-250. 3 3 3. 3 3 3. 47.0/47.0 47.0/47.0 47.0/47.0. CA-1 CA-2 CA-3 CA-4 CA-5 CA-6. <125 <125 <125 <125 <125 <125. 0 1.5 3 4.5 6 9. 3 3 3 3 3 3. 48.5/48.5 47.75/47.75 47.0/47.0 46.25/46.25 45.5/45.5 44.0/44.0. L-1 L-2 L-3 L-4. <125 <125 <125 <125. 3 3 3 3. 0 3 6 9. 48.5/48.5 47.0/47.0 45.5/45.5 44.0/44.0. PP70 PP60 PP50 PP40. <125 <125 <125 <125. 3 3 3 3. 3 3 3 3. 28.2/65.8 37.6/56.4 47.0/47.0 56.4/37.6. MS: Mesh size; CA: Coupling agent; L: Lubricant; PP: Polypropylene. 3.2.1.2 混鍊 材料依不同組成比率倒入混鍊機中，進行攪拌混鍊造粒，每次進料量為3 kg， 混鍊速度為50 rpm，混鍊溫度為180℃，混鍊至塑料完全融化，時間約為15 min， 經過造粒機後，得到複合材料粒子，最後將材料粒子置於105℃烘箱中乾燥24 hr。. 3.2.1.3 成形方式 3.2.1.3.1 押出成形 押出成形材料以異形押出機押出，先將料投入於供料槽，螺桿溫度設定在 170–200℃之間用以混煉及加熱塑料，使用平板式的模頭。本試驗押出成形材料 並非直接製成試片，須再裁成試片大小。 18.
(33) 3.2.1.3.2 射出成形 為探討不同成形方式所製備之WPC性質差異，本試驗除押出成形外，另以射 出成形方式製備WPC，其實驗所用射出機型號為震雄SM-50，具四段控溫，範圍 約在170 - 180℃，壓力亦分為四段，並多加一段保壓壓力。. 3.3 WPC物理與機械性質試驗 3.3.1 抗拉強度 本試驗依據ASTM D638進行抗拉強度試驗，試材厚度大小為4.5 mm，在4 mm 以上，7 mm以下，因此以Type I 的拉伸試片進行分析，在量取各項數值後，依照 公式計算，可得抗拉強度和抗拉彈性模數(MOET)。. 𝑃. 抗拉強度 = 𝐴. 𝛥𝑃. MOET = 𝛥𝑌. 代號. ΔP為比例限界內單位變形量的載重差. 尺寸 (mm). 距(N) W—Width of narrowsection. 13. L—Length of narrowsection. 57. WO—Width overall. 19. ΔY為ΔP相對應的拉伸變形量(mm) P為抗最大載重（N） W. 2. A為試材斷面積（mm ） LO—Length overall G—Gage length. 165 W. 50. D—Distance between grips R—Radius of fillet 圖 3-1 Type I 拉伸試片的標準尺寸。 Fig. 3-1 Tension test specimens I（ASTM D638）. 19. W. 115 76.
(34) 3.3.2 抗彎強度 本試驗依據ASTM D790進行抗彎強度試驗，試片尺寸為130 mm × 13.5 mm × 4.5 mm，跨距為厚度的16倍，試驗方法以三點載重的方式，在量取各項數值後， 依照公式分別求出其抗彎強度(MOR)和抗彎彈性模數(MOEB)。. MOR = MOE =. 3𝑃𝐿. 2𝑏ℎ2 𝛥𝑃𝐿3. 4𝛥𝑌𝑏ℎ3. P為最大載重（N）. ΔP為比例限界內單位變形量的載重差距(N) ΔY為ΔP相對應的彎曲變形量(mm) L為跨距（mm） b為寬度（mm） h為厚度（mm）. 3.3.3 吸水厚度膨潤率與吸水率 本試驗依據ASTM D1037量測材料的吸水厚度膨潤率與吸水率，試片尺寸為80 mm × 13.5 mm × 4.5 mm，依照標準先量取氣乾狀態的質量、厚度，連續浸水24 hr 之後，量取數據，最後依公式計算可得厚度膨潤率與吸水率。 厚度膨潤率 = 吸水率 =. 𝑇𝑎𝑓𝑡𝑒𝑟 −𝑇𝑎𝑖𝑟 × 100 𝑇𝑎𝑖𝑟. 𝑙𝑎𝑓𝑡𝑒𝑟 −𝑙𝑎𝑖𝑟 × 100 𝑙𝑎𝑖𝑟. W. lair為氣乾質量（g）. lafter為吸水24小時質量（g） Tafter為吸水24小時的厚度（mm） Tair為氣乾狀態下的厚度（mm） 20.
(35) 3.3.4 密度及含水率 本試驗依據ASTM D1037量測材料的密度及含水率，試片尺寸為40 mm × 13.5 mm × 4.5 mm，參照標準先量取氣乾狀態的重量、尺寸，之後再放入103 ± 2℃ 的烘箱當中乾燥1週，如此可得氣乾含水率及密度。. 密度 =. 𝑙𝑎𝑖𝑟 𝐿𝑊𝑇. 氣乾含水率 = A. L為長度(mm). 𝑙𝑎𝑖𝑟 −𝑙𝑑𝑟𝑦 × 100 𝑙𝑑𝑟𝑦. W為寬度(mm) TA為厚度(mm) lair為氣乾質量（g） ldry 為絕乾質量（g）. 3.4 WPC表面色差值測定 本試驗是以分光式色差計(Minolta co. CM-3600d)測量材料表面顏色的改變 ，依照國際照明協會制定的CIE LAB色彩體系，採D65光源，測試窗直徑為8 mm， 視角為10°。測量時，將試材放置於測試窗上量取L*值、a*值和b*值，試驗後，進 一步計算明度差值(Brightness difference, △L*)、紅綠軸差值(△a*)、黃藍軸差值 (△b*)和色差值(Color difference, △E*)等數值，計算公式如下：. △L* = L*T- L*0 △a* = a*T- a*0 △b* = b*T- b*0 △E* = [(△L*)2+(△a*)2+(△b*)2]1/2. 21.
(36) L*T為不同耐候時間下所測得的明度值(L*) a*T為不同耐候時間下所測得的紅綠參數值(a*) b*T為不同耐候時間下所測得的黃藍參數值(b*) L*0為未經耐候試驗的L*值 a*0為未經耐候試驗的a*值 b*0為未經耐候試驗的b*值 △L*為明度差值 △a*為a*的變化值 △b*為b*的變化值 △E*為色差值. 3.5 WPC耐候試驗及其性質評估 3.5.1 戶外耐候試驗 戶外耐候試驗依照CNS 8909進行試驗，試驗方法是將試材置於中興大學森林 系館頂樓(5樓)的戶外耐候試驗架上曝曬，材料隨試驗架面向南面，並且和水平夾 角度為45°，總試驗期間為一年，中間分別對曝曬3、6、9及12個月的材料進行評 估。對材料的檢測方式是定期以色差計檢測材料面顏色的變化，另外以傅立葉轉 換紅外線光譜進行試材表面官能基的變化，並且對材料進行各項機械以及物理試 驗，以評估材料各項性質的改變。. 3.5.2 加速耐候試驗 本實驗參考ASTM G53-88之試驗方法，將薄板之WPC置入於Q-Panel加速耐候 試驗機(QUV accelerated weathering tester)，並且配置UVA-340燈源進行加速耐 候試驗。總試驗期間為2000 hr，試驗以8 hrUV光照與4 hr結露(Condensation)的循 環方式進行，溫度控制在50±2℃，模擬自然條件下對試材物理及機械性質之影響。 22.
(37) 耐候期間取不同時間點試片，以色差計(Color difference meter)評估表面之顏色變 化，並且使用傅立葉轉換紅外線光譜進行性質分析，評估劣化過程中試材表面的 官能基變化，另外，檢測材料的彈性模數及強度值，評估材料機械性質的改變。. 3.5.3 強度保留率 耐候試驗中，依設定時間檢測材料之抗彎性質，以了解材料在經過耐候試驗 後的改變以及對材料機械性質所造成的影響，並依次式計算耐候試驗中WPC的抗 彎彈性模數和抗彎強度值保留率。. Retained MOR ratio (%) = (MORt/MORo) × 100 Retained MOE ratio (%) = (MOEt/MOEo) × 100 MORt為不同耐候時間測得的MOR MOEt為不同耐候時間測得的MOE MORo為未經耐候所測得的MOR MOEo為未經耐候所測得的MOE. 3.6 WPC表面羰基指數測定 依不同耐候時間以ATR-FTIR檢測WPC的表面，以了解WPC經過耐候試驗後 ，材料表面官能基和主要降解產物羰基含量的變化。本試驗係使用 PerkinElmer(Spectrum 100, USA)傅立葉轉換紅外線光譜儀(FTIR)，搭配全反射式 (ATR)進行檢測。檢測時，掃瞄次數為32次，波數(Wavenumber)範圍為4000-650 cm-1。測得 FTIR光譜後，依下式計算羰基指數(Carbonyl index) (Stark et al., 2004)。. 23.
(38) Carbonyl index = (I1735/IPP) × 100 IPP為塑膠特定吸收峰(PP: 2916 cm-1)的強度 I1735為羰基吸收峰(1735 cm-1)的強度. 3.7 電子顯微鏡分析 材料經劣化後以掃瞄式電子顯微鏡（SEM）觀察WPC表面，試驗所使用SEM 型號為HITACHI S-4800，接收由物體表面反射的電子作為呈現的依據，本試驗的 放大倍數在50-500之間，藉由SEM拍攝的照片，觀察木粉與塑膠基材的界面以及 材料表面的變化。. 3.8 統計分析 本試驗以SPSS統計分析軟體進行變異數分析(Analysis of variance, ANOVA) ，並將數值採用Tukey檢定(Tukey test)分析各組之間的差異性，信賴區間為95%。. 24.
(39) 第四章、結果與討論. 4.1 不同木粉尺寸對 WPC 的影響 本試驗主要使用押出成形的方式來探討 WPC 製程中的最適化條件，以下選用 3 種不同粒徑來探討木粉大小對 WPC 的影響，表 4-1 為不同木粉尺寸在木塑比 50/50 之比例下所製備之 WPC 各項物理與機械性質，表中顯示各 WPC 的密度無明 顯差異，而含水率和吸水厚度膨潤率皆隨粒徑增加有明顯的提升，在含水率的部 分，MS-2 和 MS-3 材料增加了 15.7 和 22.1%，於吸水厚度膨潤率則分別增加了 26.3 和 73.7%，代表木粉粒徑的大小，對材料的吸水性有顯著的改變，此現象與 Bouafif 等人(2009)的研究相符，原因為塑膠對大粒徑的木粉包覆性不佳，大粒徑木粉的 纖維彼此可能產生糾纏，塑膠無法完全包覆，因此無法抑制木粉吸收水分之能力。 表 4-1 亦指出隨著木粉粒徑增大，材料的抗彎和抗拉強度值皆有明顯的下降，MS-2 和 MS-3 材料在抗彎強度下降了 10.9 和 18.7%，在抗拉強度則分別下降了 14.4 和 19.7%，此原因為塑膠與較大的木粉之間的接合較差，而木塑之間較差的聯結，在 材料受力時也就無法達到應力轉移，因此強度值也就會明顯的降低。 表 4-1 不同木粉尺寸對WPC的影響 Table 4-1 Changes in properties of WPCs using different sizes of wood flours Wood flour Sample ID Size (μm). WPC Density (g/cm3). Change in WPC Properties (%) Moisture Thickness content swelling. MOR. Tensile strength. MS-1. <125. 1.12. 0. 0. 0. 0. MS-2. 125-180. 1.12. +15.7. +26.3. -10.9. -14.4. MS-3. 180-250. 1.11. +22.1. +73.7. -18.7. -19.7. 25.
(40) 4.2 不同潤滑劑用量的添加對 WPC 的影響 添加潤滑劑通常用來改善材料的表面性質，然而添加潤滑劑亦會影響 WPC 之 物理與機械性質，表 4-2 顯示在木塑比 50/50 之條件下，各種不同比例潤滑劑對 WPC 物理與機械性質之效應，結果顯示，當潤滑劑含量達 3%時，WPC 物理以及 機械性能的最佳表現，當潤滑劑的添加超過 3%時，L-3 材料的吸水厚度膨潤率明 顯的提升到 4.53%，L-4 材料則提升到 5.87%，L-2 材料反而降低材料的厚度膨潤 率至 0.57%，在含水率的部分，受潤滑劑含量的影響則相對較小，僅有略微降低的 趨勢。而 MOR 也在潤滑劑含量達 3%時，有些微的提升，L-2 的抗彎強度值為 29.51 MPa，但是當含量再提高時，MOR 便開始有明顯的下降，L-3 和 L-4 的值分別為 24.03 和 23.95 MPa，而在抗拉強度的改變則更為顯著，L-1 的抗拉強度值為 21.34 MPa，但是在添加了潤滑劑後，抗拉強度明顯的下降，L-2、L-3 和 L-4 的值僅介 於 12.08-15.31 MPa，因此須避免過量的使用此些潤滑劑，以免降低材料的物理以 及機械特性，另外，不同種類潤滑劑的使用是否適合，也必須考慮製程條件。 潤滑劑在 WPC 中扮演的功能主要是改善木粉的濕潤性，藉以降低木塑粒與木 粉(內部潤滑)以及與押出機(外部潤滑)之間的摩擦，以達到潤滑的效果。然以往 研究亦指出潤滑劑的添加會影響 WPC 的吸水性和機械強度，(Harper and Wolcott, 2004；Li and Wolcott, 2006；Stark and Matuana, 2007)，而最為合適的潤滑劑劑量 是會受材料的組成、樹種和塑膠的種類所影響。Li 和 Wolcott(2006)的報告中以兩 種不同的潤滑劑(硬脂酸鋅和酯類潤滑劑)對 HDPE/楓木木粉複合材料進行試驗， 報告中顯示，以酯類潤滑劑對木塑粒外部黏性的降低效果較硬酯酸鋅為佳，另外， 也發現酯類潤滑劑與耦合劑(Maleated polyethylene, MAPE)相同能改善 WPC 的內 部潤滑，而硬脂酸鋅無此效果。而 Harper 和 Wolcott(2004)以兩種不同潤滑劑對 PP/楓木木粉複合材料進行試驗，結果指出，酯類潤滑劑較易使纖維間鍵結，產生 凝核現象。Stark 和 Matuana(2007)的研究指出，由於脂肪酸皂具一親水性的官能 基，當其大量的存在 WPC 表面以及木塑的界面時，便會使 WPC 的吸水率大幅提 26.
(41) 升，此外，過多潤滑劑的使用可能會抑制木塑之間的聯結，而添加過多的潤滑劑 會導致 WPC 有更多的纖維拔出現象，因此導致材料的機械性能下降。 表 4-2 不同潤滑劑用量的添加對 WPC 的影響 Table 4-2 Physical and mechanical properties of the extruded wood/RPP WPCs– changing lubricant (L) content Moisture Sample Lubricant Density 3 (%) (g/cm ) content (%) ID. Thickness swelling (%). MOR (MPa). Tensile strength (MPa). L-1. 0. 1.12. 1.55±0.13. 0.90±0.28. 27.68±1.78. 21.34±1.92. L-2. 3. 1.12. 1.40±0.19. 0.57±0.19. 29.51±1.91. 15.31±0.85. L-3. 6. 1.12. 1.28±0.16. 4.53±0.28. 24.03±1.72. 12.67±1.35. L-4. 9. 1.12. 1.36±0.16. 5.87±0.39. 23.95±1.86. 12.08±1.40. 4.3 不同耦合劑用量的添加對 WPC 的影響 耦合劑通常是用來改善親水性的木粉和親脂性塑膠間的相容與黏合，它可能 是有機物、無機物，亦或兩者皆是，而目前有超過 40%的 WPC 皆有使用耦合劑(Lu et al., 2000)。Wielage 等人(2003)的研究報告指出，使用低分子量的耦合劑由於能 使纖維被塑膠包覆更完整，因此能提升材料的抗拉強度。Adhikary 等人(2008)的 研究報告顯示，使用熱壓成形的木粉和 HDPE/PP 材料在加入耦合劑(MAPP)之後， 能明顯降低 WPC 的吸水性和吸水厚度膨潤率。 表 4-3 顯示在木塑比 50/50 之條件下，不同比例耦合劑所製備之 WPC 的物理 與機械性質，表中顯示，在添加耦合劑之後，WPC 之吸水性皆下降，機械強度則 均有上升之趨勢，其中 CA-2 至 CA-4 之 WPC 的含水率僅有 1.40-1.92%，而 CA-5 和 CA-6 之 WPC 的含水率也比未添加耦合劑者低，其值分別為 3.20 和 3.42%(CA-1 為 3.91%)，吸水厚度膨潤率的部分，CA-2 和 CA-3 之 WPC 未達 1%，其值分別為 0.47 和 0.57%，CA-4 至 CA-6 之 WPC 厚度膨潤率則為 1.32-1.59%，而在機械強度. 27.
(42) 部分，無論抗彎或抗拉強度，所有的材料都有提升，抗彎強度值皆在 20 MPa 以上， 抗拉強度都在 12 MPa 以上，但是在 CA-3 之 WPC 有最好性能的表現，結果亦顯 示在耦合劑添加量為 3%的 CA-3 之 WPC 有最低的含水率值、次低的吸水厚度膨 潤率值和最高的抗彎和抗拉強度值，當耦合劑含量超過 3%時，便超過耦合劑對材 料的最適化影響，耦合劑達 9%時，其效果與添加耦合劑含量未達 1.5%的材料性質 相似，原因為添加適量的耦合劑時，耦合劑會在木塑之間產生聯結，當過量的添 加時，耦合劑可能會分散於 PP 中，反而使材料的強度下降(Zhang et al., 2008)。 表 4-3 不同耦合劑用量的添加對 WPC 的影響 Table 4-3 Physical and mechanical properties of the extruded wood/RPP WPCs– changing coupling agent (CA) content Moisture Sample Coupling Density 3 agent (%) (g/cm ) content (%) ID. Thickness swelling (%). MOR (MPa). Tensile strength (MPa). CA-1. 0. 1.12. 3.91±0.42. 1.48±0.64. 17.60±1.95. 10.17±1.85. CA-2. 1.5. 1.12. 1.88±0.18. 0.47±0.16. 22.30±1.40. 13.17±1.56. CA-3. 3. 1.12. 1.40±0.19. 0.57±0.19. 29.51±1.91. 15.31±0.85. CA-4. 4.5. 1.12. 1.92±0.14. 1.32±0.17. 24.00±1.66. 13.97±1.53. CA-5. 6. 1.11. 3.20±0.59. 1.41±0.18. 23.00±1.68. 12.80±1.36. CA-6. 9. 1.11. 3.42±0.42. 1.59±0.27. 20.75±1.78. 12.14±1.39. 4.4 不同木粉與塑膠混合比的使用對 WPC 的影響 本實驗探討木粉添加量對 WPC 性質之改變進行評估，木粉尺寸大小為未滿 125 μm，木粉添加量則選用 30%、40%、50%和 60%共 4 種不同的添加量，各材料 押出時，密度預設為 1.0 g/cm3，因此在對機械性質的影響上，可忽略不考慮，另 外，在押出成形 WPC 含水率的改變可由表 4-4 得知，隨著木粉添加量的增加， WPC 的含水率隨著提升，會有此現象是因為木粉為親水性的物質，塑膠則是疏水. 28.
(43) 性物質，木粉本身具羥基，因此易與水分產生氫鍵結合，導致含水率的上升，當 木粉含量增加，WPC 含水率則隨著提升，此含水率隨木粉含量改變的結果與 Chen 等人(2006)的試驗結果相符。押出成形 WPC 的吸水厚度膨潤率可見表 4-4，表中 顯示木粉含量從 30%增加到 60%時，WPC 的膨潤率隨著木粉含量增加亦隨之提升， 當木粉含量增加到 60%時，WPC 的吸水厚度膨潤率明顯上升，其值為 1.57%，此 結果與 Adhikary 等人(2008)的研究結果相符，均顯示出隨木粉含量的增加，WPC 的吸水率和吸水厚度膨潤率隨著上升，原因為木粉是親水性材料，而材料在吸水 後易生膨脹，導致尺寸不安定性增加，因此 WPC 的吸水厚度膨潤率，會隨著木粉 含量的增加而上升。然而當木粉含量達到 60%時，吸水厚度膨潤率有明顯上升， 除了因為木粉含量增加外，塑膠對木粉的包覆性亦是一重要影響因素，由此可從 實驗結果得知，當木粉含量未達 60%時，由於塑膠對木粉有較完整的包覆，減少 了水分在材料中的容納，因此 WPC 有較佳的抗濕特性和尺寸安定性。 表 4-4 亦指出不同木粉含量製備的 WPC 各項機械性質，結果顯示木粉含量從 30%增至 50%時，押出成形 WPC 的抗拉強度並無明顯改變，抗拉強度值為 14.31 和 15.28 MPa，然而當木粉含量增至 60%時，WPC 的抗拉強度卻大幅下降，由原 先的 14.31 MPa(木粉含量 50%)減低至 9.95 MPa，此現象與 Zaini 等人（1995）研 究相符，隨木粉含量的提高，抗拉強度隨之下降，有此結果，原因為木粉和塑膠 之間界面黏合性不佳，因此隨木粉含量增加，兩異質材料間界面的膠合缺陷亦增 加，使得塑膠和木粉間之應力無法有效傳遞，致使材料在受力之後，應力集中在 膠合界面，WPC 之強度因此降低(Adhikary et al., 2008)。而在 MOR 部分，表 4-4 顯示 WPC 之 MOR 亦隨著木粉含量增加而降低，其 MOR 值依次為 PP 70 （33.08 MPa）＞PP 60（30.15 MPa）＞PP 50（27.81 MPa）＞PP 40（22.64 MPa） ，此結果 與上述抗拉強度趨勢相似，因為木粉含量的增加，塑膠和木粉間界面的膠合缺陷 亦增加，導致材料強度下降(Adhikary et al., 2008)。. 29.
(44) 表 4-4 不同木粉與塑膠混合比的使用對 WPC 的影響 Table 4-4 Physical and mechanical properties of the extruded wood/RPP WPCs – changing wood content Tensile Moisture Thickness Sample wood/PP Density MOR strength (MPa) ratio (g/cm3) content (%) swelling (%) ID (MPa) PP 70. 30/70. 1.05. 1.34±0.12. 0.24±0.13. 33.08±4.34. 15.28±1.06. PP 60. 40/60. 1.07. 1.43±0.18. 0.55±0.29. 30.15±3.18. 15.81±1.24. PP 50. 50/50. 1.12. 1.40±0.19. 0.64±0.30. 27.81±2.66. 14.31±2.81. PP 40. 60/40. 1.15. 3.24±0.36. 1.57±0.47. 22.64±6.5. 9.95±2.16. 4.5 押出成形與射出成形之 WPC 性質 本研究主要探討押出成形法所製備之WPC之各項性質，但由於WPC的製程有 許多不同的方式，因此本研究亦以射出成形法製備WPC，以究明押出成形與射出 成形兩種製程所製備之WPC差異。表4-5為不同製程但相同材料配比下射出成形和 押出成形WPC的理學性質，表中顯示射出成形WPC的密度略高於押出成形WPC的 密度，原因為射出製程是以高壓形式射出，並以保壓階段來增大密度，將整個塑 膠達到液態的狀態，而押出成形並未完全達到與射出成形類似的低黏度狀態，僅 以高黏度的熔融態來製成(郭佩鈺，2008)。 在含水率的部分，表中顯示押出成形WPC的含水率值在未達木粉60%時，皆 小於射出成形WPC，值分別介於1.34-1.43%和1.96-2.10%，經統計分析後，數值皆 無差異性，當木粉含量增加到60%，押出成形材料的含水率值卻大幅提升，從標準 差來看，押出成形WPC的變異性亦明顯提升，射出成形WPC的含水率則較無顯著 改變。在吸水率的部分，表中顯示押出成形WPC的吸水率高於射出成形WPC，其 吸水率值分別介於0.58-1.78%和0.25-1.27%，經統計分析後，兩成形方式數值皆隨 著木粉含量達60%時，具顯著的差異，有此結果，是因為木粉為親水性材料，因此 當木粉量增加時，吸水率會上升，而押出成形WPC的吸水率會高於射出成形WPC，. 30.
(45) 代表押出成形WPC含有較多未被完整包覆的木粉，因此吸水率較高，而在吸水厚 度膨潤率的變化，木粉在尚未達到60%時，除木粉50%的材料外，押出成形WPC 的膨潤率皆低於射出成形之WPC，表中顯示PP60時，兩者數值約0.5%，在PP50時， 押出成形和射出成形之WPC分別為0.64和0.81%，在PP70時，則分別為0.24和0.48%， 當木粉增加至60%時，押出 成形WPC膨潤率大幅提升，數值亦大於射出成形之WPC， 值分別為1.57和1.35%，原因為木粉含量增加會提升WPC吸水性，提升尺寸不安定 性，而押出成形WPC的木粉被包覆性較不完全，因此膨潤率有大幅提升的現象。 表 4-5 不同木粉/塑膠比例 WPC 的物理性質 Table 4-5 Physical properties of WPC made from different wood/plastics ratios Density (g/cm3). Moisture content (%). Water absorption (%). Thickness swelling (%). PP 40. 1.15±0.03a. 3.24±0.36a. 1.78±0.15a. 1.57±0.47a. PP 50. 1.12±0.01b. 1.40±0.19b. 0.92±0.13b. 0.64±0.30b. PP 60. 1.07±0.02c. 1.43±0.18b. 0.98±0.16b. 0.55±0.29b. PP 70. 1.05±0.02c. 1.34±0.12b. 0.58±0.16c. 0.24±0.13c. PP 40. 1.16±0.00A. 2.31±0.16A. 1.27±0.09A. 1.35±0.19A. PP 50. 1.12±0.00B. 2.10±0.20B. 0.62±0.15B. 0.81±0.17B. PP 60. 1.08±0.00C. 1.96±0.13C. 0.45±0.10C. 0.50±0.37C. PP 70. 1.05±0.00D. 2.06±0.16BC. 0.25±0.10D. 0.48±0.19C. Processing Sample ID. Extrusion. Injection. A, B, C, D, a, b, and c show significant difference with raw at the 0.05 level by the tukey test in ANOVA. 表4-6為不同製程但相同材料配比下射出成形和押出成形WPC的機械性質，表 中顯示射出成形WPC抗拉強度大於上述押出成形WPC抗拉強度，其數值分別介於 9.95-15.28 MPa和23.47-27.12 MPa，而押出成形WPC的變異性又明顯大於射出成 31.
(46) 形WPC，此係射出成形試驗片是直接試片成形，押出成形試片則是以押出成形之 WPC再進行試片之裁切所得，因此試片可能較不均質所致。而WPC密度較大且均 質性較佳者，其強度也會有比較好的表現，由此可知，射出成形WPC的強度應大 於押出成形WPC，表中亦顯示押出成形WPC的MOET小於射出成形WPC的MOET， 值分別介於1.89-3.36 GPa和2.89-4.15 GPa。在MOR的部分，押出成形WPC的MOR 小於射出成形WPC的MOR，數值分別介於22.64-33.08 MPa和38.57-45.06 MPa，押 出成形WPC的MOR變異性亦大於射出成形WPC，表中亦顯示押出成形WPC的 MOEB小於射出成形WPC的MOEB，值分別介於2.52-2.96 GPa和2.83-4.78 GPa，押 出成形WPC的MOEB變異性一樣大於射出WPC。Stark等人（2004）研究結果指出 射出成形WPC的MOR值比押出成形者高，本實驗結果與此相符，綜合上述，射出 成形WPC的抗拉強度、MOR和MOE皆大於押出成形WPC，具較良好的機械性能。 表 4-6 不同木粉/塑膠比例 WPC 的機械性質 Table 4-6 Mechanical properties of WPC made from different wood/plastics ratios Tensile MOR MOET MOEB strength Processing Sample ID (MPa) (GPa) (GPa) (MPa) PP 40. 9.95±2.16a. 22.64±6.5a. 3.36±0.24a. 2.96±0.97a. PP 50. 14.31±2.81b. 27.81±2.66b. 2.91±0.20b. 2.86±0.25ab. PP 60. 15.81±1.24b 30.15±3.18bc. 2.25±0.52c. 2.52±0.21b. PP 70. 15.28±1.06b. 33.08±4.34c. 1.89±0.28d. 2.52±0.48b. PP 40. 23.47±0.40A 38.57±0.60A. 4.15±0.13A. 4.78±0.12A. PP 50. 24.61±0.29B. 41.72±0.69B. 3.68±0.16B. 4.13±0.07B. PP 60. 25.89±0.30C. 43.74±0.61C. 3.29±0.15C. 3.46±0.05C. PP 70. 27.12±0.30D 45.06±0.34D. 2.89±0.74D. 2.83±0.03D. Extrusion. Injection. A, B, C, D, a, b, c and d show significant difference with raw at the 0.05 level by the tukey test in ANOVA. 32.
(47) 4.6 WPC 之耐候性 4.6.1 耐候試驗對 WPC 表面顏色之影響 4.6.1.1 戶外耐候試驗 為了解不同木塑配比下，押出成形 WPC 的耐候性，本研究以實際戶外耐候試 驗評估 WPC 在耐候期間之性質變化，圖 4-1 為 4 種不同木粉塑膠配比所製備之複 合材經 360 天戶外耐候試驗過程中明度值(L*)、紅綠參數值(a*)、黃藍參數值(b*) 和色差值(ΔE*)之變化。圖 4-1a 顯示，在初期 90 天耐候試驗過程中，WPC 的 L* 值隨耐候試驗時間增長而明顯提升，隨後的變化則較不固定，在耐候 90 天至 180 天期間並無太大差異，然而當耐候時間到達 270 天時，L*值卻有顯著下降的趨勢， 隨後有些微的提升，在耐候時間最初的 90 天，由於材料的劣化使 WPC 的 L*值明 顯上升，隨後則隨耐候時間增加而下降，在 4 種 WPC 中，以 PP40 的 L*值變化偏 大，這可能是因為木粉含量較高所導致，PP50、PP60 和 PP70 的 L*值則隨著木粉 含量降低，變化也較小。圖 4-1b 顯示在耐候試驗初期 90 天，各材料的 a*值隨耐 後時間增加顯著下降，隨後的變化雖不大，但仍維持著相同下降的趨勢，在比較 不同 WPC 下，PP70 材料的 a*值變化相較於其他材料要來的小很多。圖 4-1c 顯示 在初期 90 天 WPC 的 b*值隨著耐候時間增加有顯著的下降，但是當耐候時間由 180 至 270 天時，除 PP40 外，b*值皆有明顯的升高，材料顏色偏向黃色，而 L*值在同 樣的時間所測的值，有明顯下降，與 b*值上升的現象互相對應，比較不同的 WPC 之後，可看出在耐候達 180 天後，各組 WPC 的變化趨勢開始有明顯的差異，隨木 粉含量的增加，在經過 270 天耐候時間下，WPC 的 b*值提升越多。而圖 4-1d 顯示 各 WPC 的 ΔE*值變化，除 PP40 外，在耐候試驗 180 天之前，皆隨時間增加而提 升，而在耐候時間達 180 天後，各材料的 ΔE*值皆明顯的下降，此與 L*值變化的 趨勢相近，耐候時間達 90 天後，PP40 有最高的 ΔE*值，隨劣化時間增加，也有下 降的趨勢，至耐候 360 天才有些微提升，在所有劣化時間下，PP40 的 ΔE*值均高 於其他的 WPC 試驗組，而在 PP50、PP60 和 PP70 則在耐候時間 90 天至 180 天時， 33.
(48) ΔE*值有提升的趨勢，到 270 天時下降，耐候時間至 360 天時又提升，另外 PP70 在所有耐候時間下，皆有最低的 ΔE*值。Kiguchi 等人(2007)以木粉和 PP 製備 WPC 進行戶外耐候試驗的結果顯示，WPC 在 3 個月耐候試驗後的 ΔE*值最高，此與本 試驗 PP50、PP60 和 PP70 的變化趨勢相符。 隨著劣化時間的增長，WPC 的 L*值、a*值和 b*值均有變化，會有此現象的 產生，是因為戶外耐候試驗時，降雨量的改變所造成的影響。圖 4-1e 顯示為台中 地區的降雨量，圖中顯示在耐候時間約 60 天時，有明顯降雨情形超過 10 mm。在 此期間，木材中的抽出成分和光氧化產生的發色團，因為雨水的淋洗只留下顏色 相對較淡的纖維素，對 WPC 產生褪色的作用，L*值因此有明顯的提升，a*和 b* 值則有顯著的下降。Kiguchi 等人(2007)的研究結果亦顯示 WPC 初期的顏色變化 主要是因為木材成分的改變，WPC 的褪色是因為木材中木質素和半纖維素受光氧 化而降解，再經雨水的淋洗所造成。而在耐候時間達到 270 天時，L*值明顯下降， b*值上升，造成此結果是因為在接近 270 天時的降雨量明顯降低。. 34.
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