2-1 建築物防水材料概況
建築物屋頂及外牆防水材料依據其防水方式分類，主要可分為：
(1) 軀體防水用材料（如混凝土添加劑、水泥系列）
(2) 面防水用材料（如高分子塗膜系列、瀝青系列、薄片）
(3) 線防水用材料（如止水帶、填縫材）
防水材料若依據其使用型態上分類，則可分為：
(1) 水泥添加劑類（如液體添加劑、粉體添加劑）
(2) 定型材料（如片狀成型防水材、襯墊條、止水帶）
(3) 不定型材料（如塗膜防水材、膏狀填縫材）
其中，建築物屋頂及外牆塗膜防水材料一般應用廣泛且常見，其種類尚可包 括：聚胺酯（PU）防水材、亞克力橡膠防水材、乳化瀝青系防水材、超速硬 化聚胺酯防水材、璃纖維強化（FRP）未飽和多元樹酯防水材等塗膜防水材 料。因此，本研究選擇應用於建築物屋頂及外牆塗膜防水材料之環保型水性 塗料，進行材料開發與研製，並與市售之塗膜防水材料比較相關材料特性試 驗結果。
2-2 奈米塗料及特性
塗料一般分為溶劑型和水溶型塗料，由於溶劑型塗料所含的有毒揮發性 有機物 VOC（volatile organic compounds），不僅嚴重污染環境且對人體健康 產生極大的危害。根據2002 年全世界塗料使用量約 3,600 萬噸，這些塗料在 製造和使用中所釋放的有毒揮發性有機物相當嚴重，而成為環境的重要污染 源，特別用於室內的溶劑型塗料，由於長期不斷釋放有毒物質，對人體的呼
吸道系統、中樞神經均會產生不良的影響。
有鑑於此，因應環保的考量，學界與業界長期一直在研究水溶性塗料。
水溶性塗料係使用水來稀釋溶劑中的樹脂，使樹脂在水中得以分佈均勻。而 使用水做塗料分散劑不會產生任何危險或危害，水蒸發到大氣中既不會污染 環境亦不會燃燒，不僅不會產生危險又不危害人的健康，不燃性可減少危險 性和降低成本，在某些情況還能減少能源的消耗，就長期觀點而言，溶劑型 塗料會漸漸被水溶性塗料所取代。隨著生活水準的提高和環保意識的升高，
建築與裝修問題越來越受到人們的重視，俱有環保功能的「綠色塗料」成為研 發的目標。目前各國都投下鉅資發展綠色塗料，美國2000 年塗料之年產量約 670 萬噸，其中綠色塗料從 1990 年的 51%上升到 2000 年的 85%左右，傳統 的溶劑型塗料則由 49%下降到 15%。但水性塗料存在自身的缺點，使其無法 被廣泛使用，如懸浮穩定性差，不耐老化，表面粗糙度高，觸變性差，抗紫 外線能力差，使其易褪色且防锈及防腐蝕性能差等，因此須進一步將現有塗 料進行改性，提高塗料的性能。另外，在市場的競爭下，水性塗料在一些新 功能的提升包括自潔性、抗污及耐洗刷性均較溶劑型塗料差。因此，如何利 用塗料改質來有效解決水性塗料上述諸缺點及增加市場機能之功能，對水性 塗料是否可廣泛用於建築及裝修乃是一重要關鍵。
20 世紀末，奈米材料及奈米科技已成為世人注意的焦點。奈米材料由於 俱有高表面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應和宏觀量子效應等特殊性質，
若將此技術用於塗料中，除了可改變傳統塗料的性能外，更重要的是製備各 種新型塗料，能夠使塗層的光學性能、力學性能等得到大大提升或表現新的 特殊功能。所謂奈米塗料一般是由奈米材料與有機塗料複合而成，普遍定義 係：一、塗料中至少含有一相的尺寸在臨界奈米尺寸以下；二、是由於奈米 相的存在而使塗料性能得到顯著的功效。更進一步對奈米塗料的界定是：1.
並非用了奈米材料的塗料就是奈米塗料；2.並非性能很好的就是奈米塗料；
奈米塗料細分可分為奈米改性塗料和奈米結構塗料。利用奈米粒子的某些功 能稱為奈米結構塗料。奈米塗料就功能和用途上可分為奈米抗老化塗料、奈 米抗菌塗料、奈米防污塗料、奈米導電塗料等，其中奈米抗老化塗料、奈米 抗菌塗料與奈米防污塗料又稱奈米環保塗料。而本研究主要研究對象針對奈 米抗老化改性水溶性塗料。
由於一般塗料都含有大量的有機物，所以在長時間的光線（尤其是紫外 線）照射下，有機物就會發生光氧分解(UV-scission)與降解(degradation)等老 化現象，若是如此，塗料尤其是戶外塗料，就會出現失去光澤、變色、粉化 及剝落等破壞現象。為了克服這些缺陷，許多奈米抗老化塗料均會加入奈米 TiO2、奈米 SiOx、奈米 ZnO 及奈米 Fe2O3等良好之抗老化劑，它們可以有效 吸收或散射不同波長的紫外光，顯著提高塗料之抗老化性能。這些抗老化奈 米塗料介紹如下：
1. 奈米 SiOx抗老化塗料―
奈米 SiOx為無晶藍白色粉末，是一種無毒、無味及無污染的無機材料。
由於這些奈米顆粒的表面存在大量不飽和懸鍵及不同鍵合狀態的羥基，且表 面欠氧而偏離了穩定的矽氧結構。因此奈米 SiOx顆粒之比表面積大，表面能 高，表面原子數與表面嚴重配位不足，俱有很強的表面活性與超強的吸附能 力，若將奈米 SiOx顆粒添加到有機塗料中，極易與樹脂中的氧起鍵結作用，
提高了分子之間的鍵結及塗料的施工性能和塗膜與基材之間的結合強度。奈 米SiOx對紫外線、中波長反射率達85%以上，且奈米 SiOx光學反射光譜重複 性好，故添加到塗料中可以達到屏蔽紫外線的目的，大幅提高塗料的抗老化 性能。由於奈米 SiOx俱有小尺寸效應，使其產生摻滲作用，因此會在塗料層 界面形成緻密的奈米塗膜，大大改善了塗料之耐刷洗性與塗層的表面自淨 性。
2. 奈米 TiO2抗老化塗料―
奈米TiO2其光散射力強，著色力高，遮蔽率大，白度好，且俱有優異的 紫外線屏蔽作用，故添加到塗料中可以有效達到紫外線屏蔽作用。在不同波 長的紫外光下，奈米TiO2抗老化機制不同，奈米TiO2衰減長波紫外線時，散 射起主要作用，奈米 TiO2衰減短波紫外線時，吸收起主要作用。
3. 奈米 ZnO 及奈米 Fe2O3抗老化塗料―
ZnO 是一種良好的塗料抗老化的添加劑。奈米 ZnO 吸收紫外線能力強，
無論對長波 320nm~400nm，還是中波 280nm~320nm 都有屏蔽作用，因此可 作為塗料的抗老化添加劑。將10nm~15nm 透明 Fe2O3在較低濃度下加到塗料 中，能夠保持良好透明性且抗紫外線較其它紫外線吸收劑佳。
但習知之水性奈米塗料中，由於奈米顆粒係處於熱力學不穩定狀態，比 表面積增加，表面能(surface energy)增大，一些如弛豫、偏析與吸附之表面 效應，使奈米顆粒易團聚在一起。另外隨著奈米顆粒表面之 OH 基增加，會 加劇奈米顆粒之團聚，見圖 2-1。由於奈米顆粒之性質往往是屬於親水性及 強極性，因此在有機塗料中難以均勻分散，進而和基材間產生較差結合力造 成界面缺陷，因而導致塗料性質下降；另外，奈米顆粒在塗料中的分散時最 重要的不是暫時的均勻分散，而是長期的分散以防止奈米顆粒在塗料中再次 產生沈降及凝聚；塗膜性質由於奈米顆粒團聚的結果造成不均質化，而影響 抗老化、防水性、耐刷洗性、自淨、抗污等功能。因為奈米顆粒在有機塗料 的分散性不佳，使其在紫外線長時間照射下，沒有奈米顆粒處之有機塗料，
因為光-氧(UV-oxygen)及熱-氧(thermal-oxygen)的降解下，使這些有機塗料產 生老化，尤以用於戶外塗料其影響尤鉅。若此，這些沒有奈米顆粒的塗膜中 較有奈米顆粒處，易產生失去光澤、變色、粉化及剝落等破壞，進而易使水 和水氣從粉化及剝落處，進行質傳及滲透而失掉其防水功能。廠商為賦予奈 米塗料應有的功能及效益，常會加入過量的奈米顆粒於有機塗料中，但加入
過量奈米顆粒，不僅成本升高、亦造成奈米塗料與基材無法形成良好之鍵 結，且塗膜的光澤，機械性質及防水，防腐蝕等性能皆會下降。歸納起來，
習知之市售水性奈米塗料因為無法使奈米顆粒有效的均勻分散於塗料或塗膜 中，見圖 2-2，導致有以下諸缺點：
圖 2-1 奈米顆粒 SiOx (x=1.2~1.6)之團聚
圖 2-2 奈米顆粒於塗膜中之團聚
1.塗膜硬度及耐刷洗性下降：
因在奈米顆粒團聚處於洗刷或沖刷時易剝落，且沒有奈米顆粒之有機 塗膜阻止黏彈變形的能力較差，使塗膜之硬度及耐洗刷性下降。
2.塗膜之接觸角小，劣化塗料相關於蓮花效應之特性：
若要使塗膜具蓮花效應，除了塗膜要具低表面能外，也要有相當的粗 糙度，其式子如下 Cosθf=(L/l)D/2Cosθ，其中 θf=在粗糙面的接觸角(contact angle)，θ=在相同材質但為平滑表面的接觸角，L/l=粗糙結構的剖面幾何比 值，D=幾何結構參數，見圖 2-3；但由於有機塗膜表面之表面能較高，且 奈米顆粒在塗膜分散不均勻，在沒有奈米顆粒，不具粗糙表面塗膜處，因 無法將空氣保留在突起物間之底部，使外在的污物或液體亦潤濕在此塗膜 處，故其接觸角角小(見圖 2-4)，接觸角小則污物等微粒沉積於塗膜上時不 易被水珠滾動、帶走，故自淨性、防霉及防藻性均較差。
圖 3 幾何結構參數
圖2-3 幾何結構參數
圖 2-4 市售奈米塗料之接觸角
3.防水氣滲透性差：
由於奈米顆粒在塗膜上沒能均勻分佈，在沒也奈米顆粒處易使水氣進 入塗料中；又此處接觸角小會增加水與塗膜接觸面積進而增加水與塗膜之 質傳機會，故其防水氣滲透性及防水性（防水質傳之性質）均較差。
4.抗候性不良：
由於奈米顆粒在塗膜上分佈不均勻，在沒有奈米顆粒處，於紫外線照
由於奈米顆粒在塗膜上分佈不均勻，在沒有奈米顆粒處，於紫外線照