第二章 文獻回顧與現況探討
第二節 近期研究之彙整與探討
為使本計畫案之研究方向明確，成果具體可行，彙整本所近年來在奈米塗料 技術及耐久耐候試驗方面之研究成果，以及國內學業界在相關領域之研究與論 述，摘要說明如下：
一、 奈米自潔塗層技術與應用【5】
本研究以蓮花效應為基礎，利用奈米粒子表面改質技術及有機/無機混 成技術，增加塗層之耐磨程度及其與基材之附著強度，以達到高耐久、高防 污、超疏水性之奈米塗料。
由微觀蓮葉構造得知，當粗糙微結構加入疏水物質中時，將使塗層表面 達到超疏水現象。粗糙微結構之形成，係根據顏料體積濃度(Pigment Volume Concentration, PVC)之變化來控制其表面結構，其中 PVC 代表粉體佔全部(粉 體與樹脂)體積的比例。當 PVC 增加(即粉體量增加)至臨界值時，代表粉體 粒子正要突出塗層表面，當 PVC 超過臨界值後，即可製造出粗糙微結構表 面，此時塗層物性便產生重大變化。文中以 CaCO3 粉體為例，當添加於 PU-silicone 樹脂中，調整 CaCO3含量，其接觸角之變化如表2-1 所示，顯見 PVC 超過臨界值(約 6/4~7/3 之間)後，接觸角快速跳升，達到高疏水表面。
表 2-1 CaCO3添加量與接觸角之關係
CaCO3/PU 0/10 1/9 2/8 3/7 4/6 5/5 6/4 7/3 8/2 接觸角 97 ﾟ 96 ﾟ 97 ﾟ 97 ﾟ 97 ﾟ 99 ﾟ 100 ﾟ 137 ﾟ 140 ﾟ (資料來源：參考書目【5】)
第二章 文獻回顧與探討
文中以人工合成方式製作超疏水性自潔塗料，藉由奈米粉體化學改質方 法，形成所需的表面有機官能化，接著將此奈米粒子進行微結構控制，形成 所需的奈米-微米表面，最後經由加入低表面能樹脂、壓克力或是環氧樹脂、
添加劑，並進行自組裝製程，仿造出如蓮葉般的特性，水接觸角高達160 度、
耐刷洗超過2000 次。
在自潔性測試上，採用三種塗料分別為自製塗料、市售水性乳膠漆、油 性水泥漆，以碳黑做為污染物，並以灑水方式進行測試，結果顯示自製塗料 經由20ml 水噴灑後，碳黑污物可完全被帶走，而水性乳膠漆及油性水泥漆 經由100ml 水噴灑後仍有許多碳黑殘留。
在防污功能及耐候性能試驗方面，選取自製雙疏型自潔塗料與數種市售 塗料，以戶外曝曬方式進行檢驗。防污功能方面，以亮度差ΔL 做為量測指 標，曝曬前後亮度差距越大，代表塗料附著較多之髒污。於耐候性能方面，
則以色差ΔE 做為量測指標，若塗料之耐候性較差，易產生黃變或光澤下降 現象，造成色差ΔE 值上升。經過 6 個月之戶外曝曬，試驗結果如表 2-2 所 示，由亮度差ΔL 值之差異，可證實該自製雙疏型自潔塗料確有自潔防污能 力，且優於市售塗料；色差ΔE 值之差異，亦證實該自製雙疏型自潔塗料之 耐候性能優於市售塗料，具有長時間自潔防污效果。
表 2-2 戶外曝曬防污耐候試驗結果
戶外曝曬6 個月後 產品名稱 試驗前接觸角
接觸角 亮度差ΔL 色差ΔE MCL 雙疏型塗料 >155 >155 0.4 0.9 市售自潔塗料 144 150 10.2 10.4
市售乳膠漆 90 10 8.2 8.2
市售油性水泥漆 82 58 4.6 7.2
市售水性水泥漆 80 80 7.7 8.3
(資料來源：參考書目【5】)
二、 奈米技術應用於建築物表面自淨功能【6】
本案研擬光觸媒塗層自淨功能之檢驗項目，包括檢驗項目訂定、標準檢 驗法及耐久性要求，以提供業界做為品質控制之參考。另一方面，於本所台 南性能實驗中心之玻璃帷幕及鋁板牆實作塗佈光觸媒塗層，記錄施工前狀況 及現地噴塗過程，並於完工後半年進行抗污檢驗、親水性檢驗及現地色差檢 驗，以評估光觸媒塗層之效能。
文中擬訂之室內檢驗項目計有6 項，如表 2-3 所示，並述明檢驗目的及 檢驗步驟。現地檢驗則包括：長期抗污檢驗、親水性檢驗及色差檢驗。
表 2-3 光觸媒塗層自淨功能之檢驗項目
項目 檢驗名稱 主要儀器設備及耗材 檢驗目的 1 接觸角 接觸角量測儀 檢驗塗層接觸角之變化 2 色差 色差量測儀 檢驗塗層自淨功能 3 耐酸性 濃度5%硫酸溶液 檢驗塗層之耐酸性 4 耐鹼性 濃度5%無水碳酸鈉溶液 檢驗塗層之耐鹼性 5 耐鹽水性 濃度3%氯化鈉溶液 檢驗塗層之耐鹽水性 6 耐反覆升降溫 烘箱 檢驗塗層之耐溫性 (資料來源：參考書目【6】)
三、 建築物屋頂奈米級防水塗膜材料之開發應用【7】
本案選用水溶性聚合材為研究對象，以奈米技術研發製造用於建築物屋 頂及外牆防水之創新奈米級防水材料，並檢測其各項性能，而由於塗料與基 材間之附著力為塗料之重要性質之一，研究內容中亦針對防水塗料與基材界 面之性質進行理論分析與測試，探討廣義附著力破壞現象。
由於水性塗料存在一些缺點，使其無法被廣泛應用，例如：懸浮穩定性 差、觸變性差、不耐老化等，而新功能之提升，包括抗菌、防污、耐洗刷性 等亦較溶劑型塗料差，因此，本案針對奈米矽氧顆粒進行表面改性，研發出 水性奈米塗料之製造方法，藉此增進防水塗層之自潔性、防霉抗菌、耐刷洗、
抗老化等性能。另外，文中針對水溶性之高分子防水塗料，歸納出建築物屋
第二章 文獻回顧與探討
頂及外牆防水塗料之功能性質及相關試驗規範，並選擇主要功能性質進行測 試，包括力學性質、耐光性與耐候性、鹽水噴霧試驗、以及附著性與附著強 度等，藉以比較本案研發之奈米塗料與一般市售防水塗料之差異性。
本案研發之水性奈米級防水塗料經過測試後，結果顯示已達預期特性 者，包括：斥水性、低表面能、耐鹼性、吸水率、附著強度、耐冷熱反覆性 等，需改善之性質則為：伸長率、抗拉強度、撕裂強度、耐酸性等。
四、 改質奈米塗料油漆對電磁波屏蔽之研究【8】
由於通訊系統操作頻率越來越高，電磁波輻射的問題日益嚴重，困擾著 人們的健康與生活，而抵抗電磁波的材料可分為兩種：屏蔽材料及吸波材 料，其中屏蔽材料是目前有效的阻隔或衰減電磁波的方法，可以避免電磁干 擾問題。本研究便以奈米碳管(CNT)為電磁屏蔽複合材料的基材，將其混入 油漆塗料裡，並參雜加入活化劑(SDS)，使奈米碳管在油漆塗料中能夠更均 勻的分散，進而探討此複合塗料在電磁屏蔽方面的效果。
當材料屏蔽的輻射源為遠場平面電磁波時，電場與磁場在空間中的分佈 比值一定，故依照電場或磁場量測的屏蔽效果相同。本研究遂以材料對電場 強度的屏蔽效率來表示電磁屏蔽效率(SE)。量測設備包括：網路分析儀、50 歐姆阻抗匹配電纜線兩條、夾具一組，如圖2-1 所示。
圖 2-1 電磁屏蔽效率量測架構
當奈米碳管/油漆(CNT/paint)之複合材料加入 SDS 且有液態球磨下，由
JIS K5600-7-1 ISO 7253
ASTM D6695 JIS K5600-7-7 ISO 11341 (資料來源：參考書目【9】)
塗裝材料耐久耐候試驗規劃方面，摘要如下：
第二章 文獻回顧與探討
(一) 試件規劃
1. 塗料種類：採用壓克力樹酯漆、環氧樹酯漆、PU 樹酯漆、防火漆。
2. 基材：(1)碳鋼－ASTM A36，鹽霧及自然曝曬試驗採用 100×150×6 mm 之 試片，日光模擬試驗採用 70×150×6 mm 之試片；(2)水泥砂漿－水灰比 0.45，水泥與砂之比為 1：3，自然曝曬試驗與氯離子試驗採用直徑 10cm、
高20cm 之圓柱試體，日光模擬與鹽霧劣化試驗採用 70×150×6 mm 之平 板試片；(3)木材－選用杉木，試片尺寸 70×150×6 mm。
(二) 試件處理：(1)碳鋼－噴砂除銹、編碼、秤重、塗裝；(2)水泥砂漿－以手刷 方式均勻於試體表面塗刷 3 次；(3)木材－砂紙磨平後，進行手刷塗裝及乾 燥後砂紙砂磨共3 次。
(三) 試驗方法：(1)鹽霧加速劣化試驗－CNS 11607 第 3.1 節、ASTM B117 中性 鹽霧試驗，試驗時間共2000 小時；(2)日光加速劣化試驗－CNS 11607 第 3.8 節、ASTM D6695 Cycle 2 試驗法，試驗時間共 2000 小時；(3)自然曝曬試 驗－CNS 11607 第 3.9 節、ASTM G50 開放式曝曬架
(四) 劣化分析：(1)鹽霧試驗－每 200 小時進行光澤度(CNS 10756-1 第 7 節)與色 差(CNS 10756 第 5 節)分析，每 1000 小時進行腐蝕速率量測試驗(ASTM G1 重量損失法與電化學之交流阻抗法)與塗膜接觸角試驗(ASTM D5725)，水泥 砂漿試體每1000 小時進行氯離子侵入深度與透水試驗；(2)日光加速劣化試 驗－每 200 小時進行光澤度與色差量測，每 1000 小時進行塗膜接觸角試 驗；(3)自然曝曬試驗－於第 3 個月與 6 個月進行上述量測實驗。
(五) 試驗結果：(1)由鹽霧試驗發現，經 200 小時劣化後，裸鋼試片已嚴重腐蝕，
其他塗料對基材仍具良好的保護性能，惟防火漆碳鋼試片表面已有剝離龜 裂現象。(2)於日光模擬劣化試驗中，未塗裝及防火漆塗裝的木材試片經 200 小時劣化後，已從木紋處開裂，顯示防火漆已失去保護木板的功能；(3)試 驗前環氧樹脂塗膜的光澤度最佳，但經 200 小時日光模擬劣化後，其光澤
六、 使用奈米二氧化釩於建築材料中調溫性能之研究【10】
根據調查，在住宅及商業用電所消耗的電力中，近 80-90%是來自空調 與照明系統的耗損，因此，開發一種能有效阻隔近紅外線，並具有高可見光 穿透率的功能性塗料，將可達成節能與美觀的雙重指標。本案旨在製備二氧 化釩(VO2)粉末(如圖 2-2)，將其摻入透明塗料並塗佈於玻璃基材上，使於特 定溫度能達到「抵抗紅外線」之效用。
圖 2-2 VO2 顆粒之 SEM 圖 (資料來源：參考書目【10】)
VO2為一種具有金屬-絕緣體轉換（Metal-insulator Transition, MIT）變化 的材料，這種 MIT 的性質會在特定的溫度時，晶體結構發生變化，使其由 半導體變成導體，VO2正屬於此類物質，其相轉變溫度Tc 為 68°C。在溫度 低於Tc 時為半導體材料，其電子雲分佈較稀疏，紅外光(Infrared Ray, IR)可 以穿透，當溫度高於Tc 時為導電相，其電子雲分佈較緊密，以致 IR 光無法 有效穿透。惟VO2的相轉變溫度Tc 距離室溫還有一段距離，藉由加入其他 金屬離子(例如 W6+)，可使 VO2的Tc 降至室溫附近。
實驗結果顯示，塗有本案配製 VO2 之玻璃片的實驗環境箱可降低溫度 約 15°C，未來期望 VO2塗料可運用在玻璃表面或其他建築材料，經由控溫 功能可使建築物達到節能效果。
第二章 文獻回顧與探討
(二) 性能規格：CNS 8886 鹽水噴霧試驗法、ASTM B117 Practice for Operating Salt Spray (Fog) Apparatus、ASTM G85 Standard Practice for Modified Salt Spray (Fog) Testing。
裝置項目 試驗規範要求
1. 噴霧壓力：0.098±0.0025 MPa。
空氣飽和器 去除水及空氣中的不純物。
空氣飽和器 去除水及空氣中的不純物。