臺灣博碩士論文加值系統

本研究之目的在探討粉體間之作用力對懸浮體之結構、流變行為和粉體排列方式的影響。吾人期望能藉由此關聯性的解析，進而引導我們獲得有序規則排列之膠體晶體結構。具體的研究內容主要可分為以下兩個部分：
(一)探討奈米尺寸銳鈦礦（Anatase）結構二氧化鈦粉體，在純水中之分散、流變行為和其懸浮體結構之關係。在體積固含量（f = 0.05~0.12）和剪切速率（γ = 101~103 s-1）的範圍中，二氧化鈦奈米懸浮體一般呈現擬塑性流體行為，顯示奈米粉體在純水載體之中是屬於凝聚的狀態；當體積固含量（f）增加到0.1以上，懸浮體黏度明顯增加，實驗發現，懸浮體之相對黏度（ηr）隨著 f 增加而呈指數型態增加，並且可以ηr = 13.47•exp (35.98 f )表示，顯示當 f 增加時，粉體間相互作用的程度增加。吾人藉由實驗獲得之懸浮體降伏應力（τy）和體積固含量（f）的關係估計懸浮體的碎形次元（Df），發現奈米二氧化鈦懸浮體的碎形次元在Df ＝1.46~1.78之間，顯示懸浮體結構可能是由擴散極限凝塊聚集（Diffusion-limited cluster-cluster aggregation，DLCA）的機構所構成，因此粉體間主要是由凡得瓦位能所支配。奈米二氧化鈦懸浮體之理論最大固含量值（f m）估計為0.146，此相對低之（f m）值部分證明奈米粉末在液體載體中是由互相接觸連結之粉體所形成的三度空間多孔性網絡結構所組成。
（二）吾人探討利用微米與次微米均一尺寸塑膠微球自組裝製備有序膠體晶體結構之研究。在此實驗，吾人主要是利用重力沉降(Gravity sedimentation)的方法，使塑膠微球在矽晶片上自組裝(Self-assembly)排列成規則有序的“晶體”結構。在本實驗中，藉由改變不同的沉降溫度及懸浮體濃度條件後，可獲得到有序膠體晶體之結構，並利用場發射電子顯微鏡（FE-SEM，JSM-6335F，JEOL，Japan）觀察其排列結構。實驗結果顯示：
（1）對3 μm粒徑尺寸之塑膠粉體而言，在不同溫度（30~100 oC）體積固含量( f = 0.005~0.03 )範圍，以溫度在100 oC，體積固含量 f = 0.02時，呈現較佳的有序膠體晶體之結構；而在其他溫度（30~100 oC）及體積固含量( f = 0.005~0.01 )，膠體晶體結構呈現較不規則排列狀態及塑膠微球分布不均的現象；在溫度為30~100 oC，體積固含量增加到0.03以上，懸浮體黏度明顯增加，膠體晶體結構明顯呈不規則凝聚現象，缺陷濃度亦增加，這表示在懸浮體中發生粉體凝聚作用，所以當體積固含量增加時則粉體間互相作用的程度也會增加。
（2）當三種不同粒徑尺寸（1.03、0.482和0.304 μm）之塑膠粉體溶液，在不同溫度（30~100 oC）和體積量（1~5 ml）的範圍中，實驗結果顯示在此溫度範圍，製作出的膠體晶體結構無明顯的不同。在本實驗中，吾人是採取適中的溫度（50 oC），來作為沉降的溫度。在體積量（1~5 ml）的範圍中，膠體晶體結構皆會有呈現規則排列之結構的區域，且塑膠微球粉體粒徑越小，則形成有序膠體晶體結構之區域越大。由於每個堆積方式都有其特定的缺陷產生機率，吾人發現，當體積量增加時，缺陷的濃度必增加。而從以上結果中暗示懸浮體排列結構受粉體間作用力影響甚巨，吾人預測當粒子間之動能小於斥力能障，膠體粒子間是由排斥力所支配，形成的沈澱物呈現較有規則堆積的狀態。

The objectives of this research were to explore and discuss the influence of particle interactions to colloidal structure, rheological behavior and the resultant particle arrangement in aqueous powder processing. Specific research contents are summaried as follows:
1. Rheological behavior and suspension structure of anatase titanium dioxide (TiO2) nanoparticles dispersed in pure water have been investigated over a range of volumetric solids concentrations (f = 0.05 — 0.12) and shear rates (γ = 101 — 103 s-1). The nanoparticle suspensions generally exhibited a pseudoplastic flow behavior, indicating an existence of particle aggregates in the carrier medium. The suspensions became apparently thixotropic as f was increased above 0.1. Relative viscosity (ηr) of the suspensions followed an exponential form with f , i.e., ηr = 13.47e35.98f . This indicated a pronounced increase in the degree of particle interactions as f increased. Fractal dimension (Df) was estimated from suspension yield-stress (τy) and f dependence, and was determined as Df ~ 1.46 to 1.78 for the nanoparticle suspensions. This suggested that the suspension structure was probably dominated by the diffusion-limited cluster-cluster aggregation (DLCA), due mostly to the strong attractions involved in the interparticle potentials. Maximum solids loading (fm) of the suspensions was determined as fm = 0.146. This relatively low fm value (compared with the random close packing of monosized particles, fm ~ 0.64) partially vindicated the existence of porous, three-dimensional network of interconnected nanoparticles in the carrier liquid.
2. We examined the self-assembled colloidal crystals by using micrometer and submicrometer latex micro spheres of uniform size. The assembled sphere arrays at different sedimentation temperatures and solids concentrations were observed by FE-SEM.
(1) For 3μm particle size latex spheres: The packing structure was examined over a range of different temperatures (30~100oC) and volumetric solids concentrations (f = 0.005~0.03). At temperature 100oC and volumetric solids concentration f = 0.02, the assembled colloidal structures were compared. At temperatures between 30~100oC and volumetric solids concentrations f = 0.005~0.01, the resultant colloidal structure appeared rather irregular. At temperatures 30~100oC, the suspension viscosity became apparently increased as f was increased above 0.03, resulted in colloidal structures apparently irregular agglomerate state with faults concentration also increased.
(2) For monodispersed particles of different particle sizes (1.03, 0.482 and 0.304 μm) of latex spheres in solution: We examined the assembled structure over a range of different temperature (30~100oC) and volume quantities (1~5ml). Experimental results indicated that the assembled colloidal structures were not much different at this temperature range. We then used a moderate temperature (50oC) for all the subsequent experiments. Colloidal structure with periodic arrangement in micrometer regions (regular area~100 μm2) was obtained. The latex spheres with reduced particle sizes tended to become better periodicity in colloidal structure.

目 錄
謝 誌 I
摘 要 II
ABSTRACT V
目 錄 VII
圖 目 錄 XI
表 目 錄 XV
第一章 研究動機 1
第二章 文獻回顧 4
2-1 二氧化鈦之概述 4
2-2 二氧化鈦之製備 5
2-2-1 溶膠-凝膠法（Sol-Gel method） 6
2-2-2 液相沉積法（Liquid phase deposition, LPD） 7
2-2-3 化學氣相沉積法（Chemical vapor deposition, CVD） 8
2-3 二氧化鈦之優點 8
2-4 二氧化鈦之應用 10
2-5 流變分析 10
2-5-1 牛頓流體（Newtonian Flow） 11
2-5-2 非牛頓流體（Non-Newtonian Flow） 11
2-5-2-1 剪切變薄作用（Shear-Thinning） 12
2-5-2-2 剪切增厚作用（Shear-Thickening） 12
2-5-3 觸變性流體（Thixotropic flow） 13
2-6 懸浮體中粉體間之相互作用力-D.L.V.O.理論 13
2-7 光子晶體之概述 15
2-8 光子晶體之製備 15
2-9 懸浮體光子晶體（Colloidal opal） 18
2-10 毛細管作用力（Capillarity Force） 18
第三章 實驗步驟與方法 19
一. 針對奈米二氧化鈦懸浮體之分散研究部分 19
3-1 起始原料 19
3-1-1 二氧化鈦粉末 19
3-1-2 溶劑載體 19
3-2 實驗步驟 20
3-3 實驗方法 21
3-4 流變性質量測 22
3-5 粉末之微觀與成分鑑定 22
3-5-1 粉末之微觀分析 22
3-5-2 粉末之結構分析 23
二. 針對微米及次微米塑膠粉體之自組裝研究部分 24
3-1 起始原料 24
3-1-1 原始粉末 24
3-2 實驗步驟 25
3-3 實驗方法 27
3-3-1 粉末A之實驗方法 27
3-3-2 粉末B、C、D之實驗方法 28
3-4 塑膠微球粉末之微觀與成分鑑定 28
3-4-1 微觀分析 28
3-4-2 光譜分析 29
3-4-3 熱分析 29
第四章 結果與討論 30
一. 針對奈米二氧化鈦粉體之分散研究部分 30
4-1 起始粉末之性質 30
4-1-1 粉末之顯微外觀 30
4-1-2 粉末之能量散佈光譜儀（EDS）分析 32
4-1-3 粉末之結晶結構 33
4-2 奈米懸浮體之流變性質 34
4-3 碎形次元之決定與懸浮體凝聚結構 38
二. 針對微米及次微米塑膠粉體之自組裝研究部分 41
4-1 起始粉末之性質 41
4-1-1 粉末之顯微結構 41
4-1-2 粉末之IR光譜分析 44
4-1-3 粉末之熱分析 48
4-2 製作有序膠體晶體結構之實驗參數及其影響 52
4-2-1 粉末A（3μm塑膠粉體）之FE-SEM顯微結構觀察 53
4-2-2 粉末B、C、D（1.03、0.482和0.304 μm塑膠粉體溶液）之FE-SEM顯微結構觀察 56
第五章 結 論 64
一. 針對奈米二氧化鈦粉體之分散研究部分 64
二. 針對微米及次微米塑膠粉體之自組裝研究部分 65
參 考 文 獻 66

參 考 文 獻
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