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系統識別號 U0002-1507201313510800
中文論文名稱 親水性PU樹脂經溶膠製程應用於長效型玻璃防霧處理
英文論文名稱 Long-lasting Anti-fog Glass Treatment with Hydrophilic PU Resin via Sol-gel Process
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemistry
學年度 101
學期 2
出版年 102
研究生中文姓名 唐偉智
研究生英文姓名 Wei-Jr Tang
學號 600160328
學位類別 碩士
語文別 中文
第二語文別 中文
口試日期 2013-06-23
論文頁數 92頁
口試委員 指導教授-陳幹男
委員-葉正濤
委員-黃繼遠
中文關鍵字 親水性-PU 
英文關鍵字 Hydrophilic-PU  Nano-TiO2  Surface Coating  Nano Composite 
學科別分類 學科別自然科學化學
中文摘要 本論文運用架橋型含有矽氧烷(silane)末端基的超親水性PU樹脂與微米或奈米級SiO2/TiO2粒子的混成系統,塗布於處理玻璃表面後,自行進行溶膠(Sol-Gel)反應製備玻璃表面具有耐磨擦的長效型防霧和自潔功能的塗佈。首先製備含異氰酸鹽端基的親水性(含聚乙醇)的PU預聚物,然後將兩末端同時含有silane和胺基之3-胺丙基三乙氧基矽烷((3-aminopropyl) triethoxysilane,以下簡稱APTES)加入異氰酸鹽末端基之PU預聚合物,APTES末端胺基與PU之異氰酸鹽在常溫下反應,形成含silane為末端基之親水性PU寡聚物。
玻璃表面分別經由鹼和酸處理及清水清洗乾淨後得玻璃表面的silanol (Si-OH)官能基,再與此親水性PU寡聚物的silane可產生Si-O-Si化學鍵結;最終分別加入四乙氧基矽烷(Tetraethoxysilane,以下簡稱TEOS)或是四丙鈦酸酯(tetra-butyl titanate,以下簡稱TBT)等,當作sol-gel親水性玻璃塗料系統中,分別可產生微米或奈米級
的SiO2或TiO2,不僅增加親水性塗料與玻璃表面的附著性,同時使得此親水性PU樹脂塗層更增加其親水性質,達到具有長效性防霧、等功能。本計畫將使用傳統親水性PU樹脂和sol-gel製程,並將利用掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察微米或奈米級的SiO2或TiO2分布和反射式紅外光譜(ATR)探討樹脂與玻璃表面的化學鍵結;比較並分析微米或奈米級SiO2/TiO2粒子在親水性PU混成樹脂塗層的防霧效果。
英文摘要 A NCO-terminated PU prepolymer consists of carboxylic acid and polyethylene glygols is prepared. It is reacted further with a silane and amino-containing compound (amino-propyl triethoxysilane, APTES) and resulted in a silane-terminated PU oligomer formation. It functioned as a hydrophilic coating binder; An organo titanium compound (tetra-butyl titanate,TBT)is added into this silane-terminated PU oligomer and forming a sol-gel coating material. This sol-gel material is mixed with an ambient-temperature curing agent (TMPTA-AZ), It becomes an moisture- curable PU resin. And silane-terminal groups react with glass surface combining nano-TiO2 formation from TBT sol-gel process after moisture-curing. Both curing
reactions provide a stable hydrophilic surface after coating on glass. This sol-gel coating process has the potential for long lasting anti-fog, stain-free glass coating applications.
論文目次 I
總 目 錄
中摘‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧
英摘‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧
誌謝‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧
一、序論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 1
1-1 前言‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 2
1-2 研究動機‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧2
二、文獻回顧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧3
2-1 起霧原理‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧3
2-2 防霧原理‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧4
2-3 聚胺酯介紹‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 5
2-3-1 聚胺酯的基本材料‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧ 5
2-4 親水性聚胺酯之介紹‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧12
2-4-1 羧酸型聚胺酯溶液之製備‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧12
2-5 溶膠-凝膠法介紹‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧14
2-6有機/無機奈米複合材料‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧20
II
2-7聚矽氧烷簡介‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧23
2-7-1 歷史發展‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧24
2-7-2 聚二甲基矽氧烷基本性質‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧26
2-7-3聚二甲基矽氧烷應用‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧29
2-8二氧化鈦簡介‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧30
三、實驗‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧33
3-1 儀器‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧33
3-2 藥品‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧34
3-3含末端矽氧烷聚胺酯的製備‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧36
3-3-1 含末端矽氧烷聚胺酯PEG-PU-Silane之合成‧‧‧‧36
3-3-2 固含量測試‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧38
3-3-3聚胺酯預聚物異氰酸酯含量(NCO %)測定‧‧‧‧‧38
3-4由溶膠-凝膠法合成奈米複合材料薄膜‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧40
3-4-1 PEG-PU-Silane薄膜‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧40
3-4-2 PEG-PU-Silane與無機奈米二氧化矽複合材料的合成‧40
3-4-3 PEG-PU-Silane與無機奈米二氧化鈦複合材料的合成‧40
3-5 聚胺酯PEG-PU-Silane薄膜物理性質分析測試部分‧‧‧‧41
III
3-5-1 光譜鑑定測試‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧41
(a) 紅外線光譜(FT-IR)測定‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧41
(b) 減弱式全反射紅外線光譜儀(ATR-IR)測定‧‧‧‧‧41
3-5-2 薄膜物理性質測試‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧43
(a) 膠含量(Gel Content)測定‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧43
(b) 去離子水浸泡吸水率 (Water-Uptake %) 與對水損失率
(Weight % Loss in Water) ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧43
(c) 薄膜接觸角(Contact Angle)測定‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧45
3-6玻璃基板前處理‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧46
3-7薄膜防霧性能測試‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧47
3-8附著度測試(Cross-Cut Test) ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧48
3-9鉛筆硬度測定‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧49
3-10熱重分析(Thermalgravimetric analysis, TGA)測定‧‧‧‧‧‧50
3-11動態散射粒徑分析儀(Dynamic Light Scattering, DLS) ‧‧‧‧52
3-12掃描式電子顯微鏡測試(SEM Test)‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧53
四、結果與討論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧54
4-1PEG-PU-NCO之FT-IR光譜分析‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧54
4-2 PEG-PU-Silane之FT-IR光譜分析‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧54
IV
4-2 PEG-PU-Silane之FT-IR光譜分析‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧54
4-4聚胺酯薄膜的物理性質分析‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧55
4-4-1膠含量之分析‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧62
4-4-2吸水率與對水損失率‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧63
4-4-3接觸角分析‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧65
4-5 熱重分析(Thermal Gravity Analysis,TGA)‧‧‧‧‧‧‧‧67
4-6 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electronic Microscopy,SEM)‧‧71
4-7 動態散射光粒徑分析(Dynamic Light Scattering,DLS)‧‧‧‧76
4-8 密著度測試結果分析‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧81
4-9鉛筆硬度測試結果分析‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧82
4-10薄膜防霧性能結果分析‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧83
五、結論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧87
六、參考文獻‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧89
V
圖 表 目 錄
Scheme 2-1 羧酸型聚胺酯溶液製備‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧13
Scheme 3-1 含末端矽氧烷聚胺脂之製備‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧37
Table.4-1不同聚胺酯薄膜之膠含量測試‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧62
Table.4-2不同聚胺酯薄膜之吸水與損水測試‧‧‧‧‧‧‧‧‧64
Table.4-3前處理與未處理玻璃的接觸角‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧66
Table.4-4 各比例含奈米級二氧化鈦之玻璃表面接觸角‧‧‧‧‧66
Table.4-5 各比例含奈米級二氧化矽之玻璃表面接觸角‧‧‧‧‧66
Table.4-6不同聚胺酯的熱重損失表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧68
Table.4-7不同聚胺酯的密著度測試‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧81
Table.4-8 聚胺酯塗佈玻璃之鉛筆硬度測試‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧82
Figure.2-1 玻璃上的小水滴造成光散射使的物體模糊不清‧‧‧‧3
Figure.2-2矽烷氧化合物之水解縮合反應‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧15
VI
Figure.2-3酸性條件下,水解縮合反應機制‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧16
Figure.2-4 鹼性條件下,水解縮合反應機制‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧16
Figure.2-5矽酸鹽在 a.酸性環境 b.鹼性環境下之凝膠結構‧‧‧17
Figure.2-6 其pH 值對反應中矽烷氧架橋結構之影響‧‧‧‧‧‧18
Figure.2-7 聚矽氧烷四種基本單元‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧24
Figure.3-1 ATR全反射原理圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧42
Figure.3-2 ATR裝置圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧42
Figure.3-3 動態散射粒徑分析儀原理圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧52
Figure 4-1.PEG(1000)-PU-NCO之FT-IR光譜圖‧‧‧‧‧‧‧‧56
Figure 4-2. PEG(2000)-PU-NCO之FT-IR光譜圖‧‧‧‧‧‧‧‧57
Figure 4-3. PEG(1000)-PU-Silane之FT-IR光譜圖‧‧‧‧‧‧‧‧58
Figure 4-4. PEG(2000)-PU-Silane之FT-IR光譜圖‧‧‧‧‧‧‧‧59
Figure 4-5. PEG(1000)-PU-Silane塗佈玻璃表面之ATR光譜圖‧‧60
Figure 4-6. PEG(2000)-PU-Silane塗佈玻璃表面之ATR光譜圖‧‧61
Figure.4-7 氮氣條件下不同聚胺酯的熱重分析圖‧‧‧‧‧‧‧69
Figure.4-8 氮氣條件下不同聚胺酯的熱重一次微分圖‧‧‧‧‧70
Figure.4-9 含5phr TBT聚胺酯薄膜剖面10,000倍之SEM圖‧‧‧72
Figure.4-10 含5phr TBT聚胺酯薄膜剖面30,000倍之SEM圖‧‧73
VII
Figure.4-11 含5phr TEOS聚胺酯薄膜剖面10,000倍之SEM圖‧‧74
Figure.4-12 含5phr TEOS聚胺酯薄膜剖面30,000倍之SEM圖‧‧75
Figure.4-13 含5phr奈米TiO2之數目分佈圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧77
Figure.4-14含5phr奈米TiO2吸收強度分佈圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧78
Figure.4-15含5phr奈米SiO2之數目分佈圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧79
Figure.4-16含5phr奈米SiO2吸收強度分佈圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧80
Figure.4-17玻璃基板置於80oC熱水上30秒後表面起霧情況的上視圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧84
Figure.4-18 PU+ SiO2薄膜置於80oC熱水上30秒後表面起霧情況的上視圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧85
Figure.4-19 PU+ TiO2薄膜置於80oC熱水上30秒後表面起霧情況的上視圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧86
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