淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
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系統識別號 U0002-0908200716511900
中文論文名稱 抗紫外線應用之含二氧化鈦有機-無機混成材料之製備與性質分析
英文論文名稱 Preparation and Characterization of Titania Containing Organic-Inorganic Hybrid Materials for UV-Shielding Application
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學工程與材料工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemical and Materials Engineering
學年度 95
學期 2
出版年 96
研究生中文姓名 李文貴
研究生英文姓名 Wen-Kuei Lee
學號 694360370
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-07-19
論文頁數 116頁
口試委員 指導教授-張正良
共同指導教授-張朝欽
委員-楊昌中
委員-張雍
委員-賴偉淇
中文關鍵字 有機-無機混成材料  紫外光遮蔽薄膜  偶合劑  二氧化鈦 
英文關鍵字 organic-inorganic hybrids  UV-Shielding  coupling agent  titania 
學科別分類
中文摘要 本研究利用溶膠-凝膠法製備含二氧化鈦有機-無機抗紫外線混成材料,藉由添加鈦螯合物的方式改善一般抗紫外線薄膜吸收範圍狹窄、吸收效果不佳等問題。由於螯合劑易受水氣之攻擊而從鈦脫離出來,造成混成薄膜紫外光吸收強度下降,且產生相分離的現象,本研究試以添加大量偶合劑及選用耐候性佳之高分子來改善二氧化鈦的分散性與混成薄膜的耐候性。
由FT-IR結果顯示合成之有機-無機混成材料結構正確。TGA結果發現含偶合劑系統混成材料的熱性質比不含偶合劑系統好。而比較不同二氧化鈦添加量對混成材料熱性質的影響發現:隨著二氧化鈦添加量增加,材料之熱性質有下降的趨勢。由SEM影像看出,含偶合劑系統混成材料二氧化鈦添加量至40 wt%時,混成薄膜尚無明顯的相分離,表示偶合劑確實使PU與二氧化鈦產生化學鍵結,而有效的防止了二氧化鈦粒子聚集。由UV-Visible曲線得知隨著膜厚增加會有紅移現象的發生,而混成薄膜透光率可達90%以上。經由UPF值的計算發現本研究製備之PU-二氧化鈦混成薄膜UPF值最高到496,而壓克力-二氧化鈦混成薄膜UPF值最高到169,皆具有極優良的抗紫外線效果。經由耐候性測試發現添加大量偶合劑使得螯合劑被無機網狀結構包覆的更緊密、更不易被水氣攻擊,改善了混成薄膜的耐候性。而選用耐候性較佳之高分子亦有助於提升有機-無機混成薄膜之耐候性。
英文摘要 In this study, sol-gel method was employed to synthesis the titania containing organic-inorganic hybrid material for UV-shielding and the chelating agents were added to improve the defects of the UV-shielding film nowadays such as poor and limited range of UV absorption. Because of the chelating agents being apt to be broken away from the titanium by the attack of the aqueous vapor, lead to the UV-shielding of the hybrid films decreased and produce the microphase separation. In this investigation, the methods which added a large amount of coupling agents and used the polymer with weatherability were used to improve the dispersion of the titania in the polymer matrix and the weatherability of the hybrid films.
FT-IR results show that organic-inorganic hybrid materials were prepared successfully. TGA results show that the thermal stability of the prepared hybrid films decreased with the increasing titania content. The results of SEM show that there is no microphase separation in the coupling agents containing organic-inorganic hybrid materials with 40wt% titania content. It’s due to chemical bonds are formed between polymer matrix and titania particles by adding a large amount of coupling agents. With the film thickness 5 μm and titania 40 wt%, ultraviolet can be cut off perfectly and the transmittance of the visible light is over 90 %. The experimental results show that the weatherability of the hybrid films increased by adding a large amount of coupling agents and using the polymer with weatherability.
論文目次 總目錄

中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
總目錄 Ⅲ表目錄 Ⅵ
圖目錄 Ⅷ

第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 實驗目的與方法 4
第二章 文獻回顧 5
2.1 有機-無機奈米混成材料 5
2.1.1 有機-無機奈米混成材料簡介 5
2.1.2 溶膠-凝膠法 10
2.2 抗紫外線塗膜材料 14
2.2.1 抗紫外線原理及分類 14
2.2.2 抗紫外線有機-無機奈米混成材料 16
2.3 聚胺基甲酸酯簡介 24
2.3.1 聚胺基甲酸酯簡介與合成法 24
2.3.2 聚胺基甲酸酯原料介紹 26
2.4 聚甲基丙烯酸甲酯 30
第三章 實驗部分 31
3.1 實驗藥品 31
3.2 實驗步驟 35
3.2.1 紫外線吸收劑之製備 35
3.2.2 聚胺基甲酸酯-二氧化鈦混成材料的製備 36
3.2.3 壓克力-二氧化鈦混成材料的製備 42
3.3 結構鑑定與性質分析 46
3.3.1 結構鑑定 46
3.3.2 光學性質分析 47
3.3.3 熱性質分析 48
第四章 結果與討論 50
4.1 聚胺基甲酸酯-二氧化鈦混成材料分析 50
4.1.1 分子結構鑑定 50
4.1.2 TGA熱性質分析 53
4.1.3 DSC熱性質分析 57
4.1.4 混成薄膜表面分析 58
4.1.5 UV-Visible光譜及膜厚量測 67
4.1.6 薄膜耐候性測試 72
4.2 聚甲基丙烯酸甲酯-二氧化鈦混成材料分析 75
4.2.1 分子結構鑑定 75
4.2.2 TGA熱性質分析 77
4.2.3 DSC熱性質分析 80
4.2.4 混成薄膜表面分析 81
4.2.5 UV-Visible光譜及膜厚量測 84
4.2.6 薄膜耐候性測試 88
第五章 結論 91
第六章 未來研究方向 93
參考文獻 94
附 錄 99







表目錄

表1-1、不同波長紫外線對人體健康之危害 3
表2-1、有機材料與無機材料性質比較 6
表2-2、紫外線吸收劑與紫外線屏蔽劑的差異性 15
表2-3、PMMA/SiO2/TiO2奈米混成材料配方表 19
表2-4、混成材料之熱裂解溫度 21
表2-5、PU樹脂聚多元醇原料種類及特性 29
表3-1、PU系統混成材料之樣品編號及各成份含量 41
表3-2、壓克力系統混成材料之樣品編號及各成份含量 45
表4-1、PU- TiO2混成材料主要官能基之特性吸收峰 51
表4-2、不含偶合劑系統混成材料之TGA結果 55
表4-3、含偶合劑系統混成材料之TGA結果 56
表4-4、不含偶合劑系統混成薄膜之折射率 67
表4-5、含偶合劑系統混成薄膜之折射率 67
表4-6、PU-二氧化鈦混成薄膜之UPF值 72
表4-7、不含偶合劑系統混成薄膜之UPF衰減 74
表4-8、含偶合劑系統混成薄膜之UPF衰減 75
表4-9、壓克力-二氧化鈦混成材料主要官能基之特性吸收峰 77
表4-10、壓克力系統混成材料之TGA結果 79
表4-11、壓克力-TiO2混成薄膜之折射率 85
表4-12、壓克力-二氧化鈦混成薄膜之UPF值 88
表4-13、PMCT10 ~ PMCT30混成薄膜之UPF衰減 90















圖目錄

圖1-1、電磁波波長在100 ~ 400 nm間屬於紫外線範圍 3
圖2-1、凝膠化過程 12
圖2-2、不同pH值時水解與縮合的反應速率示意圖 13
圖2-3、不同pH值時顆粒形成之示意圖 13
圖2-4、poly(vinyl alcohol)與poly(vinyl alcohol)-TiO2奈米混成材料
之UV/Vis吸收圖譜 18
圖2-5、poly(vinyl alcohol)-TiO2奈米混成材料(TiO2含量0.037 wt%)
之UV/Vis吸收圖譜 19
圖2-6、SiO2/TiO2無機材料TEM圖 20
圖2-7、PMMA與PMMA/SiO2/TiO2奈米混成材料之UV/Vis穿透圖
譜 20
圖2-8、TMTi與TMATi薄膜之光穿透圖譜 21
圖2-9、合成polyurethane-titania混成材料反應示意圖 22
圖2-10、不同的二氧化鈦溶膠形式所製備出來的混成薄膜其UV/Vis
吸收圖譜 23
圖2-11、PU-二氧化鈦混成薄膜之UV/Vis穿透圖譜 23
圖2-12、聚胺基甲酸酯的結構 25
圖2-13、聚胺基甲酸酯微相分離結構示意圖 26
圖2-14、二階段式合成法 26
圖3-1、TiO2前驅物反應流程圖 35
圖3-2、聚胺基甲酸酯反應流程圖 37
圖3-3、PU-二氧化鈦混成材料反應流程圖 39
圖3-4、含偶合劑系統PU-二氧化鈦混成材料化學反應式 40
圖3-5、不含偶合劑系統PU-二氧化鈦混成材料化學反應式 41
圖3-6、poly(MMA-co-MSMA)之製備流程圖 43
圖3-7、壓克力-二氧化鈦混成材料反應流程圖 44
圖3-8、壓克力-二氧化鈦混成材料化學反應式 45
圖4-1、PU- TiO2混成材料之FT-IR圖(PUT0 ~ PUT30) 52
圖4-2、PU- TiO2混成材料之FT-IR圖(PUCT0 ~ PUCT40) 52
圖4-3、PUT0與PUCT0之熱重量分析圖 53
圖4-4、PUT0 ~ PUT30混成材料之TGA圖 55
圖4-5、PUCT0 ~ PUCT40混成材料之TGA圖 56
圖4-6、PUT0 ~ PUT20之DSC圖 57
圖4-7、PUCT0 ~ PUCT30之DSC圖 58
圖4-8、PUT10之SEM圖(表面),放大倍率80KX 60
圖4-9、PUT10之SEM圖(截面),放大倍率80KX 60
圖4-10、PUT20之SEM圖(表面),放大倍率100KX 61
圖4-11、PUT20之SEM圖(截面),放大倍率100KX 61
圖4-12、PUT30之SEM圖(表面),放大倍率100KX 62
圖4-13、PUT30之SEM圖(截面),放大倍率100KX 62
圖4-14、PUCT10之SEM圖(表面),放大倍率80KX 63
圖4-15、PUCT10之SEM圖(截面),放大倍率80KX 63
圖4-16、PUCT20之SEM圖(表面),放大倍率80KX 64
圖4-17、PUCT20之SEM圖(截面),放大倍率80KX 64
圖4-18、PUCT30之SEM圖(表面),放大倍率100KX 65
圖4-19、PUCT30之SEM圖(截面),放大倍率100KX 65
圖4-20、PUCT40之SEM圖(表面),放大倍率100KX 66
圖4-21、PUCT40之SEM圖(截面),放大倍率100KX 66
圖4-22、PUT10不同膜厚下之(a)光吸收度;(b)光穿透率圖 69
圖4-23、PUT10之UPF v.s. 膜厚圖 70
圖4-24、PUT10 ~ PUT30之UPF v.s. 膜厚疊圖 70
圖4-25、PUCT10 ~ PUCT40之UPF v.s. 膜厚疊圖 71
圖4-26、PUT20系統混成薄膜之紫外光吸收衰退圖 73
圖4-27、PUCT20系統混成薄膜之紫外光吸收衰退圖 74
圖4-28、壓克力-二氧化鈦混成材料之FT-IR圖(PMC~PMCT30) 76
圖4-29、PMC之熱重量分析圖 78
圖4-30、PMC~PMCT30混成材料之TGA圖 79
圖4-31、PMC與PMCT10之DSC分析結果 80
圖4-32、PMCT10之SEM圖(表面),放大倍率80KX 81
圖4-33、PMCT10之SEM圖(截面),放大倍率150KX 82
圖4-34、PMCT20之SEM圖(表面),放大倍率80KX 82
圖4-35、PMCT20之SEM圖(截面),放大倍率150KX 83
圖4-36、PMCT30之SEM圖(表面),放大倍率80KX 83
圖4-37、PMCT30之SEM圖(截面),放大倍率150KX 84
圖4-38、PMCT10不同膜厚下之(a)光吸收度;(b)光穿透率圖 86
圖4-39、PMCT10之UPF v.s. 膜厚圖 87
圖4-40、PMCT10 ~ PMCT30之UPF v.s. 膜厚疊圖 87
圖4-41、PMCT10系統混成薄膜之紫外光吸收衰退圖 89

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