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系統識別號 U0002-0108200717542000
中文論文名稱 聚甲基丙烯酸甲酯/二氧化錫奈米複合材料製造及性質
英文論文名稱 Manufacturing and Properties of Poly (Methyl Methacrylate)/ Tin Dioxide nano Composites
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 95
學期 2
出版年 96
研究生中文姓名 馮棋源
研究生英文姓名 Chi-Yuan Feng
學號 693340340
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-05-21
論文頁數 98頁
口試委員 指導教授-林清彬
委員-張子欽
委員-劉文欽
中文關鍵字 聚甲基丙烯酸甲酯  氯化錫  潛溶劑  質傳  水解  二氧化錫  奈米複合材料 
英文關鍵字 Poly (methyl methacrylate) (PMMA)  SnCl2•2H2O  Cosolvent  Mass transport  Hydrolysis  Tin Dioxide  Nano Composites 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究係探討在不同質傳溫度(40℃~60℃)下,聚甲基丙烯酸甲酯於不同濃度之氯化錫/甲醇潛溶劑(0g/100g、3g/100g、5g/100g、7g/100g及9g/100g)中的質傳及水解行為,並利用成功製得之聚甲基丙烯酸甲酯/二氧化錫奈米複合材料,進一步探討奈米複合材料之光學性質、機械性質及熱性質。實驗結果顯示,潛溶劑之飽和吸收量,隨質傳溫度增加而上升; Case Ⅰ擴散之擴散係數與Case Ⅱ擴散之擴散速率隨潛溶劑濃度增加而減少;質傳過程為吸熱反應;Case I擴散活化能隨潛溶劑濃度的增加而減少而Case II的擴散活化能隨潛溶劑濃度的增加而增加。吸收飽和溶劑之聚甲基丙烯酸甲酯,在去離子水中進行水與甲醇之溶劑擴散交換時,當聚甲基丙烯酸甲酯的玻璃轉換溫度大於水解溫度時,其重量損失即趨於緩慢解析。經XRD分析,複合材料中二氧化錫之波峰強度隨潛溶劑濃度與質傳溫度之增加越趨明顯;SEM觀察則發現,二氧化錫顆粒析出物係均勻分佈於基材內,且析出物的含量隨潛溶劑濃度增加而增加,析出物的尺寸約30-50nm。經由可見光及紫外光穿透光譜分析,發現其穿透率隨質傳溫度及氯化錫/甲醇潛溶劑濃度增加而下降,且截止波長有往長波長移動(紅移)的現象;經紅外光光譜分析,析出的二氧化錫顆粒與PMMA並沒有明顯的界面鍵結,故並無新的吸收峰出現,波形改變不明顯。此外,複合材料之抗拉強度及伸長率隨潛溶劑濃度增加而減少,且隨質傳溫度上升而遞減;而脆性拉伸破壞面型態比率、硬度(Hs)及玻璃轉換溫度(Tg),則隨質傳溫度及潛溶劑濃度增加而上升。
英文摘要 The study investigats the mass transport and hydrolysis behavior for poly (methyl methacrylate) (PMMA) in various concentrations of methanol/ tin chloride (SnCl2•2H2O) cosolvent between 40℃ to 60℃. Furthermore, by using the successfully manufactured poly (methyl methacrylate)/ tin dioxide nano composites, the mechanical, optical and thermal properties are investigated. The experiment data reveals that the concentration of SnCl2•2H2O to methanol in the solvent mixture is X=0, 0.03, 0.05, 0.07 and 0.09g/g and the saturated absorption amount of cosolvent will increase by rising mass transport temperature. Both diffusion coefficient for Case I and diffusion velocity for Case II will decrease with increasing concentration of cosolvent X. The activation energy of diffusion coefficient in Case I transport decreases with increasing X, but the activation energy of diffusion coefficient in Case II transport is opposite. The mass transport process is endothermic and satisfies the van’t Hoff’s plot.
When PMMA with saturated solvent mixture carries out the diffusion exchange between water and methanol solvent in distilled water system as well as the glass transition temperature of PMMA is higher than the hydrolysis temperature, the weight loss namely tends to slowly resolved.
Through XRD analysis, as the temperature of cosolvent and mass transport goes up, the wave peak intensify of tin dioxide becomes more obvious. By means of SEM, tin dioxide particulates are found evenly distributed on the matrix and the quantity of particulates become higher with the increasing cosolvent concentration. The size of particulates is about 30-50nm. Through visible wavelength and the UV spectrum analysis, the transmittance is found declined as the mass transport and the cosolvent concentration increases and the cut-off wavelength tends to shift to long wavelength (red shift).
The FTIR spectrum analysis shows that tin dioxide particulates and PMMA has no obvious surface bonding. Therefore, no new absorption peak is found and so do the change shown on the wave shape. In addition, both the UTS (Ultimate Tensile Strength) and the elongation ratio of the composites go down with the increasing cosolvent concentration and the uprising mass transport temperature. However, the ratio of brittleness fracture surface morphology, Shore Hardness (Hs) and the glass transition temperature (Tg) will go up with the increasing cosolvent concentration and the uprising mass transport temperature.

論文目次 總目錄
摘要•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••Ⅰ
Abstract••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••Ⅱ
總目錄•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••Ⅳ
圖目錄•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••Ⅶ
表目錄•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••XI
壹、導論••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1
1-1 前言••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1
1-2 文獻回顧••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••3
1-2.1 奈米複合材料的概述及特性••••••••••••••••••••••••3
1-2.1.1 奈米複合材料的形成與定義•••••••••••••••••••••3
1-2.1.2 高分子奈米複合材料之特性•••••••••••••••••••••4
1-2.2 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)••••••••••••••••••5
1-2.2.1 PMMA概述••••••••••••••••••••••••••••••••••5
1-2.2.2 PMMA性質••••••••••••••••••••••••••••••••••6
1-2.2.3 PMMA產品應用••••••••••••••••••••••••••••7
1-2.3 高分子中溶劑的質傳行為••••••••••••••••••••••••8
1-2.3.1 質傳之分類•••••••••••••••••••••••••••••••••••••9
1-2.3.2 影響質傳之因素••••••••••••••••••••••••••••10
1-2.3.3 質傳中溶漲界面之移動•••••••••••••••••••••10
1-2.4 光學性質••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••11
1-2.4.1 光之吸收•••••••••••••••••••••••••••••••••••••11
1-2.4.2 光之散射•••••••••••••••••••••••••••••••••••••12
1-3 研究範疇•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••14

貳、實驗設計••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••16
2-1實驗設備與材料•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••16
2-1.1 實驗藥品••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••16
2-1.2 實驗設備••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••16
2-2 質傳實驗•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••17
2-2.1 試片準備••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••17
2-2.2 溶劑準備••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••17
2-2.3 質傳/吸收試驗•••••••••••••••••••••••••••••••••••••18
2-2.4 水解••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••18
2-2.5 解析••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••18
2-3 性質測試•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••19
2-3.1 顆粒在基材分佈之顯微結構••••••••••••••••••19
2-3.2 X-光繞射分析儀(XRD)••••••••••••••••••••19
2-3.3 可見光與紫外光光譜測試••••••••••••••••••••19
2-3.4 霍氏轉換紅外光譜(FTIR)測試•••••••••••••20
2-3.5 熱差分析儀(DSC)測試•••••••••••••••••••••••20
2-3.6 拉伸試驗••••••••••••••••••••••••••••••••••••••20
2-3.7 硬度試驗••••••••••••••••••••••••••••••••••••••21
參、結果與討論•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••26
3-1 PMMA在氯化錫/甲醇潛溶劑中的質傳行為••••26
3-2 水解•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••27
3-2.1 水解••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••27
3-2.2 解析後試片劈裂面之製造及觀察•••••••••••28
3-3光譜分析••••••••••••••••••••••••••••••••••••29
3-3.1 X-光繞射(XRD)分析••••••••••••••••••••••29
3-3.2 可見光與紫外光光譜分析•••••••••••••••••••••30
3-3.3 霍氏轉換紅外光光譜分析••••••••••••••••••••31
3-4 拉伸試驗性質分析•••••••••••••••••••••••••••••••31
3-5硬度試驗性質分析•••••••••••••••••••••••••••••••32
3-6玻璃轉換溫度性質分析•••••••••••••••••••••••••33
肆、結論•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••91
伍、參考文獻••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••94

圖目錄
圖1-1 電磁波造成的物質運動••••••••••••••••••••••••••••••••••15
圖2-1 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)之化學結構簡式•••••••22
圖2-2 質傳試驗設備架構示意圖••••••••••••••••••••••••••••••23
圖2-3 模擬SnO2之XRD繞射圖••••••••••••••••••••••••••24
圖2-4 拉伸試片規格示意圖••••••••••••••••••••••••••••••••25
圖3-1 聚甲基丙烯酸甲酯在氯化錫/甲醇潛溶劑系統質傳
之溶劑吸收重量比(Mt/M∞)對時間之變化;質傳溫度(a)40℃;(b) 45℃;(c) 50℃;(d)55℃;(e) 60℃••••34
圖3-2 不同濃度氯化錫/甲醇潛溶劑質傳系統平衡吸收量(ESC)之van’t Hoff’s圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••38
圖3-3不同濃度氯化錫/甲醇潛溶劑質傳系統(a)D值;(b)V值之Arrhenius圖•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••40
圖3-4 聚甲基丙烯酸甲酯吸收不同濃度之飽和氯化錫/甲醇潛溶劑後,在60℃去離子水中水解過程之時間與重量關係之變化;質傳溫度(a)40℃;(b)45℃;(c)50℃;(d)55℃(e) 60℃••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••41
圖3-5 聚甲基丙烯酸甲酯吸收不同濃度之飽和氯化錫/甲醇潛溶劑後,在40℃去離子水中水解過程之時間與重量關係之變化;質傳溫度(a)40℃;(b)45℃;(c)50℃;(d)55℃(e) 60℃••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••44
圖3-6 PMMA基材之顯微結構(放大倍率30000倍)••••••••47
圖3-7 SnO2顆粒在PMMA基材分佈之顯微結構(放大倍率30000倍);質傳溫度:40℃;質傳濃度:(a) 0g/100g;(b) 3g/100g;(c)5g/100g;(d)7g/100g;(e) 9g/100g••••••••••••••••••••48
圖3-8 SnO2顆粒在PMMA基材分佈之顯微結構(放大倍率30000倍);質傳溫度:45℃;質傳濃度:(a) 0g/100g;(b) 3g/100g;(c)5g/100g;(d)7g/100g;(e) 9g/100g••••••••••••••••••••51
圖3-9 SnO2顆粒在PMMA基材分佈之顯微結構(放大倍率30000倍);質傳溫度:50℃;質傳濃度:(a) 0g/100g;(b) 3g/100g;(c)5g/100g;(d)7g/100g;(e) 9g/100g••••••••••••••••••••54
圖3-10 SnO2顆粒在PMMA基材分佈之顯微結構(放大倍率30000倍);質傳溫度:55℃;質傳濃度:(a) 0g/100g;(b) 3g/100g;(c)5g/100g;(d)7g/100g;(e) 9g/100g•••••••••••••••••••57
圖3-11 SnO2顆粒在PMMA基材分佈之顯微結構(放大倍率30000倍);質傳溫度:60℃;質傳濃度:(a) 0g/100g;(b) 3g/100g;(c)5g/100g;(d)7g/100g;(e) 9g/100g••••••••••••••••••••60
圖3-12 PMMA之XRD繞射分析圖•••••••••••••••••••••63
圖3-13 PMMA在不同質傳溫度吸收飽和0g/100g、3g/100g、5g/100g、7g/100g及9g/100g氯化錫/甲醇潛溶劑後給予水解及解析後之XRD繞射分析疊合圖;質傳溫度(a)40℃;(b)45℃;(c) 50℃;(d)55℃;(e) 60℃••••••••••••••••••64
圖3-14 PMMA在不同質傳溫度下吸收相同濃度之氯化錫/甲醇潛溶劑後給予水解及解析後之穿透率與波長之關係圖;質傳濃度(a)0g/100g;(b) 3g/100g;(c) 5g/100g;(d) 7g/100g;(e) 9g/100g••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••69
圖3-15 PMMA在不同質傳溫度吸收飽和0g/100g、3g/100g、5g/100g、7g/100g及9g/100g氯化錫/甲醇潛溶劑後給予水解及解析後之穿透率與波長之關係圖;質傳溫度(a)40℃;(b)45℃;(c) 50℃;(d)55℃;(e) 60℃••••••••••••••••••72
圖3-16 PMMA在不同質傳溫度下吸收相同濃度之氯化錫/甲醇潛溶劑後給予水解及解析後之傅立葉轉換光譜分析疊合圖;質傳濃度(a)0g/100g;(b) 3g/100g;(c) 5g/100g;(d) 7g/100g;(e) 9g/100g••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••75
圖3-17 PMMA在不同質傳溫度吸收飽和0g/100g、3g/100g、5g/100g、7g/100g及9g/100g氯化錫/甲醇潛溶劑後給予水解及解析後之傅立葉轉換光譜分析疊合圖;質傳溫度(a)40℃;(b)45℃;(c)50℃;(d)55℃;(e) 60℃。•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••78
圖3-18 PMMA拉伸試棒破斷面型態SEM相片(放大倍率100倍) ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••82
圖 3-19 PMMA在不同質傳溫度吸收飽和0g/100g氯化錫/甲醇潛溶劑後給予水解及解析後之拉伸試棒破斷面型態SEM相片(放大倍率100倍);質傳溫度(a)40℃;(b)45℃;(c) 50℃;(d)55℃;(e) 60℃••••••••••••••••••••••••••••••••••83
圖 3-20 在不同質傳溫度吸收飽和3g/100g氯化錫/甲醇潛溶劑後給予水解及解析後之拉伸試棒破斷面型態SEM相片(放大倍率100倍);質傳溫度(a)40℃;(b)45℃;(c) 50℃;(d)55℃;(e) 60℃•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••84
圖 3-21 在不同質傳溫度吸收飽和5g/100g氯化錫/甲醇潛溶劑後給予水解及解析後之拉伸試棒破斷面型態SEM相片(放大倍率100倍);質傳溫度(a)40℃;(b)45℃;(c) 50℃;(d)55℃;(e) 60℃•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••85
圖 3-22 在不同質傳溫度吸收飽和7g/100g氯化錫/甲醇潛溶劑後給予水解及解析後之拉伸試棒破斷面型態SEM相片(放大倍率100倍);質傳溫度(a)40℃;(b)45℃;(c) 50℃;(d)55℃;(e) 60℃•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••86
圖3-23 在不同質傳溫度吸收飽和9g/100g氯化錫/甲醇潛溶劑後給予水解及解析後之拉伸試棒破斷面型態SEM相片(放大倍率100倍);質傳溫度(a)40℃;(b)45℃;(c) 50℃;(d)55℃;(e) 60℃•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••87
圖 3-24 PMMA在不同質傳溫度吸收飽和氯化錫/甲醇潛溶劑後給予水解及解析後,試片內部之孔洞(放大倍率30000倍)•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••89


表目錄

表3-1 聚甲基丙烯酸甲酯在氯化錫/甲醇潛溶劑系統質傳之Case Ι擴散係數(D),CaseⅡ質傳速率(v)和平衡吸收量(ESC) ••••••••••••••37
表3-2 氯化錫/甲醇潛溶液質傳系統之Case I活化能(ED),Case II活化能(EV)和混合熱(△H)•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••39
表3-3 PMMA在不同質傳溫度吸收飽和0g/100g、3g/100g、5g/100g、7g/100g及9g/100g氯化錫/甲醇潛溶劑後給予水解及解析後試片之拉伸性質•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••81
表3-4 PMMA在不同質傳溫度吸收飽和0g/100g、3g/100g、5g/100g、7g/100g及9g/100g氯化錫/甲醇潛溶劑後給予水解及解析後試片之蕭式硬度(HS) •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••88
表3-5 PMMA在不同質傳溫度吸收飽和0g/100g、3g/100g、5g/100g、7g/100g及9g/100g氯化錫/甲醇潛溶劑後給予水解及解析後試片之玻璃轉換溫度(Tg) ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••90

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