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研究生: 李嘉誠
Chia-Cheng Lee
論文名稱: 紙漿複合材料之射出模造成形與機械性質分析研究
Analysis on Mechanical Properties of Pulp Composites by Injection Molding
指導教授: 陳炤彰
Chao-Chang Chen
口試委員: 劉士榮
Shih-Jung Liu
趙崇禮
Choung-Lii Chao
黃世欣
Shih-Hsin Huang
鄭逸琳
Yih-Lin Cheng
陳炤彰
Chao-Chang Chen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2018
畢業學年度: 106
語文別: 中文
論文頁數: 118
中文關鍵詞: 紙漿複合材料射出模造成形流動長度機械性質試驗
外文關鍵詞: Pulp composite material, Injection molding, Flow length, Mechanical properties
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  • 本研究探討不同紙漿複合材料(Pulp composites material)之材料配比對於熱性質、流動性質與射出模造成形試片與成品之機械性質的影響,並找出最佳材料後,以不同之製程參數進行全因子射出模造成形實驗,探討製程參數對於機械性質之影響性。研究方法將先進行模具設計與測試,在完成模具設計後,則進行紙漿複合材料製備,接著利用材料熱性質分析及螺旋流動模具短射實驗,探討材料之熱性質以及流動性質,經由螺旋流動模具短射實驗結果可得知具最佳流動性質之紙漿複合材料,接著探討紙纖維與玉米澱粉之配比對於機械性質之影響,並找出最佳性質之紙漿複合材料後,以實驗設計與回歸分析方法找出射出模造成形紙漿複材之抗拉及耐衝擊強度影響最大之製程參數。由實驗結果得知,紙纖維與玉米澱粉之配比對於材料之裂解溫度並無明顯之差異,P48/S7/W45紙漿複合材料具有最高之裂解溫度(Td)為388.9℃;由流動長度結果可得知含水率為主要影響流動長度之因素,當含水率達45 wt%時,具有最高之流動長度為315 mm;紙漿複合材料機械性質結果可得知P38/S17/W45具有最高之拉伸強度為14.52 MPa,P28/S27/W45則具有最高之衝擊強度23.15 J/m,比較整體機械性質後,選擇以P38/S17/W45進行後續全因子射出模造成形實驗,由實驗結果可以得知主要影響拉伸強度之因子為射出速度,主要影響衝擊強度之因子為模具溫度。本研究之紙漿複合材料射出模造成形與機械性質分析研究成果可應用於盆栽、杯墊與紙碗及生醫相關產品。


    This study is to investigate the effect of different pulp composites material on thermal, flow and mechanical properties by injection molding. After preparing with the pulp material, a full-factor injection molding experiment has been performed with different process parameters to investigate the influence of process parameters on mechanical properties. In this research, a spiral flow mold and coaster core are designed. The thermal property analysis and short shot experiment of spiral flow mold are used to investigate the flow and thermal properties. From results of short-shot experiment of spiral flow mold, the pulp composites with the best fitting properties can be obtained, and then the effect of the ratio of paper fiber to corn starch on mechanical properties is investigated. Design of injection molding experiment is adopted to find the most significant factors for tensile strength and impact strength of pulp composites samples. Final, the coaster injection molding experiment has been conducted. Results of TGA analysis show that the ratio of paper fiber to corn starch has no significant effect on the degradation temperature of such material. The degradation temperature of P48/S7/W45 is 388.9℃. From result of fitting length, it can be known that the water content is the main significant factor. When the water content is 45 wt%, the highest flow length is 315 mm. Result of mechanical properties show that the tensile strength of the P38/S17/W45 is 14.52 MPa and impact strength of the P28/S27/W45 is 24.86 J/m. Finally, the P28/S27/W45 is selected to conduct full-factor injection molding experiment. From experimental results, injection velocity and the mold temperature are the main effect factors of tensile and impact strength, respectively. Result of this study can be further application on potted plants, coasters, paper cups, paper bowls and other bio-medical products.

    摘要 I Abstract II 致謝 III 目錄 IV 圖表目錄 VIII 符號表 XIII 第一章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究目的與方法 3 1.3 論文架構 4 第二章 文獻回顧 6 2.1 添加紙漿複合材料射出成形相關文獻回顧 6 2.2 螺旋流動模具相關文獻回顧 11 2.3 紙漿複合材料射出成形相關專利回顧 16 2.4 螺旋流動模具相關專利回顧 17 2.5 文獻回顧總結 18 第三章 射出模造成形技術介紹與實驗規劃 19 3.1 紙漿複合材料射出模造成形相關理論與材料介紹 19 3.1.1 白卡紙 (White Cardboard) 19 3.1.2 玉米澱粉 21 3.1.3 紙漿複合材料射出模造成形製程 22 3.1.4 材料含水率計算 23 3.2 實驗規劃 24 3.2.1 實驗A─模具設計 24 3.2.2 實驗B─材料製備及模具短射實驗 25 3.2.3 實驗C─紙漿複合材料機械性質分析與杯墊射出 26 3.3 射出模造成形製程設備與量測儀器 28 3.3.1 紙漿複合材料 28 3.3.2 澱粉烘烤溫度試驗 29 3.3.3 紙漿複合材料製備 30 3.3.4 紙漿複合材料熱性質分析 33 3.3.5 紙漿複合材料蒸發速率測試 36 3.3.6 射出模造成形設備與材料 37 3.3.7 量測儀器 40 第四章 射出模造模具設計及模具短射實驗 41 4.1 螺旋流動模具設計 41 4.1.1 阿基米德螺旋線 41 4.1.2 螺旋流動模具設計 43 4.1.3 杯墊模仁設計 45 4.2 拉伸與衝擊射出模造成形模具設計 48 4.3 螺旋流動模具短射與流動長度分析 49 4.3.1 紙漿複合材料經料管後之含水率變化 49 4.3.2 螺旋流動模具短射 50 4.3.3 流動長度分析 61 第五章 紙漿複合材料性質探討 66 5.1 紙漿複合材料射出模造成形與機械性質分析 66 5.1.1 拉伸及衝擊模具短射實驗 66 5.1.2 試片取樣與量測 71 5.1.3 紙張與紙漿複合材料抗拉強度 72 5.1.4 紙漿複合材料耐衝擊強度 74 5.1.5 紙漿複合材料硬度量測 76 5.1.6 紙漿複合材料試片之微結構觀察 77 5.2 全因子射出模造成形實驗 79 5.2.1 射出模造成形實驗設計 79 5.2.2 P38/S17/W45紙漿複合材料抗拉強度結果 81 5.2.3 P38/S17/W45紙漿複合材料耐衝擊強度結果 84 5.2.4 全因子射出模造成形試片微結構觀察 87 5.3 紙漿複合材料杯墊平坦度量測 90 5.4 綜合結果討論 92 第六章 結論與建議 94 6.1 結論 94 6.2 建議 95 參考文獻 96 附錄A TGA操作原理 102 附錄B FANUC ROBOSHOT α15-iA 機台規格 103 附錄C 拉伸與衝擊試片模具圖 104 附錄D 螺旋流動模具 107 附錄E 杯墊模仁設計圖 110 附錄F 本研究所使用之量測儀器 112 附錄G 拉伸試驗結果圖 115 作者簡介 119   圖表目錄 圖1-1 紙漿產品圖[16] 2 圖1-2 論文架構流程圖 5 圖2-1 PP添加兩款不同木漿之拉伸強度[17] 7 圖2-2 有(左)無(右)開關模試片剖面[15] 8 圖2-3 兩種不同紙漿於不同含水率下之拉伸強度[18] 8 圖2-4 高分子複合材料吸水率比較[19] 8 圖2-5 不同紙張添加比例對拉伸強度[20] 9 圖2-6 螺旋流動模具圖(寬度3.2mm、螺距4.75mm、厚度R1.6mm) 13 圖2-7 螺旋流動產品圖(寬度1mm、螺距3mm、厚度1mm) [22] 13 圖2-8 螺旋流動模具圖(寬度6mm、厚度0.5mm) [23] 14 圖2-9 螺旋流動模具圖(寬度3.2mm、螺距4.75mm、厚度1.6mm) 14 圖2-10 Moldex3D模擬之螺旋流動模具與產品圖[25] 14 圖3-1 紙漿與紙板製造流程[28] 20 圖3-2 造紙流程圖[30] 21 圖3-3 玉米澱粉製作流程[31] 22 圖3-4 紙漿射出模造成形製程流程[15] 23 圖3-5 實驗流程圖─(A) 25 圖3-6 實驗流程圖─(B) 26 圖3-7 實驗流程圖─(C) 27 圖3-8 (1)果汁機 (2)玉米澱粉 (3)白卡紙纖維 28 圖3-9 60℃~140℃烘烤後之澱粉微結構表面形貌 30 圖3-10 紙漿複合材料混合步驟 31 圖3-11 各材料之表面形貌(1)玉米澱粉 (2)紙纖維 (3)紙漿複合材料 32 圖3-12 各材料之單一形貌與尺寸 (1)玉米澱粉 (2)紙纖維 (3)紙漿複合材 料…….. 33 圖3-13 TGA量測流程 34 圖3-14 TGA量測結果 (1)玉米澱粉 (2)紙纖維 (3)紙漿複合材料 35 圖3-15 模溫120℃之蒸發情形 37 圖3-16 模溫140℃之蒸發情形 37 圖3-17 (1)全電式臥式射出機 (2)烘料機 (3)電熱控制系統 39 圖3-18 (1)拉伸及衝擊模具 (2)螺旋流動模具 (3)杯墊模仁示意圖 39 圖4-1 計算弧長之關係式[32] 42 圖4-2 螺旋流動成品示意圖 44 圖4-3 模具3D剖視組合圖 44 圖4-4 一般排氣槽與添加排氣環之比較 47 圖4-5 模仁排氣環設計圖與模仁實體圖 47 圖4-6 拉料銷型式[33] 47 圖4-7 紙漿複合材料短射流動波前與顯微鏡觀測 60 圖4-8 各紙漿複合材料之流動長度與量測結果 64 圖4-9 統整各紙漿複合材料流動長度比較 65 圖5-1 紙漿複合材料拉伸及衝擊試片流動波前與短射比較 70 圖5-2 紙漿複合材料成形視窗 71 圖5-3 紙漿複合材料拉伸與衝擊試片(1)P28/S27/W45 (2)P38/S17/W45 (3)P48/S7/W45 73 圖5-4 紙張與紙漿複合材料抗拉強度比較 74 圖5-5 紙漿複合材料耐衝擊強度比較 75 圖5-6 紙漿複合材料表面硬度比較 76 圖5-7 拉伸試片之破斷面結構 78 圖5-8 耐衝擊試片破斷面結構 78 圖5-9 P38/S17/W45紙漿複合材料抗拉強度比較 82 圖5-10 P38/S17/W45抗拉強度實驗因子影響趨勢圖 83 圖5-11 P38/S17/W45紙漿複合材料耐衝擊強度比較 85 圖5-12 P38/S17/W45耐衝擊強度實驗因子影響趨勢圖 86 圖5-13 試片破斷面側面示意圖(左)拉伸試片, (右)衝擊試片 87 圖5-14 拉伸試片破斷面側面(100X) 88 圖5-15 拉伸試片破斷面側面(200X) 88 圖5-16 衝擊試片破斷面側面(100X) 89 圖5-17 紙漿複合材料杯墊示意圖 91 圖5-18 杯墊量測點位示意圖 91 圖A-1 熱重量損失分析儀架構示意圖[35] 102 圖A-2 TGA量測曲線示意圖[35] 102 圖F-1 材料性質量測儀器 112 圖F-2 微結構表面形貌觀測儀器 113 圖F-3 機械性質量測儀器 114 表2-1 兩種木漿之XPS結果[17] 7 表2-2 添加紙漿複合材料射出成形文獻列表 10 表2-3 螺旋流動模具文獻列表 15 表2-4 紙漿複合材料相關專利列表 16 表2-5 螺旋流動模具相關專利列表 17 表3-1 實驗規劃材料組別 32 表3-2 TGA量測數據整理 36 表3-3 量測儀器清單 40 表4-1 紙漿複合材料空射後之含水率 49 表4-2 短射實驗成形參數 51 表4-3 統整各紙漿複合材料流動長度數據結果 65 表5-1 實際短射成形參數 67 表5-2 射出模造成形參數 73 表5-3 紙張與紙漿複合材料之抗拉強度詳細數據 74 表5-4 紙漿複合材料耐衝擊強度詳細數據 75 表5-5 紙漿複合材料表面硬度詳細數據 77 表5-6 射出模造成形製程參數 80 表5-7 實驗三因子兩水準L8(23)參數設計 80 表5-8 P38/S17/W45紙漿複合材料抗拉強度詳細數據 82 表5-9 P38/S17/W45抗拉強度變異數分析 83 表5-10 P38/S17/W45抗拉強度實驗因子影響性 83 表5-11 P38/S17/W45紙漿複合材料耐衝擊強度詳細數據 85 表5-12 P38/S17/W45耐衝擊強度變異數分析 86 表5-13 P38/S17/W45耐衝擊強度實驗因子影響性 86 表5-14 杯墊射出模造成形參數 90 表5-15 杯墊平坦度整理 91

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