國立宜蘭大學森林暨自然資源學系碩士論文 Department of Forestry and Natural Resources National Ilan University Master Thesis

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國立宜蘭大學森林暨自然資源學系碩士論文

Department of Forestry and Natural Resources National Ilan University

Master Thesis

新型防腐處理木橫擔之性能 Performance of Wooden Crossarms

Treated With new Preservatives

研究生：林莉純 Li-Chun Lin

指導教授：卓志隆博士

Advisor: Chih-Lung Cho, Ph. D.

中華民國九十九年七月

July, 2010

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中文摘要

本研究選用油脂木、花旗松、美國西部鐵杉、紐西蘭放射松及美國南方松共 5 個樹種作為試驗材料，製成斷面尺寸為 9×9×180 cm 之木橫擔，經藥劑濃度 2 %之 ACQ、MCQ、CCA 及藥劑濃度 1 %之 CA 等四種藥劑以充細胞法處理，再進行防腐藥劑處理性及力學性質之評估，最後篩選出三種樹種進行戶外暴露試驗以做為後續防腐性能之評估。試驗結果顯示如下：

南方松為最容易注入防腐劑之木材；MCQ 對油脂木有特別良好之注入效果，但對於針葉樹則較其他藥劑困難；防腐處理性最困難的木材為花旗松。就藥劑表現而言以 CCA 最佳，ACQ 及 CA 次之，MCQ 最差。

經四種藥劑處理後，試材抗彎彈性模數比強度值除了南方松 CA 處理材與其他藥劑間具有顯著差異性外，其他樹種之藥劑處理材間皆不具差異性。

花旗松、油脂木、放射松及西部鐵杉經 CCA 處理後，試材的比抗彎強度值最低，顯示 CCA 處理材對木材的抗彎性質之影響程度遠較其他藥劑大。

經戶外暴露後，不同藥劑處理對木橫擔動彈性模數的影響不大，經暴露 210 天後其動彈性模數減少率大部分在 20%以下。不論油脂木、南方松或西部鐵杉的 CCA 防腐木橫擔對鍍鋅墊圈的腐蝕程度顯著地較其他藥劑低。

ACQ 與 CA 處理木橫擔對鍍鋅墊圈的腐蝕程度較嚴重，經變異數統計分析，

在 5%顯著水準下，其腐蝕面積顯著高於 CCA 及 MCQ 處理材。

以南方松邊材進行耐腐朽性實驗結果顯示，四種藥劑經褐腐菌 Gloeophyllum trabeum 腐朽後，其質量損失率皆在 3%以下；經褐腐菌 Poria placenta 腐朽後，除了 CA 藥劑之外，其他藥劑之質量損失率在 3%以下，

試材以 CCA、ACQ、MCQ 及 CA 處理皆可有效抵抗褐腐菌 G. trabeum 之危 害。但以 CA 藥劑處理可能需要較高之吸收量才能有效抑制褐腐菌 P.

placenta 之生長。

防腐處理材對不鏽鋼釘腐蝕性不具顯著影響，但 ACQ 處理材則對低碳鐵釘與熱浸鍍鋅之質量損失率顯著高於 CCA、MCQ 及 CA 處理材。

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關鍵詞：防腐木橫擔、木材防腐劑、木材力學性質、暴露試驗、耐腐朽性、

金屬腐蝕。

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Abstract

Apitong, Douglas-fir, western hemlock, southern yellow pine, and radiata pine specimens of 9×9×180 cm (R×T×L) in dimension were treated by full-cell process with 2% ACQ, MCQ, CCA and 1% CA to produce preservative-treated wooden crossarms for mechanical properties and treatability assessments. Three tested wood species were selected to evaluate the decay resistance of wooden crossarms under outdoor exposure. The following conclusions were drawn from this study：

Southern yellow pine appears to be the most easily-treated wood species among the five species study by all the preservatives used in this study. MCQ shows outstanding penetration ability to Apitong, however, seems to penetrate softwood species poorly in comparison to the other preservatives used in this study. The most difficult species to be treated by preservatives is Douglas fir. In spite of wood species, CCA indicates best wood penetration ability, followed by ACQ and CA, while MCQ is the worst.

Except the CA treated southern yellow pine specimen, different preservative treated specimens within a single tested wood species indicate insignificant difference in specific MOE ratio. The CCA treated Apitong, Douglas-fir, western hemlock, and radiata pine specimens showed much lower specific MOE ratios than the ratios obtained from all the other wood species and preservative treatment combinations, which reveals that CCA has more negative influence on the bending properties of treated wood than the other preservatives.

The reductions in dynamic modulus of elasticity (DMOE) for most crossarm specimens tested were lower than 20% after 210 days of outdoor exposure, which implies that the preservatives used in this study do not significantly affect the DMOE of treated crossarms. The corrosion of washer contacted with CCA treated specimens was less than those contacted with specimens treated with other preservatives. Under 5% significant level, the ANOVA results reveal that the corrosion area of zinc coating steel washer

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with CCA and MCQ treated crossarms.

The sapwood specimens of southern yellow pine treated with the four preservatives used in this study showed weight losses less than 3% after incubation with brown-rot fungus G. trabeum, however, when the fungus used turned to P. placenta, CA treated specimens did not reach the 3% weight loss criteria, which indicates that a higher preservative retention for CA is required to resist decay caused by P. placenta effectively.

The wood specimens treated with all the four preservatives used exhibits no obvious influence on the stainless steel nails imbedded into the specimens, while low-carbon nail and zinc coating steel nails imbedded into ACQ treated specimens display significant weight losses than those imbedded into CCA, MCQ, and CA treated specimens.

Keywords: Preservative treated wooden crossarms, Wood preservative, Mechanical properties of wood, Exposure test, Decay resistance, Corrosion of metal.

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謝誌

本論文能順利完成，首先誠摯的感謝指導教授卓志隆博士悉心的指導及充滿耐心的等候，並給予學生鼓勵及教誨，才能完成試驗，又在百忙之中抽空逐字斧正論文，使得論文能順利完成。

感謝口試委員林亞立老師、李鴻麟老師、蔡明哲老師逐頁斧正論文初稿，並且於口試時給予指正與建議，使論文完備及嚴謹，僅此獻上最高的謝意。在研究期間，特別要感謝林亞立老師，提供試驗菌種和試驗所需儀器以及細心指導耐腐朽試驗之相關知識。

修業期間試材製備得到許多人的協助，感謝台大木工室曹師傅以及昆晉公司製備防腐試驗所需試材與進行防腐處理。在耐腐性試驗上，特別感謝曾詩涵與游婉婷同學不遺餘力的協助，使得試驗能在短時間完成前置工作。另外進行戶外暴露試驗時，感謝曾經被我要求義務幫忙的坤益學長、

婕妤學妹、姿文學妹、志昇學弟、鎮仰學弟、竣研學弟、詩茵學妹、饅頭學弟等眾多學弟妹們，以及放假被我請來幫忙的林氏家族成員莉蓉、俊孙、

宏杰、立偉、香雪，感謝你們的勞力付出。在此特別感謝顏廷諭同學及仰禾學姐從架設暴露架到歷經 1 年六次的戶外試驗皆給予最大的協助與支持，

並在學業上與我相互切磋討論。

時光飛逝，修業三年的研究生活即將畫下完美的結束，感謝系上老師的照顧以及仰禾學姐、潘佳君學姊、黃姊及周玫利助理和實驗室的各位在這一段時間與我開心度過。最後，感謝父母多年來的栽培，並給我無微不至的照顧，有了你們的辛苦教誨，使我在研究所期間可以安心、開心的學習，如今不材的小女終於要畢業了，謹此，願將此成果獻給辛苦的你們。

林莉純謹誌于國立宜蘭大學森林暨自然資源學系中華民國九十九年九月

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表目錄

表 1 氧化物型—鉻化砷酸銅水溶性木材防腐劑成分與種類 ... 7

表 2 鹽類型—鉻化砷酸銅水溶性木材防腐劑成分與種類 ... 8

表 3 銅烷基銨化合物之防腐劑成分與種類 ... 9

表 4 微米化銅烷基銨化合物之防腐劑成分與比列 ... 10

表 5 銅唑化合物之防腐劑成分與比例 ... 11

表 6 中華民國國家標準(CNS)、美國木材防腐協會(AWPA)及澳洲標準之木材使用環境與危害分級 ... 12

表 7 相關危害分級與藥劑吸收量規範比較 ... 13

表 8 腐蝕面積率與分級數字的關係 ... 25

表 9 防腐木橫擔材質及彎曲性質... 30

表 10 比較台電規範之防腐木橫擔合格率 ... 31

表 11 花旗松防腐處理無缺點小試材抗彎性質 ... 34

表 12 油脂木防腐處理無缺點小試材抗彎性質 ... 34

表 13 南方松防腐處理無缺點小試材抗彎性質 ... 35

表 14 放射松防腐處理無缺點小試材抗彎性質 ... 35

表 15 美國西部鐵杉防腐處理無缺點小試材抗彎性質 ... 36

表 16 防腐木橫擔抗彎強度與無缺點小試材之比值( MOR ratio) ... 38

表 17 四種防腐藥劑在不同樹種的注入量（kg/m³） ... 40

表 18 四種防腐藥劑在不同樹種的藥劑帄均吸收量（kg/m³） ... 40

表 19 不同藥劑與樹種組合之帄均藥劑滲透深度、面積與吸收量 ... 41

表 20 南方松試材以四種防腐藥劑處理的帄均吸收量（kg/m³） ... 44

表 21 以不同藥劑吸收量處理之南方松試材經 G. trabeum 12 週腐朽試 驗之質量損失率(%) ... 45

表 22 以不同藥劑吸收量處理之南方松試材經 P. placenta 12 週腐朽試 驗之質量損失率(%) ... 47

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表 23 鐵件使用於防腐藥劑處理材 10 天後之質量損失率（%）... 49 表 24 鐵件使用於防腐藥劑處理材 30 天後之質量損失率（%） ... 50 表 25 防腐木橫擔經不同暴露時間後之動彈性模數 ... 52 表 26 防腐木橫擔經不同暴露時間後並調整至含水率 15%時之動彈性模

數 ... 53 表 27 鍍鋅墊圈經時之腐蝕面積率及腐蝕等級 ... 57 表 28 北美地區 ACQ 防腐處理之使用金屬配件材質規定 ... 63

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圖目錄

圖 1 防腐處理材之暴露試驗架 ... 23

圖 2 密度、節徑比值與抗彎強度(MOR)之線性關係 ... 30

圖 3 動彈性模數與抗彎強度之線性關係 ... 31

圖 4 藥劑吸收量對南方松試材經 G. trabeum 腐朽後之質量損失率(%) 關係 ... 47

圖 5 藥劑吸收量對南方松試材經 P. placenta 腐朽後之質量損失率(%) 關係 ... 48

圖 6 不同防腐藥劑處理材與不同金屬鐵釘在 30 天試驗後之腐蝕圖 ... 50

圖 7 以不同藥劑處理油脂木木橫擔之經時動彈性模數比值 (DMOE ratio)的變化 ... 53

圖 8 以不同藥劑處理南方松木橫擔之經時動彈性模數比值 (DMOE ratio)的變化 ... 54

圖 9 以不同藥劑處理西部鐵杉木橫擔之經時動彈性模數比值 (DMOE ratio)的變化 ... 54

圖 10 放置於油脂木防腐木橫擔鍍鋅墊圈之經時腐蝕狀況 ... 58

圖 11 放置於南方松防腐木橫擔鍍鋅墊圈之經時腐蝕狀況... 59

圖 12 放置於西部鐵杉防腐木橫擔鍍鋅墊圈之經時腐蝕狀況... 60

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壹、前言

木材因具有美麗的紋理和自然、柔和的色澤、氣味芳香、令人愉悅的觸感並且能調節溫溼度、吸收紫外光及具良好的音響性質和電絕緣性等各種物理與強度性質優良特性，一直以來皆是建築、家具、器具等常使用的材料。但由於木材是生物性的有機材料，其主要成分之纖維素、半纖維素與木質素是由碳(C)、氫(H)、氧(O)等三種元素為主體所構成的有機高分子化合物，極易受生物因子如白蟻、真菌等危害而產生生物性劣化；或受環境因子影響，如降雨導致木製品膨潤及收縮而產生變形，吸收紫外光產生材質的光劣解，易燃等非生物性劣化的問題。

未經適當保護處理的木材不但會使木材喪失原來的天然色澤與製材品功能，縮短使用年限，甚至會因為腐朽、斷裂而造成使用上安全性的疑慮。

為解決木材易受生物侵害而產生的生物降解並延長材料的使用年限，減少資源的耗費，在環境危害分級較高的使用場合，以化學藥劑處理木材似乎仍是目前最簡單有效的方法。

過去全球使用最多的木材防腐劑為：雜酚油 (Creosote) 、五氯酚 (Pentachorophenol, PCP)及鉻化砷酸銅(Chromated Copper Arsenate, CCA) (周慧明, 1989) 。這些木材防腐劑都是具有廣效性、長效型及經濟性等優越特性。其中 CCA 是自 1930 年代以後使用最廣的木材防腐劑，主要原因為 CCA 注入木材後，能快速地互相作用生成不溶於水的化合物，如鉻酸銅(CuCrO4〃 2CuO)、砷酸銅[Cu3(AsO4)2]、砷酸鉻(CrAsO4)、鉻酸鉻[Cr2(CrO4)3]等錯合物而固著於木材的纖維上(張上鎮, 1995)，不易受雨水淋洗或土壤中的水分沖洗而流失；加上以 CCA 處理木材，除了能防止黴菌、腐朽菌、昆蟲、白蟻和海蟲等的危害外，亦具有提高耐水性、耐光性和耐候性等功能(蔡明哲等, 2008)。但以防腐劑處理木材以達抗蟲、殺菌的目的，免不了要面對這些毒性物質會對生物產生危害，甚至造成環境污染的問題，因此促使許多國家

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逐漸重視防腐劑使用的潛在問題。

就 CCA 而言，因為防腐劑成分中之六價鉻在木材內固定不完全，經水淋洗會造成土壤污染；若與人體接觸後會引起皮膚炎或皮膚潰爛等症狀；

若將處理材燃燒廢棄時，其成分中的砷和鉻會產生有毒物質 AsO3、CrO3，將對人體健康造成極大的疑慮(蔡明哲等, 2008)。歐盟大多數國家已禁止使用含砷處理的防腐材，僅有少數國家同意使用鉻、銅、硼化合物如 CCB (Chromated Copper Boron)至 2006 年止；日本則因工業廢水標準的大幅提高，

使得當地防腐工業界自 2002 年後無法使用含鉻、砷的木材防腐劑；美國環保署與防腐工業界達成協議於 2004 年後停止生產居家使用的 CCA 處理材 (林亞立與陳克恭, 2004)。因此我國環保署也於 96 年 1 月 30 日公告自 96 年 4 月 1 日起起禁止以鉻化砷酸銅處理供下列用途使用之木材：(一)室內建材、

傢俱、戶外桌椅(但建築物樑柱及地基製材，不在此限)；(二)遊戲場所、景觀、陽台、走廊及柵欄(但橋樑結構、基礎接地用材，不在此限)；(三)其他與皮膚直接接觸者(環保署毒字第 0940105517 號)。

雖然目前發展之木材防腐劑藥劑研發上朝有機合成藥劑為主體，輔以疏水劑（water repellents）、獒合劑（chelators）或抗氧化劑（antioxidants）

等，期能達到防腐劑的需求(林亞立與陳克恭, 2004)。但現在尚無符合需求之有機合成藥劑可供使用，故市場上流通仍以銅化合物之木材防腐劑為主，

由於銅化合物對於木材真菌、變色菌及黴菌等具有良好防治效果，而銅元素可與木材的纖維素及木質素反應存在於木材中，並且銅能與真菌蛋白質產生沉澱作用(Precipitation)及抑制木材腐朽菌的分解酵素(陳克恭, 2006)。

故隨著科技的發展及進步，亦將奈米技術應用於防腐藥劑性質的改善上，

將藥劑中的金屬及無機鹽類成分微米化(微米(μm)10^-6m)，如微米化銅烷基銨化合物(MCQ)，使銅能更容易進入細胞壁孔隙，存在於木材中，期許能達到更好防腐效能。

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目前用以替代 CCA 的藥劑，如銅、烷基銨化合物系藥劑（ACQ）或銅、

唑化合物系藥劑（CA）等藥劑。即是保留銅化合物，排除砷、鉻成分，加上烷基銨或唑化合物等有機合成的抗蟲成分，並以氨或有機胺來協助藥劑滲透，其中氨或有機胺對金屬接合配件具高腐蝕性 (林亞立與陳克恭, 2004)。

Rammer(2006)指出 ACQ 和其他新型防腐劑，因為增加了銅的百分比，較 CCA 對金屬鐵件更具腐蝕性。且目前有許多研究指出 ACQ-D、CA-B 對金屬鐵件比起 CCA 具有兩倍以上的腐蝕性(Graham, 2009)。Freeman and Mclntyre(2008)指出微米化系統之木材防腐劑對鐵釘通常有較少的腐蝕性，

在大部分實驗中微米化系統之防腐劑其質量損失比起 CCA-C 是相似或較少的。由於防腐材的使用上，有許多部分是使用在戶外的建築，故經常需要運用許多鐵件來連結建築構件，因此有必要了解不同防腐藥劑處理材對金屬的腐蝕性，冀望未來可以提供不同藥劑處理材需使用何種鐵件之建議。

本研究主要探討三種環保型藥劑(銅烷基銨化合物 ACQ、銅唑化合物 CA、微米化銅烷基銨化合物 MCQ)與 CCA 防腐效能之差異，選用油脂木、

花旗松、美國西部鐵杉、紐西蘭放射松及美國南方松等五種樹種做為木橫擔素材，評估防腐藥劑處理性能與力學性質及對金屬的腐蝕性，由試驗結果篩選出三種樹種以進行戶外暴露試驗，做為後續防腐性能之評估。

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貳、文獻回顧

一、木材防腐劑組成成分

木材防腐劑種類繁多，其中具有廣效性的藥劑對危害木材的生物都具有毒效，如 CCA 和已經禁用的五氯酚(pentachlorophenol，PCP)；而有的只是針對一種危害木材生物具有防治性，即所謂的專一性，故常需根據實際使用情況選用適合的藥劑。一種理想的木材防腐劑頇具備的條件有：(一) 對於危害木材的生物有足夠的致死毒性；(二)持久性與穩定性；(三)對於木材具有良好滲透性；(四)對金屬無腐蝕性；(五)不影響木材表面性質；(六) 不降低木材強度及(七)使用安全，對人畜無害，不污染環境等(周慧明, 1989)。

常用的木材防腐劑大致可分為三類：油質防腐劑(oil solvent type)、有機溶劑防腐劑(organic solvent type)和水溶性防腐劑(water-borne type)。

油質防腐劑包括煤焦油(coal tar)、煤雜酚油(creosote)及煤雜酚油與煤焦油或石油的混合油等。油質防腐劑是一種普遍型防腐劑，對各種木材腐朽菌、昆蟲、白蟻及海生鑽孔動物都有良好的致死性和預防作用，且具有良好的耐候性，能抗雨水或海水的沖刷，不易流失，並對金屬腐蝕性低且價格低廉。但油質性防腐劑的缺點是有辛辣味，接觸皮膚具刺激性，且處理後木材表面呈現黑色無法進行塗裝，加上溫度的變化，容易使處理後之木材產生溢油現象，造成環境污染。

有機溶劑防腐劑是由一種或數種殺菌劑 (fungicides) 或殺蟲劑 (insecticides)溶於有機溶劑中所調配出之防腐劑，一般這些殺蟲或殺菌劑之濃度在 5% 以下，以往木材防腐劑常用的殺菌劑有五氯酚類 (pentachlorophenol，PCP)、環烷酸銅(NCU)、有機錫化合物(例如三丁基氧化錫 TBTO)、Oxine Copper (Copper-8-Quinolinolate)、苯基苯酚等，其中五氯酚為效能高的廣效型防蟲、防腐劑，但對人、畜等哺乳動物的毒性也高，

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目前已禁用。此類型防腐劑之優點有：(一)對危害木材的各種生物毒性強；

(二)易被木材吸收，可用塗刷、浸漬等簡易方式進行處理；(三)耐久性佳；(四) 處理後木材的變形小；(五)處理後木材表面乾淨，可以進行塗裝和膠合；(六) 對金屬無腐蝕性。而有機溶劑防腐劑缺點是成本較高，且通常使用的揮發性溶劑都是易燃物，當它們揮發時容易導致火災，故處理後木材的防火性能要求高。

水溶性防腐劑是目前世界各國應用廣泛、種類最多的一種防腐劑。此類型的防腐劑大多是由毒性之離子鹽類所組成。這些鹽類具有殺菌、殺蟲能力的活性成分，此外非活性成分也會促進鹽類的溶解作用；同時對鹽類的滲透性和在木材中的留存率也有一定的影響，甚至會使活性成分固著於木材內。如一些含氨的防腐劑，當氨從木材揮發出來時，就改變了防腐劑配方的 pH 值，而使有效成分產生固定作用。水溶性防腐劑具有價格低廉且處理後木材表面乾淨且無刺激性氣味，不影響塗裝和膠合之優點，而其缺點是處理後之木材易產生乾燥缺點及抗流失性差(周慧明, 1989)。

目前國內防腐處理廣泛使用的水溶性藥劑是鉻化砷酸銅 (Chromated Copper Arsenate，CCA)，但由於廢棄處理材所產生的問題，如將處理材燃燒廢棄時，其成分中的砷和鉻會產生有毒物質 AsO3、CrO3將對人體健康造成極大的疑慮(蔡明哲等, 2008)；若將其掩埋則有淋溶金屬污染的潛在危險，

如六價鉻在木材內固定不完全，經水淋洗將造成的土壤污染等問題。故目前木材防腐處理已逐漸採用較環保的新型低毒性之防腐劑，如 ACQ 與 CA 之趨勢。

（一）鉻化砷酸銅(Chromated Copper Arsenate, CCA)

最早在 1930 年由瑞典首先提出 Boliden BIS 及 S25，但在 1933 年，

英國 Kamesan 氏提出第一個 CCA 配方的專利，商品名為“Ascu”，同時美國貝爾電話公司利用 Kamesan 氏之專利配方，開發出 Greensalt K、

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Greensalt S 與 Greensalt O 及 Tanalith C 等產品(王家彰, 1985)。CCA 在 1983 年獲得專利後，因可有效防止真菌生長和防治白蟻、海蟲之效能及在處理材中具有良好的固著性、加上處理後木材使用年限長和價格便宜等優點，逐漸取代雜酚油(Creosote)與煤焦油(Coal tar)，至 70 年代成為使用量最大的木材防腐劑，並維持使用量至 90 年代才因環保要求而逐漸被不含鉻、砷的藥劑取代。但因在特定使用環境中還是具有新型防腐劑達不到的防腐效果，故多數國家與地區僅是限制使用，並未禁用。

因發展過程的不同，在美國 CCA 其有效成分以鉻之氧化物(CrO3)、

砷及銅之氧化物(As2O5及 CuO)為計算與配比基準，依各成分比例的不同組成 A、B、C 等三型(American Wood-Preservers’ Association Standard P5-04，AWPA Standard P5-04)；此三型在中國國家標準 CNS 14495 列為 CCA-1、CCA-2、CCA-3(如表 1)。在大英國協，CCA 有效成分以鉻、

砷、銅之鹽類化合物即重鉻酸鉀(K2Cr2O7)、硫酸銅(CuSO4〃5H2O)及五氧化二砷(As2O5〃2H2O)做為計算與配比基準，依各成分比例的不同組成 Ι、Ⅱ等兩型；此兩型在中國國家標準 CNS 14495 列為 CCA-4、

CCA-5(表 2)。此五種類在木材防腐效果上性質接近，使用的藥劑有效成分吸收量規範亦相同，目前台灣地區以 CNS 14495 記載為 CCA-3 號者為主，商品名為「當耐力」( Taialth C )。

CCA 的三個主要成分各有其任務，鉻化合物的功能為滲透、攜帶及做為木材與銅化合物及砷化合物形成錯合物的媒介，如鉻之氧化物 (CrO3)僅做固定劑，不宜單獨作為木材防腐劑使用，但它與砷及銅之氧化物(As2O5及 CuO)混合使用時，可將砷、銅固定於木材內。銅化合物因有破壞細胞膜滲透性及使蛋白質變性的功效(即銅能與真菌蛋白質產生沉澱作用)，對木材真菌、變色菌及黴菌等具有良好的防治效果，此

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外對白蟻等亦具有毒殺能力。砷化合物會破壞硫化氫(SH)的酵素，導致細胞膜溶解，成為含有胃毒性及神經系統毒性之化學物質，對昆蟲有具良好的抑制效果，並能輔助銅化合物抵抗對銅化合物有惰性之真菌。

表 1 氧化物型—鉻化砷酸銅水溶性木材防腐劑成分與種類

Table 1 Types and composition of oxide-based water borne Chromated Copper Arsenate preservatives.

項目種類

CCA-1 CCA-2 CCA-3 有效成分之

配合比 Wt%

鉻化合物(以 CrO₃計) 59~69 33~38 45~51

銅化合物(以 CuO 計) 16~21 18~22 17~21

砷化合物(以 As2O5計) 15~20 42~48 30~38

有效成分⁽¹⁾之含量 wt% 20 以上 65 以上 50 以上

製品之狀態液狀糊狀液狀或糊狀

水不溶物 wt% 1 以下

pH 值 1.6 ~2.8

註

⁽¹⁾

：所謂有效成分是以鉻化合物(以 CrO

₃

計)、銅化合物(以 CuO 計)及砷化合物(以 As

₂

O

5

計)之

合計稱之。

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表 2 鹽類型—鉻化砷酸銅水溶性木材防腐劑成分與種類

Table 2 Types and composition of salt-based water borne chromated copper arsenate preservatives.

項目種類

CCA-4 CCA-5 有效成分

之配合比 Wt%

鉻化合物(以 K2Cr2O7計) 45.0 (40.5)

41.0 (38.0) 銅化合物(以 CuSO₄〃5H₂O 計) 35.0

(31.5)

32.6 (30.0) 砷化合物(以 As2O5〃2H2O 計) 20.0

(18.0)

26.4 (24.0)

有效成分⁽²⁾之含量 wt% 98 以上

製品之狀態糊狀

pH 值 1.8~2.8

註

⁽²⁾

：所謂有效成分是以鉻化合物(以 K

₂

Cr

2

O

7

計)、銅化合物(以 CuSO

₄

〃5H

₂

O 計)及砷化合物(以 As

2

O

5

〃2H

₂

O 計)之合計稱之；括弧內數字表示可容許變更之最低值。

（二）銅烷基銨化合物(Ammoniacal Copper Quaternary, ACQ)

銅烷基銨化合物(Ammoniacal Copper Quaternary, ACQ)為銅化合物與四級銨鹽依一定比例混合溶於氨或(及)乙醇胺之水溶液型藥劑(氨或乙醇胺對木材滲透性佳，扮演溶解、攜帶有效成分的媒介)。銅化合物以氧化銅(CuO)計算為有效成分，銅化合物因有破壞細胞膜滲透性及使蛋白質變性的功效，對真菌為有效的防治成分；四級銨鹽容易被吸附於木材細胞壁上，主要對於邊材變色菌及黴菌有良好防治效果；同時亦對腐朽菌及昆蟲具抑制效果。常用的四級銨鹽有兩種分別為 didecyl dimethyl ammonium chloride/ carbonate (DDAC) 或 N -alky1 benzyl dimethl ammonium chloride ( BKC or BAC ) ，具殺菌劑功能，因為 DDAC 及 BKC 可在土壤中自然分解，環境保護效果較佳，在家庭及工業中常被用來作為消毒清潔劑。ACQ 在 1988 年開始以商品流通於斯堪的納維亞國家(Scandinavian)，並在 1992 年列入美國木材保存協會

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(AWPA)所訂定之標準，目前 ACQ 可分為 ACQ-A、B、D 三型(AWPA Standard P5-04)，其中 A 和 B 型之 DDAC 為 chloride type，成分比例 A 型為 CuO：DDAC= 50%：50%，B 型為 CuO：DDAC= 66.7%：33.3%；

D 型之 DDAC 為 chloride 或 carbonate type，成分比例 CuO：DDAC=

66.7%：33.3%。但在中國國家標準 CNS 14495 則列為 ACQ-1、ACQ-2 兩型。(如表 3)。

表 3 銅烷基銨化合物之防腐劑成分與種類

Table 3 Types and composition of ammomiacal / alkaline copper quat preservatives.

項目種類

ACQ-1 ACQ-2

有效成分之配合比 Wt%

銅化合物(以 CuO 計) 53~59 62~71

氯化 N-烷基苯甲基二甲基銨 ( N-alkyl benzyl dimethl ammonium chloride ；BKC)

41~47 --

氯化二癸基二甲基銨(DDAC) -- 29~38

有效成分⁽³⁾之含量 wt% 16 以上 13 以上

製品之狀態液狀

pH 值 9.5~11.0

註

⁽³⁾

：有效成分是銅化合物與氯化 N-烷基苯甲基二甲基銨或氯化二癸基二甲基銨之合計稱之。

（三）微米化銅烷基銨化合物(Micronized Copper Quaternary, MCQ) 微米化銅、烷基銨化合物(Micronized Copper Quaternary , MCQ)，

其成分與 AWPA Standard P5-04 之 ACQ - D 相似(表 4)，主要的差異在於將其中的銅微米化，並採用 carbonate type 之 DDAC，以減少溶劑中氨水的比例；目的在促進銅成分的滲透性，降低 chloride type 之 DDAC 中氨離子對金屬的腐蝕性，並減少藥劑與處理材所散發出的刺激性氣 味。Matsunaga et al. (2007)研究指出，銅化合物經微米化後，對木材微

(25)

小孔隙(細胞壁層中的間隙)的滲透性具有顯著的改善效果，應可有效的促進防腐藥劑成分的注入、降低所需有效藥劑成分吸收量、提升藥劑成分的固著性、減緩藥劑對金屬扣件的腐蝕性。

表 4 微米化銅烷基銨化合物之防腐劑成分與比例

Table 4 Composition of micronized copper quat preservative.

MCQ 有效成分

之配合比 Wt％

CuO DDAC

正常 66.7 33.3

最小 62.0 29.0

最大 71.0 38.0

（四）銅唑化合物(CA)

銅唑系木材防腐劑為 1980 年代後期因研發銅系防腐劑所發展出的藥劑，當時由 Arch Chemical 公司(Hickson 公司的前身)發現某些唑類 (azole)能與銅元素結合並具有加成效果與廣泛的防黴效力，而被世界許多國家包括亞太地區的日本及紐西蘭等國廣泛應用，其中日本是使用銅唑系藥劑最多的單一國家(Clarruthers, 2001)。銅、硼、唑化合物(Copper Boron Azoles，CBA) 為銅唑系木材防腐劑的基礎配方，但 CBA 中的硼酸(B)成分極易與水分接觸而流失，因而在發展過程中將硼酸的部分由銅化合物取代，成為銅唑化合物(Copper Azoles，CA)。早期 CA 中的 azoles 可為 cyprocoazole 或 tebuconazole( 鐵布可唑 ) ，目前則皆以 tebuconazole 為成分。Tebuconazole 為環境、農產品及醫藥用消毒劑，

對細菌及真菌具有抑制效用。CA 有效成分為銅化合物及 tebuconazole，

溶於乙醇氨水溶液中，比例如 AWPA Standard P5-04 之 CA-B 所示(表 5)。目前 CNS14495 只規範銅、硼、唑化合物的成分與比例，且在 CNS 3000 木材防腐藥劑吸收量基準並未有銅、唑化合物系藥劑的吸收量規範。

(26)

表 5 銅唑化合物之防腐劑成分與比例

Table 5 Composition of copper azole preservative.

AWPA Standard P5-04 之 CA-B 有效成分

之配合比 Wt％

Cu tebuconazole

正常 96.1 3.9

最小 95.4 3.2

最大 96.8 4.6

二、木材使用環境危害分級

由於木材腐朽與其使用場所的氣候、濕度或木材真菌等，有極顯著的

關係，因此各國對於木材使用場所的環境與與危害因子訂定危害分級。以中華民國國家標準 CNS3000「木材之加壓式防腐處理方法」中的『木材使用環境與危害分級』為例，共分為五級(K1-K5；表 6)，各級環境有其可使用之防腐藥劑與吸收量規範。除危害分級外，木材需達何種處理標準，亦與樹種、心材、天然耐腐朽性有關。參考 AWPA 規範(U1-04)可知，AWPA 將危害分級制訂為 10 級(表 6)，較 CNS 複雜。另澳洲則為六級(H1-H6，表 6)。日本則與 CNS 相同(CNS 係參考 Japanese Agricultural Standards 修訂)。

表 7 以 CNS 為基準，歸納上述規範，將危害分級做對照，並比較同等級規範之藥劑吸收量。AWPA 將木橫擔歸為 UC3B 或 UC4A，在 CNS 則為 K4 級，澳洲為 H3。如此便可參考得知防腐木橫擔應有之防腐處理規範。

(27)

表 6 中華民國國家標準(CNS)、美國木材防腐協會(AWPA)及澳洲標準之木材使用環境與危害分級

Table 6 Service conditions and use category of Chinese national standards, American wood-preservers’association standards, and Australian standards.

CNS 3000『木材使用環境與危害分級』 AWPA U1-04 Australian Standard (AS1604.1-2005)

危害

分級使用環境木材遭危害之可能種類

蟲蟻真菌吸水吸濕軟腐

K1

木材處於室內，且無蟲蟻危害之

虞，或室內溫濕度可加以控制。 × × × ×

UC1 H1

Interior construction, above ground, dry (Insects only) Inside, above ground (Insects other than termites)

K2

木材處於室內，室內相對濕度均

佈，且≦70%。 ○ × × ×

UC2 H2

Interior construction, above ground, damp (Insects and decay fungi )

Inside, above ground (Insects including termites)

K3

1. 木材處於室內，室內相對濕度

均佈，且＞70%。

2. 木材處於室內潮濕範圍，木材

有防水處理。

3. 木材處於室外，但無直接受天

候劣化。

○ ○ × ×

UC3A H3

Exterior construction, above ground, coated ＆rapid water runoff (Insects and decay fungi )

Outside, above ground (Decay fungi and insects including termites)

K4

1. 木材處於室外，並無直接受天

候劣化，但無持續接觸水(或) 地。

2. 木材處於室內潮濕處。 ○ ○ ○ ×

UC3B H3

Exterior construction, above ground, uncoated or poor water run-off (Insects and decay fungi )

Outside, above ground (Decay fungi and insects including termites) UC4A

Ground contact or fresh water, non-critical components (Insects and decay fungi )

K5 木材處於室外，無保護，且長期間

暴露於濕潤環境或接觸土攘。 ○ ○ ○ ○

UC4B H4

Ground contact or fresh water, critical components or difficult replacement (decay fungi and insects with increased potential for biodeterioration)

Outside, in ground (Severe decay fungi and insects including termites )

UC4C H5

Ground contact or fresh water, critical structural components (decay fungi and insects with extreme potential for biodeterioration )

Outside, in contact with ground or water (Very severe decay fungi and insects including termites )

UC5A H6

Salt or brackish water and adjacent mud zone, Northern waters (Salt water organisms)

Marrine (Very severe decay fungi and marine borer hazard

UC5B

Salt or brackish water and adjacent mud zone, NJ to GA, south of Sanfarn (Salt water organisms, including crerosote tolerant Limnoria tripunctata )

UC5C

Salt or brackish water and adjacent mud zone, South of GA,

(28)

表 7 相關危害分級與藥劑吸收量規範之比較

Table 7 Preservative retention requirements of each use category.

CNS AWPA 澳洲

吸收量(kg/m³) 吸收量(kg/m³)

分級 CCA ACQ 1、2 分級 CCA ACQ-B ACQ-D 分級

K3 3.5 2.6 UC3A 4.0 4.0 4.0 H3

K4 6.0 5.2 UC3B

UC4A 6.4 6.4 6.4 H3

K5 7.5 N/A UC4B

UC4C 9.6 9.6 N/A H4

H5

UC5A 16.0 16.0 N/A H6

UC5B 24.0 N/A N/A UC5C 40.0 N/A N/A

三、防腐處理對木材物理與力學性質之影響

王松永與李長垚(1993)針對經 CCA 處理之五種木材(柳杉、杉木、落羽松、油脂木及紅柳桉 ) 使用 PF( Phenolic formaldehyde resin) 及 PU( Polyurethane adhesives)膠合為集成材之強度與膠合性質之影響作探討，

並得到以下結果：(一)五種木材之 PF 及 PU 集成材，不論經 CCA 處理或是未處理，其抗彎彈性模數(MOE)及抗彎破壞模數(MOR)直接可達 JAS(日本農林規格會)之集成材闊葉樹 A 級、針葉樹 A 級或 B 級的標準。(二)以 CCA 處理集成材對其動彈性模數(Ed)與 MOE 值之影響不顯著，但對 MOR 值有顯著影響。如 PF 集成材其 MOR 值減低 5.2~18.1%；PU 集成材其 MOR 值減低 11.9~18.5%，其結果顯示 PU 集成材受 CCA 處理之影響大於 PF 集成材。

蔡明哲等(2008)以 ACQ-2 處理台灣杉、柳杉與杉木(福州杉)，探討不同吸收量對木材物理與力學性質之影響。研究結果指出有效吸收量可達 CNS 3000 中 K2、K3、K4 級條件下之試材，帄均比抗彎彈性模數與帄均比抗彎破壞模數之強度變化不顯著，除了台灣杉 K2 吸收量的 MOE 值會顯著降低外，其試材 MOE 與 MOR 變動值約為正負 10%。

(29)

Yildiz et al. (2004)以不同濃度之 CCA(0.85、1.5、 2%)、ACQ-1900(2、

3、7%)、ACQ-2200(1、2%)、Tanalith E 3491(2、2.8%)以及 Wolmanit CX-8(2、

2.8%)處理歐洲赤松(Pinus sylvestris L.)並評估其 MOE 和 MOR 的影響，研 究結果指出，2% Tanalith E 3491 與 2.8% Wolmanit CX-8 之處理材其 MOE 值會提升，其餘藥劑種類與濃度之處理材則不會影響 MOE 值或使 MOE 值降低。另外使用 2.8%Wolmanit CX-8 與 7%ACQ-1900 藥劑則會提高處理材的 MOR 值，其餘藥劑種類與濃度之處理材則不影響其 MOR 值或降低 MOR 值。

Winandy and Lebow (1997)以 ACC(Ammoniacal copper citrate)處理 2×4 尺寸結構用材，並探討處理對於機械性質的影響，CCA 及其他銅烷基銨化合物有著相似的結果，當試材吸收 ACC 藥劑達 6.4 kg/m³，MOR 值會下降 5%，最大載重能力減少 7-18%，但對於 MOE 值則無顯著影響。

Winandy (1995)全面審查水溶性防腐藥劑處理文獻對木材力學性能的影響，在特定標準的條件下（AWPA, 1994）做出以下結論：(一)MOE 通常是不會受到影響；(二)最大抗壓強度通常是不會受到影響或略有增加;

(三)MOR 往往是減少 0~20%，這取決於藥劑吸收量和再乾燥溫度的控制；

(四)與能量相關的性能，通常減少 1~50%。

四、防腐藥劑效能

（一）藥劑吸收量與分布

藥劑是否能有效注入於木材內，除了藥劑本身性質和防腐處理的方法外，主要取決於木材本身特性，如滲透性。而影響木材滲透性的主要因子則有比重、管孔大小及比例、填充體數量、抽出物含量、壁孔數目與大小及木質線組成與比例等因子(王松永, 1983)。林亞立(1996) 針對柳杉(Cryptomeria japonica)、杉木(Cunninghamia lanceolata)、美國 西部白松(Pinus monticola)、紅柳桉(Shorea spp.)、美國檜木(Pseudotsuga

(30)

menziesii)、美蘭地(Shorea spp.)、橡膠木(Havea brasiliensis)及巴杜柳桉 (Shorea spp.)等八種市面上常見樹種注入三種 CCA 類型(CCA-A、

CCA-B、CCA-C)，研究結果發現 CCA 注入量大小與樹種比重成負相關，比重愈大，注入量愈小，但不同 CCA 類型則對注入量的影響則不顯著。

不論是何種防腐藥劑，其對木材的保護效果，與此藥劑是否能均勻分布，並穩定存在木材內部相關。防腐劑進入木材後之分布，可分為二個階段來討論，一是注入初期，藥劑在木材組織內，特別是在各種輸導組織中之滲透、擴散，可稱為防腐藥劑在木材中之巨分布 (macrodistribution)；另一為藥劑更進一步滲透入細胞壁之分布，稱為防腐藥劑在木材內的微分布(microdistribution)(張上鎮與王升陽, 1995)。由於木材腐朽菌的腐蝕機制如白腐菌通常是使細胞壁從細胞腔像細胞間層逐次變薄(由 S3、S2、S1、P 逐次分解細胞壁層)；褐腐菌分解細胞壁是在整個細胞中全面進行(首先侵害次生壁各內層，並且從 S2層開始，

而 S3層基本上保持完整)( 周慧明, 1989)。故藥劑進入木材中如果只有巨分布沒有更進一步分布於細胞壁中，其防腐效果是有限的。

黃志煜等人(2008)比較國內市售 CuAz 與 ACQ 木材防腐劑處理之南方松與國外進口防腐材在品質上的差異，在藥劑滲透方面結果顯示由於南方松板材的邊材率高，因此不論國內、外南方松防腐材的邊材滲透度均達 100%；防腐劑吸收量，則由於木材的不均質性，造成木材防腐藥劑分布與各分段吸收量不均勻。

（二）耐腐朽性能

進行木材腐朽試驗時，通常採用當地危害嚴重或經常性危害的菌株為代表，如美國材料試驗協會(ASTM D1413)規定針葉樹試驗菌種為 Gloeophyllum trabeum 及 Poria placenta 二株褐腐菌，闊葉樹試驗菌種

(31)

為 G. trabeum 及 P. placenta 二株褐腐菌與 Trametes versicolor 一株白 腐菌；日本工業標準(JIS Z211-63)選用 Tyromyces palustris 一株褐腐菌 及 T. versicolor 一株白腐菌；而中國國家標準 (CNS6717) 則使用 Laetipors sulphureus 一株褐腐菌及 Lenzites betulina 一株白腐菌，為耐 腐朽試驗之菌株。

李鴻麟等(2005)評估水溶性木材防腐藥劑 CCA、ACQ、當耐力 CY (tanalith CY, TCY)與 CuAz 對於木材耐腐朽性之影響。分別以 1.25%、

2.5%、5%濃度之 CCA，2、4、6%濃度之 ACQ、TCY 或 CuAz 等以充細胞加壓法處理試材，試驗結果顯示三種新型水溶性木材防腐藥劑 ACQ、TCY 與 CuAz 處理材之耐腐朽性極佳，對三種褐腐菌(Fomitopsis pinicola, L. sulphureus, G. trabeum)和白腐菌(T. versicolor)的耐腐性與 CCA 處理材相當；且以 2%濃度之 ACQ、TCY 或 CuAz 處理試材，在經過四種腐朽菌接菌 12 週，其質量損失率均小於 2%，顯示其藥劑具有優異之木材防腐效能。

陳顗夫(2007)針對 ACQ、AAC(Alkyl ammonium compound,烷基銨 化物) 防腐處理材及其經淋失處理後，對白腐菌（L. betulina）及褐腐 菌（L. sulphureus）抵抗效能進行研究。分別以分 0.3 %、0.6 %、1.2 % 濃度之 ACQ 及 0.5 %、1 %、2 %濃度之 AAC 處理台灣杉、柳杉、杉木、落葉松、北美鐵杉等五種樹種之試材。其試驗結果顯示經 ACQ 處 理後之試材抵抗 L. betulina 能力和抵抗 L. sulphureus 能力同樣為杉木 心材＞北美鐵杉心材＞柳杉心材＞台灣杉邊材＞落葉松心材。但在經 AAC 處理後之試材抵抗 L. betulina 能力為柳杉心材＞杉木心材＞北 鐵杉心材＞台灣杉邊材＞落葉松心材，抵抗 L. sulphureus 能力則為杉 木心材＞柳杉心材＞北美鐵杉心材＞台灣杉邊材＞落葉松心材。而在相同 K2、K3、K4 等級中，AAC 的質量損失率均較 ACQ 低。

(32)

（三）防腐藥劑對金屬的腐蝕性

金屬接觸潮濕木材的腐蝕是一種電化學反應過程。腐蝕的速度和數量取決於金屬、木材的傳導性和潮濕持續時間的條件。金屬腐蝕的風險一定程度上取決於木材的樹種和存在木材外部腐蝕性污染物及木材的條件（未經處理或處理某些防腐劑或阻燃化學品）。潮濕的木材與金屬接觸不僅會導致一些金屬腐蝕，而且腐蝕的產品也會導致緩慢劣化金屬周圍的木材。在單一金屬的腐蝕其化學的反應在陽極和陰極是一樣的，金屬離子在酸性條件下形成的陽極，並在鹼性條件下形成的陰極。潮濕且經水溶性含銅鹽類藥劑處理過的木材其金屬腐蝕可能是直接關係到銅離子的存在，因為銅離子沉積在帶電負性的扣件，將導致伽凡尼腐蝕(

galvanic corrosion)

的發生(Baker, 1987)。

伽凡尼腐蝕(

galvanic corrosion)：

或稱為異種金屬腐蝕，兩種不同金屬偶合接觸時，化學性質活潑的金屬會加速腐蝕，惰性比較大的金屬則減慢腐蝕。所以伽凡尼腐蝕原理經常被用在金屬防腐蝕機制上，

在欲保護之金屬表面鍍上一層活性較大的金屬元素，形成陰極保護作用。

Rammer(2006)的報告中指出 ACQ 和其他新型防腐劑，因為增加了銅的百分比，較 CCA 對金屬更具腐蝕性。但 Graham(2009)發表的報告中指出，這些鹼性的防腐劑對金屬腐蝕率的影響是有限的。另外，CCA 含有六價鉻和砷，兩者通常作為金屬腐蝕的抑制劑。而 ACQ 和其他新的防腐劑卻不包含這樣的抑制劑，並且有些 ACQ 藥劑含有氯化物，不但能增加木材的導電性，增加腐蝕率，並引起腐蝕凹洞。

Zelinka et al. (2009)以 CCA、ACQ、MCQ、CuAz 及 DDAC 等五種 防腐劑處理南方松試材，使用電化學萃取物的方法研究碳鋼和鍍鋅鋼材及未經處理材之腐蝕。研究結果顯示在五種防腐材萃取物中鍍鋅鋼

(33)

腐蝕速率明顯高於碳鋼材。在 MCQ 處理的木材中，鍍鋅扣件呈現較高的腐蝕率而碳鋼扣件則表現幾乎沒有腐蝕。其中無銅離子之萃取物

（DDAC 和未處理材）是所有防腐材中最具腐蝕性。另一方面在加速測試方法發現，CuAz 和 ACQ 有相似的腐蝕性且比 CCA 更具腐蝕性。

陳顗夫(2007)使用 38mm 長度的低碳鐵釘和表面處理鍍鋅鋼釘兩種材質的釘子，釘入 ACQ、AAC 及 CA 等三種防腐材中，其 ACQ 防腐材之鐵件質量腐蝕損失率為低碳鐵釘(1.93%)＞表面處理鍍鋅鋼釘 (1.41%)；AAC 防腐材則低碳鐵釘(3.78%)＞表面處理鍍鋅鋼釘(1.24%)；

CA 防腐材則低碳鐵釘(1.80%)＞表面處理鍍鋅鋼釘(1.36%)。結果顯示防腐材對表面處理鍍鋅鋼釘腐蝕性不具顯著影響，且 AAC 防腐材對低碳鐵釘腐蝕性高於 ACQ 防腐材。

(34)

參、材料與方法

一、機械性質試驗

（一）試驗材料 1.木橫擔

選用油脂木（ Apitong, Dipterocarpus spp. ）、花旗松

（Pseudotsuga menziesii）、美國西部鐵杉（Tsuga heterophylla）、紐 西蘭放射松（Pinus radiata）、及美國南方松（Pinus spp.）共 5 個 樹種作為試驗材料。斷面尺寸為 9×9 cm，長度 180 cm，本尺寸為台灣電力公司電桿之木橫擔規格，每種材料試驗樣本數為 20 個。

每樹種 20 個試材先利用非破壞性彎曲振動試驗測試各樣本之動彈性模數後，將 20 個樣本區分為 4 組，每組為 5 個樣本，並使各組間之動彈性模數在防腐藥劑處理前不存在差異性，供後續四種防腐藥劑處理。

2.防腐藥劑

本實驗依據中華民國國家標準 CNS 14495 所規定之有效成分 比例配置實驗所需之防腐劑，鉻化砷酸銅(CCA，種類 CCA-3)，

有效成分如表 2 所示；銅烷基銨化合物(ACQ，種類 ACQ-1)，有效成分如表 3 所示；微米化銅烷基銨化合物(MCQ，成分與 ACQ-2 相似) 差異在於將其中的銅微米化，並以碳酸根(carbonate, CO3

2-) 取代 DDAC 中的氯離子，有效成分如表 4 所示；銅唑化合物 CA 比例依照 AWPA Standard P5-04 之 CA-B，有效成分如表 5 所示。

並將配置好的防腐劑原液以蒸餾水調配為重量百分濃度為 2%CCA、ACQ、MCQ 及 1%CA 之溶液，每個樹種、每種防腐劑處理樣本數為 5 個，並於試材處理前及處理後均秤重，以計算藥劑注入量及有效成分吸收量。

(35)

（二）試驗方法

1.防腐藥劑處理方法

各樹種之木橫擔試材首先乾燥至含水率 30%以下，依台電規 範位置鑽孔後，置入加壓防腐槽內並依據中華民國國家標準 CNS 3000 之充細胞法( Bethell process; Full cell process)，在常溫下進行。

防腐處理程序為前真空(-600 mmHg , 30 mins)、加壓注入(壓力 14 kgf/cm² , 2hrs)、後真空(-600 mmHg ,30 mins )。

2.彎曲振動試驗

經防腐處理且乾燥後試材秤重後（mu），在距離試材兩端各 0.224 L（L 為試材長度）下方放置發泡樹脂，因這些位置為彎曲振動產生基本共振時的節點位置，接下來使用衝擊鎚（Endevco 2302-50）由試材一端敲擊使試材產生自由振動，同時在試材另一端以 PCB 353 B16 型加速規接收振動訊號，由 Brüel and Kjar 公司之 Pulse 3560 C 擷取振動訊號並經快速傅利葉轉換（FFT）分析後紀錄基本共振頻率。由基本共振頻率計算各試材之動彈性模數如(1) 式

DMOE = ₄ ₂

4 2 2

73 . 4 4

i l f







---(1) DMOE：動彈性模數（Pa）

f：基本共振頻率（HZ） l：試材長度(m)

i：斷面迴轉半徑(m) ρ：試材密度(kg/m³)

3.抗彎破壞試驗

經彎曲振動後之試材，置於 Shimadzu UH-10A 萬能強度試驗

(36)

機進行抗彎破壞試驗，採中央集中載重方式，跨距為 162 ㎝，載重速度為每分鐘 150 kgf/cm²。持續施加載重至斷裂為止，並記錄破壞載重。由載重變形圖計算抗彎破壞強度（MOR）及抗彎彈性模數(MOE)，計算方式如(2)、(3)式。破壞後試材置於 103±2 ℃的烘箱內，每隔 6 小時秤重一次，直到質量差異在 0.1%以下時，視為絕乾質量（mo），由(4)式計算試材之含水率。

MOR= ₂

2 3 bh

l P

_R

---(2) MOE= ₃

3

4 ybh Pl



---(3)

PR：破壞載重（Kgf）

l：跨距（cm）

ΔP：比例限度範圍內上限載重與下限載重之差值（kgf）

Δy：ΔP 載重大小相對應之撓曲量（cm）

b：試材斷面之寬度（cm）

h：試材斷面之厚度（cm）

M.C.=

  100 %

o o u

m m

m

---(4)

mu：橫擔木試驗時之質量（g）

mo：橫擔木絕乾質量（g）

4.無缺點小試材抗彎試驗

為瞭解不同木材缺點及防腐劑種類對木材抗彎性質之影響，

將抗彎試驗破壞後各木橫擔試材鋸切成 8 支 2(厚)×2(寬)×32(長)cm 之無缺點小試材。小試材抗彎試驗依 CNS 454 標準進行，採中央集中載重方式，跨距為 28 cm，載重速度為每分鐘 150 kgf/cm²。

(37)

由載重撓曲變形結果如(2)、(3)式分別計算抗彎破壞強度(MOR)及抗彎彈性模數(MOE)。

二、防腐劑吸收量試驗

（一）木橫擔滲透深度與滲透面積測定

經各藥劑處理後之木橫擔以十字縱剖為四支，形成二個中央切面。

以銅離子顯色劑對二個中央切面進行顯色，以 300 mm 為一段，將木橫擔分為六段，分別記錄各段之橫向滲透深度及該段滲透面積百分比，

最大值分別為 45 mm 及 100 %；另於首末段記錄縱向滲透深度，最大值為該段長度(300 mm)。此外，亦記錄離試材兩端各 350 mm 處之滲透面積。

（二）藥劑吸收量測定

防腐藥劑之注入量與吸收量依 CNS 3000 之規定計算。木橫擔試材於處理前(m1)及處理後(m2)皆分別秤重，以求取處理試材之藥劑估計吸收量(kg/m³)。另於離端 350 mm 處，切取自材面向內至 20 mm 深度之試材適量，經磨粉、木粉消化、ICP (感位藕合電漿光譜儀)分析後，搭配試材比重資料，計算藥劑實測吸收量(kg/m³)。每支試材由兩端各取一個分析樣本，每支試材計有二個藥劑實測吸收量值。由下式(5)計算木材試片對藥劑之吸收量(kg/m³)

估計吸收量(kg/m³)=

) (m

(%) )

- (

試材體積 3

藥劑濃度藥劑處理前質量

藥劑處理後質量



---(5)

三、防腐處理材戶外暴露試驗

（一）試驗材料

選用油脂木、美國西部鐵杉、及美國南方松共 3 個樹種作為試驗材料。將其製作為木橫擔，斷面尺寸為 9×9 cm，長度 180 cm，每個樹

(38)

種樣本數為 48。防腐處理程序為前真空（-600 mmHg , 30 mins）、加壓注入（壓力 14 kgf/cm² , 2 hrs）、後真空（-600 mmHg , 30 mins）。防腐藥劑種類共 4 種，其中 ACQ、CCA 及 MCQ 為 2%藥劑濃度，CA 為 1%之藥劑濃度。

1.設置戶外暴露試驗場

於本校大礁溪實驗林場適當地點設置野外暴露試驗場。暴露試驗架設於開闊處且為 45^o 面向南向以充分反應陽光可能對木材造成之劣化效應，共設置 12 座暴露試驗架供本研究用。相同樹種置於同一排的四座暴露架上，每一座暴露架上有 12 支防腐木橫擔，

由上而下依序為經處理的 CA、MCQ、ACQ 及 CCA 防腐木橫擔，

以此循環放置。

圖 1 防腐處理材之暴露試驗架

Fig. 1 The exposure stand for preservative-treated wood specimens.

(39)

2.防腐處理材動彈性模數經時變化試驗

防腐處理木橫擔開始暴露試驗後每隔 15 天進行含水率與動彈性模數之測定，其後延長時間觀察上一次試驗後隔 2 個月和隔 3 個月進行試驗，共 6 次。取樣後之試材立即量測含水率及動彈性模數；含水率測定採用 Kett 公司製電容型含水率測定木橫擔含水率，每支木橫擔測定兩端及中央處，共 3 處含水率；動彈性模數的測定則是將樣本由暴露架取下至某一定點後進行彎曲振動試驗，

並由動彈性模數變化情形，評估防腐木橫擔之經時彈性模數減低率。

3.防腐木橫擔接合金屬腐蝕狀況評估

防腐木橫擔接合金屬腐蝕狀況評估所頇裝置構件採用台電公司材料標準 Y087(91-04)邊長 52 mm 鍍鋅方形墊圈與 E011(91-05) 直徑 18 mm 之方頭螺栓及螺帽。墊圈安裝於木橫擔中央及離中心左右 467 mm 的鑽孔處的上下側，即每支防腐木橫擔安裝 6 個方形墊圈與 3 個方頭螺栓及螺帽於 3 個鑽孔處，共 144 支防腐處理材。

開始暴露試驗後每隔 15 天取樣 1 次，其後延長為隔 2 個月和 3 個月取樣 1 次，共取 6 次。每次拆解下之鍍鋅方形墊圈立即拍照記錄並依目測檢查評估腐蝕狀況。目視評估準則依 ASTM D610 (1995)中腐蝕面積率區分腐蝕程度，腐蝕程度以分級數字表示，如表 8 所示。

(40)

表 8 腐蝕面積率與分級數字的關係

Table 8 Category indices in relate to the erosion area ratio.

腐蝕面積率 A (%) 分級數字

A≦00.1 10

0.01<A≦0.03 9

0.03<A≦0.10 8

0.10<A≦0.30 7

0.30<A≦1.00 6

1<A≦3 5

3<A≦10 4

10<A≦17 3

17<A≦33 2

33<A≦50 1

A>50 0

註：10 表示以肉眼無法辨識出有腐蝕；分級數字 0 表示最嚴重的腐蝕缺陷狀況。

四、防腐效能試驗

（一）試驗材料 1.試驗菌種

試驗菌株選用兩株褐腐菌：Gloeophyllum trabeum (MAD 617, Gt)、Poria placenta (MAD 698, Pp)。菌株來自宜蘭大學自然資源 學系「真菌與木材病理研究室」所提供的 MAD(US Forest Products Laboratory in Madison)試驗菌株。

2.試驗培養基

試驗使用的培養基為麥芽抽出物洋菜 ( Malt Extract Agar, MEA)(2% Malt Extract, 2% Agar)。

3.試驗材料與藥劑及濃度

南方松切製成尺寸 2×2×2cm³規格之試片備用。CCA、ACQ、

MCQ、CA 等四種藥劑依有效成分重量百分比(%)，將藥劑分別調

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配成 0.02、0.01、0.05、0.1、0.25、0.5、0.75、1.0、1.5%等 9 個濃度，每種菌株與各藥劑濃度組合重覆 5 次，共計有 360 個木塊供試驗。

1.將約 35 g 的 2% MEA 裝入底面積為 100 cm²之三角錐瓶，以鋁箔封口，放入滅菌釜以 121℃蒸氣滅菌處理，滅菌後立即移入無菌操作台，待冷卻。

2.在無菌操作台內，開啟充分繁殖的試驗菌株之培養皿，切下適當大小之菌株，移入各培養瓶中央。再置入溫度 26±2℃、相對濕度 70%以上的環境中培養，等菌絲充分繁殖後再進行防腐性能試驗。

3.將欲試驗之木塊置於滅菌袋中，置入殺菌釜滅菌處理，滅菌後移入無菌操作台。開啟充分繁殖之培養瓶，將試驗木塊以纖維方向成垂直置於試驗菌株上，每一個培養瓶各放入 2 個木塊。另有 10 個未處理之木塊為對照組。之後將培養瓶放入溫度 26±2℃，

相對濕度 70%以上之環境放置 12 週。

4.在為期 12 週腐朽菌腐蝕試驗後，取出測試木塊刮除表面菌絲，

並測量腐朽前後木塊質量，計算減少之質量百分比，即為質量損失率(%)，以評估各防腐藥劑處理材耐腐朽之優劣。由下式(6)計算試材之重量損失率：

質量損失率(%)=

^- ^ ^100%

木塊腐朽前質量

木塊腐朽後質量木塊腐朽前質量

---(6)

五、金屬腐蝕試驗

（一）試驗材料 1.市售低碳鐵釘

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長度 38 mm，直徑 0.18 cm，數量為 150 支。在實驗前頇先以苯脫脂，並以 95%乙醇洗淨後乾燥，將脫脂與洗淨之鐵釘，秤其質量(m1)。

2.不鏽鋼鐵釘

長度 38 mm，直徑 0.28 cm，數量為 150 支，秤其質量(m1)。

3.表面熱浸鍍鋅鐵釘

長度 38 mm，直徑 0.38 cm，數量為 150 支，秤其質量(m1)。

4.試驗試材

南方松 14×14×150 cm³，共 8 支，分別以充細胞法處理 CCA、

ACQ、MCQ、CA 等藥劑，使試材達到 CNS 3000 中規定 K4 條件下之藥劑吸收量。並由端部裁切試材至 24cm，縱剖製成 7(厚) × 14(寬) ×24(長) cm³之試材供試驗。

將低碳鐵釘、不鏽鋼釘及表面熱浸鍍鋅鐵釘釘入南方松處理材，

使木材不發生割裂垂直釘入鐵釘至釘頭為止。將試材放置 40℃，97%

RH 之恆溫恆濕箱 10 天和 30 天，試驗終了後取出三種鐵釘，放置於裝有過硫酸銨(NH4)2S2O8溶液中，於 25℃在超音波震盪器下清洗 5 分鐘，

移除腐蝕生成物。再放置於烘箱中，以 30℃烘至 2 小時後，秤其質量 (m2)，以損失之質量百分比，計算金屬腐蝕率。

質量損失率(%)=

¹⁰⁰

m m - m

2 2

1



---(7)

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肆、結果與討論

一、防腐木橫擔機械性質

木材性質之評估一般以抗彎強度為判斷強度的主要依據，林振榮(1992) 指出木材抗彎強度與木材密度、抗彎彈性模數、動彈性模數之間具有顯著的正相關性。而其中影響木材強度最重要的因子為節，由於節附近之纖維會扭曲而降低木材之強度，故頇了解節之大小、出現的頻率、存在的位置及節所佔的比例。

防腐木橫擔節徑大小、節數量、密度、彎曲動彈性模數(DMOE)及抗彎破壞強度(MOR)等各項試驗結果如表 9 所示。其中防腐木橫擔節徑大小依序是放射松 2.31cm、南方松 1.46cm、西部鐵杉 1.20cm、花旗松 1.18cm、油脂木 0.51cm。帄均節數量大小依序為花旗松 13.88 個、南方松 12.06 個、西部鐵杉 10.85 個、放射松 6.81 個、油脂木 0.55 個。

比較各樹種每支木橫擔之節徑大小及節之數量，可知油脂木帄均節徑 ( 0.51cm)最小、節數量(帄均節數 0.55 個)亦最少，明顯低於其他樹種。這是由於油脂木為天然生樹種分布於菲律賓、印尼、馬來西亞等熱帶雨林區域，

且因為物種間競爭激烈、樹冠鬱閉度高，可利用天然修枝效應使後續樹木所形成無節材比例高之木質部，故所含的節數量較少。

放射松帄均節徑為 2.31cm，顯著地大於其他樹種，由於台灣進口之放射松大部分來自紐西蘭，為當地非常重要的人工林樹種，且因為環境適宜所以放射松的生長非常快速，連年材積生長量高，但也造成放射松製材品的帄均年輪寬非常大、未成熟材比例高、導致木材機械強度不若其他同等級之製材品。南方松、花旗松及西部鐵杉製材品主要來自於次生林，且這些森林經營採短輪伐期(約 30 年)策略，因此製材原木直徑不大，且相對節的數量會較多。

如表 9 所示，乾燥防腐木橫擔的含水率約 19%，在此含水率條件下各

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樹種之抗彎破壞強度、彎曲動彈性模數及抗彎載重大小依序為油脂木、花旗松、西部鐵杉、南方松及放射松。造成此結果與材種之密度和節徑大小及分布位置具有很密切之關係。節除了會造成木理局部歪斜外，施加荷重時造成應力集中於節附近現象，因此非常容易沿節周圍產生破壞，且節的直徑愈大，其抗彎強度愈小。

另外防腐木橫擔其密度及節徑比值與抗彎破壞強度之統計線性迴歸關係如圖 2 所示，其決定係數(R²)為 0.99，結果顯示密度與木材抗彎強度呈極顯著之正相關，故可知木材密度愈高其抗彎強度也會愈大。

根據許多研究結果指出(卓志隆 2000a，卓志隆 2000b，柯志裕 1995，

楊德新等 2005)，木材經由各種非破壞試驗法所量測之動彈性模數與抗彎強度間有顯著的相關性，其決定係數(R²)值在 0.37~0.79 之間，顯示應用非破壞方式所量測之動彈性係數以評估抗彎強度具有相當的可靠性。故本試驗經振動試驗法所得之動彈性模數與彎曲破壞強度比較結果圖 3，其決定係數 (R²)值為 0.86，可知兩者具有極顯著正相關，因此由動彈性模數可準確地預測防腐木橫擔之抗彎強度。

由於本試驗使用台電規格之木橫擔，依台電公司所規範之木橫擔材料密度若為針葉樹需＞400 kg/m³；若為闊葉樹需＞650 kg/m³，在無缺點試材抗彎強度(MOR)方面，若為針葉樹需＞500 kgf/cm²；若為闊葉樹需＞800 kgf/cm²，抗彎荷重需大於台電所規範之木橫擔承受之荷重標準 P =1875×修正因子(修正因子=[1+(0.15-0.19)×4] ) 。綜合以上規範並比較試驗結果如表 10 所示。發現油脂木的密度、抗彎強度及抗彎載重值皆符合規定，放射松、

南方松、西部鐵杉與花旗松依此 3 個規範項目綜合判定後其合格率分別為 20%、60%、70%及 85%，故從防腐木橫擔要求之機械性質而言，放射松並不適宜做為防腐木橫擔使用。

國立宜蘭大學森林暨自然資源學系 碩士論文 Department of Forestry and Natural Resources National Ilan University Master Thesis