臺灣博碩士論文加值系統

本研究主要分為兩部分：一是以溶液分散法 (Solution Dispersion) 直接將商業用PMMA與黏土進行混摻，製備成奈米複合材料；另一則是以原位總體聚合法 (In-Situ Bulk Polymerization) 製備聚甲基丙烯酸甲酯/黏土奈米複合材料。在黏土改質部分，使用單改質劑與雙改質劑進行親油性改質，以改善黏土與高分子之間的相容性。
在本研究中，將進一步探討添加不同種類的親油性改質型黏土所製備之奈米複合材料在防腐蝕性質、氣體阻隔性質、熱性質與機械性質的影響。利用廣角X-ray繞射儀 (WAXRD) 觀察黏土層間距離的變化；再利用穿透式電子顯微鏡 (TEM) 進一步觀察黏土分散於高分子機材中的情形；使用循環伏特電位儀 (CV)、氣體透過率分析儀 (GPA) 與水氣透過率分析儀 (VPA) 測試一系列防腐蝕與阻隔性質之相關數據；另外，以熱重分析儀 (TGA) 與微差掃描式分析儀 (DSC) 測試奈米複合材料之熱穩定性；以動態機械分析儀 (DMA) 測試奈米複合材料之機械性質的變化。

A series of polymer-clay nanocomposite (PCN) materials that consisted of poly(methyl methacrylate) (PMMA) and layered montmorillonite (MMT) clay were prepared successfully by the effective dispersion of nanolayers of the MMT clay in the PMMA matrix through both solution dispersion and in-situ bulk polymerization. The organophilic clay were modified by double and single intercalating agents. 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). PCN materials, in the form of coatings, incorporating with clay loading on cold-rolled steel (CRS) were found to be much superior in corrosion protection over those of pristine PMMA based on a series of electrochemical measurements including corrosion potential, polarization resistance, corrosion current, and impedance spectroscopy in 5 wt % aqueous NaCl electrolyte. Effects of the material composition on the O2 / H2O molecular permeability, thermal stability and mechanical strength of PMMA along with PCN materials, in the form of membrane, were also studied by molecular permeability analysis (GPA), differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetric analysis (TGA) and dynamic mechanical analysis (DMA), respectively.

目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
圖目錄 VII
表目錄 IX
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 (CLAY) 之簡介 5
1-4 黏土之改質 8
1-5 溶液分散法與總體聚合法之簡介 10
1-5.1 溶液分散法 (Solution Dispersion) 10
1-5.2 總體聚合法 (Bulk Polymerization) 11
1-6 聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 之簡介 13
1-7 研究動機 14
第二章 實驗藥品與儀器 15
2-1 實驗藥品 15
2-1.1 蒙脫土 (Montmorillonite) 15
2-1.2 改質劑 15
2-1.3 有機高分子 16
2-1.4 單體 16
2-1.5 起始劑 16
2-1.6 N-methyl-2-pyrrolidone 【NMP】 17
2-1.7 Tetrahydrofuran 【THF】 For GPC 17
2-1.8 Potassium bromide 【KBr】 For FT-IR 17
2-2 儀器部分 18
2-2.1 實驗分析儀器 18
2-2.2 其他實驗儀器 19
2-3 實驗分析儀器之量測條件 20
2-3.1廣角X-ray繞射儀 (WAXRD) 20
2-3.2傅利葉轉換紅外線光譜儀 (FT-IR) 20
2-3.3穿透式電子顯微鏡 (TEM) 21
2-3.4凝膠滲透層析儀 (GPC) 21
2-3.5熱重分析儀 (TGA) 22
2-3.6微差掃描式熱分析儀 (DSC) 22
2-3.7動態機械分析儀 (DMA) 23
2-3.8氣體透過率分析儀 (GPA) 23
2-3.9水氣透過率分析儀 (VPA) 24
2-3.10循環伏特電位儀 (CV) 25
第三章 以溶液分散法與總體聚合法製備聚甲基丙烯酸甲酯/黏土奈米複材 29
3-1 蒙脫土之親油化 29
3-1.1 親油性改質型蒙脫土之製備--單改質劑 29
3-1.2 親油性改質型蒙脫土之製備--雙改質劑 30
3-2 樣品代號說明與藥品用量說明 32
3-2.1 樣品代號 32
3-2.2 實驗藥品用量比例 34
3-3 溶液分散法製備SPMMA/CLAY奈米複合材料 36
3-3.1 SPMMA/Clay奈米複合材料之製備 36
3-3.2 SPMMA/Clay奈米複合材料之製備與研究流程圖 37
3-4 原位總體聚合法製備BPMMA/CLAY奈米複合材料 38
3-4.1 BPMMA之製備 38
3-4.2 BPPM/Clay奈米複合材料之製備 38
3-4.3 BPMMA/Clay奈米複合材料之製備與研究流程圖 39
第四章 溶液分散法製備聚甲基丙烯酸甲酯/黏土混成材料之鑑定與性質分析 40
4-1 材料結構形態鑑定 44
4-1.1 紅外線吸收光譜分析 (FT-IR) 44
4-1.2 廣角X-ray繞射分析 (WAXRD) 47
4-1.3 穿透式電子顯微鏡 (TEM) 分析 50
4-2 材料熱性質分析 52
4-2.1 熱重分析儀 (TGA) 測試 52
4-2.2 微差掃描式熱分析儀 (DSC) 測試 55
4-3 材料機械性質分析 57
4-3.1 動態機械分析儀 (DMA) 測試 57
4-4 塗層材料電化學性質 59
4-4.1 防腐蝕測試 59
4-4.2 交流阻抗圖譜 (EIS) 測試 63
4-5 阻隔性質分析 67
4-5.1 氣體透過率測試 (GPA) 67
4-5.2 水氣透過率測試 (VPA) 69
第五章 原位總體聚合法製備聚甲基丙烯酸甲酯/黏土混成材料之鑑定與性質分析 71
5-1材料結構形態鑑定 74
5-1.1 紅外線吸收光譜分析 (FT-IR) 74
5-1.2 廣角X-ray繞射分析 (WAXRD) 76
5-1.3 穿透式電子顯微鏡 (TEM) 分析 78
5-1.4 凝膠滲透層析 (GPC) 之分子量檢測 80
5-2 材料熱性質分析 82
5-2.1 熱重分析儀 (TGA) 測試 82
5-2.2 微差掃描式熱分析儀 (DSC) 測試 84
5-3 材料機械性質分析 86
5-3.1 動態機械分析儀 (DMA) 測試 86
5-4 塗層材料電化學性質分析 88
5-4.1 防腐蝕測試 88
5-4.2 交流阻抗圖譜 (EIS) 測試 91
5-5 阻隔性質分析 93
5-5.1 氣體透過率測試 (GPA) 93
5-5.2 水氣透過率測試 (VPA) 95
第六章 結論 97
第七章 參考文獻 99

圖目錄
圖1-1高分子/黏土混成複合材料的種類 4
圖1-2 Smectite Clay結構圖 6
圖1-3溶液分散法之流程示意圖 10
圖2-1氣體透過率分析儀裝置簡圖 24
圖2-2水氣透過率分析儀裝置簡圖 25
圖2-3自製工作電極裝置簡圖 27
圖2-4電化學反應槽裝置簡圖 27
圖2-5循環伏特電位儀裝置簡圖 28
圖3-1 SPMMA/Clay奈米複合材料之製備與研究流程圖 37
圖3-2 BPMMA/Clay奈米複合材料之製備與研究流程圖 39
圖4-1改質劑之化學結構式 41
圖4-2使用單改質劑親油性改質黏土的反應機制圖 42
圖4-3使用雙改質劑親油性改質黏土的反應機制圖 43
圖4-4黏土親油性改質前後之紅外線吸收光譜圖 45
圖4-5不同系列SPMMA/Clay奈米複合材料之紅外線吸收光譜圖 45
圖4-6黏土親油性改質前後之廣角X-ray繞射圖譜 49
圖4-7不同系列SPMMA/Clay奈米複合材料之廣角X-ray繞射圖譜 49
圖4-8 SPMMA/Clay奈米複合材料之穿透式電子顯微鏡攝影圖 51
圖4-9不同系列SPMMA/Clay奈米複合材料之熱重分析圖 54
圖4-10不同系列SPMMA/Clay奈米複合材料之微差掃描式熱分析圖 56
圖4-11不同系列SPMMA/Clay奈米複合材料之動態機械分析圖 58
圖4-12水氣(或氧氣)穿透SPMMA/Clay奈米複材之路徑示意圖 60
圖4-13不同系列SPMMA/Clay奈米複合材料之塔伏曲線圖 61
圖4-14交流電壓與電流的變化示意圖 63
圖4-15複數平面上之阻抗圖形 64
圖4-16電極的等效電路圖 64
圖4-17奈奎斯特圖 (Nyquist Plot) 公式導圖 65
圖4-18不同系列SPMMA/Clay奈米複合材料之阻抗疊圖 66
圖4-19不同系列SPMMA/Clay奈米複合材料之氣體透過率分析圖 68
圖4-20不同系列SPMMA/Clay奈米複合材料之水氣透過率分析圖 70
圖5-1使用單改質劑親油性改質黏土的反應機制圖 72
圖5-2使用雙改質劑親油性改質黏土的反應機制圖 73
圖5-3不同系列BPMMA/Clay奈米複合材料之紅外線吸收光譜圖 75
圖5-4不同系列BPMMA/Clay奈米複合材料之廣角X-ray繞射圖譜 77
圖5-5 BPMMA/Clay奈米複合材料之穿透式電子顯微攝影圖 79
圖5-6不同系列BPMMA/Clay奈米複合材料之熱重分析圖 83
圖5-7不同系列BPMMA/Clay奈米複合材料之微差掃描式熱分析圖 85
圖5-8不同系列BPMMA/Clay奈米複合材料之動態機械分析圖 87
圖5-9不同系列BPMMA/Clay奈米複合材料之塔伏曲線圖 89
圖5-10不同系列BPMMA/Clay奈米複合材料之阻抗疊圖 92
圖5-11不同系列BPMMA/Clay奈米複合材料之氣體透過率分析圖 94
圖5-12不同系列BPMMA/Clay奈米複合材料之水氣透過率分析圖 96

表目錄
表1-1黏土種類之分類 7
表1-2聚合反應之種類 11
表3-1溶液分散法之樣品代號表 32
表3-2原位總體聚合法之樣品代號表 33
表3-3溶液分散法所需藥品重量比例彙總表[單位：g] 34
表3-4原位總體聚合法所需藥品重量比例彙總表[單位：g] 35
表4-1 SPMMA與黏土之主要官能基吸收峰位置彙總表 46
表4-2黏土親油性改質前後與SPMMA/Clay奈米複合材料之廣角X-ray繞射數據彙總表 48
表4-3 SPMMA/Clay奈米複合材料之熱重分析數據彙總表 54
表4-4 SPMMA/Clay奈米複合材料之微差掃描式熱分析數據彙總表 56
表4-5 SPMMA/Clay奈米複合材料之動態機械分析數據彙總表 58
表4-6 SPMMA/Clay奈米複合材料之防腐蝕數據彙總表 62
表4-7 SPMMA/Clay奈米複合材料之氣體透過率數據彙總表 68
表4-8 SPMMA/Clay奈米複合材料之水氣透過率數據彙總表 70
表5-1不同系列BPMMA/Clay奈米複合材料之廣角X-ray繞射數據彙總表 77
表5-2 BPMMA/Clay奈米複合材料之平均分子量與分子量分佈 81
表5-3 BPMMA/Clay奈米複合材料之熱重分析數據彙總表 83
表5-4 BPMMA/Clay奈米複合材料之微差掃描式熱分析數據彙總表 85
表5-5 BPMMA/Clay奈米複合材料之動態機械分析數據彙總表 87
表5-6 BPMMA/Clay奈米複合材料之防腐蝕數據彙總表 90
表5-7 BPMMA/Clay奈米複合材料之氣體透過率數據彙總表 94
表5-8 BPMMA/Clay奈米複合材料之水氣透過率數據彙總表 96

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