臺灣博碩士論文加值系統

本研究成功的利用溶膠-凝膠法合成出PVA/TMPS/TiO2奈米複合材料，而合成出之材料有良好之耐熱性、高透光性、遮蔽紫外光能力和光降解能力。首先先利用pH=2.0之酸性水溶液將TMPS矽氧烷偶合劑水解成矽醇(silanol)中間物，使無機TiO2粉末經有機改質化反應，使之能成功地共價鍵結在有機基材上，接著將TMPS/TiO2複合物上的-OH活性官能基與有機PVA基材上之-OH活性官能基，進行縮合脫水反應合成出PVA/TMPS/TiO2奈米複合材料。
　　利用IR光譜儀的實驗結果，來確定反應的最佳的條件及組成配方比例，接著利用TGA量測材料之熱性質、UV-Vis光譜儀來檢測其透光性質及對染料之光催化降解能力、利用FE-SEM來觀察其表面之形態學、以及利用硬度計來測試薄膜之硬度、利用表面電阻儀來測量薄膜之表面電阻。實驗結果顯示，本研究所合成之複合材料其透明度可以達到90%以上，耐熱性質Td點提升到276.14。C，較純PVA的256.54。C提升約20。C，薄膜硬度從3H提升至6H，表面電阻由2.15x1010 Ω/cm2降為2.13x109 Ω/cm2，由FE-SEM觀察其形態學，確認無機TiO2粉末均勻的分布在有機PVA基材中，且無機微粒平均粒徑約在40nm左右，符合奈米複合材料的範圍。最後將此奈米複合薄膜進行光催化降解染料的測試，成功的降解亞甲基藍及甲基紅。



關鍵詞：PVA、TiO2、光催化降解、紫外光遮蔽、奈米複合材料。

This research is to synthesize PVA/TMPS/TiO2 nanocomposites with good heat resistance, UV-shielding, high transparency and photocatalytic degradation by sol-gel methods. At the first, the TMPS was performed to the silanol intermediate by hydrolysis in acid solution of pH=2. In order to couple with the organic matrixes the inorganic TiO2 powder was modified by silanol. The active –OH functional groups of TMPS/TiO2 and organic PVA matrixes will progress condensation with each other to synthesize PVA/TMPS/TiO2 nanocomposites.
The chemical bonding formation and the best weight contents of reaction components were identified by FT-IR spectra. The thermal resistance, optical transmittance and the ability of photocatalytic degradation, morphology of surface, surface resistance, and hardness of these nanocomposites were measured by TGA, UV-Visible, FE-SEM, super megohmeter and hardness tester respectively. Experimental results showed that these hybrid films had over 90% transmittance and the best Td value of 276.14。C was 20。C higher than the Td value of 256.54。C for PVA. The hardness of these hybrid films was improved from 3H to 6H. The surface resistance of these hybrid films were decreased from 2.15x1010 Ω/cm to 2.13x109 Ω/cm2. The morphology of hybrid films were estimated by FE-SEM. The results of FE-SEM showed that the inorganic TiO2 powder were well distributed throughout the PVA matrixes and the average particles size of these nanocomposites were about 40nm. Finally, the tests of photocatalytic degradation of methylene blue and methyl red with these hybrid films was successful.





Keywords: PVA, TiO2, photocatalytic degradation, UV shielding, nanocomposites.

目錄
摘要 I
目錄 II
圖目錄 IV
表目錄 VI
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 複合材料定義 4
1-3 奈米複合材料定義 5
1-3-1 奈米複合材料製備方法 6
1-4 聚乙基醇介紹 8
1-4-1 聚乙烯醇合成方法 9
1-5 奈米二氧化鈦介紹 11
1-5-1 奈米TiO2的製造 11
1-5-2 奈米TiO2之光催化機制及應用 14
1-6 偶合劑的介紹 17
1-7 PVA/TiO2奈米複合材料合成 21
1-7-1 直接混合法 21
1-7-2 溶膠-凝膠法 21
1-8 研究動機 25
1-9 研究目的 27
第二章 實驗方法 29
2-1 實驗材料及藥品 29
2-2 實驗儀器及裝置 32
2-3 實驗步驟 35
2-3-1 PVA/TMPS/TiO2 複合材料之合成 35
2-4 複合材料分析 40
2-4-1複合材料化學分析 40
2-4-2 複合薄膜表面形態學分析 41
2-4-3 複合材料物理性質測試 42
2-4-3-1複合材料熱學性質測試 42
2-4-3-2 複合材料光學性質測試 43
2-4-3-3 複合薄膜硬度測試 44
2-4-3-4 複合材料導電度測試 46
2-5 實驗流程 47
第三章 結果與討論 48
3-1 PVA/TMPS/TiO2 IR結構鑑定 48
3-1-1 TMPS酸水解IR結構鑑定 48
3-1-2 TMPS矽醇中間物/TiO2 IR結構鑑定 51
3-1-3 PVA/TMPS矽醇中間物/TiO2 IR結構鑑定 54
3-2複合材料熱性質分析 56
3-2-1 TGA 56
3-3 複合材料光穿透度分析 63
3-4 複合材料厚度及硬度測試 67
3-5 PVA/TMPS/TiO2 複合薄膜之導電度測定 69
3-6 PVA/TMPS/TiO2 奈米複合薄膜表面型態分析 71
3-7 PVA/TMPS/TiO2 奈米複合薄膜光降解測試 74
3-8綜合討論 80
第四章 結論 85
參考文獻 87






圖目錄
圖1-3-1奈米複合材料組成 6
圖1-4-1聚乙烯醇結構式 8
圖1-4-2聚乙烯醇製備法 10
圖1-5-1 TiO2的兩種晶相 13
圖1-5-2 TiO2光催化活性機制示意圖 16
圖2-3-1 TMPS酸水解反應示意圖 35
圖2-3-2無機TiO2粉末表面有機改質反應之示意圖 36
圖2-3-3 TMPS/TiO2複合物之示意圖 37
圖2-3-4 PVA/TMPS/TiO2之縮合反應示意圖 38
圖2-4-1傅立葉轉換紅外線光譜儀 40
圖2-4-2 掃描式電子顯微鏡 41
圖2-4-3 熱重量分析儀 42
圖2-4-4紫外線可見光光譜儀 43
圖2-4-5 鉛筆硬度測試圖 44
圖2-4-6 超絕緣儀 46
圖2-5-1 實驗流程圖 47
圖3-1-1 TMPS矽氧烷偶合劑 FT-IR光譜圖 49
圖3-1-2 TMPS矽氧烷偶合劑不同時間酸水解FT-IR光譜圖 51
圖3-1-3 Powder TiO2 FT-IR光譜圖 53
圖3-1-4 TMPS/無機TiO2 powder反應之FT-IR光譜圖 53
圖3-1-5 PVA/TMPS矽醇中間物/TiO2之FT-IR光譜圖 55
圖3-2-1 純PVA之TGA圖 56
圖3-2-2 含1wt% TiO2之PVA/TMPS/TiO2複合材料TGA圖 57
圖3-2-3 含2wt% TiO2之PVA/TMPS/TiO2複合材料TGA圖 57
圖3-2-4 含3wt% TiO2之PVA/TMPS/TiO2複合材料TGA圖 58
圖3-2-5 含4wt% TiO2之PVA/TMPS/TiO2複合材料TGA圖 58
圖3-2-6 含5wt% TiO2之PVA/TMPS/TiO2複合材料TGA圖 59
圖3-2-7 不同比例TiO2之複合材料對Td關係圖 62
圖3-2-8 不同比例TiO2之複合材料對灰分關係圖 62
圖3-3-1 不同比例TiO2之PVA/TMPS/TiO2複合材料之UV穿透圖 64
圖3-3-2 不同比例TiO2之PVA/TMPS/TiO2複合材料在700nm可見光穿透
度關係圖 65
圖3-3-3 不同比例TiO2之PVA/TMPS/TiO2複合材料在300nm紫外光穿透
度關係圖 66
圖3-4-1 不同比例TiO2與複合薄膜硬度之關係圖 68
圖3-5-1 不同比例TiO2對表面電阻之關係圖 70
圖3-6-1 PVA/TMPS/TiO2奈米複合薄膜之FE-SEM圖 72
圖3-6-2 PVA/TMPS/TiO2奈米複合薄膜之FE-SEM圖 73
圖3-6-3 PVA/TMPS/TiO2奈米複合薄膜之FE-SEM圖 73
圖3-7-1 Methyl blue吸附之UV光譜圖 75
圖3-7-2 Methyl blue吸附UV光譜局部圖 76
圖3-7-3 Methyl blue經紫外光光催化降解之UV吸收光譜圖 76
圖3-7-4 Methyene Blue經紫外光催化降解吸收度對時間之關係圖 77
圖3-7-5 Methyl red吸附之UV吸收光譜圖 78
圖3-7-6 Methyl red經紫外光光催化降解之UV吸收光譜圖 78
圖3-7-7 Methyl red經紫外光催化降解吸收度對時間之關係圖 79











表目錄
表1-5-1 不同晶相TiO2之比較 14
表3-2-1 不同比例TiO2之PVA/TMPS/TiO2複合材料Td點與灰分 61
表3-3-1 不同比例TiO2之PVA/TMPS/TiO2複合薄膜穿透率 64
表3-4-1 不同比例TiO2之PVA/TMPS/TiO2複合薄膜硬度及厚度 68
表3-5-1 不同比例TiO2之PVA/TMPS/TiO2複合薄膜之表面電阻 70
表3-8-1 不同比例TiO2之PVA/TMPS/TiO2奈米複合材料物理性質 83
表3-8-2 本研究與相關文獻之比較 84

參考文獻
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