奈米材料在塗料之應用

1.1 奈米塗料定義

奈米(nanometer, nm)為長度單位，1 nm = 10^-9 m。在奈米尺度中，物質因量 子尺寸效應及表面效應，而展現出許多特殊的物理與化學性質，而如何將物質微 小化到奈米尺度，讓它產生很好應用的特性與機能，就是所謂的「奈米技術」。

奈米塗料主要是由奈米材料與有機塗料合成之複合材料，一般而言，在定義上應 具備兩個基本條件：(1)至少有一相之顆粒尺寸為 1~100nm；(2)由於奈米晶相的 存在，塗料性能能顯著提高或具備新的功能。廣義上，奈米塗料還包括材料中含 有奈米晶相的金屬奈米塗層材料，以及經奈米粒子之間的熔融、燒結複合得到的 無機奈米塗層材料。惟當奈米材料與技術應用於塗料後，應可期望展現出兩種用 途目的：一是提升傳統塗料之性能，二是製造出具有新功能的奈米塗料。奈米塗 料有許多種類，性能也有許多不同之處，奈米技術因其獨到的性能而備受關注，

世界各國也都投入相當經費進行塗料技術的創新研發，國內奈米塗料則主要集中 在建築外牆塗料的耐候性及內牆塗料的抗菌性、耐沾汙等功能。奈米粒子所具備 的特殊性能，可能使塗層的光學性能、磁性能、電性能、力學性能等大大提升，

因此奈米塗料的研究可望成為塗料研究的重點。

1.2 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【1】。

(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。

第二章 文獻回顧與探討

1.3 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【4】。

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) 自潔防污

材料疏水性的高低可藉由接觸角的大小來判別，一般疏水性材料與水的 接觸角約在90~115 度之間。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」。

採用奈米技術可製成奈米介面塗料，其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【5】。

(四) 隔熱調溫性能

利用奈米粒子對紅外線反射性能可製成隔熱塗料，用於玻璃幕牆、金屬

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。