奈米塗料之功能性探討

塗料由成膜物質、顏料、溶劑、助劑、及其他添加物等成分組成，塗料的使 用有兩個基本目的，即當塗料在被塗物表面形成薄膜後，可對被塗物產生保護作 用，其亮麗的光澤與顏色則有美化的效果。而所謂功能性塗料則指對某物體進行 塗裝後，能賦予該物體原先不具備之新功能的塗料，例如隔熱、防水、防蝕、防 火、防霉等性能。當奈米材料、技術與塗料結合後，吾人更期望能提升傳統塗料 的性能，惟奈米材料有許多種類，性能也有許多不同之處，而奈米塗料的研發主 要集中在自潔防污、抗菌除臭、隔熱調溫等功能，因此，本節簡要說明常用奈米 材料及塗料之功能性需求。

2.1 奈米材料

由於奈米材料顆粒極小，比表面積甚大，導致奈米材料具有傳統材料所不具 備之特殊性質，例如表面效應、小尺寸效應和量子隧道效應等特性，從而使奈米

材料具有微波吸收性能、高表面活性、特殊光學性質、催化性質等。然而，並非 所有的粉體粒子達到奈米化就能產生此特殊之功能性，且不同的奈米材料混入不 同成份的塗料中，因極性、表面狀況不同，亦會有不同之影響。以下簡述幾種應 用於塗料之奈米材料特性，包括：奈米碳酸鈣粉體、奈米矽氧化物、奈米二氧化 鈦、奈米氧化鋅等【14】。

(一) 奈米碳酸鈣(CaCO3)粉體

奈米碳酸鈣係指化學合成碳酸鈣的粒徑在 1~100nm 範圍內的產品，為 1920 年代開發出的新型超細固體材料，其晶體結構和表面電子結構因奈米 化而發生變化，在磁性、催化性、光熱阻等方面與常規材料相比之下，顯現 出優越之性能。在塗料工業中，奈米碳酸鈣不僅可做為增白的填料，還具有 補強作用。

(二) 奈米矽氧化物(SiOx)

奈米 SiOx (x=1.2~1.6)係由矽或有機矽的氯化物高溫水解生成的白色超 細微粉末，表面帶有羥基，粒徑通常為20~60nm，化學純度高、分散性好、

比表面積大，是一種無毒、無味、無污染的無機非金屬材料，具有很高的活 性，以及獨特的光學特性，對中波紫外光(UVB, 280~320nm)及短波紫外光 (UVC, 200~280nm)之反射率在 70~85%之間。在塗料應用中，奈米 SiOx可提 供防結塊、防流掛、乳化、消光性、觸變性等功能，提升塗料之耐刷洗性及 耐候性，亦可大幅提高塗膜與被塗物之結合強度、增加塗膜硬度，同時提升 表面自潔能力。

(三) 奈米二氧化鈦(TiO2)

TiO2有板鈦礦、金紅石和銳鈦礦等三種晶型，其中金紅石型和銳鈦礦型 TiO2應用較廣泛。奈米TiO2的粒徑為普通鈦白粉的1/10，與常規材料相比，

奈米TiO2具有比表面積大、磁性強、光吸收性佳、表面活性大、熱導性好、

分散性佳等優點，用於塗料工業時，能提高塗料的抗老化性能，且因具有光 半導體性質，能進行各種光催化反應，以及殺菌、除臭等功效。

(四) 奈米氧化鋅(ZnO)

奈米氧化鋅對紫外線的防護功能比奈米二氧化鈦要強，同時具有殺菌、

抑菌的功能，性能穩定、對人體無害。

2.2 奈米塗料之功能性

奈米材料在塗料工業之應用可分為兩方面說明：(1)做為塗料之改質助劑，

利用奈米粒子之高比表面積及高表面活性，改良塗料之流變性；利用奈米粒子與 基材間之強大結合力，改良塗層之力學性能；利用奈米粒子之光吸收性，改良塗 層之耐候性。(2)開發特殊功能性塗料，利用奈米材料之光吸收性、反射性、催 化性等特質，賦予塗料自潔防污、防霉抗菌、隔熱調溫、電磁屏蔽等新功能【5】。

以下簡要說明奈米塗料之幾項主要功能。

(一) 力學性能

塗料中加入奈米 SiO2、CaCO3 等助劑，可以大幅提高塗層的耐磨性、

硬度、強度及韌性等力學性能，可用於易磨損、易腐蝕金屬部件等的保護，

有效延長產品的使用壽命。

(二) 耐候性能

一般戶外用塗料因紫外光破壞基材之鍵結，導置發生褪色、失去光澤及 粉化之耐候性問題，將對於紫外線有較強吸收能力的奈米粒子，例如奈米 TiO2、SiOx、ZnO 等顆粒，填充於塗料之中，可顯著提高塗料的紫外線吸收 性，從而提高戶外用塗料的耐候性能。

(三) 防污自潔

塗料的防污自潔功能主要表現在塗膜的超疏水或超親水特性。材料表面 之疏水/親水性的高低可藉由接觸角的大小來判別，一般而言，接觸角在 150 度以上為超疏水性材料，20 度以下為超親水性材料。

超疏水性材料中最典型的粒子為蓮葉表面構造，德國研究學者藉由微觀 觀察蓮葉構造後，發現形成超疏水自潔表面，除包含疏水性化學物質外，更

重要的是具備物理性之微細起伏的粗糙構造，與水的接觸角可達150 度，此 即一般所稱之「蓮花效應」(參考圖 2-1(a))。目前在塗料應用方面，已可採 用奈米技術製成具微奈米表面構造之塗料塗膜，並可使塗膜介面為既疏水又 避油的超雙疏性介面，將其塗在建築材料上，任何油質、水、灰塵等都不會 存留於表面【10】。

超親水性塗料則是在塗料中加入光觸媒材料，經日光照射後，使塗膜轉 變成超親水性，若有灰塵或油污沾附時，可藉雨水的力量沖去原先沾附於材 料表面的灰塵或油污，達成自潔的效果(參考圖 2-1(b))。

(a)超疏水性－蓮花效應 (b)超親水性－光觸媒效應 圖 2-1 塗料防污自潔功能

(資料來源：(a) http://www.hk-phy.org/atomic_world/lotus/lotus02_c.html (b)參考文獻【1】)

(四) 隔熱調溫性能

熱傳遞方式有3 種基本途徑：熱傳導、熱對流及熱輻射。建築物外牆或 屋頂之隔熱主要在阻絕太陽光熱能進入室內，以往認為只有紅外線與熱輻射 有關，其實可見光或更短的紫外線照射某物體後，只要被吸收皆會轉化為熱 能。奈米塗料的隔熱性能主要在於改變熱傳導及熱輻射效能，奈米孔絕熱材 料是一種有效的奈米複合絕熱材料，利用混入塗料中之奈米級中空粒子所產 生之奈米效應，延長熱傳導路徑及增加對熱輻射傳播的阻隔作用，以此降低 熱能進入室內。此外，利用奈米粒子對紅外線反射性能亦可製成隔熱塗料，

用於玻璃幕牆、金屬牆板等的隔熱效能。

另一方面，研究學者亦發現二氧化釩(VO2)可利用溫度差異來調節近紅 外光(Near Infrared Ray, NIR)的穿透量，使得夏天溫度升高時，能阻擋紅外線 的繼續射入，而在冬天溫度降低時，則不反射紅外光，達到控溫之目的。

(五) 抗菌除臭性能

光催化活性是半導體奈米粒子非常獨特的性能，半導體奈米粒子在紫外 光照射下，可有效的將有機污染物完全催化氧化成二氧化碳、水、氯離子等 無機物。隨著全球環保意識深化，用光催化技術消除有機物污染已經引起科 技界的廣泛興趣。二氧化鈦(TiO2)做為光催化劑，具有活性高、安全、無污 染等優點，是最有開發前景的綠色環保催化劑之一，並正在有機廢水處理、

空氣淨化、殺菌除臭中扮演愈來愈重要的角色，其應用也愈來愈廣泛。

圖 2-2 光觸媒之催化反應機制

(資料來源：http://www.photocatalyst.co.jp/e/toha/toha.htm)