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。

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).

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

1. 呂宗昕, 圖解奈米科技與光觸媒, 商周出版社.
2. 張豐志, 應用高分子手冊, 五南圖書出版公司 (2003).
3. 吳聖威, 奈米級二氧化矽 SiO2 粒子之燒結, 清大化工所碩士論文 
 （2001）.
4. 魏碧玉, 賴明雄, 賴宏仁, 奈米材料之合成技術, 材料會訊第八卷, 
 第四期.
5. 王宏達, 奈米碳管的成長與分析, 成大化工所碩士論文（2001）.
6. 詹耀富, 以柱槽容器浮選法回收二氧化矽奈米微粒之研究, 成
 大資源工程所碩士論文 （2000）.
7. 曾科博, 化學機械研磨用二氧化矽粉體之火焰製程開發, 成大
 化工所碩士論文 （1999）.
8. 江易錫, 火焰法合成二氧化矽微粉之製程開發, 成大化工所碩
 士論文 （2000）.
9. 韋文誠, 奈米陶瓷粉體之特性及奈米結構應用概況, 化工技術,
 第九卷第九期.
10. 林唯芳, 有機無機奈米材料, 塑膠資迅,.11 NO.60 4-9 (2001).
11. 工業材料, 5 125 (1997).
12. S. P. Armes, S. Gottesfeld, J. G. Berry, Poly., 32 2335 (1991).
13. 王宏文、林孟宣, 工業材料, 190 96 (2002).
14. Bruce M. Novak, Adv. Mater., Vol.5 No.6 422 (1993).
15. 邱長塤, 紡織技術與化工專輯, 化工技術, (2005).
16. 蘇一哲, 溶膠凝膠法製備感光性二氧化矽/羥乙基甲基丙烯酸酯奈米複合材料, 淡江大學碩士論文, (2001).
17. 林秉毅, 奈米二氧化矽改質負型壓克力光阻之製備, 淡江大學碩
  士論文, (2004).
18. 黃逢璽, 溶膠凝膠法製備紫外光硬化型抗反射鍍膜, 淡江大學碩
  士論文, (2005).
19. 歐陽代岳, 改質奈米二氧化矽/高分子複合材料之製備與物性分
  析, 淡江大學碩士論文, (2006).
20. 陳健銘, 溶膠凝膠法製備紫外光硬化型抗昡鍍膜, 淡江大學碩士 
  論文, (2007).
21. Ebelmen H., Ann. Chem. Phys., 15 319 (1845).
22. T. Graham, J. Chem. Soc., 17 318 (1864).
23. L. Royleigh, Philos. Mag, 38 738 (1919).
24 C. B. Hurd, Chemical Review , 22 403 (1938).
25. W. Geffcken, E. Berger, German patent, 736411 (1939).
26. C. J. Brinker, G. W. Scherer, Sol-gel Science, Academic Press,
  Inc, 2 (1990).
27. C.J.Brinker,G.W.Scherer, Sol-Gel Science, (1992).
28. R. Roy, J. Am. Ceram. Soc., 52 44 (1969).
29. H. Dislich, Glastechn. Ber., 44 1 (1971).
30. G. L. Wilkes, B. Orler and H. Huang, Polym. Bul. (Berlin), 14 557 (1985).
31. Werner Stober, Arthur Fink, Ernst Bohn, Journal of Colloid and Interface Science, 26 62-69(1968).
32. Hansen F.K.,J.Ugelstad, J.Polym.Sci.,Polym. Chem. Ed., 6 1953 (1978).
33. 王惠君, 以回應曲面法探討溶膠-凝膠法製備奈米二氧化矽之參數影響, 中原大學碩士論文, (2004).
34. P. Hajji, L. David, J. F. Gerard, J. P. Pascault, G. Vigier, J. Polym. Sci.,  
  37 3172-3187 (1999).
35. R. K. Iler, Cornell University Press, Ithaca, (1955). 
36. R. K. Iler, The chemical of silica, Wiley-Inter Science (1979).
37. 陳文章, 化工資訊, 46 (5) (1999).
38. T. Matdoukas, E. Gulari, J. Col. Inter. Sci., 124 252 (1988).
39. K. S. Kim, J. K. Kim, W. S. Kim, Ceram. Inter. 28 187 (2002).
40. K. D. Kim, H. T. Kim, J. Amer. Ceram. Soc., 85 1107 (2002).
41. Tyan, H. L. Liu, Y. C., Wei, K. H., Polymer, 40 4877 (1999).
42. Al-Esaimi, M. M., J. Appl. Polym. Sci., 64367 (1997).
43. 李世陽, 蔡宗燕, 奈米高分子複合材料新發展與應用, 化工商情網(2001).
44. R. K. Iler, The chemical of silica, Wiley-Inter Science (1979).
45. P. T. Sarjeant, R. Roy, J. American Ceramic Society 52 (1) 57-58 (1969).
46. H. Dislich, Glastechn. Ber., 44 (1) 1-8 (1971).
47. T.Engel, G.Ert1, J Chen.Phys., 69 1267 (1978).
48. R. J. P. Corriu, J. J. E. Moreau, P. Thepot, M. C. Wong, Chem. Mater., 4 1217 (1992).
49. C. Sanchez and F. Ribot, New J. Chem., 18 1007 (1994).
50. J. Wen and G. L. Wilkes, Chem. Mater., 8 8 1667-1681 (1996).
51. Brandley, R. C. Mehrotra, and D. P. Gaur, Metal Alkoxides, 
  Academic (1987).
52. Yostry A. Attia, Sol-Gel Processing and Application, (1994).
53. R. Aelion, A. Loebel and F. Eirich, J. Am. Chem. Soc., 72 5705   (1950).
54. C. Jeffrey Brinker; George W. Scherer, Sol-Gel-Science chap3.
55. M.Daniels,L.Chu,L.Francis, Mat.Res.Soc., Vol.435 215-220 (1996).
56. M.Daniels,L.Chu,L.Francis, Mat.Res.Soc., Vol.435 221-225 (1996).
57. M.Daniels,L.Chu, Chem. Mater., Vol.9 11 (1997).
58. M. W. Daniels and L. F. Francis, Journal of Colloid and Interface Science, 205 191-200 (1998).
59. Eo,Y.-J.,Kim,D.-J., J. Sol-gel Science and Technology, (1998).
60. H.K.Schmidt,E.Arpac,H.Schirra,S.SEPEUR,G.Jonschker, Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol.519 (1998).
61. Michael W., Daniels, Jan Sefcik, Lorraine F., Francis,1, Alon V.,  
  McCormick, Journal of Colloid and Interface Science, 219 351-356 (1999).
62. Zheng Chan, Lin Ai’mei, Zhen Xiao, Feng Miao, Huang Juan, Zhan  
  Hongbing, Optical Materials, 29 1543-1547 (2007).
63. Walid A. Daoud *, John H. Xin, Xiaoming Tao, Applied surface Science, 252 5368-5371 (2006). 
64. M.R. Gizdavic-Nikolaidis *, N.R. Edmonds, C.J. Bolt, A.J. Easteal, Current Applied Physics, 8 300-303 (2007).
65. 賴耿陽譯著, 環氧樹脂應用實務 ,復漢出版社, (1993).
66. 王春山, 環氧樹脂簡介與最近的發展(一)~(四), 化工技術, 第二卷, 第十期, 第54頁, (1994), 第二卷, 第十一期, 第120頁, (1994), 第二卷, 第十二期, 第129頁, (1994), 第三卷, 第一期, 第166頁, (1995).
67. 陳東課, 環氧樹脂在積層板之應用, 化工技術, 第四卷, 第五
  期, 第120頁, (1996).
68. Riccardi, C. C. and Williams, R. J. J., J. Appl. Polym.. Sci., 32, 3445,
  (1986).
69.大英百科全書.
70 飛航天氣, 第七期 4 (2007).
71. R.N.Wenzel, Ind, Eng.Chem, 28 988 (1936).
72.J.Bico, C.Marzolin, D.Quere, Europhys.Lett., 55 214 (2001).
73.Xiangmei Liu,Junhui He, Journal of Colloid and Interface Science, 314 341-345 (2007).
74. Valérie Plasman, Thibaud Caulier,Noel Boulos, Plastics Additives & Compounding, (2005)