系統識別號 | U0002-2607201215344600 |
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DOI | 10.6846/TKU.2012.01145 |
論文名稱(中文) | 高折射率聚亞醯胺-二氧化鈦混成薄膜的製備 |
論文名稱(英文) | Preparation of high-refractive-index polyimide-TiO2 hybrid thin films |
第三語言論文名稱 | |
校院名稱 | 淡江大學 |
系所名稱(中文) | 化學工程與材料工程學系碩士班 |
系所名稱(英文) | Department of Chemical and Materials Engineering |
外國學位學校名稱 | |
外國學位學院名稱 | |
外國學位研究所名稱 | |
學年度 | 100 |
學期 | 2 |
出版年 | 101 |
研究生(中文) | 洪詩雅 |
研究生(英文) | Shih-Ya Hong |
學號 | 600400369 |
學位類別 | 碩士 |
語言別 | 繁體中文 |
第二語言別 | |
口試日期 | 2012-07-18 |
論文頁數 | 84頁 |
口試委員 |
指導教授
-
張朝欽(ccchang@tku.edu.tw)
委員 - 張正良 委員 - 鄭廖平 委員 - 簡文鎮 委員 - 陳慶鐘 委員 - 張朝欽 |
關鍵字(中) |
二氧化鈦溶膠 溶膠-凝膠 非質子溶劑 聚亞醯胺 高折射率 光學薄膜 |
關鍵字(英) |
TiO2 sol Sol-gel Aprotic solvent Polyimide High-refractive-index Optical thin film |
第三語言關鍵字 | |
學科別分類 | |
中文摘要 |
本研究在室溫下採用溶膠-凝膠法於非質子溶劑(DMAc和DMF)中合成二氧化鈦奈米粒子(約5 nm);且合成的二氧化鈦溶膠可長期存放(30天)。將可溶性聚亞醯胺與二氧化鈦溶膠依適當比例混合後,藉由旋轉塗佈及多段烘烤(至300 oC)程序製備高折射率聚亞醯胺-二氧化鈦混成薄膜。由FE-SEM可觀察到混成薄膜相當平坦,且二氧化鈦以奈米尺度均勻分布在混成薄膜中,可以避免散射的問題。藉由調控二氧化鈦的含量,在633 nm的折射率可由1.63提升至2.16,顯示具備應用於抗反射塗料及光波導的潛力。 |
英文摘要 |
In this study, TiO2 sols with very small particle sizes (~5 nm) were synthesized in an aprotic solvent, N,N-dimethylacetamide (DMAc) and N,N- dimethylformamide (DMF), via sol-gel reaction at room temperature. The TiO2 sol showed long-term storage stability (30 days) and can provide operating control for the preparation of high–refractive–index polyimide-TiO2 hybrid thin films. By means of spin coating and multistep baking (up to 300 oC), the hybrid thin films were prepared from the solutions composed of soluble polyimide and TiO2 sol. The FE-SEM images showed a smooth and uniform morphology of the hybrid thin films. TiO2 domains were in the nanometer range, thus avoiding the light scattering. The refractive indices at 633 nm of the prepared hybrid thin films increase from 1.63 to 2.16 with increasing TiO2 content, which suggested the potential application to anti-reflective coatings and optical waveguides. |
第三語言摘要 | |
論文目次 |
本文目錄 中文摘要 I 英文摘要 II 本文目錄 III 圖目錄 VI 表目錄 IX 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 研究動機與方法 3 第二章 文獻回顧 5 第三章 實驗 10 3-1 實驗藥品 10 3-2 實驗步驟 12 3-2-1 可溶性聚亞醯胺BTDA-DMMDA之合成 12 3-2-2 製備二氧化鈦溶膠 15 3-2-3 聚亞醯胺-二氧化鈦混成薄膜之製備 16 3-3 結構與性質鑑定 20 第四章 結果與討論 24 4-1二氧化鈦溶膠性質分析 24 4-1-1 DLS分析 24 4-1-2 UV-Vis光譜分析 27 4-1-3 TEM觀測 29 4-1-4 光催化性質 34 4-2混成薄膜製備與形態結構 35 4-2-1 黏度及膜厚分析 35 4-2-2 表面形態鑑定 40 4-2-3 FTIR鑑定 47 4-3混成薄膜性質分析 48 4-3-1 UV-vis光譜分析 48 4-3-2 XRD分析 50 4-3-3 熱性質分析 51 4-3-4 光學性質 54 4-3-5 接觸角測試 58 4-3-6 附著度及硬度分析 58 4-4長期存放後的二氧化鈦溶膠及聚亞醯胺-二氧化鈦混成薄膜分析 59 4-4-1 DLS分析 59 4-4-2 TEM觀測 62 4-4-3黏度及膜厚分析 64 4-4-4表面形態鑑定 65 4-4-5光學性質 68 第五章 結論 69 參考文獻 71 附錄A 73 附錄B 74 附錄C 75 附錄D 76 附錄E 83 圖目錄 圖3-1 聚亞醯胺合成反應流程圖 13 圖3-2 聚亞醯胺合成反應之結構流程圖 14 圖3-3 DMAc溶劑下製備二氧化鈦溶膠流程圖 15 圖3-4 DMF溶劑下製備二氧化鈦溶膠流程圖 16 圖3-5 聚亞醯胺-二氧化鈦混成薄膜製備流程圖 17 圖3-6 存放二氧化鈦溶膠之聚亞醯胺-二氧化鈦混成材料流程及命名 19 圖4-1 TDA-sol反應1~6小時粒徑強度分佈情況 25 圖4-2 TDA-sol與TDB-sol粒徑數目分佈情況 25 圖4-3 TFA-sol反應1~6小時粒徑強度分佈情況 26 圖4-4 TFA-sol與TFB-sol粒徑數目分佈情況 26 圖4-5 TDA-sol與TDB-sol液態UV-vis圖 28 圖4-6 TFA-sol與TFB-sol液態UV-vis圖 28 圖4-7 TDA-sol之TEM影像 30 圖4-8 TDB-sol 之TEM影像 31 圖4-9 TFA-sol 之TEM影像 32 圖4-10 TFB-sol 之TEM影像 33 圖4-11 二氧化鈦光催化表現圖 34 圖4-12 不同二氧化鈦含量下塗佈溶液黏度變化圖 37 圖4-13 不同二氧化鈦含量下混成薄膜膜厚變化圖 37 圖4-14 TDB1不同轉速下膜厚變化圖 38 圖4-15 TDB4不同轉速下膜厚變化圖 38 圖4-16 TDB7不同轉速下膜厚變化圖 39 圖4-17 PI薄膜(2000 rpm)之SEM照片 41 圖4-18 TDB4薄膜(1000 rpm)之SEM照片 42 圖4-19 TDB8薄膜(1000 rpm)之SEM照片 43 圖4-20 TDB9薄膜(2000 rpm)之SEM照片 44 圖4-21 TDB10薄膜(2000 rpm)之SEM照片 45 圖4-22不同二氧化鈦含量混成薄膜FTIR圖譜 47 圖4-23 不同二氧化鈦含量混成薄膜UV-Vis圖譜 48 圖4-24 混成薄膜之XRD圖譜 50 圖4-25 聚亞醯胺-二氧化鈦混成薄膜的TGA結果 52 圖4-26 聚亞醯胺-二氧化鈦混成薄膜的TGA一次微分圖 52 圖4-27 以重量百分比表示薄膜的折射率與二氧化鈦含量變化圖 55 圖4-28 以體積百分比表示薄膜的折射率與二氧化鈦含量變化圖 55 圖4-29 薄膜的阿貝數與二氧化鈦含量變化圖 56 圖4-30 不同二氧化鈦含量下混成薄膜之接觸角變化圖 58 圖4-31 TDA-sol長期存放之粒徑變化情況 60 圖4-32 TDB-sol長期存放之粒徑變化情況 60 圖4-33 TFA-sol長期存放之粒徑變化情況 61 圖4-34 TFB-sol長期存放之粒徑變化情況 61 圖4-35 TDA-sol存放30天之TEM影像 63 圖4-36 TDB-sol存放30天之TEM影像 63 圖4-37 TDB9-1薄膜(2000 rpm)之SEM照片 66 圖4-38 TDB9-2薄膜(2000 rpm)之SEM照片 67 圖A-1 TBOT與水依不同莫爾比情況下粒徑強度分佈情況 73 圖B-1 硝酸製備之二氧化鈦溶膠粒徑強度分佈情況 74 圖C-1 TDA-sol反應4小時的TEM影像 75 圖D-1 PI溶液黏度圖 76 圖D-2 TDB1溶液黏度圖 76 圖D-3 TDB2溶液黏度圖 77 圖D-4 TDB3溶液黏度圖 77 圖D-5 TDB4溶液黏度圖 78 圖D-6 TDB5溶液黏度圖 78 圖D-7 TDB6溶液黏度圖 79 圖D-8 TDB7溶液黏度圖 79 圖D-9 TDB8溶液黏度圖 80 圖D-10 TDB9溶液黏度圖 80 圖D-11 TDB10溶液黏度圖 81 圖D-12 TDB9-1溶液黏度圖 81 圖D-13 TDB9-2溶液黏度圖 82 圖E-1 PI不同溫度下UV-vis吸收圖 83 圖E-2 TDB4不同溫度下UV-vis吸收圖 83 圖E-3 TDB10不同溫度下UV-vis吸收圖 84 表目錄 表3-1 聚亞醯胺-二氧化鈦混成薄膜製備與組成成分比例 18 表4-1 二氧化鈦溶膠粒徑 24 表4-2 混成塗佈液與膜厚結果整理 36 表4-3 刮刀製備混成膜的表面型態 46 表4-5 聚醯亞胺-二氧化鈦混成材料之熱裂解溫度及殘餘量 53 表4-6 薄膜的折射率及阿貝數與二氧化鈦含量變化表 57 表4-7 二氧化鈦溶膠長期存放之粒徑變化情況 59 表4-8長期存放二氧化鈦之混成材料結果整理 64 表4-9長期存放二氧化鈦之混成材料折射率 68 |
參考文獻 |
1. 張誌民,聚亞醯胺-奈米無機物混成材料之製備與性質分析,淡江大學博士論文,2008年。 2. 林佳穎,應用於紫外光交聯高折射率有機-無機混成薄膜之二氧化鈦溶膠的製備與分析,淡江大學碩士論文,2011年。 3. M. Yoshida, M. Lal, N. Deepakkumar, P. N. Prasad, “TiO2 nano-particle-dispersed polyimide composite optical waveguide materials through reverse micelles”, Journal of Materials Science, 1997, 32, 4047–4051. 4. C. C. Chang, W. C. Chen, “High-refractive-index thin films prepared from aminoalkoxysilane-capped pyromellitic dianhydride–titania hybrid materials”, Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 2001, 39, 3419–3427. 5. C. M. Chang, C. L. Chang, C. C. Chang, “Synthesis and Optical Properties of Soluble Polyimide/Titania Hybrid Thin Films”, Macromolecular Materials and Engineering, 2006, 291, 1521–1528. 6. H. W. Su, W. C. Chen, “High refractive index polyimide–nanocrystalline-titania hybrid optical materials”, Journal of Materials Chemistry, 2008, 18, 1139–1145. 7. W. L. Chang, H. W. Su, W. C. Chen, “Synthesis and properties of photosensitive polyimide–nanocrystalline titania optical thin films”, European Polymer Journal, 2009, 45, 2749–2759. 8. G. S. Liou, P. H. Lin, H. J. Yen, Y. Y. Yu, T. W. Tsai, W. C. Chen, “Highly flexible and optical transparent 6F-PI/TiO2 optical hybrid films with tunable refractive index and excellent thermal stability”, Journal of Materials Chemistry, 2010, 20, 531–536. 9. Y. W. Wang, W. C. Chen, “Synthesis, properties, and anti-reflective applications of new colorless polyimide-inorganic hybrid optical materials”, Composites Science and Technology, 2010, 70, 769–775. 10. G. S. Liou, P. H. Lin, H. J. Yen, Y. Y. Yu, W. C. Chen, “Flexible nanocrystalline-titania/polyimide hybrids with high refractive index and excellent thermal dimensional stability”, Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 2010, 48, 1433–1440. 11. Y. Y. Yu, W. C. Chien, T. W. Tsai, H. H. Yu, “Synthesis of soluble polyimide/silica–titania core–shell nanoparticle hybrid thin films for anti-reflective coatings”, Materials Chemistry and Physics, 2011, 126, 962–972. 12. Y. Y. Yu, W. C. Chien, J. M. Lin, H. H. Yu, “High transparent polyimide/titania multi-layer anti-reflective hybrid films”, Thin Solid Films, 2011, 519, 4731–4736. 13. Y. Y. Yu, W. C. Chien, T. H. Wu, H. H. Yu, “Highly transparent polyimide/nanocrystalline-titania hybrid optical materials for antireflective applications”, Thin Solid Films, 2011, 520, 1495–1502. 14. J. G. Liu, Y. Nakamura, T. Ogura, Y. Shibasaki, S. Ando, M. Ueda, “Optically transparent sulfur-containing polyimide-TiO2 nanocomposite films with high refractive index and negative pattern formation from poly(amic acid)-TiO2 nanocomposite film”, Chemistry of Materials, 2008, 20, 273–281. 15. C. C. Chang, L. P. Cheng, F. H. Huang, C. Y. Lin, C. F. Hsieh, W. H. Wang, “Preparation and characterization of TiO2 hybrid sol for UV-curable high-refractive-index organic–inorganic hybrid thin films”, Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2010, 55, 199–206. 16. C. C. Chang, L. P. Cheng, C. Y. Lin, Y. Y. Yu, “Preparation and characterization of TiO2 sols and their UV-cured hybrid thin films on plastic substrates”, Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2012, 63, 30–35. |
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