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系統識別號 U0002-2206200521494700
中文論文名稱 聚胺基甲酸酯/二氧化鈦抗紫外線奈米混成合材料之製備
英文論文名稱 Preparation of Polyurethane/Titania Nanocomposites 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 93
學期 2
出版年 94
研究生中文姓名 唐廉斌
研究生英文姓名 Lien-Pin Tang
電子信箱 strongice0317@yahoo.com.tw
學號 692360885
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2005-05-31
論文頁數 133頁
口試委員 指導教授-張正良
委員-陳幹男
委員-李世仁
委員-張朝欽
委員-游洋雁
委員-張正良
中文關鍵字 有機/無機混成材料  紫外光遮蔽薄膜  配位化合物  二氧化鈦 
英文關鍵字 organic/inorganic hybrids  UV-Shielding  coordination compound  titania 
學科別分類
中文摘要 本研究利用溶膠-凝膠法製備聚胺基甲酸酯/二氧化鈦抗紫外線奈米混成材料,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、高光催化能力及嚴重的光干擾等問題。為改善二氧化鈦的分散性與增加添加量,本研究合成側鏈具有OH官能基的聚胺基甲酸酯高分子,並加入偶合劑使其一端與聚胺基甲酸酯的OH官能基反應,另一端與螯合物反應,使得有機高分子與無機螯合物之間能形成化學鍵结,增加無機物的分散性與添加量。
本研究探討不同螯合劑對螯合物水解穩定度、紫外光吸收強度的影響,並以AcEA系統進行混成材料的製作。利用GPC及滴定方法測量聚胺基甲酸酯的分子量與OH價;FT-IR檢測螯合劑與鈦金屬配位過程中的官能基變化;SEM觀察混成材料微相結構,了解奈米級二氧化鈦顆粒的分佈情形;TGA了解材料的熱穩定性。另外,亦將材料進行UV-Visible與薄膜厚度折射率檢測儀等光學性質分析,了解材料的可見光透光性、折射率、阿貝數、抗紫外線強度等光學性質。
不同螯合系統的水解穩定度為TDiPA>TAcAc>TAcMC>TAcEA>TDEA>TAA>TA,紫外光吸收強度為TAcMC>TAcEA>TAcAc>TAA>TA>TDiPA>TDEA。由UV-Visible曲線得知以AcEA系統製作之混成材料具有大範圍、高強度紫外光吸收。無機添加量20wt%、膜厚5μm即可100%遮蔽紫外光且具有優良的透光性,可達95%以上;由SEM影像看出,偶合劑添加有助於有機與無機兩相間的相容性,使無機添加量能夠提升至50wt%。由薄膜厚度折射率檢測儀得知材料折射率為1.68與玻璃基材相差不大可有效降低鏡面反射光。
英文摘要 In this investigation, sol-gel method was employed to synthesis the polyurethane/titania nanocomposites and the chelating agents were added to resolve the drawbacks of the UV-shielding film nowadays such as poor and limited range of UV absorption, photodegradation problem and light interference effect. PU with hydroxyl side chains was synthesized to incorporate the coupling agent in order to enhance the dispersion of titania in the polymer matrix.
The hydrolysis stability and ultraviolet absorption of the titania chelated with different chelating agent were investigated. The experimental results showed that the hydrolysis ability decreased in the order TDiPA > TAcAc > TAcMC > TAcEA > TDEA > TAA > TA and the UV-shielding ability decreased in the order TAcMC > TAcEA > TAcAc > TAA > TA > TDiPA > TDEA. The hybrid system with AcEA as chelating agent was chosen in further studies. GPC was employed in determining the average molecular weight of polyurethane synthesized. FT-IR was used to investigate the evolution of chemical bonds between chelating agent and titanium. The morphology of hybrid materials was observed by FESEM. The degradation temperature was measured by TGA. UV-visible and HMT optics reflectance-transmittance testing system were used to evaluate the transmittance, reflect index, Abbe number and UV-shielding ability of hybrid materials.
The AcEA chelated hybrid materials do perform high and broad UV absorption observed in the experimental results, the thicker the film the higher the UV-shielding performance. With the film thickness 5μm and titania 20 wt%, ultraviolet can be cut off perfectly and the transmittance of the visible light is over 95 %. By adding 5 wt% of coupling agent, 50 wt% of titania can be incorporated in the PU matrix designed. The light interference effect would be low because the maximum reflect index of the hybrid materials is 1.68 which is close to that of the glass substrate.
論文目次 目錄

中文摘要 .......................Ⅰ
英文摘要 .......................Ⅱ
總目錄 ........................Ⅲ表目錄 ........................Ⅵ
圖目錄 ........................Ⅶ

第一章 緒論
1.1 前言 ........................ 1
1.2 實驗目的與方法................... 4
第二章 文獻回顧
2.1溶膠-凝膠法理論.................. 5
2.2聚胺基甲酸酯簡介.................. 7
2.2.1聚胺基甲酸酯之定義............... 7
2.2.2聚氨基甲酸酯的單體性質與化學反應........ 8
2.2.3聚氨基甲酸酯的合成方法............. 10
2.3奈米有機/無機混成材料................ 12
2.4 紫外線防護與量測.................. 14
2.4.1紫外線指數的量測................ 14
2.4.2紫外線防護指數的量測.............. 17
2.5 配位化合物簡介.................. 18
2.5.1 Werner配位理論................. 18
2.5.2 不同螯合劑對水解縮合反應的影響 ......... 20
2.5.3 配位化合物紫外-可見光吸收原理.......... 30
2.5.4 影響配位化合物紫外光吸收的因素......... 32
2.5.5 紫外光遮蔽材料................. 33
第三章 實驗藥品與儀器................... 40
3.1 實驗藥品...................... 40
3.2 實驗儀器...................... 44
3.3 實驗步驟...................... 45
3.3.1 聚胺基甲酸酯合成................ 45
3.3.2 螯合物之製備.................. 47
3.3.3 有機/無機混成材料之製備............. 48
3.4 物化性分析與鑑定.................. 51
3.4.1 OH價測定方法.................. 51
3.4.2 結構鑑定.................... 52
3.4.3 熱性質分析................... 53
3.4.4 光學性質分析.................. 53
第四章 結果與討論..................... 55
4.1 PU結構分析..................... 55
4.1.1 FT-IR光譜測試.................. 56
4.1.2 OH價滴定結果.................. 59
4.1.3凝膠滲透層析儀測試............... 60
4.1.4 熱重量分析性質測試............... 60
4.2 螯合物性質分析................... 62
4.2.1 FT-IR光譜測試.................. 63
4.2.2不同螯合物水解穩定度測試............ 74
4.2.3不同螯合物UV-Visible光譜測試.......... 76
4.3 有機/無機複合材料性質分析.............. 80
4.3.1 分子結構鑑定.................. 82
4.3.2複合薄膜表面分析................ 87
4.3.3熱重量分析性質測試............... 93
4.3.4薄膜折射率及厚度量測.............. 95
4.3.5 UV-Visible光譜測試................ 96
4.3.6薄膜耐候性測試................. 102
第五章 結論........................ 104
第六章 未來研究方向.................... 106
參考文獻....................... 108
附 錄........................ 115


表目錄

表1-1 UV-A、UV-B與UV-C的主要特性........... 2
表1-2 紫外線對人體的主要傷害.............. 3
表1-3 有機與無機紫外線吸收劑的差異性.......... 3
表2-1 利用偶合劑(IPTEOS)製作有機/無機混成材料文.... 13
表2-2 紫外線指數的危險性與分類............. 15
表2-3 紫外線防護指數的分類............... 18
表2-4 金屬配位數與相對應的幾何形狀........... 19
表2-5 不同助色團造成之紅移效應............. 33
表4-1 樣品配方表.................... 55
表4-2 PU主要官能基之特性吸收峰............. 59
表4-3 PU之OH價滴定結果................. 59
表4-4 PU之分子量.................... 60
表4-5 PU10之熱裂解溫度................. 61
表4-6 螯合物水解穩定度測試結果............. 75
表4-7 螯合物紫外光吸收強度............... 79
表4-8 複合材料之樣品編號及各成份含量.......... 80
表4-9 PU/二氧化鈦複合薄膜主要官能基之特性吸收..... 83
表4-10複合薄膜之熱裂解溫度............... 95
表4-11 PU/二氧化鈦複合薄膜光學性質........... 96
表4-12 PU/二氧化鈦複合薄膜抗紫外光性質........ 102


圖目錄

圖2-1 週期表內可用於溶膠-凝膠法之元......... 6
圖2-2 胺基甲酸酯結構.................. 7
圖2-3 鏈段式聚胺基甲酸酯結構.............. 8
圖2-4 一步驟反應法................... 11
圖2-5 二步驟反應法................... 11
圖2-6 紅班作用光譜曲線................. 15
圖2-7 太陽紫外線光譜內所量度的紫外線強度及
紅班作用光譜曲線................. 16
圖2-8 受紅班光譜加權後的總紫外線強度.......... 16
圖2-9 經乙醯丙酮改質後之四丙氧基鉓水解相圖....... 21
圖2-10 Ce(OPri)4-x(Acac)x 水解-縮合反應示意...... 21
圖2-11 配位化合物鍵结種類............... 22
圖2-12 螯合物水解化學反應式.............. 23
圖2-13 π重疊效應.................... 23
圖2-14 TiaOb(OBu)c(OAc)d的d/a比值隨AcOH/Ti莫爾比
改變之變化趨勢.............. 25
圖2-15具氧架橋之鈦環狀分子結構(TIP:HOAc=1:1莫爾比)... 26
圖2-16具氧架橋之鈦環狀分子結構(TIP:HOAc=1:2莫爾比)... 26
圖2-17二乙醇胺系統(r=1)-45℃情況下之13C NMR圖譜,混合
溶液內四異丙氧基鈦濃度為(a) 0.05(b) 0.1 (c) 0.25M... 28
圖2-18 N-乙基二乙醇胺系統(r=1)-45℃情況下之13C NMR
圖譜,混合溶液內四異丙氧基鈦濃度為 (a) 0.05
(b) 0.1, and (c) 0.25M................. 28

圖2-19 r=2、濃度0.25M情況下之13C NMR圖譜
(a)二乙醇胺系統 (b) N-乙基二乙醇胺系統........ 29
圖2-20乙醯丙酮結構................... 30
圖2-21 π鍵结效應的比較................. 32
圖2-22 UV-Vis穿透圖譜 (a) PC (b)PC上塗佈5wt%
經GPTMS改質之TiO2................ 36
圖2-23 TMTi與TMATi薄膜之光穿透圖譜........... 36
圖2-24 CeO2-TiO2塗層之XRD圖譜,CeO2/TiO2莫爾比
(a)100:0, (b)80:20, (c)70:30, (d)60:40........... 37
圖2-25有塗佈紫外光遮蔽層玻璃與沒有塗佈紫外光遮蔽層
玻璃之光穿透圖譜比較................ 37
圖2-26有塗佈中間層與沒有塗佈中間層之反射圖譜比較.... 38
圖2-27 poly(vinyl alcohol)與poly(vinyl alcohol)-TiO2奈米混成材料
之UV/Vis吸收圖譜,TiO2重量百分比為 (a)34.3 (b)30.8
(c)23.0 (d)11.0 (e)6.9 (f)4.6 (g) pristine polymer....... 38
圖3-1 聚胺基甲酸酯化學反應式.............. 46
圖3-2 聚胺基甲酸酯反應流程圖.............. 46
圖3-3 有機/無機混成材料反應流程圖(不含偶合劑)..... 49
圖3-4 有機/無機混成材料反應流程圖(含偶合劑)...... 50
圖3-5 乙醯化化學反應式................. 51
圖4-1 PU0反應過程FT-IR圖譜............... 57
圖4-2 PU10反應過程FT-IR圖譜.............. 57
圖4-3 PU20反應過程FT-IR圖譜.............. 58
圖4-4 PU成品FT-IR圖譜................. 58
圖4-5 PU10之熱重量分析(TGA)圖形............ 61
圖4-6 聚胺基甲酸酯第一階段裂解機構.......... 62
圖4-7 醋酸螯合系統FT-IR圖譜(TA0.5-TA0.9)........ 65
圖4-8 醋酸螯合系統FT-IR圖譜(TA1.1-TA1.5)........ 65
圖4-9 丙烯酸螯合系統FT-IR圖譜(TAA0.5-TAA0.9)...... 66
圖4-10丙烯酸螯合系統FT-IR圖譜(TAA1.1-TAA1.5)...... 66
圖4-11 (a) AcAc (b) TAcAc系統(x=1) (c)TAcAc
系統(x=2)FT-IR圖譜................. 68
圖4-12 TAcMC系統 FT-IR圖譜 (a) x=1 (b) x=2....... 69
圖4-13 TDEA(x=2) FT-IR圖譜............... 70
圖4-14 TDiPA (x=1) FT-IR圖譜.............. 71
圖4-15乙醇胺與乙醯丙酮反應示意圖............ 72
圖4-16 (a) 乙醯丙酮 (b) 乙醇胺 (c) 乙醇胺與乙醯丙酮反應
(乙醇胺/乙醯丙酮=1) FT-IR圖............. 73
圖4-17 TAcEA系統FT-IR圖譜 (a) x=1 (b)x=2........ 73
圖4-18螯合物UV-Visible光譜(TDiPA、TDEA、TA系統).... 78
圖4-19螯合物UV-Visible光譜(TAA、TAcAc、TAcEA、
TAcMC)... 78
圖4-20不含偶合劑系統化學反應式............. 81
圖4-21含偶合劑系統化學反應式.............. 81
圖4-22 y=1.6反應過程FT-IR圖譜............. 84
圖4-23 y=3.3反應過程FT-IR圖譜............. 84
圖4-24 y=5反應過程FT-IR圖譜.............. 85
圖4-25 y=6.7反應過程FT-IR圖譜............. 85
圖4-26 PU/二氧化鈦複合薄膜FT-IR圖譜(PT10C0-PT30C0)... 86
圖4-27 PU/二氧化鈦複合薄膜FT-IR圖譜(PT40C5-PT60C5)... 86
圖4-28 PT10C0之SEM影像(截面) 100KX.......... 89
圖4-29 PT20C0之SEM影像(截面) 100KX.......... 89
圖4-30 PT30C0之SEM影像(截面) 100KX.......... 90
圖4-31 PT40C0之SEM影像(截面) 100KX.......... 90
圖4-32 PT40C1.6之SEM影像(截面) 100KX.......... 91
圖4-33 PT40C3.3之SEM影像(截面) 100KX.......... 91
圖4-34 PT40C5之SEM影像(截面) 100KX.......... 92
圖4-35 PT50C5之SEM影像(截面) 100KX.......... 92
圖4-36 PT10C0-PT50C5複合薄膜之TGA圖形......... 94
圖4-37 PT0C0系統不同薄膜厚度下之(a)光吸收度;
(b)光穿透率圖形................... 98
圖4-38 PT0C0系統不同薄膜厚度下之(a)紫外光(290-400nm)
平均吸收度、平均穿透率;(b)UPF值.......... 99
圖4-39 PT10C0系統不同薄膜厚度下之(a)光吸收度;
(b)光穿透率圖形................... 100
圖4-40 PT10C0系統不同薄膜厚度下之(a)紫外光(290-400nm)
平均吸收度、平均穿透率;(b)UPF值.......... 101
圖4-41複合薄膜紫外光吸收衰減圖AcEA系統(PT30C0).... 103
圖4-42複合薄膜紫外光吸收衰減圖AcAc系統(PT30C0).... 103
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