室外型奈米塗料耐久耐候性能之試驗研究(2/2)

室外型奈米塗料耐久耐候性能之

試驗研究(2/2)

內 政 部 建 築 研 究 所 自 行 研 究 報 告

中華民國 100 年 12 月

(國科會 GRB 編號)

PG10005-0173

(本部計畫編號)

100301070000G1058

室外型奈米塗料耐久耐候性能之

試驗研究(2/2)

研究人員：曹源暉

內 政 部 建 築 研 究 所 自 行 研 究 報 告

中華民國 100 年 12 月

（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）

目 次

目次•••••••••••••••••••••••I

表次•••••••••••••••••••••••III

圖次•••••••••••••••••••••••V

摘要••••••••••••••••••••••VII

第一章 緒論••••••••••••••••••••1

第一節 研究緣起與目的•••••••••••1

第二節 研究內容與方法•••••••••••3

第二章 文獻回顧與現況探討••••••••••••7

第一節 國內近期研究之彙整••••••••7

第二節 奈米塗料之功能性探討••••••••15

第三節 奈米塗料檢測技術現況••••••••19

第三章 試驗規劃與執行••••••••••••••25

第一節 試驗項目與試驗規劃•••••••••25

第二節 試驗方法綜整••••••••••••29

第三節 奈米塗料試片製作••••••••••38

第四章 試驗結果與討論••••••••••••••45

第一節 塗料劣化前檢測•••••••••••45

第二節 塗料檢測標準程序••••••••••63

第五章 結論與建議••••••••••••••••67

第一節 結論•••••••••••••••67

第二節 建議•••••••••••••••68

附錄一 期中審查會議紀錄•••••••••••••69

附錄二 期末審查會議紀錄•••••••••••••73

參考書目•••••••••••••••••••••75

表 次

表 2-1 控制因子水準配置表••••••••••••• 8

表 2-2 光觸媒塗料檢測方法比較表•••••••••• 9

表 2-3 奈米草製備超疏水表面試件試驗結果••••••10

表 2-4

CaCO

3

添加量與接觸角之關係•••••••••12

表 2-5 戶外曝曬防污耐候試驗結果••••••••••13

表 2-6 光觸媒塗層自淨功能之檢驗項目••••••••13

表 2-7 常用顯微技術比較表•••••••••••••21

表 2-8 與奈米塗料相關之功能性檢測項目與標準••••23

表 2-9 與奈米塗料相關之耐久耐候特性檢測項目與標準•24

表 3-1 試片規劃與編號•••••••••••••••29

表 4-1(a) 玻璃試片劣化前之膜厚•••••••••••46

表 4-1(b) 鍍鋅鋼板試片劣化前之膜厚•••••••••47

表 4-1(c) 水泥纖維板試片劣化前之膜厚••••••••48

表 4-2(a) 玻璃試片劣化前之色座標值•••••••••50

表 4-2(b) 鍍鋅鋼板試片劣化前之色座標值•••••••51

表 4-2(c) 水泥纖維板試片劣化前之色座標值••••••52

表 4-3 各試片劣化前之光澤度••••••••••••54

表 4-4 各試片劣化前之水接觸角•••••••••••56

表 4-5(a) 玻璃試片劣化前之隔熱特性•••••••••58

表 4-5(b) 鍍鋅鋼板試片劣化前之隔熱特性•••••••58

表 4-5(c) 水泥纖維板試片劣化前之隔熱特性••••••59

表 4-6 試片隔熱性能比較••••••••••••••59

表 4-7 試片劣化前之附著性•••••••••••••54

表 4-8 試片劣化前之鉛筆硬度••••••••••••61

表 4-9 試片劣化前之透水性•••••••••••••62

圖次

圖 1-1 研究計畫流程圖••••••••••••••• 5

圖 2-1 塗料防污自潔功能••••••••••••••18

圖 2-2 光觸媒之催化反應機制••••••••••••19

圖 3-1 氙弧燈式日光模擬機－SUGA X75SC••••••31

圖 3-2 鹽霧複合耐候試驗機－SUGA CTP-96••••••32

圖 3-3 掃描試電子顯微鏡(SEM)•••••••••••33

圖 3-4 接觸角計••••••••••••••••••34

圖 3-5 色差計•••••••••••••••••••35

圖 3-6 鉛筆硬度計•••••••••••••••••37

圖 3-7 光澤度計••••••••••••••••••38

圖 3-8 透水試驗器具••••••••••••••••39

圖 3-9 隔熱性試驗示意圖••••••••••••••40

圖 3-10 試片基材••••••••••••••••••41

圖 3-11 塗料比重量測設備••••••••••••••42

圖 3-12 塗料黏度量測••••••••••••••••43

圖 3-13 以塗佈器進行試片塗佈••••••••••••44

圖 3-14 完成塗刷(佈)之試片•••••••••••••44

圖 4-1 試片膜厚量測••••••••••••••••45

圖 4-2 試片色座標值量測••••••••••••••49

圖 4-3 試片光澤度量測•••••••••••••••53

圖 4-4 試片接觸角量測•••••••••••••••55

圖 4-5 試片隔熱性能量測••••••••••••••57

圖 4-6 試片附著性量測•••••••••••••••60

圖 4-7 附著性評估標準•••••••••••••••60

圖 4-8 試片透水性量測•••••••••••••••62

摘 要

關鍵詞：奈米塗料、耐久耐候試驗、實驗室認證 一、研究緣起 自從奈米科技發展以來，一般認為奈米材料所具備之表面效應、小尺寸效 應和量子隧道效應等特性，使其與常規材料之區別不僅是尺度上的不同，更重 要的是在物理、化學性能方面的變化。因此，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。然而，如何就奈米塗料功能性之提升或新增方面進行驗證， 其耐久耐候性能又如何等之產品品質問題，皆需進行探討。由經濟部工業局推 動之「奈米標章」制度，目的即在確保奈米產品之品質與形象。奈米標章對奈 米技術產品之驗證，主要重點包括產品的奈米性、功能性及其他要求等三部 份。另外，產品的耐久性亦須符合產業的一般要求。 台灣屬於海島型氣候，並位處亞熱帶與熱帶交接區域，建築物長期處在高 鹽分、高溫、潮濕與日照強烈的條件下，使得建材老、劣化情形加速。國內外 目前已研發出的許多功能性奈米塗料，當應用在台灣地區這樣的氣候條件下， 其耐久耐候性能如何，值得進行探討與了解。然而，建材戶外曝曬試驗所需之 劣化過程往往達數年之久，無法滿足業界研發需求，因此本研究擬以加速劣化 試驗進行探討，藉由劣化前後各種材料性質之差異性分析，評估材料的耐久耐 候性能，除可逐步建立本所材料實驗中心之檢測與驗證能力外，期能於日後建 立奈米塗料耐久耐候性能之標準檢測方法及評估基準。 二、研究方法及過程 本研究之目的在於搜尋與瞭解國內產學研界在奈米塗料方面之技術發展 現況，彙整國內外奈米塗料相關之檢驗方法與評估標準，最後，配合本所材料 實驗中心已建置完成之儀器設備，針對市售用於戶外之奈米塗料進行耐久耐候

性能檢驗，除建立材料實驗中心相關試驗之標準程序，做為未來實驗項目認證 之基礎外，並藉以初步探討奈米塗料耐久耐候性能評估基準。 本案基於人力之限制，分為二年進行研究，第一年著重在試驗標準蒐集及試 驗規劃與儀器調校整備，第二年將執行試樣製作及試驗執行與分析，並建立標準 試驗程序。研究內容綜整如下，計畫工作流程則如圖1-1 所示。 第一年已完成部分： (一) 蒐集、彙整國內奈米塗料之發展與應用現況，了解各種功能性奈米塗料之 特性、用途與施工方法。 (二) 蒐集、彙整國內外適用於塗料之相關試驗方法與檢測標準。 (三) 規劃本案之耐久耐候試驗計畫，檢討試驗項目與評估方法。 (四) 試驗相關之儀器設備調校與整備。 第二年執行內容： (一) 持續蒐集國內奈米塗料之研發與應用狀況。 (二) 試驗樣品製作。 (三) 利用本所材料實驗中心相關實驗設備進行檢測，評估奈米塗料之耐久耐候 性能。 (四) 建立奈米塗料耐久耐候性試驗之標準程序，並初步探討奈米塗料耐久耐候 性評估基準。 (五) 規劃與研擬未來本所於創新營建材料領域相關之研發議題。 三、重要發現 本研究針對奈米塗料相關標準與應用現況進行了解，並選取2 種市售標榜 奈米塗料進行塗料性能檢測，包括：膜厚、色座標、光澤度、水接觸角、隔熱、 粘著性、鉛筆硬度、透水性等，原擬藉由本所建置之耐久耐候試驗設備進行奈 米塗料之劣化分析，以瞭解奈米塗料在長時間的環境作用力下，能保有幾成之

功能性，惟本所氙弧燈耐候試驗機於本案試驗排程時故障查修，於 12 月中旬 始修復完成，因而本案試片未能執行耐候試驗，惟經由文獻探討及各試片劣化 前之試驗與分析，獲致之成果說明如下： (一) 奈米材料與技術應用於塗料是必然的趨勢，然而，適用於塗料之奈米材 料，其粒徑大小、加工方式、表面處理、分散技術等製程，均與其功能性 之發揮有密切關聯，而部分奈米塗料為發揮其特殊性能，需搭配特殊之施 工方式。因此，有關奈米塗料功能性的檢測方法與評定標準，實為必要探 討之課題。 (二) 針對一般塗料之檢驗方式，各國都已有相關試驗標準，我國國家標準亦有 相關規定，惟就奈米塗料而言，因其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，故現有之檢驗方式需予 適當之調整或擴充。 (三) 在經濟部工業局的推動下，我國已經實施「奈米標章」制度，目前已制定 之檢驗規範及已取得標章之產品多屬衛生器具、紡織品類，功能性奈米塗 料之檢驗規範仍有待加強。 (四) 奈米材料之測試儀器價格昂貴，而應用奈米材料後，所預期顯現出之特殊 功能性，該如何進行檢測，其量化標準又如何等問題，亦有賴進一步探討。 (五) 本案就市售奈米塗料，已完成塗料性能之檢測分析，惟針對市售標榜「奈 米」之塗料產品，其品質與性能仍需進一步界定與說明，以使消費者了解， 並保障消費者權益。 四、主要建議事項 短期之建議－加強實驗人力培育工作、建立儀器設備之檢測與校正能力。 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：相關學術團體 本研究已依據CNS 及 ASTM 等標準，以及奈米標章檢驗標準，完成奈米塗

料相關試驗方法之彙整、執行與探討，未來可再強化相關實驗研究工作，藉此培

第一章 緒論

第一節 研究緣起與目的

奈米科技自1980 年代末期迅速崛起之後，已成為 21 世紀最熱門的科技活動 之一，對光電、材料、電子、化工、生醫等產業將造成巨大影響，被譽為是第四 次工業革命【1】，也因此受到各開發國家高度關注，紛紛持續投入大量資源進行 研發工作，企圖在奈米科技與產業佔得一席之地。我國則於2002 年由國科會等 25 位單位代表組成奈米國家型科技計畫工作小組，並自 2003 年起共同推動為期 6 年之「奈米國家型科技計畫」(2003~2008 年)，成為國內奈米科技研發之重心。 如今該國家型科技計畫已進入第二個六年期計畫(2009~2014 年)，預計再投入 200 億元，規劃以奈米前瞻研究、生醫農學應用、奈米電子與光電技術、能源與環境 技術、儀器設備研發、以及奈米材料與傳統產業技術應用等領域為重點方向，並 以達成「奈米科技產業化」為目標【2】。針對奈米國家型科技計畫中，有關傳統 產業奈米應用技術發展項目，本所於2004 年起，在「創新營建材料研發計畫」 中，將奈米技術應用於營建產業列為研發重點之一，並已陸續執行多項與奈米塗 料、塗膜相關之技術研發工作，期望能協助產業進行有效的推廣與應用。 塗料係由成膜物質、顏料、溶劑、助劑、及其他添加物等成分組成，塗料的 使用有兩個基本目的，即當塗料在被塗物表面形成薄膜後，可對被塗物產生保護 作用，其亮麗的光澤與顏色則有美化的效果。而所謂功能性塗料則指對某物體進 行塗裝後，能賦予該物體原先不具備之新功能的塗料，例如隔熱、防水、除污、 抗菌等性能，可以少量之塗料滿足被塗物特殊功能之需求。一般傳統塗料在經由 不同化合物組成及配方後，可適當呈現塗料所需之功能性，而自從奈米科技發展 以來，一般認為奈米材料所具備之表面效應、小尺寸效應和量子隧道效應等特 性，使其與常規材料之區別不僅是尺度上的不同，更重要的是在物理、化學性能 方面的變化。因此，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：一是提升傳統塗料的性能，二是製造出具有新功能的奈米塗料。然而，就 在產業界相繼投入開發奈米塗料之際，如何就奈米塗料功能之提升方面進行驗 證，以及針對其耐久耐候性能進行檢測，其驗證、檢測之標準又如何訂定等等之 產品品質問題，實亦需作同步之探討。國內在奈米國家型科技計畫的架構下，推 動「奈米標章」制度，由經濟部工業局主辦，目的即在確保奈米產品之品質與形 象，保障民眾消費權益，進而促成國內奈米產業之健全發展。目前奈米標章推行 審議會已制定完成33 項驗證規範(其中 6 項為塗料之驗證規範)，有 30 家廠商取 得奈米標章(其中 4 家為塗料廠商)，並有 10 間登錄實驗室(主要檢測項目為奈米 尺寸量測、抗菌率、脫臭率、耐磨耗)。而奈米標章對奈米技術產品之驗證項目， 主要重點包括產品的奈米性、功能性及其他要求等三部份，其中奈米性在確認是 否為奈米技術產品，功能性在檢驗產品是否有增加新功能或增強原有功能，其他 要求則包括產品安全、耐久性等，期望藉奈米標章之國內外廣宣，使取得奈米標 章之產品，提升其品質形象及國內外市場競爭力【3】。 由於台灣屬於海島型氣候，並位處亞熱帶與熱帶交接區域，建築物長期處在 高鹽分、高溫、潮濕與日照強烈的條件下，加上許多人為的環境污染，使得建材 老、劣化情形加速。雖然國內外目前已研發出許多功能性奈米塗料，例如自潔性、 防污性、防水性、隔熱性等奈米塗料，當應用在台灣地區這樣的氣候條件下，其 耐久耐候性能如何，在長時間的環境作用力下，能保有幾成之功能性，皆值得進 行探討與了解。一般而言，建材之耐久耐候性能評估，最直接的方法為戶外曝曬 試驗，將待測材料置於戶外環境中，藉由大自然的日照、降雨、溫溼循環等環境 作用力自然劣化，試驗結果可真實反應材料用於當地環境下耐候性能。然而，戶 外曝曬試驗所需之劣化過程往往達數年之久，不同區域之氣候與環境條件亦有差 異，在材料科技日進千里的今日，無法符合業界實際需求，因而有發展加速劣化 試驗的必要性，將待測材料放置於比一般氣候更嚴苛的環境條件中，藉由劣化前 後各種材料性質之差異性分析，評估材料的耐久耐候性能，目前國內外之規範標

準與文獻著述均有相關的試驗法則，惟加速劣化的評估結果與該材料在一般氣候 環境下的劣化情形，尚無法有明確的對應關係，僅能用於特定測試條件下，不同 材料間之耐久耐候性能比較。本所材料實驗中心於97 年起正式營運，其中建置 許多與材料耐久耐候性實驗、奈米性及塗料檢測之相關設備，包括鹽霧複合耐候 試驗機、氙弧燈式日光模擬機等劣化試驗設備，以及壓汞孔隙量測儀、電子顯微 鏡、BET 比表面積分析儀、色差儀、光澤度計、接觸角計等分析設備，此時此 刻正可投入此領域之研究與檢測工作，對相關奈米塗料進行測試與驗證，除可逐 步建立實驗室之檢測與驗證能力外，期能於日後建立奈米塗料耐久耐候性能之標 準檢測方法及評估基準，足供產業界進行產品研發之參考。

第二節 研究內容與方法

在奈米科技之發展過程中，檢測技術佔有極重要之地位，因奈米結構或材料 極為細微，需有特殊之儀器設備始能窺其形貌，加上其特殊性質，亦非一般傳統 科技所能預測。而自奈米技術及奈米材料問世以來，「奈米」象徵著先進科技的 產物，市場上標榜著奈米產品日益增多，在塗料相關產品方面也不例外。如何藉 由檢測技術以驗證奈米產品，便成為推動奈米產業首要之務。以奈米的定義而 言，奈米塗料應滿足兩個條件：(1)至少有一相顆粒尺寸為 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功能。因此，需具備有檢測奈米尺 寸之能力，以及需定義出奈米功能性之規範值，並能就奈米產品是否符合該規範 值進行試驗驗證。 奈米技術及奈米材料應用於塗料之中，一則欲提升傳統塗料之性能，包括施 工性、耐候性及力學性等，二則欲製成新功能性塗料，包括隔熱、抗菌、電磁屏 蔽等。本研究之目的在於搜尋與瞭解國內產學研界在奈米塗料方面之技術發展現 況，彙整國內外奈米塗料相關之檢驗方法與評估標準，最後，配合本所材料實驗

中心已建置完成之儀器設備，針對市售用於戶外之奈米塗料進行耐久耐候性能檢 測，除建立材料實驗中心相關試驗之標準程序，做為未來實驗項目認證之基礎 外，並藉以初步探討奈米塗料耐久耐候性能評估基準。 本案基於人力之限制，分為二年進行研究，第一年著重在試驗標準蒐集及試 驗規劃與儀器調校整備，第二年將執行試樣製作及試驗執行與分析，並建立標準 試驗程序。研究內容綜整如下，計畫工作流程則如圖1-1 所示。 第一年已完成部分： (一) 蒐集、彙整國內奈米塗料之發展與應用現況，了解各種功能性奈米塗料之 特性、用途與施工方法。 (二) 蒐集、彙整國內外適用於塗料之相關試驗方法與檢測標準。 (三) 規劃本案之耐久耐候試驗計畫，檢討試驗項目與評估方法。 (四) 試驗相關之儀器設備調校與整備。 第二年執行內容： (一) 持續蒐集國內奈米塗料之研發與應用狀況。 (二) 試驗樣品製作。 (三) 利用本所材料實驗中心相關實驗設備進行檢測，評估奈米塗料之耐久耐候 性能。 (四) 建立奈米塗料耐久耐候性試驗之標準程序，並初步探討奈米塗料耐久耐候 性評估基準。 (五) 規劃與研擬未來本所於創新營建材料領域相關之研發議題。

圖 1-1 研究計畫流程圖 (資料來源：本研究繪製) 在文獻資料蒐集方面，持續彙整奈米塗料在國內之研發、產製與應用現況， 以及相關檢測標準與方法之分析應用，以確保本案試驗規劃之妥適性。在耐久耐 候試驗之規劃與執行上，先就本研究擬採用之試驗規範或標準進行說明，其次規 劃試驗內容、步驟與試件數量，藉由試驗之執行，建立本實驗中心耐久耐候性能 之試驗與分析評估能力，並初步探討建材耐久性試驗評估指標。在試驗標準程序 之建立方面，依循實驗室認證之相關規範，將試體準備、試驗過程、劣化前後之 分析工作、以及試驗報告之產出等試驗內容予以文件化，建立標準作業程序。最 後，因本所從民國100 年起，將執行「建築先進技術創新開發與推廣應用計畫」 中程科技計畫，其中將賡續推動創新營建材料研發子計畫，故在本研究案執行過 程中，將蒐集國內外近年來在奈米科技方面之研發概況，用以規劃與研擬未來營 建材料相關之研發議題。 初擬計畫目標 資料蒐集彙整 試驗規劃與準備 研擬課題方向 試驗執行與記錄 評估方法探討 試驗結果分析 建立標準程序 完成成果報告

本研究計畫之預期成果與效益如下：

(一) 瞭解奈米塗料之產製與應用現況，以及各項功能性之研發進程。 (二) 初步建立室外型奈米塗料之耐久耐候性能試驗及評估方法。

(三) 提升本所在建材耐久耐候性試驗之技術與能力，並以建立材料實驗中心耐 久耐候性試驗方法為目標。

第二章

文獻回顧與現況探討

奈米(nanometer, nm)為長度單位，1 nm = 10-9 m，在奈米材料科技的研究領 域中，主要內容包括：奈米材料製造中的技術問題、奈米材料的結構表徵與評估 方法、奈米材料物理化學性質的測試方法等，特別是奈米微區分析技術，奈米材 料物理化學性質的特殊變化規律和產生機制，奈米材料的應用與使用過程中的老 化失效問題等【4】。由於奈米塗料係以奈米材料與有機塗料合成之複合材料，在 奈米尺度中，物質因量子尺寸效應及表面效應等，將展現出許多特殊的物理與化 學性質，使塗料具有特殊之功能性，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，便是所謂的「奈米技術」。 奈米技術應用於營建塗料是必然的發展趨勢，但並非所有的奈米材料均適合 塗料的應用，奈米塗料所表現出之功能性與奈米材料之化學性質、粒徑、加工方 式、表面處理、分散技術等有密切關係。因此，研製功能性奈米塗料除應正確選 擇奈米材料外，尚需考量奈米材料的分散與穩定、用量、光催化作用、對顏料的 影響、以及成本等因素，而對奈米塗料之性能測試，更是研發單位需克服的一大 問題【5】。由於本研究案著重在奈米塗料功能性之驗證方面，並不探討奈米材料 之製造方法，因此，本章僅就奈米塗料之主要功能性與檢測技術進行說明。

第一節 國內近期研究之彙整

為使本計畫案之研究方向具體可行，除上年度所彙集之文獻資料外，本年度 持續蒐集與彙整國內近年來在奈米塗料技術及相關檢測試驗方面之研究成果，摘 要說明如下： 一、奈米材料應用於水性水泥漆防水性之研究【6】 兼具環保、永續之高機能水性塗料為近年來塗料業界之發展趨勢，以往

市售水性塗料為達防水功能，常於塗料中添加對人體有害之介面活性劑，如 撥水劑等。本研究嘗試運用奈米材料之特性，藉以改善塗料之疏水性能，研 發出兼具環保性之防水塗層。 本文在奈米塗料之實驗規劃方面，係應用田口實驗設計法，建立奈米防 水塗層之控制因子水準配置表(如表 2-1)，選用水泥砂漿板為基材，於塗佈 市售水性水泥漆後，再噴塗奈米防水塗層，以接觸角量測數據，預估最佳配 比組合，而後再進行驗證實驗，以獲取奈米防水塗層之最佳參數設計。 表 2-1 控制因子水準配置表 編號 控制因子 水準1 水準2 A 奈米材料種類 TiO2 ZnO B 奈米材料含量(wt %) 1 6 C 分散混合時間(min) 20 60 D 黏著劑含量(wt %) 3 8 E 噴塗距離(cm) 15 30 F 噴塗方向 水平向 垂直向 G 噴塗層數(來回) 1 3 (資料來源：參考書目【6】) 經由試樣實際檢測及再現性驗證結果，可獲得接觸角最高達 166°之超 疏水奈米塗層，其最佳配比組合為 A1、B2、C1、D2、E2、F2、G2，證實 奈米材料可有效改善塗料之防水性能。 二、奈米光觸媒功能檢測法之研究【7】 光觸媒材料具有除污、抗菌之能力已眾所皆知，然而在各國標準檢驗方 法尚未完全確立之際，國內缺乏一種比較精確、簡單且公正之測試方法以驗 證產品品質。本研究也認為目前光觸媒塗料之一般檢測方法存在一些盲點， 因此試圖利用光譜分析儀建立一種新的檢測方式，可用於判定可見光型光觸

媒材料及不可見光型光觸媒材料成分，並經由實際檢測結果之分析比較，評 估其取代現有一般檢測方法之可能性(如表 2-2)。 本研究選用4 種 UV 光激發型觸媒及 1 種可見光激發型觸媒原液，利用 光譜分析儀進行檢測，項目包括原液吸收波長、定量濃度、除污分析，以及 成膜後除污能力分析、抗酸鹼鹽分析等。研究結果顯示，光譜分析法不論在 檢測原液、成膜後除污效率、塗膜之耐久性等方面，均可達到高效率、高精 度之水準，可用以精確判斷可見光型及不可見光型兩大類光觸媒材料，並可 分析其反應光譜範圍。 表 2-2 光觸媒塗料檢測方法比較表 分類 檢測項目 儀器設備與材料 接觸角 接觸角量測儀 色差 色差儀 除菌 細菌量偵測儀 基本 檢測 附著力 切割刀、導切規 QUV QUV 檢驗儀、色差分析 耐鹽水性 3%氯化鈉溶液、色差分析 耐鹼性 5%碳酸鈉溶液、色差分析 耐酸性 5%硫酸溶液、色差分析 一般檢測法 耐久性 檢測 反覆升降溫 烘箱、色差分析 光譜分析 光譜分析儀 基本 檢測 _{除污分析 光譜分析儀} QUV QUV 檢驗儀、光譜分析 耐鹽水性 3%氯化鈉溶液、光譜分析 耐鹼性 5%碳酸鈉溶液、光譜分析 耐酸性 5%硫酸溶液、光譜分析 光譜分析法 耐久性 檢測 反覆升降溫 烘箱、光譜分析 (資料來源：參考書目【7】) 三、交聯劑對材料表面能及熱性質之影響與超疏水至超親水間可控表面之研究【8】

本研究利用新穎奈米草技術，仿製蓮葉表面之微奈米構造，以製造超疏 水表面。實驗規劃採用蝕刻過後之奈米草結構做為基材，其上再鍍一層含有 奈米 SiO2粒子的特殊疏水材料，使其具有足夠之粗糙度，製造出仿蓮葉表 面之超疏水構造；另外，當該超疏水表面接受UV 光照射後，其照射部分表 面則可由超疏水性轉變成超親水性質。 試件基材共計3 類，分別為無奈米草、低粗糙度奈米草、以及高粗糙度 奈米草，各類基材再鍍上不同比例或種類之疏水材料與奈米 SiO2粒子之混 合物，試件製備完成後，以掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察其表面結構，並量 測其接觸角評估其疏水特性，實驗結果顯示，當試件無奈米草底層時，皆無 超疏水的現象產生，其他試件則如表 2-3 所示。之後針對超疏水試件照射 UV 光，檢測接觸角變化情形，結果在照射 120 分鐘後，可達到超親水條件。 表 2-3 奈米草製備超疏水表面試件試驗結果 第一層 奈米草 第二層 高分子與SiO2混合物 (高分子：SiO2) 第三層 B-ala Polybenzoxazine 濃度 (%) 超疏水性 接觸角>150° 滾動角<10° BA (10:5) 0.05 X BA (10:10) 0.05 X BA (10:5) 0.1 ○ BA (10:10) 0.1 ○ B-ala (10:5) 0.05 X B-ala (10:10) 0.05 X B-ala (10:5) 0.1 X B-ala (10:10) 0.1 X 低粗糙 B-ala (10:20) － ○ 高粗糙 BA (10:10) 0.1 ○ B-ala (10:5) 0.05 X B-ala (10:5) 0.1 X B-ala (10:10) 0.1 X B-ala (10:20) － ○ (資料來源：參考書目【8】，本研究整理)

四、建築設施空調節能設計新思維－市售隔熱漆產品遮熱性能之再思考【9】 位於熱帶與亞熱帶地區的建築物，如何有效降低太陽熱量進入建築物內 是節能的首要做法。目前市面上標榜具遮熱/隔熱性能之塗料品牌眾多，將 隔熱漆塗在建築物外表時，其能降低室內溫度的能力，各產品間也有頗大的 差異。本文旨在探討在建築物外表面塗上隔熱漆對室內溫度與室外表面溫度 之影響，主要針對基礎熱傳性質中之熱導係數、熱擴散係數與熱傳透率、反 射率與吸收率等進行了解，並對其隔熱能力之緣由透過理論探討與實驗驗證 提出解釋。 本文針對市售隔熱漆進行熱導係數、反射率之量測，並計算建築物外牆 塗佈隔熱漆前後之熱傳透率變化，以及外牆輻射能吸收率變化對表面溫度之 影響等。研究結果顯示，建築物外牆在塗佈隔熱漆之後，雖然對混凝土或磚 牆之熱傳透率的改善頗為有限，對鐵皮屋外牆之隔熱效果較佳，然而，整體 而言，確實可降低進入室內的熱量，主因在於該隔熱漆兼具隔熱與遮熱功 能，由於具有高的短波反射率及高的長波放射率，可大幅降低室外太陽輻射 熱傳入室內的量。另外，文中亦提醒隔熱塗料於施工作業中，加強附著力的 底漆與增加表面光滑度的面漆是必要的，有助於耐久性與耐候性的提升。 五、奈米自潔塗層技術與應用【10】 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2-4 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 2-4 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【10】) 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 2-5 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 2-5 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【10】) 六、奈米技術應用於建築物表面自淨功能【11】 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 2-6 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 2-6 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【11】) 七、建築物屋頂奈米級防水塗膜材料之開發應用【12】 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 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。 八、塗裝材料耐久性試驗研究－戶外曝曬與加速劣化試驗方法之探討【13】 本計畫主要在進行塗裝材料耐久耐候性之試驗研究。研究內容包括：(1) 塗裝材料文獻之蒐集與整理，除對塗裝材料分類與常見劣化情形進行說明， 亦整理分類各種塗裝材料之試驗標準；(2)塗裝材料耐久耐候試驗，將常見 的壓克力樹脂漆、環氧樹脂漆、PU 樹脂漆、與防火漆四種塗裝材料運用於 碳鋼、水泥砂漿、與木材基材上，進行2000 小時的鹽霧與日光加速劣化試 驗及6 個月的自然曝曬劣化試驗，探討塗裝材料的耐久耐候性。 在塗裝材料耐久耐候試驗方面，摘要如下： (一) 試驗方法：(1)鹽霧加速劣化試驗－中性鹽霧試驗，試驗時間共 2000 小 時；(2)日光加速劣化試驗－ASTM D6695 Cycle 2 試驗法，試驗時間共 2000 小時；(3)自然曝曬試驗－開放式曝曬架。

(二) 劣化分析：(1)鹽霧試驗－每 200 小時進行光澤度與色差分析，每 1000 小時進行腐蝕速率量測試驗與塗膜接觸角試驗，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。 (三) 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，其光澤度驟降至30%以下，2000 小時後，表面有粗糙情形產生。

第二節 奈米塗料之功能性探討

塗料由成膜物質、顏料、溶劑、助劑、及其他添加物等成分組成，塗料的使 用有兩個基本目的，即當塗料在被塗物表面形成薄膜後，可對被塗物產生保護作 用，其亮麗的光澤與顏色則有美化的效果。而所謂功能性塗料則指對某物體進行 塗裝後，能賦予該物體原先不具備之新功能的塗料，例如隔熱、防水、防蝕、防 火、防霉等性能。當奈米材料、技術與塗料結合後，吾人更期望能提升傳統塗料 的性能，惟奈米材料有許多種類，性能也有許多不同之處，而奈米塗料的研發主 要集中在自潔防污、抗菌除臭、隔熱調溫等功能，因此，本節簡要說明常用奈米 材料及塗料之功能性需求。 2.1 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【14】。 (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。 2.2 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【5】。 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) 防污自潔 塗料的防污自潔功能主要表現在塗膜的超疏水或超親水特性。材料表面 之疏水/親水性的高低可藉由接觸角的大小來判別，一般而言，接觸角在 150 度以上為超疏水性材料，20 度以下為超親水性材料。 超疏水性材料中最典型的粒子為蓮葉表面構造，德國研究學者藉由微觀 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」(參考圖 2-1(a))。目前在塗料應用方面，已可採 用奈米技術製成具微奈米表面構造之塗料塗膜，並可使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【10】。 超親水性塗料則是在塗料中加入光觸媒材料，經日光照射後，使塗膜轉 變成超親水性，若有灰塵或油污沾附時，可藉雨水的力量沖去原先沾附於材 料表面的灰塵或油污，達成自潔的效果(參考圖 2-1(b))。 (a)超疏水性－蓮花效應 (b)超親水性－光觸媒效應 圖 2-1 塗料防污自潔功能 (資料來源：(a) http://www.hk-phy.org/atomic_world/lotus/lotus02_c.html (b)參考文獻【1】) (四) 隔熱調溫性能 熱傳遞方式有3 種基本途徑：熱傳導、熱對流及熱輻射。建築物外牆或 屋頂之隔熱主要在阻絕太陽光熱能進入室內，以往認為只有紅外線與熱輻射 有關，其實可見光或更短的紫外線照射某物體後，只要被吸收皆會轉化為熱 能。奈米塗料的隔熱性能主要在於改變熱傳導及熱輻射效能，奈米孔絕熱材 料是一種有效的奈米複合絕熱材料，利用混入塗料中之奈米級中空粒子所產 生之奈米效應，延長熱傳導路徑及增加對熱輻射傳播的阻隔作用，以此降低 熱能進入室內。此外，利用奈米粒子對紅外線反射性能亦可製成隔熱塗料，

用於玻璃幕牆、金屬牆板等的隔熱效能。

另一方面，研究學者亦發現二氧化釩(VO2)可利用溫度差異來調節近紅

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。 (五) 抗菌除臭性能 光催化活性是半導體奈米粒子非常獨特的性能，半導體奈米粒子在紫外 光照射下，可有效的將有機污染物完全催化氧化成二氧化碳、水、氯離子等 無機物。隨著全球環保意識深化，用光催化技術消除有機物污染已經引起科 技界的廣泛興趣。二氧化鈦(TiO2)做為光催化劑，具有活性高、安全、無污 染等優點，是最有開發前景的綠色環保催化劑之一，並正在有機廢水處理、 空氣淨化、殺菌除臭中扮演愈來愈重要的角色，其應用也愈來愈廣泛。 圖 2-2 光觸媒之催化反應機制 (資料來源：http://www.photocatalyst.co.jp/e/toha/toha.htm)

第三節 奈米塗料檢測技術現況

依照國內奈米標章制定之精神，奈米塗料之檢測驗證項目主要包括奈米性、 功能性及其他，其涉及之檢測技術涵蓋奈米科技與傳統科技領域。雖然針對傳統 塗料之品質與性能檢測多已有相關試驗標準或產業規範可資遵循，然而，當導入 奈米技術後，奈米塗料功能性之改良程度如何與傳統塗料進行區隔，則多未有明

確之共識，導致業界在產品開發完成後，形成各說各話、無從驗證之地步。本節 將簡述目前常用於奈米性檢測之儀器設備與技術，並就塗料功能性之驗證問題進 行初步探討。 3.1 塗料奈米性檢測技術 「檢測」指的是以各式方法，針對特製的材料或結構進行物理特性的計算測 定，這些物理特性泛指材料或結構所延伸產生之光學，力學，電學，熱學，磁學 等之交互作用。「奈米檢測」則是指量測奈米尺度的這些物理特性的方法。在奈 米科技發展過程中的一大關鍵就是檢測技術，因為眼見為憑，看得到、摸得到的 東西才容易使人信服。當物體微小化至奈米尺度時，已超出一般檢測工具之量測 極限，因而檢測這些材料特性的工具益發具有舉足輕重的地位。 奈米材料特性之檢測方法主要可分為探測源及監測項，探測源的目的在於與 受測物作用並激發其物性，常用之探測源如光子、X 光、離子、電子、原子、中 子等，其可激發受測物產生二次效應，而此效應可能是能量、溫度、質量、時間、 角度、相位等之函數。例如以光子束作為探測源，受測物可能產生光子訊號，就 如常見之螢光(PL)、拉曼(Raman)光譜或 X 光繞射(XRD)；亦可能產生電子訊號， 這時分析之技術就為X 光吸收光譜(XAS)或 X 光光電子光譜(XPS)等技術。當以 電子做為探測源，則產生的電子訊號，其分析方法最為熟知的如掃描式(SEM)或 穿透式(TEM)電子顯微術，而分析產生之光子訊號，則為能量分散光譜(EDS)技 術等。若要分析表面特性，則首推掃描探針顯微術(SPM)，包括掃描穿遂顯微術 (STM)及原子力顯微術(AFM)等【15】。 常用於檢測奈米級材料特性的顯微技術有3 種，包括：掃描電子顯微技術(SE M)、穿透電子顯微技術(TEM)及掃描探針顯微技術(SPM)，其解析能力與所使用 光源的波長大小相關，各顯微技術之優劣比較如表2-7 所示，其中 SEM 是奈米 材料顯微形貌觀察方面最主要、使用最廣泛的分析儀器，具有影像解析度極高、 景深長之特點，可以清晰觀察起伏程度較大的樣品，且具儀器操作容易、試片製

備簡易之優點。 表 2-7 常用顯微技術比較表 掃描電子顯微技術 (SEM) 穿透電子顯微技術 (TEM) 掃描探針顯微技術 (SPM) 橫向解析度 1 nm 原子級 原子級 縱向解析度 10 nm 無 原子級 成像範圍 1 mm 0.1 mm 0.1 mm 成像環境 真空 真空 無限制 樣品準備 鍍導電膜 手續繁複 無 成分分析 有 有 無 (資料來源：http://www.getgoal.com.tw/tech/tech-21-1.htm) 在國內現行奈米標章驗證規範中，有關奈米性之驗證規定為：奈米原料(例 如光觸媒、奈米銀等)之成分須確認，奈米成分粒徑或表面奈米結構，其平均粒 徑任一維須在100nm 以下。 3.2 塗料功能性之驗證基準 國內目前施行之奈米標章驗證規範中，有關奈米塗料之驗證規範有6 種，其 功能性需求主要為脫臭、抗污、防火、自潔、雙疏防污等，規範名稱如下： TN-001 奈米光觸媒脫臭塗料驗證規範 TN-005 奈米光觸媒抗污塗料驗證規範 TN-021 奈米木質用防火塗料驗證規範 TN-027 奈米光觸媒自我潔淨聚碳酸酯建材驗證規範 TN-030 奈米結構雙疏防污建築塗料驗證規範 TN-031 奈米光觸媒自我潔淨塗料驗證規範 其他驗證規範中，功能性檢測與塗層相關之規範尚包括： TN-002 奈米光觸媒抗菌陶瓷面磚驗證規範

TN-004 奈米光觸媒抗污陶瓷面磚驗證規範 TN-008 奈米表面處理抗污衛生陶瓷器驗證規範 TN-012 奈米表面抗污金屬隔板驗證規範 TN-015 奈米撥水易潔汽車蠟驗證規範 綜整前述所列之驗證規範，與奈米塗料相關之功能性檢測項目、方法與要求 標準整理如表2-8 所示，塗料耐久耐候性之檢測項目、方法與要求標準則整理如 表2-9 所示。由表 2-8 可知，針對塗料之自潔、防污等特性，皆以接觸角量測為 評定指標，防污部分並輔以對試劑之分解能力；表2-9 則顯示塗料耐久耐候性能 之評定方式，主要採用耐刷洗試驗及QUV 試驗。

表 2-8 與奈米塗料相關之功能性檢測項目與標準 功能項目 特性 要求水準 光觸媒脫臭 對乙醛之脫臭分解 去除率須達70%以上。 光觸媒抗菌 對金黃色葡萄球菌及大 腸桿菌之抗菌率 抗菌率須達90%以上。 對有機污染物氧化分解 亞甲基藍試劑6 小時之分解率＞70%。 乾燥塗膜之親水化時間 接觸角30°之親水化時間 5 小時以下。 光觸媒抗污 乾燥塗膜之暗處接觸角 置暗處48 小時，維持 30°以下之接觸角。 水接觸角量測 水接觸角＞100°。 污染殘留試驗 污染殘留比率＜1%。 表面處理抗污 濃稠污物污染試驗 濃稠污物污染殘留比率＜1%。 水接觸角量測 水接觸角＞100°。 水滴滑動測試 50µL 液滴滑動角＜30°。 撥水易潔 水漬殘留 30°傾斜板上水漬殘留比率＜10%。 耐燃性 每單位面積之發煙係數：100 以下。 餘焰時間：30 秒以下。 塗料塗膜特性 附著性：8 點以上(1mm 方格黏帶法)。 鉛筆硬度：B 以上。 防火 無鹵素材料檢測 氯化合物的總含量＜900ppm。 溴化合物的總含量＜900ppm。 總鹵素的化合物最大含量＜1500ppm。 水接觸角量測 接觸角＞100°。 耐鹽霧試驗 鹽霧試驗500 小時，接觸角＞80°。 表面塗裝高耐 候 耐候試驗 QUV 照射 500 小時，接觸角＞80°。 水接觸角量測 照光時間48 小時，臨界接觸角＜10°。 光觸媒自潔 亞甲基藍分解效能 照光時間3 小時，分解活性指數大於 10 nmol/(L•min)。 水接觸角測試 水接觸角＞140°。 油接觸角測試 二碘甲烷接觸角＞100°。 水性污染物防污試驗 亮度差ΔL≧-2。 雙疏防污 油性污染物防污試驗 亮度差ΔL≧-2。 (資料來源：奈米標章相關規範，本研究整理)

表 2-9 與奈米塗料相關之耐久耐候特性檢測項目與標準 功能項目 特性 要求水準 表面處理抗污 耐刷洗試驗 刷洗2000 次，水接觸角＞100°、污染殘 留比率＜1%、濃稠污物污染殘留比率＜ 5%。 撥水易潔 耐刷洗試驗 刷洗1000 次，水接觸角＞100°。 防火 耐刷洗試驗 刷洗1000 次，塗膜無顯著磨損及破裂。 耐鹽霧試驗 鹽霧試驗500 小時，接觸角＞80°。 耐候試驗 QUV 照射 500 小時，接觸角＞80°。 表面塗裝高耐 候 耐刷洗試驗 刷洗2000 次，接觸角＞90°。 耐候試驗 QUV 照射 1000 小時，接觸角＜20°。 耐刷洗試驗 刷洗1000 次，接觸角＜20°。 光觸媒自我潔 淨 耐久性 QUV 照射 500 小時，再進行刷洗 1000 次，水接觸角＜20°或分解活性指數大於 5 nmol/(L•min)。 耐刷洗試驗 刷洗2000 次，水接觸角＞130°、二碘甲 烷接觸角＞90°。 雙疏防污 耐候試驗 QUV 照射 500 小時，水接觸角＞130°、 二碘甲烷接觸角＞90°。 (資料來源：奈米標章相關規範，本研究整理)

第三章 試驗規劃與執行

本研究配合本所材料實驗中心目前已建置完成之儀器設備，針對市售奈米塗 料之奈米性與功能性驗證項目，以及塗料之耐久耐候性能，規劃可執行之檢測方 法，除建立本所材料實驗中心在奈米檢測方面之技術能力外，亦可利用加速劣化 試驗，探討奈米塗料塗模在經過長期外在天候環境外力作用後，其原有之功能性 產生多少變化，藉此瞭解奈米塗料之耐久耐候性能，並初步探討奈米塗料耐久耐 候性能評估基準，同時也為實驗室認證預做準備。

第一節 試驗項目與試驗規劃

本所材料實驗中心現有與材料檢測相關之實驗設備，應可執行之塗料分析項 目包括：奈米性、接觸角、光澤度、色差、附著性、硬度、透水性、隔熱等，劣 化設備則包括：鹽霧試驗機、氙弧燈式耐候試驗機、以及南北兩處戶外曝曬架。 本節根據設備設置現況，以及本案執行人力與時程之限制，針對室外型奈米塗料 之耐久耐候性能進行試驗規劃，擬藉由加速劣化試驗探討劣化過程對奈米塗料各 項性能之影響，並期望能整合試驗過程的各種經驗，研擬奈米塗料奈米性、功能 性及耐候性試驗相關之標準作業程序，做為本所材料實驗中心實驗室認證之技術 文件。 一、基材規劃 本研究以常見之建築材料做為塗料之基材，包括金屬質材料、水泥質材料及 玻璃質材料等，由於本研究並非著眼於塗料對基材之保護作用，亦非探討基材材 質變化對其與塗料界面間之影響，而係以塗料本身耐久耐候能力為探討目標，因 此，基材之選用將僅考量其與塗料之匹配性。 1. 金屬質基材：採用一般常用於鐵皮屋外牆或棚架頂版之鍍鋅鋼板，試片尺寸

為150×70×1.6mm。 2. 水泥質基材：考量混凝土構造物大多以水泥砂漿抹平後才進行塗裝作業，並 考量基材材質之均一性與表面平整性，故以市售之水泥纖維板製作試片，試 片尺寸為150×70×6mm。 3. 玻璃質基材：採用一般清玻璃，試片尺寸為 150×70×3mm。 二、塗料規劃 本年度持續搜尋國內標榜奈米塗料之相關產品，綜合上年度所蒐集之資料， 奈米塗料產品之功能性多強調防污自潔性、耐久耐候性、防水性、隔熱性、防霉 除菌、附著性、硬度等，其中部分產品需有特殊之施作方式才能展現出功能性。 經評估塗料取得之便利性並配合本所劣化實驗設備之實驗量能後，本研究選取2 種市售奈米塗料進行探討(分別以塗料 A 及塗料 B 稱之)，藉以瞭解奈米技術或材 料對塗料功能性之提升有多少助益，亦可評估建立奈米塗料之指標。 1. 塗料 A 產品摡述 塗料性質：水性塗料、白色 標示主要功能：隔熱、防水、防污、耐候等 適用基材：金屬、石材、木材、塑膠、磁磚、水泥、磚塊等材質 塗佈方式：不需底漆，可以毛刷、滾輪、噴槍等方式施塗 2. 塗料 B 產品摡述 塗料性質：水性塗料、半透明 標示主要功能：撥水、防水、耐候、耐熱、防污等 適用基材：木材、水泥、玻璃、金屬、磚塊、塑膠等材質 塗佈方式：可不需底漆，可以毛刷、滾輪、噴槍等方式施塗 三、劣化試驗規劃

我國 CNS 11607 中規定了許多塗膜硬固後的耐久耐候性試驗，包括耐鹽水 噴霧試驗、耐濕性試驗（50℃；RH＞95%）、耐乾與濕冷熱反覆性試驗、加速黃 色度試驗、評估塗膜牢固性質的粉化度試驗、探討塗膜光變性質的耐光性試驗、 利用氙弧燈或碳弧燈照射的加速耐候性試驗、以及自然曝曬耐候性試驗等。其中 最常使用於評估塗膜耐久耐候性質的試驗方法為耐鹽水噴霧試驗、加速耐候性試 驗、及自然曝曬耐候性試驗。本研究原規劃採用加速耐候性試驗，並配合鹽水噴 霧試驗，以評估奈米塗料之耐久耐候性能，劣化試驗原規劃如下： 1. 加速耐候性試驗： (1) 目的：評估試片在模擬日光之氙弧燈光源照射及噴水霧之劣化過程中，塗 膜性質之變化，並與參比標準進行比對檢查。 (2) 劣化期程：約 1000 小時。 2. 加速耐候性試驗+鹽水噴霧試驗： (1) 目的：評估試片在加速耐候性試驗與鹽水噴霧試驗二者交互作用之劣化過 程下，塗膜之性質變化，觀察試片表面有無發生銹污及塗膜膨脹、剝離等 現象。 (2) 劣化期程：加速耐候性試驗與鹽水噴霧試驗總時數各約 500 小時。 然而，配合本所材料實驗中心之委託測試與其他實驗研究案之時程規劃，本 研究於10 月初始得使用氙弧燈耐候試驗機，因此，在研究期程窘迫下，擇定僅 執行加速耐候性試驗。 四、評估項目規劃 本研究目的係利用加速劣化試驗模擬奈米塗料塗膜在經過長期外在天候環 境外力作用後，探討其原有之功能性產生多少變化，藉此瞭解功能性奈米塗料之 耐久耐候性能，並初步探討奈米塗料耐久耐候性能評估基準。目前國內奈米標章 針對塗料所訂定之驗證規範，包括奈米性、脫臭功能、抗污(防污)功能、親水性、

耐燃功能、附著性、硬度、耐刷洗性、鹵素含量、耐候性等，本案依據本所材料 實驗中心現階段可執行之檢測與驗證項目，針對其劣化前後之性能指標進行探 討，內容包括： 1. 奈米性：利用微觀量測，評估奈米塗料是否為奈米技術產品，亦即塗料中之 奈米材料或塗膜表面結構任一維尺度需小於100nm，並辯識奈米材料成分。 2. 功能性： (1) 自潔性：量測塗膜之接觸角，評估塗料塗膜是否具有超疏水或超親水性， 能藉由雨水將塗膜表面髒污帶走，達到自我潔淨效果。 (2) 防污性：以 Eosin Yellowish 苯胺紅色料為污染劑，藉由污染劑在試片上之 殘留量，評估塗料之防污性。 (3) 隔熱性：利用戶外陽光或白熾燈泡照射，以熱耦線與資料擷取系統，量測 試件正、背面之溫度，評估塗料塗膜之隔熱效果。 (4) 透水性：使用透水試驗器具，於一定時間內，測定塗膜透水單位面積之水 量，做為塗膜之透水度。 (5) 附著性：利用百格刀及感壓性膠帶，評估塗料塗膜自基材剝離之抵抗性。 (6) 硬度：利用已知硬度之鉛筆在塗膜上推動，評估塗料塗膜之硬度。 (7) 其他：利用光澤度計、色差計等設備，量測比較劣化前後之差異，藉以評 估塗料塗膜之抗老化性能。 五、試片規劃 本案試片依據基材種類、塗料種類、劣化分析等進行編號。試片編號之第1 位字母為基材種類，以S 代表金屬試片，M 為水泥纖維板試片，G 為玻璃試片； 第2 位字母為塗料種類，以 A、B 編碼；第 3、4 位數字則為試片序號。由於本 所氙弧燈式耐候試驗機最多僅能容納63 片試片，依據試驗規劃之檢測週期與檢 測項目，估計試片之配置數量如表3-1 所示，其中色差、光澤度、接觸角、隔熱 屬於非破壞性檢測，其餘檢測項目歸類為破壞性檢測。所有試片於劣化前後皆執

行膜厚、色差、光澤度及接觸角量測。 表 3-1 試片規劃與編號 劣化期程 評估項目 金屬板試片 水泥纖維板試片 玻璃板試片 標準片 S_00 M_00 G_00 附著性、硬度 S_01~02 M_01 G_01~02 奈米性、透水性 － M_02 － 隔熱性 S_33~34 M_33~34 G_33~34 劣化前 防污性 － M_05 － 附著性、硬度 S_11~12 M_11 G_11~12 奈米性、透水性 － M_12 － 隔熱性 S_33~34 M_33~34 G_33~34 劣化 100 小時 防污性 － M_15 － 附著性、硬度 S_21~22 M_21 G_21~22 奈米性、透水性 － M_22 － 隔熱性 S_33~34 M_33~34 G_33~34 劣化 300 小時 防污性 － M_25 － 附著性、硬度 S_31~32 M_31 G_31~32 奈米性、透水性 － M_32 － 隔熱性 S_33~34 M_33~34 G_33~34 劣化 500 小時 防污性 － M_35 － (資料來源：本研究整理)

第二節 試驗方法綜整

綜合前述相關之試驗標準與驗證規範，本研究擬採用之劣化程序、檢測項目 與方法說明如下。 一、劣化程序 (一) 加速耐候性試驗

1. 試驗設備：氙弧燈式耐候試驗機 (SUGA, X75SC) (如圖 3-1) 2. 試件處理： (1) 取試件尺寸為 150×70mm； (2) 試件之塗料塗膜依產品標準進行塗裝，試件置於溫度 23±2℃、相 對溼度50±5%之條件下養護 7 天以上； (3) 每項測試項目所準備之相同試件至少 3 件，其中 1 件做為未劣化 之參比試件； (4) 試件編碼； (5) 以膜厚計量測塗膜厚度。 3. 加速劣化執行程序： (1) 依操作手冊檢查試驗機各單元，例如冷卻水、溼度產生器水位、 濕球水等。 (2) 正式試驗前，以照度計校正試驗機之放射照度量測單元，以校驗 用黑板溫度計校驗試驗機溫度量測單元。 (3) 必要時進行噴水水質檢驗。 (4) 將試件固定於試驗機之樣品架上，待測面朝內；無試件之空間以 不銹鋼板封閉。 (5) 設定試驗條件、週期與總試驗時間： (a) 102 min 照射，照度 41.5±2.5W/m2，黑板溫度63±2℃，相對溼 度50±5%； (b) 18 min 照射＋噴水，照度 41.5±2.5W/m2，艙溫38±2℃； (c) 重複(a)~(b)。 (6) 劣化 100、300、500、1000、1500 小時取出試件進行檢測。 (7) 試驗期間因須將試件取出檢測，而檢測後再將試件放回試驗機 時，其間斷試驗機運轉時間不得超過24 小時。

Paint and Related Coatings 圖 3-1 氙弧燈式日光模擬機－SUGA X75SC (資料來源：本研究拍攝) (二) 鹽水噴霧試驗 1. 試驗設備：鹽水噴霧試驗機 (SUGA, CTP-96) (如圖 3-2) 2. 試件處理： (1) 取試件尺寸為 150×70mm； (2) 試件之塗料塗膜依產品標準進行塗裝與養護，試件之切口以石臘 保護； (3) 以塗料被覆之試件，試驗前不可作洗淨處理，惟應清除附著物或 塵埃等； (4) 視需要以美工刀刀尖於塗膜上刻劃 2 條交叉線，刻痕深度達試驗 板底材； (5) 每項測試項目所準備之相同試件至少 3 件，其中 1 件做為未劣化 之參比試件； (6) 試件編碼； (7) 以膜厚計量測塗膜厚度。 3. 加速劣化執行程序：中性鹽水噴霧試驗

(1) 依操作手冊檢查試驗機各單元，例如冷卻水、鹽水槽水位等。 (2) 調配鹽液，鹽濃度為 50±5g/L，比重為 1.029~1.036(25℃時)，pH 值為6.5~7.2(25±2℃時)。 (3) 正式試驗前，調節噴霧空氣壓力為 0.098±0.010MPa，並進行噴霧 液取樣，確認取樣面積在80cm2時，噴霧量每小時收集0.5~1.5mL。 (4) 將試件放入試驗機中，試件角度與垂直線約為 20±5°；試件之位置 與間隔不得妨礙鹽霧之自由落下；試件滴下之鹽水不可落在其他 試件上。 (5) 設定試驗條件、週期與總試驗時間：連續噴霧，試艙溫度 35±2℃， 總試驗時間1000 小時。 (6) 每 200 小時取出試件進行檢測，試件取出後乾燥 0.5~1.0 小時，試 件若有鹽粒附著，以清水洗淨後乾燥之。 4. 參考標準：CNS 8886 鹽水噴霧試驗法。 圖 3-2 鹽霧複合耐候試驗機－SUGA CTP-96 (資料來源：本研究拍攝) 二、檢測項目與方法 (一) 奈米性檢測 1. 檢測設備：掃描試電子顯微鏡 (Hitachi, S-4300 w/ EMAX) (如圖 3-3)

2. 試件處理： (1) 裁取試件尺寸小於 20×20mm； (2) 以導電碳膠帶將試件黏著於樣品台上，清除試片表面塵屑，試件 不得有鬆動的粉末或碎屑，並避免以手指直接碰觸試件表面； (3) 將樣品台置入濺鍍機內，在試件上鍍一層白金薄膜協助試件導電； (4) 將樣品台置於樣品座上，量測樣品座及試件總高度，不可超過限 制高度。 3. 檢測方法： (1) 依據儀器廠商提供之操作手冊，開啟系統及電腦。 (2) 依據儀器廠商提供之操作步驟，將樣品座置入樣品室內。 (3) 依據儀器廠商提供之操作程序，進入控制軟體進行影像觀察。 (4) 影像觀察步驟：(a)加速電壓設定；(b)影像亮度調整；(c)焦距調整； (d)選擇觀察區域；(e)選擇放大倍率；(f)像差調整；(g)焦距微調； (h)量測奈米尺度；(i)擷取及儲存影像。 4. 參考標準：掃描試電子顯微鏡使用手冊。 圖 3-3 掃描試電子顯微鏡(SEM) (資料來源：本研究拍攝) (二) 接觸角量測 1. 檢測設備：接觸角計 (FTA188) (如圖 3-4) 2. 試件處理：

(1) 以壓縮空氣清除試樣表面之塵埃等； (2) 試樣表面不可直接以手指碰觸或其他會造成表面污染之行為； (3) 必要時，試樣表面以蒸餾水洗淨，置於室溫下乾燥。 3. 檢測方法： (1) 實驗室溫度應控制在 23±2℃，相對溼度應控制在 50%以上。 (2) 依據接觸角計廠商所提供之操作指南，設定接觸角計之運作條 件，使用蒸餾水做為測試液體。 (3) 將試樣置於接觸角計之樣品台上，調整樣品台傾斜度，使試樣表 面近似於水平狀態。 (4) 調整樣品台高度，使試樣表面距離液滴注射針頭約 3mm。 (5) 擠壓液滴注射管，使液滴量恰由針頭滴落於試樣表面。 (6) 待液滴於試樣表面穩定後，即以接觸角計之攝影裝置拍攝液滴與 試樣接觸之影像，並利用接觸角計之內建軟體量測液滴兩側之接 觸角；拍攝影像時應留意焦距，使影像清晰。 (7) 選取試樣不同測點 3 處，重複步驟(5)~(6)，以各測點量測值之平均 值代表該試樣之接觸角。

4. 參考標準：ASTM D7334-08 Standard Practice for Surface Wettability of Coatings, Substrates and Pigments by Advancing Contact Angle Measurement

圖 3-4 接觸角計－FTA188

(資料來源：本研究拍攝) (三) 色差分析

1. 檢測設備：色差計 (SUGA, SM-T)－分光測光儀 (如圖 3-5) 2. 試件處理： (1) 以壓縮空氣清除試樣表面之塵埃等； (2) 試樣表面不可直接以手指碰觸或其他會造成表面污染之行為； (3) 必要時，試樣表面以蒸餾水洗淨，置於室溫下乾燥。 3. 檢測方法： (1) 以標準色片執行校正作業。 (2) 依 CNS 11351 第 4.3.1 節規定，設定測試條件，即 45 度照明，0 度受光之條件，並選擇標準光源C 光。 (3) 將試件置於測試孔，測定三刺激值 X、Y、Z。 (4) 依 CNS 10136 之規定，由三刺激值可轉換為 L*、a*、b*值，並計 算ΔEab值，以比較色彩差異度。 4. 參考標準：CNS 10756-1 塗料一般檢驗法(有關塗膜之視覺特性之試驗 法) 圖 3-5 色差計 (資料來源：本研究拍攝) (四) 附著試驗

1. 檢測設備：百格刮刀及透明感壓性膠帶(3M Scotch Cellophane Film Tape 610)

2. 試件處理：

(2) 試樣表面不可直接以手指碰觸或其他會造成表面污染之行為； (3) 必要時，試樣表面以蒸餾水洗淨，置於室溫下乾燥。 (4) 塗膜總厚度應小於 250µm。 3. 檢測方法： (1) 實驗室溫度應控制在 23±2℃，相對溼度應控制在 50±5%以上。 (2) 檢查刮刀刀刃狀態。 (3) 將試片平放，以百格刮刀在試片表面 3 處不同位置切割出方格網， 切割深度須達基材面。 (4) 切取約 75mm 長之膠帶，黏貼於方格網上，並超出方格網範圍至 少20mm，以手指施壓，使其有良好之黏著。 (5) 黏著後約 5 分鐘，抓住膠帶之一端，以約 60 度角、在 0.5~1.0 秒 內將膠帶拉開。 (6) 保留撕下的膠帶(例如黏在透明紙上)，做為參照比對之用。 (7) 依方格網剝離程度評定等級。 4. 參考標準： (1) CNS 15200-5-6 塗料一般試驗法－第 5-6 部：塗膜機械性質：附著 試驗(方格法)

(2) ASTM D3359 Standard Test Methods for Measuring Adhesion by Tape Test (五) 硬度試驗 1. 檢測設備：鉛筆硬度計(如圖 3-6(a)) 2. 試件處理： (1) 以壓縮空氣清除試樣表面之塵埃等； (2) 試樣表面不可直接以手指碰觸或其他會造成表面污染之行為； (3) 必要時，試樣表面以蒸餾水洗淨，置於室溫下乾燥。 3. 檢測方法：

(1) 實驗室溫度應控制在 23±2℃，相對溼度應控制在 50±5%以上。 (2) 削除鉛筆前端木質部分，使筆芯露出 5~6mm。 (3) 將鉛筆以 90 度角在砂紙上研磨，使筆芯端部平整。 (4) 將試片平放，並將鉛筆置入試驗儀，使筆芯前端接觸試件表面後， 以0.5~1.0mm/s 之速度推進至少 7mm 之距離(如圖 3-6(b))。 (5) 以目視檢查是否有刮痕產生。 (6-1) 若無刮痕產生，提高鉛筆硬度，重複(2)~(5)，直至產生長度至少 3mm 之刮痕，但試驗位置不可重疊。 (6-2) 若有刮痕產生，降低鉛筆硬度，重複(2)~(5)，直至不產生刮痕。 (7) 不使塗膜產生刮痕之最硬鉛筆硬度為該試片之鉛筆硬度。 4. 參考標準： (1) CNS 15200-5-4 塗料一般試驗法－第 5-4 部：塗膜機械性質：刮痕 硬度(鉛筆法)

(2) ASTM D3363 Standard Test Method for Film Hardness by Pencil Test

(a) 鉛筆硬度計 (b) 硬度測試 圖 3-6 鉛筆硬度計 (資料來源：本研究拍攝) (六) 光澤度分析 1. 檢測設備：光澤度計 (BYK, micro-gloss 60°) (如圖 3-7) 2. 試件處理： (1) 以壓縮空氣清除試樣表面之塵埃等； (2) 試樣表面不可直接以手指碰觸或其他會造成表面污染之行為；