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研究生:賴玫君
研究生(外文):Mei-Chun Lai
論文名稱:油性聚亞醯胺/黏土奈米複合材料及水性壓克力乳膠/黏土奈米複合材料之合成及性質探討
論文名稱(外文):Synthesis and Property Studies of Organic-Based Polyimide/Clay Nanocomposite Materials and Water-Based Polyacrylate Latex/Clay Nanocomposite Materials
指導教授:葉瑞銘葉瑞銘引用關係
指導教授(外文):Jui-Ming Yeh
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:化學研究所
學門:自然科學學門
學類:化學學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2005
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:119
中文關鍵詞:黏土奈米複合材料乳膠
外文關鍵詞:ClayNanocompositeLatex
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摘要
本研究主要分為兩部份,ㄧ是以乳化聚合(Emulsion polymerization)方式製備水性壓克力乳膠(PMBS),再將黏土以溶液聚合法(Solution dispersion)分散於水性乳膠中,製備水性乳膠/黏土奈米複合材料;另一則是以原位聚合(In-situ polymerization)方式製備聚亞醯胺/黏土奈米複合材料。在黏土改質部份,利用四級銨鹽或磷鹽等界面活性劑當作改質劑,提升黏土之有機性,使原先親水性之黏土改質為親油性,進而改善黏土與高分子間之相容性。
本研究中,將進一步探討奈米複合材料在防腐蝕性質、熱性質及機械性質之變化。利用廣角X-ray繞射儀(WAXRD)觀察黏土之層間距變化;利用穿透式電子顯微鏡(TEM)觀察黏土分散於高分子中的情形;使用循環伏特電位儀(CV)量測防腐蝕性質之相關數據;另外,以熱重分析儀(TGA)與微差掃描式熱分析儀(DSC)觀察奈米複合材料之熱性質變化,以動態機械分析儀(DMA)量測奈米複合材料之機械性質。
Abstract
A series of water-based polyacrylate/clay nanocomposite materials were prepared successfully by the effective dispersion of nanolayers of the montmorillonite (MMT) clay in the polyacrylate matrix through solution dispersion. On the other side, a series of polyimide/clay nanocomposite materials were prepared by the in-situ emulsion polymerization. The organophilic clay was prepared by cation-exchange reactions between the sodium cations of the MMT clay and the quaternary alkylphosphonium cations of the intercalating agent. The synthesized materials were subsequently investigated with a series of characterization techniques, including wide-angle powder X-ray diffraction (WAXRD) and transmission electron microscopy (TEM). Comparative studies of the optical clarity, molecular barrier properties, and thermal stability of samples prepared in both ways, as membranes and fine powders, were also performed with ultraviolet–visible transmission spectroscopy (UV-vis), molecular permeability analysis, thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC) and dynamic mechanical analysis (DMA), respectively.
目錄
摘要 1
Abstract II
目錄 III
圖目錄 VIII
表目錄 XI

第一章 緒論 1
1-1 奈米複合材料之簡介 1
1-2 有機-無機混成材料之種類與特性 3
1-3 無機層狀材料黏土之簡介 5
1-4 改質劑之簡介 6
1-5 聚亞醯胺之簡介 8
1-5.1 聚亞醯胺之介紹 8
1-5.2 聚亞醯胺之合成方式 9
1-5.3 聚亞醯胺之特性 12
1-5.4 聚亞醯胺之開發與應用 13
1-5.5 研究動機及目的 14
1-6 水溶性乳膠(PMBS)之簡介 15
1-6.1 聚合反應之種類 15
1-6.2 乳化聚合反應之介紹 15
1-6.3 界面活性劑之介紹 17
1-6.4 共界面活性劑之作用 18
1-6.5 研究動機及目的 19
第二章 實驗部分 20
2-1 實驗藥品 20
2-2 儀器部分 25
2-3 儀器量測部分 30
2-3.1 廣角X-ray繞射儀(WAXRD) 30
2-3.2 傅利葉轉換紅外線光譜儀( FTIR) 30
2-3.3 穿透式電子顯微鏡(TEM) 30
2-3.4 凝膠色層分析儀(GPC) 31
2-3.5 紫外光-可見光光譜儀(UV-Vis) 32
2-3.6 熱重分析儀(TGA) 32
2-3.7 微差掃瞄式熱分析儀(DSC) 32
2-3.8 動態機械分析儀(DMA) 32
2-3.9 氣體穿透分析儀(GPA) 33
2-3.10水氣穿透分析儀(VPA) 34
2-3.11循環伏特電位儀(CV) 35
2-3.12自動接觸角分析儀(Contact Angle) 37
2-4 蒙脫土之親油化 38
2-4.1 單改質劑親油性蒙脫土之製備 38
2-4.2 雙改質劑親油性蒙脫土之製備 39
2-5 聚亞醯胺(PI) /黏土奈米複合材料之製備 42
2-5.1 聚亞醯胺薄膜之合成 42
2-5.2 聚亞醯胺/黏土奈米複合材料之薄膜製備 42
2-5.3 聚亞醯胺/黏土奈米複合材料之研究流程圖 44
2-6 水性乳膠(PMBS)/黏土奈米複合材料之製備 45
2-6.1 水性乳膠(PMBS)之合成 45
2-6.2 水性乳膠/黏土奈米複合材料之製備 46
2-6.3 水性乳膠/黏土奈米複合材料之研究方法流程圖 48

第三章 聚亞醯胺(Polyimide)/黏土混成材料之性質研究結果與討論 49
3-1 材料結構型態鑑定 53
3-1.1 傅利葉轉換紅外線光譜儀(FTIR) 53
3-1.2 廣角X-ray繞射儀(WAXRD) 55
3-1.3 穿透式電子顯微鏡(TEM) 58
3-2 光學性質分析 60
3-2.1 紫外光-可見光光譜儀(UV-Vis) 60
3-3 材料熱性質分析 62
3-3.1 熱重分析儀(TGA) 62
3-3.2 微差掃描式熱分析儀(DSC) 65
3-4 材料機械性質分析 66
3-4.1 動態機械分析儀(DMA) 66
3-5 材料阻氣性質分析 68
3-5.1 氣體穿透分析儀(GPA) 68
3-5.2 水氣穿透分析儀(VPA) 70
3-6 材料親水性測試 72
3-6.1 自動接觸角分析儀(Contact angle) 72

第四章 水性乳膠(PMBS)/黏土混成材料之性質研究結果與討論 74
4-1 材料結構型態鑑定 75
4-1.1 傅利葉轉換紅外線光譜儀(FTIR) 75
4-1.2 廣角X-ray繞射儀(WAXRD) 77
4-1.3 穿透式電子顯微鏡(TEM) 79
4-1.4 凝膠色層分析儀(GPC) 81
4-2 光學性質分析 83
4-2.1 紫外光-可見光光譜儀(UV-Vis) 83
4-3 材料熱性質分析 85
4-3.1 熱重分析儀(TGA) 85
4-3.2 微差掃描式熱分析儀(DSC) 87
4-4 電化學性質分析 89
4-4.1 循環伏特電位儀(CV) 89
4-4.2 電化學阻抗光譜(EIS) 93
4-5 材料阻氣性質分析 96
4-5.1 氣體穿透分析儀(GPA) 96
4-5.2 水氣穿透分析儀(VPA) 98
4-6 材料親水性測試 100
4-6.1 自動接觸角分析儀(Contact angle) 100

第五章 結論 102
第六章 參考文獻 103


圖目錄
圖1-1 分子/黏土混成複合材料的種類 4
圖1-2 Smectite Clay結構圖 5
圖1-3 縮合型聚亞醯胺 9
圖1-4 加成型聚亞醯胺 10
圖2-1 凝膠色層分析儀裝置簡圖 31
圖2-2 氣體穿透分析儀裝置簡圖 33
圖2-3 水氣穿透分析儀裝置簡圖 34
圖2-4 工作電極裝置簡圖 36
圖2-5 電化學反應槽裝置圖 36
圖2-6 循環伏安計裝置簡圖 37
圖2-7 接觸角量測示意圖 37
圖2-8 聚亞醯胺/黏土奈米複合材料之研究流程圖 44
圖2-9 水性乳膠(PMBS)之合成流程圖 45
圖2-10 水性乳膠/黏土奈米複合材料之製備流程圖 46
圖2-11 水性乳膠/黏土奈米複合材料之研究方法流程圖 48
圖3-1 改質劑之化學結構式 50
圖3-2 使用單改質劑有機化改質黏土的反應機制圖 51
圖3-3 使用雙改質劑有機化改質黏土的反應機制圖 52
圖3-4 (a)聚醯胺酸與(b)聚亞醯胺之紅外線吸收光譜圖 54
圖3-5 黏土有機化改質前後之廣角X-ray繞射圖譜 57
圖3-6 不同聚亞醯胺/黏土奈米複合材料之廣角X-ray繞射圖譜 57
圖3-7 聚亞醯胺/黏土奈米複合材料之穿透式電子顯微鏡攝影圖 59
圖3-8 改變黏土含量之聚亞醯胺/黏土奈米複合材料(雙改質系列)的紫外光-可見光穿透光譜圖 61
圖3-9 聚亞醯胺/黏土奈米複合材料之紫外光-可見光光譜圖 61
圖3-10 聚亞醯胺/黏土奈米複合材料之熱重分析圖 63
圖3-11 聚亞醯胺/黏土奈米複合材料之微差掃描式熱分析圖 65
圖3-12 聚亞醯胺/黏土奈米複合材料之動態機械分析圖 66
圖3-13 聚亞醯胺/黏土奈米複合材料之氣體穿透測試圖 69
圖3-14 聚亞醯胺/黏土奈米複合材料之水氣穿透測試圖 70
圖3-15 聚亞醯胺/黏土奈米複合材料之水相接觸角量測圖 72
圖4-1 改質劑之化學結構式 74
圖4-2 水性乳膠與黏土及其奈米複合材料之紅外線吸收光譜圖 76
圖4-3 有機化改質前後之黏土及其奈米複合材料的X-ray繞射 78
圖4-4 水性乳膠/黏土奈米複合材料之穿透式電子顯微鏡攝影圖 80
圖4-5 改變黏土含量之水性乳膠/黏土奈米複合材料的紫外光-可見光穿透光譜圖 84
圖4-6 不同系列之黏土所製備的奈米複合材料其紫外光-可見光穿透光譜圖 84
圖4-7 不同系列之水性乳膠/黏土奈米複合材料的熱重分析圖 86
圖4-8 不同系列之水性乳膠/黏土奈米複合材料的微差掃描式熱分析圖 88
圖4-9 金屬腐蝕示意圖 90
圖4-10 氣體穿透機制圖 90
圖4-11 不同系列之水性乳膠/黏土奈米複合材料的塔伏曲線圖 91
圖4-12 電極的等路電路圖 93
圖4-13 奈奎斯特圖(Nyquist Plot)公式導圖 94
圖4-14 水性乳膠/黏土奈米複合材料之阻抗(Nyquist Plot)比較圖 95
圖4-15 水性乳膠/黏土奈米複合材料之阻抗(Bode Plot)比較圖 95
圖4-16 水性乳膠/黏土奈米複合材料之氣體穿透測試圖 97
圖4-17 水性乳膠/黏土奈米複合材料之水氣穿透測試圖 99
圖4-18 水性乳膠/黏土奈米複合材料之接觸角量測圖 101




表目錄
表1-1加成型及縮合型聚亞醯胺優缺點比較 11
表1-2 一般常見的雙酸酐與雙胺之單體 12
表1-3 聚合反應之種類 15
表2-1不同比例之聚亞醯胺/黏土奈米複材製備所需藥品用量表 43
表2-2不同比例之水性乳膠/黏土奈米複材製備所需藥品用量表 47
表2-3 水性乳膠/黏土奈米複合材料之樣品代號 47
表3-1 聚亞醯胺與聚醯胺酸之主要官能基吸收峰位置 54
表3-2 黏土有機化改質前後及聚亞醯胺/黏土奈米複合材料之廣角X-ray繞射數據 56
表3-3 聚亞醯胺/黏土奈米複合材料之熱分析數據 64
表3-4聚亞醯胺/黏土奈米複合材料之動態機械分析數據………..67
表3-5 聚亞醯胺/黏土奈米複合材料之氣體穿透測試數據表 69
表3-6 聚亞醯胺/黏土奈米複合材料之水氣透過率測試數據表 70
表3-7 聚亞醯胺/黏土奈米複合材料之水相接觸角量測數據表 73
表4-1 水性乳膠及黏土之主要官能基吸收峰位置 76
表4-2 黏土有機化改質前後及其奈米複材之X-ray繞射數據 78
表4-3 水性乳膠/黏土奈米複合材料之平均分子量及分子量分佈 82
表4-4 水性乳膠/黏土奈米複合材料之熱重分析數據 86
表4-5 水性乳膠/黏土奈米複合材料之玻璃轉換溫度數據表 88
表4-6 水性乳膠/黏土奈米複合材料之防腐蝕數據表 92
表4-7 水性乳膠/黏土奈米複合材料之氣體穿透測試數據表 97
表4-8 水性乳膠/黏土奈米複合材料之水氣透過率測試數據表 99
表4-9 水性乳膠/黏土奈米複合材料之油相接觸角量測數據表 101
第六章 參考文獻
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