第四章 結果與討論
4.3 在環氧樹脂中以有機胺催化不同含水量的溶-凝膠反應
4.3.4 熱膨脹性質分析…
除了檢測樣品的熱穩定性之外，本實驗將部分樣品進行 TMA 的分析，以求 得樣品的熱膨脹係數（CTE）值。研究過程中遭逢系上 TMA 損壞，實驗無法順 利進行，雖尋得清華大學化工所金惟國教授實驗室的幫助，願借予 TMA 進行量 測，然因樣品數量過多，最後只選擇數個熱穩定性較佳的樣品進行實驗。
SiO2之 CTE 一般約為 8 ppm/°C 以下[37]，且實驗結果 PE（Epoxy 塊材）的 CTE 為 99 ppm/°C，故本研究樣品之 CTE 值理應介於 8 至 99 ppm/°C 的範圍。樣 品中 CTE 最佳的為 2E（薄膜），其 CTE 值為 65 ppm/°C，落於合理範圍，而其 它的樣品（如 2B 與 2F 等）（均為薄膜樣品）CTE 則在 120 ppm/°C 左右，高於 PE，圖 4-20 為樣品 2E 之 TMA 曲線。雖然只有部分的樣品 CTE 值獲得改善，
但仍顯示利用本研究的方式製造奈米有機-無機複合材料，改善有機材的尺寸安 定性是可行的。
40 60 80 100 120 140 160
0 100 200 300 400 500 600
2E
圖 4-20. 樣品 2E 之 TMA 圖形。
溫度（°C）
長 度 變 化
（µm）
第五章
結 論
綜合前述有機胺催化溶-凝膠反應製備有機-無機複合材料之結果，歸納出實 驗結論如下：
（1） 有機胺 Decylamine 催化溶-凝膠反應的實驗部分證實其能在短短數小時之 內將 TEOS 水解且縮聚合成 SiO2網狀結構，29Si NMR 圖譜顯示其只有 Q3 與 Q4的譜線，Q2、Q1與 Q0幾乎觀察不到，此表示反應非常完全，SiO2
均為網狀結構而非長鏈狀結構。
（2） 摻有有機胺催化劑之 Epoxy 的 FTIR 圖譜顯示，混合攪拌兩天後之試片，
其 Epoxy 上 C C
O
基的特徵峰（1250、1173 與 802 cm−1）以及 O
O
官能基的特徵峰（1728 cm−1）仍存在，故有機胺不會引發副反應而破壞 Epoxy，可確實扮演催化劑的角色。
（3） 29Si NMR 及 Raman 光譜分析顯示有機鹼可在 Epoxy 中催化溶-凝膠反應生 成 SiO2粒子，雖然在大量 Epoxy 存在下有少許 TEOS 反應未完全，但絕 大多數的 TEOS 都已完全水解縮合成為網狀結構之 SiO2粒子。
（4） TEM 分析顯示水添加量與 SiO2粒徑大小無明顯的關聯，但水量越多粒子 的表面越粗糙。水量增多使水解速率越快，系統成核數目增多，最終縮合 反應係粒子與粒子間的縮合，故表面較粗糙；水量少時，成核數目少，縮 合反應以粒子成長的方式進行，表面則較為平滑。
（5） 熱穩定分析結果顯示，有機鹼在無添加水的樣品中無法催化生成 SiO2， 此與先前使用有機酸僅靠空氣中少量的水分子即可催化溶-凝膠反應之進 行的結果不同。添加不同水量的樣品分析結果顯示，低水量時（R = 2），
溶-凝膠反應不完全，反應物殘留使樣品熱穩定性質不佳；中水量時（R =
4 到 8），溶-凝膠反應雖較為完全，但此時副產物的影響開始顯現，同時 SiO2粒子成長未穩定，導致樣品熱穩定性質亦不穩定；高水量時（R = 10 到 14），反應完全且 SiO2粒子已穩定長成，樣品熱穩定性質亦較佳：但若 水量繼續提高（R = 18 以上），反應系統含有過多水，樣品的熱穩定性則 會劣化。所有樣品中熱穩定性最佳的為 3F（TEOS：Epoxy = 15：100，R = 14），Td可提高約 10°C 左右；其次為 3E（TEOS：Epoxy = 15：100，R = 10）， Td提高約 4.5°C。
（6） TMA 分析結果顯示 CTE 改善最大的為樣品 2E（TEOS：Epoxy = 10：100，
R = 10），其自 99 ppm/°C 降至 65 ppm/°C，故製成奈米有機-無機複合材料 確實可改善有機材的尺寸安定性。
第六章
未來展望
本實驗證明有機鹼 Decylamine 確實能夠催化 TEOS 進行溶-凝膠反應生成 SiO2 網狀結構粒子，進而在環氧樹脂中反應製成奈米有機-無機複合材料，改善 有機高分子的熱穩定性與尺寸安定性。一般而言，無機材的粒子越小使複合材料 的性質越佳，但本實驗所合成的 SiO2粒徑大小約為 150 至 200 nm，並未達奈米 尺寸，這是未來仍需努力的方向。
欲縮小 SiO2粒徑，可朝以下方向進行：（i）選擇其它分子量更高的有機物作 為基材，分子量越高，對於 SiO2造成的成長阻礙理應更大，有機會得到較小的 粒徑分佈；（ii）嘗試具有較大有機側鏈的矽氧烷前趨物，同樣也是希望造成縮合 反應時的阻礙，希望達到較小粒徑；（iii）可以嘗試改變反應溫度，觀察溫度對 粒子成長的影響，也有機會獲得奈米尺寸的 SiO2粒子。
未來若成功發展出有機鹼催化溶-凝膠反應製備有機-無機奈米複合材料，對 於新材料之種類開發與反應條件的限制將越來越少，高功能性的材料也將越來越 廣泛的被應用。
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