5-1 奈米塗料基本性質測試結果
本研究研發之奈米矽氧顆粒塗料經塗刷於基材上後，依據下列 ASTM 與 CNS 相關規範進行性質測試：
1. ASTM D2240 Standard Test Method for Rubber Property-Durometer Hardness.
2. CNS10757 塗料一般檢驗法(有關塗膜物理、化學抗性之檢驗法) 3. ASTM D412 Standard Test Methods for Vulcanized Rubber and
Thermoplastic Rubbers and Thermoplastic Elastomers-Tension.
4. ASTM D1004 Standard Test Method for Initial Tear Resistance of Plastic Film and Sheeting .
5. ASTM D570 Standard Test Method for Water Absorption of Plastics.
6. ASTM D1653 Standard Test Methods for Water Vapor Transmission of Materials.
7. ASTM G53-96 Standard Practice for Operating Light- and
Water-Exposure Apparatus (Fluorescent UV-Condensation Type) for Exposure of Nonmetallic Materials.
8. CNS 10607 塗料一般檢驗法(有關塗膜之長期耐久性之檢驗法) 9. ASTM E313-73 Standard Test Methods for Indexes of Whiteness
and Yellowness of Near-White, Opaque Materials.
10. ASTM D3359 Standard Test Methods for Measuring Adhesion
11. ASTM B117 Standard Practice for Operating Salt (Fog)
1. 增加塗膜硬度 (Hardness) 及耐刷性：
由於分散均勻於塗膜之奈米顆粒與塗料有機分子鏈產生糾結 及鍵結，因而可有效阻止塗膜之黏彈變形，另外，奈米顆粒係屬於 高硬度之材料且在界面形成緻密的奈米塗膜，故可增加塗膜硬度與 耐洗刷性。其塗膜硬度經老化後由於高分子在紫外線照射下會進行 交聯作用，使塗膜的鍵結強度增加，因而可提升其強度達 6H，分 別見圖 5-1 及圖 5-2。
圖 5-1 老化前塗料硬度 圖 5-2 老化後塗料硬度
2. 增大接觸角(contact angle) ：
增大接觸角，提昇自潔性、抗污、防霉、防藻性、防水性及 易清洗性：奈米顆粒在塗膜均勻分散及形成蓮花效應(Lotus effect)。奈米 SiOx 經表面改性後均勻分散於表面緻密塗膜，使塗 膜具 6.3mJ/m2之低表面能，見表 5-1。利用此低表面能之緻密塗 膜與奈米 SiOx 顆粒在表面塗膜乾燥收縮後形成之奈米表面粗糙
度，進而提高其接觸角達約 142°，見圖 5-3，故本研究自淨性、
防霉、防藻性及易清洗性均獲提高；而因接觸角大降低水與塗膜 接觸進而降低水與塗膜之質傳機會，故增加本研究奈米塗膜之防 水性，奈米塗膜在光氧化前與後之質傳與時間與工作溫度，分別 見表 5-2 及表 5-3。塗膜之飽和吸水率在光氧化之前與之後分別 見表 5-4，由於奈米 SiOx均勻分散於有機塗料的自由體積，且奈 米顆粒表面已進行低表面能的改性(疏水基)，故可有效阻止水的 質傳進行塗膜中。另外，塗膜在光氧化後可有效減少吸水量，其 原因係由於 UV 紫外線照射下，會使有機塗料形成交聯，進而使 水更不易質傳進入有機塗料中。
圖 5-3 本研究奈米塗膜之接觸角
表 5-1 塗膜之接觸角與表面能
40 mins mins 30
表 5- 3 老化後奈米塗料之吸水率
3. 防止水氣滲透 :
奈米顆粒均勻佔據塗膜之自由體積(free volume)使水氣難以下 滲，且本研究奈米塗膜之溶解度參數(solubility parameter)和水之差 異性大，故不易讓水質傳滲透，可有效防止水氣滲透。塗膜內 SiOx
表面含有低分子量之自我組裝單分子層，屬於非極性，與具極性之 水互不相容，故本研究根據 CNS 10757 中所規定之透水度試驗法 進行試驗，其結果為市售塗料之透水度為 568.02 day
m
ml 2• ，而奈米
矽氧顆粒塗料之透水度為 454.42 day
m
ml 2• ，由此可知奈米矽氧顆粒 塗料之防水氣滲透性優於市售塗料。
4. 耐酸鹼性：
奈米塗膜酸性(3% H2SO4，48h)處理後之顯微結構，見圖 5-4；
及奈米塗膜鹼性(3% NaOH，48h)處理後之顯微結構，見圖 5-5。由 於有機塗料中含有鹼性成分，見 3-1-1 節實驗例 2 之成分表，故在 酸性環境下易產生中和反應，而造成表面塗膜之損失或破壞。反之 在鹼性環境下有機塗料處於安定狀態，故塗膜沒有任何破壞。
圖 5-4 奈米塗料酸處理之 SEM 照片
圖 5-5 奈米塗料鹼處理之 SEM 照片 5. 抗候性等特性佳：
利用分散均勻之奈米顆粒廣泛分佈於有機塗膜中，使塗膜每一 區域均能有效吸收或反射紫外線，故進而降低其光-氧或熱-氧降解 現象，提昇耐候性、抗老化性 ; 且不易褪色，且富裝飾性。老化 前及老化後奈米塗料冷熱反覆性試驗見表 5-5、表 5-6 及圖 5-6。由 這些圖表知奈米塗料中的奈米矽氧顆粒，有效屏蔽紫外線，因而提 高奈米塗料的抗老化效能，且經由紫外線作用後，有機塗料的分子 鏈產生交聯，進而提高熱及 UV 的穩定性，故塗膜在老化前後經冷
熱反覆試驗，其重量損失率少，且老化後較老化前佳。
0.1364 0.1363
-0.07% 0.75 0.75 Cold
-Normal- Hot -Normal
0.0939 0.0936
-0.31% 0.5 0.5
Hot-Cold 0.0914 0.0908
-0.66% 0.5 0.5 Cold-Hot 0.0871 0.0867
-0.46% 0.5 0.5
Hot-Cold 0.2587 0.2586
-0.04% 1.32 1.32 Cold-Hot 0.2704 0.2071
-0.11% 1.39 1.40 +0.72%
圖 5-6 (a)老化前；(b)老化後奈米塗料冷熱循環反覆試驗後之外觀照片
5.遮蓋力強：
奈米顆粒均勻分散於塗料中，使其具極佳的對比率和遮蓋力，
可減少塗刷次數，節省單位面積塗料之使用量，流變性好且觸變性 佳、施工性良好。另外，由於塗膜更加緊密可防垂掛現象。
6. 懸浮穩定性佳：
由於奈米顆粒均勻分散於塗料且因顆粒間之靜電排斥力故不 會因容易顆粒團聚而產生沉降現象。且奈米 SiOx 特有的空間網狀 結構，表面的不飽和懸鍵可與塗料產生良好的親和力，因而大大改 善塗料之懸浮穩定性。
5-2 奈米塗料耐候性測試結果
本研究研發之奈米矽氧顆粒塗料經塗刷於基材上後，於內政部建 研所台南性能實驗室進行 QUV 加速老化測試，於老化處理後再進行
b
a
b色差試驗、拉伸試驗及撕裂試驗，並與市售之塗料進行比較，以了解 塗料間之差異，試驗結果歸納如下。
5-2-1 色差試驗結果
本研究塗料經耐候試驗後，利用 △E = (△L2+△A2+△B2)1/2 色 差公式計算色差值，且為了試驗結果有共同之比較基準，本研究選用
「白色標準色版」作為基準色版，其顏色空間座標值為：
（L,A,B）=(90.52,-1.2,-1.2)
兩種塗膜材料均與此白色標準色版進行色差比較，試驗採用之色差儀 其光源為 C 光源，45°投射光源，0°接收光源。測試結果數據如表 5-7 所示：
表 5-7 色差試驗結果 塗膜老化處理方式 市售塗料
色差值△E
奈米矽氧顆粒塗料色 差值△E
未處理 69.68 0.21
經 QUV 照射七天 68.25 --
經 QUV 照射十四天 65.36 --
經 QUV 照射二十一天 64.35 8.47
經 QUV 照射二十八天 62.00 --
本研究選用之市售塗料其顏色為深墨綠色，當市售塗料經過紫外 光照射後，造成塗膜顏色褪色，故形成色差值遞減。而本研究研發之 奈米矽氧顆粒塗料屬於白色系列，當經過紫外線作用後，其塗料顏色 偏向黃色。根據表 5-7 色差值之比較，市售塗料與奈米矽氧顆粒塗料 在 QUV 老化之後皆呈現明顯之色差變化，惟根據色差相關文獻之敘 述，塗料本身顏色會影響其色差之變化。
5-2-2 拉伸強度試驗結果
本研究市售塗料與奈米矽氧顆粒塗料經 QUV 老化後，進行拉伸 強度及伸長率試驗，結果如表 5-8 所示。由表中可發現經過紫外線照 射之後，兩種塗料拉伸強度皆明顯增加，且奈米矽氧顆粒塗料之拉伸 強度增加率較高。
表 5-8 拉伸強度及伸長率試驗結果
市售塗料 奈米矽氧顆粒塗料
塗膜老化處理方式 抗拉強度
（kgf/cm2）
伸長率
（％）
抗拉強度
（kgf/cm2）
伸長率
（％）
未處理 33.1 910.6 11.8 209.7
經 QUV 照射七天 40.1 664.2 -- -- 經 QUV 照射十四天 41.4 591.2 -- -- 經 QUV 照射二十一天 -- -- 43.8 38.9 經 QUV 照射二十八天
5-2-3 撕裂強度試驗結果
本研究市售塗料與奈米矽氧顆粒塗料經 QUV 老化後，進行撕裂 強度試驗，結果如表 5-9 所示。由表 3 中可發現經過紫外線照射之後，
兩種塗料撕裂強度皆呈現增加趨勢，且奈米矽氧顆粒塗料之增加率較 高。
表 5-9 撕裂強度試驗結果
塗膜老化處理方式 市售塗料 奈米矽氧顆粒塗料
未處理 15.113 8.475
經 QUV 照射七天 19.990 --
經 QUV 照射十四天 20.537 --
經 QUV 照射二十一天 -- 18.361
經 QUV 照射二十八天 24.333 --
註：撕裂強度單位：kg/cm2
5-3 塗料與基材界面性質測試結果
本研究對於基材界面性質測試規劃，係以×切格黏帶法及拉拔試 驗( pull off method )判斷附著性質，並將試體預先承受 QUV 耐候試驗 及鹽水噴霧試驗之作用，以了解塗料與基材界面之附著性，試驗結果 歸納如下。
5-3-1 拉拔試驗結果
試體製作完成後，依據規範 CNS 10757 進行拉拔試驗，市售塗 料及奈米矽氧顆粒塗料試驗結果，整理如表 5-10、表 5-11、圖 5-7 及 圖 5-8 所示。
表 5-10 塗料經 QUV 老化試驗後之附著力
市售塗料
平均附著力 (Kg/cm2)
奈米矽氧顆粒塗料
平均附著力 (Kg/cm2) QUV 老化作用 0 天 10.88 QUV 老化作用 0 天 14.23
QUV 老化作用 7 天 11.57 QUV 老化作用 7 天 ---
QUV 老化作用 14 天 17.08 QUV 老化作用 14 天 ---
QUV 老化作用 21 天 14.51 QUV 老化作用 21 天 28.03
表 5-11 塗料經鹽水噴霧試後之附著力
市售塗料
平均附著力 (Kg/cm2)
奈米矽氧顆粒塗料
平均附著力 (Kg/cm2) 鹽水噴霧浸漬 0 天 10.88 鹽水噴霧浸漬 0 天 14.23
鹽水噴霧浸漬 7 天 13.84 鹽水噴霧浸漬 7 天 21.41
鹽水噴霧浸漬 14 天 14.22 鹽水噴霧浸漬 14 天 21.08
鹽水噴霧浸漬 21 天 17.73 鹽水噴霧浸漬 21 天 24.55
圖 5-7 塗料經不同 QUV 老化時間之附著力變化
圖 5-8 塗料經不同鹽水噴霧時間之附著力變化
由圖 5-7 中發現本研究水性奈米級防水塗料經老化作用後，其附
0 7 14 21 28
Time (Day) 0
10 20 30
Adhesion ( kg/cm2 )
QUV test SiOx Commercial
0 7 14 21 28
Time (Day) 0
10 20 30
Adhesion ( kg/cm2 )
Salt Spray test SiOx Commercial
著強度顯著提升，市售塗料經老化作用後其附著強度亦呈現提升之變 化，惟且其提升程度低於奈米矽氧顆粒塗料塗料，研判係老化作用 後，奈米矽氧顆粒塗料受到 UV-氧作用，引發其自我組裝分子（SAM）
之交鏈反應，因此附著強度較市售塗料為高。由上述兩種塗料之老化 後試驗結果破壞情形判斷，塗料與基材間之附著力在未經老化處理 時，界面附著強度較低，經過紫外光老化處理之後，顯示附著強度有 明顯提升。
由圖 5-8 中顯示，塗膜試樣經鹽水噴霧試驗後，兩者皆隨老化時 間增加而有附著強度增加之趨勢，而奈米矽氧顆粒塗料之附著強度皆 大於市售塗料。由上述試驗結果之觀察發現，本研究之水性奈米矽氧 顆粒塗料之附著性能明顯優於市售塗料。
5-3-2 ×切格黏帶法試驗結果
本研究市售塗料老化前與老化後經膠帶撕起後，發現塗料無剝落 之現象，依據規範 CNS10757 評定點數為十點，試體老化前與老化後 試驗結果如圖 5-9 所示。
圖 5-9 市售塗料試驗後 a.老化前 b.老化後
本研究奈米矽氧顆粒塗料老化前與老化後經膠帶撕起後，發現塗 膜亦無剝落之現象，依據規範 CNS10757 評定點數為十點，試體老
本研究奈米矽氧顆粒塗料老化前與老化後經膠帶撕起後，發現塗 膜亦無剝落之現象，依據規範 CNS10757 評定點數為十點，試體老