[[alternative]]Preparation and characterization of silica / polymer antifogging coatings

碩士[[abstract]]本研究製備一抗霧塗膜，以無機單體四乙氧基矽烷(TEOS)，有機偶合劑γ-乙二醇氧基丙基三甲氧矽烷(GPS)，透過溶膠凝膠法在酸性環境中，製備出經由γ-乙二醇氧基丙基三甲氧矽烷改質二氧化矽表面的溶膠，利用此改質過後的二氧化矽表面之環氧基與咪唑化合物C11Z-A，以刮刀塗佈的方式在聚碳酸酯(PC)基板上熱硬化成膜，此層的功能除了增加基板與塗膜之間的密著性之外還有一重要目的為防止塗膜經由水分子的滲入而剝落。接著使用相同的方式在第一層塗膜表面製作第二層塗膜，此層的塗膜經由加入親水性基團(Tween80、Y-60、GMA+Y-60)而成為一抗霧塗膜。Tween80或Y-60部份，直接與溶膠摻混後熱硬化成膜；GMA+Y-60部份，將溶膠加入GMA與親水基團Y-60，先經由UV硬化使GMA和Y-60有接上，再經由熱硬化成膜。 實驗中調整不同的TEOS與GPS比例，期望找出與聚碳酸酯基板密著性良好且擁有高機械性質之塗膜；另一方面調整不同的親水基團含量，利用Tween80或Y-60與塗膜摻混或GMA+Y-60與塗膜 UV交聯的方式，探討抗霧的效果及耐候性。 實驗結果方面，可得知GPS確實有接在二氧化矽的表面，達到表面改質的目的，而製備出來的溶膠確實以奈米顆粒大小分散在溶劑中，而塗膜則沒有聚集的現象發生；而混成材料的熱性質、物理性質都會因為二氧化矽的添加量增加而有所提升；耐候性來說，與塗膜UV交聯的GMA+Y-60，比摻混Tween80或Y-60的好，證實了經由交聯的塗膜確實成功的達到改善耐候性的問題。[[abstract]]This research was to prepare an anti-fogging coating by the sol-gel method. In an acid environment, tetraethoxylsilane(TEOS) was used to form collidial silica by hydrolysis and condensation reaction, and then the colloidal silica was modified by reaction with the couple agent γ- glycidoxypropyltrimethoxysiline(GPS). This modified silica was mixed with imidazole(C11Z-A), and then cured at an elevated temperature to form a coating on a polycarbonate substrate. This primer coating seried as an adhesive layer to enhance the ability of the abhension on the substrate and also a hydrophilic layer to prevent water penetration. On top of the primer, a layer was coated, which contained hydrophilic species Y-60, Tween 80, or GMA+Y-60. to make this layer anti-fogging. For the cases of using Tween 80 or Y-60, mixed with the sol and then it was heat cured to form the antifogging coating. For GMA+Y-60 , before curing to form a coating, it was mixed with the sol, followed by UV irradiation to induce chemical reaction between GMA and Y-60. By adjusting the proportion of TEOS and GPS, we aimed to prepare a coating that exhibited good adhension on polycarbonate substrates and also had high mechanical strength. Also, by adjusting the proportion of the hydrophilic species, their effects on anti-fogging and water endurance were studied. The result showed that colloidal silica has been successfully modified by GPS. These nanoparticles dispersed homogeneous in the sol. Also, there is no sign of aggregation in the curried coatings. Silica could improve the thermal property and the physical property of the coatings. Regarding water endurance, these coatings with UV processing (GMA+Y-60) were more effective than those with simply blending (Tween80 and Y-60).[[tableofcontents]]目錄 第一章 序論 1 1-1 前言 1 1-2 研究動機 3 1-3 研究目標 4 第二章 理論基礎與文獻回顧 5 2-1 奈米材料 5 2-1-1 奈米粒子介紹 5 2-1-2 奈米粒子基本性質 6 2-2 有機無機奈米複合材料 9 2-2-1 複合材料簡介 9 2-2-2 奈米複合材料製備方式 12 2-2-3 應用 12 2-3 溶膠凝膠法基礎理論 14 2-3-1 溶膠凝膠法起源 14 2-3-2 溶膠凝膠法反應機制 17 2-3-3 溶膠凝膠法的優缺點及應用 19 2-3-4 其他參考文獻重點回顧 21 2-4 熱硬化技術 23 2-5 抗霧(AF)的基礎原理與設計 26 2-5-1 霧的產生 26 2-5-2 抗霧簡介 27 2-5-3 抗霧設計 28 2-5-4 其它抗霧文獻整理 29 第三章 實驗 32 3-1 實驗藥品 32 3-2 實驗儀器 35 3-3 實驗步驟與流程 37 3-3-1 實驗步驟說明 37 3-3-2 實驗流程示意圖及配方表 39 3-4 物化性分析與鑑定 45 3-4-1 結構之鑑定 45 3-4-2 熱性質分析 45 3-4-3 奈米形態與奈米顆粒之鑑定 46 3-4-4 硬度與密著性之測試 47 3-4-5 親疏水性之測試 49 3-4-6 抗霧測試(AF Test) 49 第四章 結果與討論 51 4-1 各階段反應機制探討 51 4-2 傅氏紅外線吸收光譜(FTIR)之結構分析 53 4-2-1 二氧化矽與GPS之反應性分析 53 4-2-2 二氧化矽表面改質之反應性分析 55 4-2-3 硬化劑之反應性分析 60 4-2-4 GMA之反應性分析 61 4-3 固態核磁共振光譜(Solid – state NMR)分析 66 4-4 粒徑分佈之鑑定 70 4-4-1 穿透式電子顯微鏡(TEM)之觀測 70 4-4-2 粒徑分析 75 4-5 表面形態之鑑定 79 4-5-1 場放射掃描式電子顯微鏡(FESEM) 79 4-6 熱性質分析 82 4-6-1 熱重損失分析 82 4-7 硬度與密著度測試 88 4-8 抗霧測試 91 4-8-1 接觸角測量 91 4-8-2 熱蒸汽法及低溫法 92 4-8-3 耐候性測試 95 第五章 結論 97 第六章 參考文獻 98 圖目錄 圖1-1 奈米尺寸世界 3 圖1-2 材料奈米化效應 3 圖2-1 環氧基與硬化劑硬化系統 24 圖2-2 環氧基之硬化示意圖 25 圖2-3 水膜的型成 27 圖2-4 親水膜的接觸角分析 28 圖2-5 在-15oC下三小時，放置室溫中上層有抗霧塗料，下層無抗霧塗料 29 圖2-6 為加入添加劑於高分子裡達到抗霧效果的原理 30 圖2-7 添加甘油、二聚物或三聚物的抗霧效果 30 圖2-8 TiO2形成水膜過程 31 圖3-1 無機粒子之製備流程圖 39 圖3-2 無機粒子表面改質之製備流程圖 39 圖3-4 雙層薄膜示意圖 40 圖3-5 複合材料製備及檢測流程圖 41 圖3-6 鉛筆硬度之測試法 47 圖3-7 密著百格測試標準示意圖 48 圖3-8 熱蒸汽法測試裝置 49 圖3-9 低溫法測試圖 50 圖4-1 第一階段反應機構 51 圖4-2 第二階段反應機構 52 圖4-3 TEOS與colloidal silica之FTIR光譜圖 54 圖4-4 GPS與GPS自聚合反應(a)2小時(b)12小時(c)24小時(G10T0)形成S0膠體溶液之FTIR光譜圖 55 圖4-5 S3烘烤前之FTIR光譜圖 57 圖4-6 S3烘烤後之FTIR光譜圖 58 圖4-7 不同TEOS:GPS比例之FTIR光譜圖 58 圖4-8 Colloidal silica (S6)、S0與S3之 FTIR光譜圖 59 圖4-9 C3的熱硬化反應時間之FTIR光譜圖 61 圖4-10 C3與GMA 熱交聯之FTIR光譜圖 62 圖4-11 不同比例之GAM與Y-60交聯之FTIR光譜圖 63 圖4-12 C5之固態29Si NMR光譜圖 67 圖4-13 C4之固態29Si NMR光譜圖 68 圖4-14 C3之固態29Si NMR光譜圖 68 圖4-15 C2之固態29Si NMR光譜圖 69 圖4-16 C1之固態29Si NMR光譜圖 69 圖4-17 S5之TEM影像一 71 圖4-18 S5之TEM影像二 71 圖4-19 S3之TEM影像一 72 圖4-20 S3之TEM影像二 72 圖4-21 S2之TEM影像一 73 圖4-22 S2之TEM影像二 73 圖4-23 S1之TEM影像一 74 圖4-24 S1之TEM影像二 74 圖4-25第一階段反應三小時的SiO2粒徑分佈圖 76 圖4-26 S5 之粒徑分佈圖 76 圖4-27 S3 之粒徑分佈圖 77 圖4-28 S2 之粒徑分佈圖 77 圖4-29 S1 之粒徑分佈圖 78 圖4-30 S0 之粒徑分佈圖 78 圖4-31 C2之FESEM影像 80 圖4-32 C2之FESEM影像 80 圖4-33 Y3之FESEM影像 81 圖4-34 GY3之FESEM影像 81 圖4-35 硬化劑(C11Z-A)之TGA與DTG圖 83 圖4-36 C5之TGA與DTG圖 84 圖4-37 C4之TGA與DTG圖 84 圖4-38 C3之TGA與DTG圖 85 圖4-39 C2之TGA與DTG圖 85 圖4-40 C1之TGA與DTG圖 86 圖4-41 C0之TGA與DTG圖 86 圖4-42 不同TEOS:GPS比例之TGA圖 87 圖4-43 不同TEOS:GPS比例之DTG圖 87 圖4-44 熱蒸汽法，在100oC下熱水測試(a)對照組不裝水(b)抗霧效果良好(c)抗霧效果良好(d)抗霧效果尚可(e)抗霧效果不良 93 圖4-45 低溫法，於-18oC的冷藏箱中3小時測試(a)載玻片(b)效果良好之塗膜(c)效果不佳之塗膜 94 表目錄 表2-1有機材料與無機材料兩者物性之比較 10 表2-2 奈米複材之商業應用 13 表2-3溶膠-凝膠法製備材料之優點 19 表2-4溶膠-凝膠法製備材料之缺點 20 表3-1 無機粒子合成配方表 42 表3-2 無機粒子表面改質配方表 42 表3-3 第一層塗料配方表 43 表3-4 第二層塗料配方表一 43 表3-5 第二層塗料配方表二 44 表3-6 第二層塗料配方表三 44 表4-1 Silica之特性吸收峰 64 表4-2 矽氧烷及碳氫類之特性吸收峰 65 表4-3 不同矽烷結構之化學位移(chemical shift) 67 表4-4 不同TEOS:GPS比例之熱烈解溫度 83 表4-5 二氧化矽表面改質硬度及密著度測試表 89 表4-6 摻混之塗料硬度及密著度測試表 89 表4-7 UV交聯之塗料硬度及密著度測試表 90 表4-8 摻混之塗料接觸角測試 91 表4-9 UV交聯之塗料接觸角測試 92 表4-10 摻混之塗膜親水性測試 94 表4-11 UV交聯之塗膜親水性測試 95 表4-12 摻混之塗膜耐候性之接觸角測試 96 表4-13交聯之塗膜耐候性之接觸角測試 96[[note]]學號: 695401488, 學年度: 9