本論文旨在使用兩種不同的膨潤劑（CH3(CH2)15N(Br)(CH3))3與C23H24BrO2P）以「陽離子交換反應」對同ㄧ種黏土（Clay）進行表面改質。其次，以「原位聚合法」將改質後的有機黏土分散至聚氨酯（Polyurethane）中去製備聚氨酯-黏土奈米複合發泡材料，並進行化學結構的鑑定及物理性質的分析。以X-ray 繞射儀（XRD）、傅立葉轉換紅外線光譜儀（FTIR）鑑定其表面化學結構；以掃描式電子顯微鏡（SEM）觀察發泡材料之表面型態，藉以計算其泡體尺寸大小及泡體緻密性，並利用SEM mapping觀察黏土的分散狀態。而發泡材料的物性檢測方面，則以示差掃描量熱儀（DSC）、熱重分析儀（TGA）分析發泡材料的熱性質；利用萬能拉伸試驗機測試其機械性質。
末端具反應性官能基（OH）的膨潤劑C23H24BrO2P所改質的有機黏土在聚氨酯發泡體（Polyurethane Foam）中有較佳的分散效果，化學發泡效果好，且平均孔徑小、緻密度高；經膨潤劑改質後的有機黏土均能有效提昇發泡體的機械性質與熱性質。在結果討論與結論中將以兩種改質劑的簡稱（CTAB、CTPB）來區分其物性與化性之研究分析結果。

The present paper will be for the purpose of using two kinds to change nature medicinal preparation (CH3(CH2)15N(Br)(CH3))3 and C23H24BrO2P differently) by “cation exchange reaction” will carry on the surface with kind of Clay to change the nature.Next, will have, the non-function base after “In-situ polymerization” changes the nature medicinal preparation to change the nature organic clay to disperse to polyurethane in prepares the polyurethane - clay nanocomposite foam, and will carry on the chemical constitution to decide and the physical property analysis.By X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectrometer (FT-IR) to decide its surface chemistry structure; Scans type electron microscope (SEM) to observe surface of state the foaming material, so as to calculates it to soak the body size size and to soak the body compactness, and using SEM mapping observation clay dispersed state.About foaming material natural examination aspect, then shows difference scanning calorimetry meter (DSC), thermogravimetry analyzer (TGA) analyzes the foaming material the thermal property; Uses the multi-purpose stretch testing machine to test its mechanical property.
The terminal has reactivity function base (OH) to change the nature medicinal preparation to change the archery target organic clay Polyurethane Foam to have the good dispersible effect in the polyurethane foaming body, the chemistry foaming effect is good, also the average aperture small, sends the density to be high; After changes the nature medicinal preparation to change the nature differently the organic clay to be able to promote the foaming body effectively the mechanical property and the thermal property.

目錄
中文摘要........................................I
英文摘要........................................Ⅱ
誌謝............................................IV
目錄............................................V
圖目錄..........................................IX
表目錄..........................................XII
第一章 緒論.........................................1
1.1前言............................................1
1.2奈米複合材料………………………………………………………3
1.3聚氨酯樹脂…………………………………………………………4
1.4研究動機……………………………………………………………6
第二章 文獻回顧與理論基礎…………………………………………7
2.1奈米複合材料簡介…………………………………………………7
2.1.1奈米複合材料之定義…………………………………………….7
2.1.2奈米複合材料之類型與特性……………………………….....9
2.2層狀黏土簡介……………………………………………………..13
2.3改質劑簡介………………………………………………………..17
2.4聚氨酯樹脂簡介…………………………………………………..19
2.4.1歷史背景………………………………………………………...19
2.4.2聚氨酯樹脂的化學反應…………………………………………22
2.4.3聚氨酯樹脂之微相分離型態…………………………………....25
2.4.4單體種類…………………………………………………………26
2.4.5硬鏈段及軟鏈段含量……………………………………………28
2.4.6硬、軟鏈段之平均鍵長…………………………………………28
2.4.7硬、軟鏈段之結晶能力…………………………………………28
2.4.8熱性質……………………………………………………………29
2.4.9氫鍵鍵結情況……………………………………………………29
2.4.10聚氨酯的架構及其應用………………………………………..30
2.5聚氨酯發泡體簡介………………………………………………...31
2.5.1發泡體與海綿……………………………………………………31
2.5.2聚氨酯發泡體的化學反應………………………………………32
2.5.3發泡原理…………………………………………………………35
2.5.3.1氣泡的成核與成長…………………………………………….36
2.5.3.2泡孔結構與其性質之關係…………………………………….37
2.5.4聚氨酯發泡體的配方……………………………………………39
2.5.4.1異氰酸酯（Isocyanate）………………………………………40
2.5.4.2多元醇（Polyol）……………………………………………...40
2.5.4.3鏈延長劑(Chain extender)……………………………………...41
2.5.4.4催化劑(Catalyst) ……………………………………………….42
2.5.4.5界面活性劑(Surfactant)………………………………………...42
2.5.4.6發泡劑(Blowing agent)…………………………………………44
2.5.4.7填充料(Filler)……………………………………………………45
2.5.5聚氨酯發泡體製造法……………………………………………..46
2.5.5.1發泡方法………………………………………………………...46
2.5.5.2發泡劑…………………………………………………………...48
2.6文獻回顧整理…………………………………………………….....50
2.6.1 聚氨酯-黏土奈米複合發泡材…………………………………...50
第三章 實驗材料、設備與實驗方法………………………………….52
3.1實驗藥品…………………………………………………………….52
3.2實驗儀器…………………………………………………………….54
3.3實驗方法…………………………………………………………….57
3.3.1蒙脫土之改質……………………………………………………..58
3.3.2聚氨酯預聚物（PU Prepolymer）之合成……………………….60
3.3.3聚氨酯-黏土奈米複合發泡體的製備…………………………....62
3.3.4實驗裝置…………………………………………………………..64
3.4儀器量測實驗……………………………………………………….65
3.4.1紅外線光譜分析（FTIR）………………………………………..65
3.4.2 X光繞射分析（XRD）…………………………………………..66
3.4.3掃描式電子顯微鏡（SEM）……………………………………..67
3.4.4 SEM Mapping……………………………………………………..67
3.4.5熱裂解溫度分析（TGA）………………………………………..67
3.4.6玻璃轉化溫度（Tg）分析（DSC）…………………………….68
3.4.7機械性質測試…………………………………………………….68
3.4.8表面硬度測試....................................69
3.4.9密度測試（Density）…………………………………………….69
3.4.10 NCO官能基濃度滴定分析……………………………………70
第四章 結果與討論……………………………………………………72
4.1物性鑑定……………………………………………………………72
4.2結構鑑定……………………………………………………………80
4.3熱性質測試…………………………………………………………89
4.4機械性質測定………………………………………………………95
4.5表面性質測試…………………………………………………...….99
4.6密度測試…………………………………………………………..100
4.7發泡反應時間測定………………………………………………..102
第五章 結論…………………………………………………………..103
第六章 參考文獻……………………………………………………..108
圖目錄
圖1-1異氰酸酯與水的反應……………………………………………..5
圖2-1高分子/ 黏土奈米複合材料之分類…………………………….9
圖2-2以原位聚合法（In-Situ Polymerization）製備高分子/黏土奈米
複合材料之反應機制流程圖10 ………………………………………..12
圖2-3 黏土之結晶構造圖……………………………………………..15
圖2-13 氨基甲酯（allophanate）的結構……………………………..22
圖2-14 尿素結構形成…………………………………………………23
圖2-15 縮二脲的結構…………………………………………………23
圖2-16 氨基甲酯（urethane）的交聯結構……………………………24
圖2-17 硬鏈段與軟鏈段………………………………………………25
圖2-18 微相分離結構…………………………………………………26
圖2-19 發泡體的構造………………………………………………….31
圖2-20 聚氨酯發泡體多角形結構體…………………………………32
圖2-21 ㄧ次法（One-Shot）發泡製程………………………………46
圖2-22 預聚物法（Prepolymer）發泡製程………………………….47
圖3-1 實驗流程圖……………………………………………………..57
圖3-2 蒙脫土改質流程圖……………………………………………..59
圖3-3 聚氨酯預聚物合成反應化學式………………………………..61
圖3-4聚氨酯-黏土奈米複合發泡體實驗流程……………………......63
圖3-5預聚物合成反應裝置圖...............................64
圖3-6萬能拉伸試驗機裝置略圖………………….………………..….69
圖4-1 PPG-400、HDI與聚氨酯預聚物的FTIR光譜圖………………74
圖4-2 黏土改質後的FTIR光譜圖……………………………………76
圖4-3變化黏土添加量對聚氨酯發泡體（CTAB）之FTIR光譜圖…78
圖4-4變化黏土添加量對聚氨酯發泡體（CTPB）之FTIR光譜……79
圖4-5黏土改質之XRD圖…………………………………………….81
圖4-6變化黏土添加量對聚氨酯發泡體（CTAB）之XRD圖………82
圖4-7變化黏土添加量對聚氨酯發泡體（CTPB）之XRD圖………82
圖4-8變化黏土添加量對聚氨酯發泡體（CTAB）之SEM圖……...85
圖4-9變化黏土添加量對聚氨酯發泡體（CTPB）之SEM圖………86
圖4-10變化黏土添加量對聚氨酯發泡體（CTAB）之SEM Mapping圖………………………………………………………………………..88
圖4-11變化黏土添加量對聚氨酯發泡體（CTPB）之SEM Mapping圖………………………………………………………………………..89
圖4-12變化黏土添加量對聚氨酯發泡體（CTAB）之TGA圖…….91
圖4-13變化黏土添加量對聚氨酯發泡體（CTPB）之TGA圖………91
圖4-14 聚氨酯-黏土奈米複合發泡體之10％熱損失曲線圖…………92
圖4-15變化黏土添加量對聚氨酯發泡體（CTAB）之DSC圖…….94
圖4-16變化黏土添加量對聚氨酯發泡體（CTPB）之DSC圖………94
圖4-17楊氏模數（Young’s modulus）曲線圖………………………..97
圖4-18斷裂伸長率（Elongation at Break %）之曲線圖……………..98
圖4-19抗張強度（Tensile）之曲線圖…………………………………98
圖4-20聚氨酯-黏土奈米複合發泡體之硬度曲線圖………………….99
圖4-21聚氨酯-黏土奈米複合發泡體之密度曲線圖………………...101
圖4-22聚氨酯-黏土奈米複合發泡體之Rise time曲線圖………102
表目錄
表1-1奈米材料之特性與用途…………………………………………2
表2-1黏土之種類………………………………………………………16
表2-3常見的二異氰酸酯單體…………………………………………27
表2-4彈性聚氨酯發泡體基本原料組成………………………………39
表3-1聚氨酯合成配方………………………………………………..61
表3-2聚氨酯發泡體原料配方比………………………………………63
表3-3黏土含量…………………………………………………………63
表3-4 Characteristic absorption peaks of FT-IR spectra of polyurethane/clay nanocomposite………………………………………66
表4-1 聚氨酯-黏土之FTIR官能基吸收峰對照表………………….79
表 4-2 發泡體孔徑……………………………………………………87
表 4-3 添加不同比例黏土的聚氨酯發泡體之熱裂解溫度…………92
表 4-4 添加不同比例黏土的聚氨酯發泡體之玻璃轉移溫度………95
表 4-5 添加不同含量有機黏土的楊氏模數、斷裂伸長率、抗張強度數據表…………………………………………………………………97
表4-6 所有樣品之硬度值……………………………………………100
表4-7 所有樣品之密度………………………………………………101
表4-8 發泡體成形時，不同的反應時間表…………………………102

1.Deberry, D. W. J. Electrochem. Soc. 1985, 132, 1027.
2.Wessling, B. Synth. Met. 1991, 907, 1057.
3.廖建勳,林麗桂,邱文孝,”纳米尼龍6/黏土複合材料結構與熱分析”,高分子研討會論文集, 1997,355-358.
4.Paul Thomas ed. “Waterborne & Solvent based Surface Coating Resins and their Applications”
5.Adamsom, A. W. , ⅩⅠ. Adsorption from Solution. 4th Edition. 388-393.
6.A. Mahieu-Sicaud, J. Mering, and Perrin-Bonnet. Bull. Soc. Milner. Cryistal. 1971, 74, 473.
7.溫至中，林天生，工業材料，153期，1999.
8.郭文法，工業材料，125期，1997.
9.T. Saegusa, Pure and Appl. Chem. 1995, 67, 1965.
10.蔡宗燕，化工資訊，1998，2月刊.
11.R. A. Vaia, K. D. Jandt, E. J. Kramer, and E. P. Giannelis. Macromolecules. 1995, 28, 8080.
12. R. A. Vaia, H. Ishii, and E. P. Giannelis. Chem. Met. 1993, 5, 1694.Elsenbaumer, R. L., Lu, W. K., Wessling, B. Int. Conf. Synth. Met., Seol, Korea, Abstract No. APL(POL)1-2, 1994.
13.Meier, L. P., Sheldon, R. A., Gaseri, W. R., Suter, U. W. Macromolecules. 1994, 27, 1637.
14.Yen Wei et al. J. Mater. Res. 1993, 8, 1143.
15. Yen Wei, Wei Wang, Jui.-Ming. Yeh, et al. Polym. Mater. Sci. Eng. 1994, 70, 272.
16.廖世傑，工業材料，156期，1999.
17.Huang. C., Partch, R. E. and Matijevic, E., J. Colloid and Interface Science. 1993, 170, 275.
18.Wrobleski, D. A., Benicewicz, B. C., Thompson, K. G., Byran, C. J. Polym. Prepr. (Am. Chem. Soc., Div. Polym. Chem.) 1994, 35(1), 265.
19.Jui-Ming Yeh, Shir-Joe Liou, C.-Y. Lai, P.-C. Wu, Tsung-Yen Tasi. Chemistry of Materials. 2001, Vol.13. No. 3. 1131.
20.魏碧玉，賴明雄，工業材料，153期，1999.
21.廖建勳，工業材料，125期，1997.
22.W. T. Reichle, S. Y. Kong, and D. S. Everhart, J. Catalyst. 1986, 101, 352.
23. C. Depege, F. E. Elmetoui, C. Forano, and A. D. Roy, Chem. Mat. 1996, 8, 952.
24.S. Bonnet, C. Forano, A. D. Roy, and J. P. Besse. Chem. Mat. 1996, 1962, 8.
25.Akane Okada, Arimitsu Usuki, Toshio Kurauchi, and Osami Kamigaito, Hybrid Organic-InOrganic Composite, ACS Symp. Series, 1995, 55, 585.
26.A. Akelah and A. Moet, J. Appl. Polymer. Sci. Appl. Polymer. Symp. 1994, 55, 153.
27.Kojoma. Y., et al. J. Polym. Sci. Part A: Polym. Chem. 1993, 1755. 31.
28. Kojoma. Y., et al. J. Materials Res. 1993, 8, 1179.
29. Usuki. A., et al. J. Applied Polym science. 1995, 55, 119.
30. Usuki. A., et al. Polym. Prepr. Japan. 1993, 14, 1361.
31. Usuki. A., et al. Polym. Prepr. 1993, 31, 651.
32.C. E. Wearer et al, eds by D. Y. Zhang. Clay Minerals. Geology Press. 1973.
33.Hunter, R. J., Clareden Press Oxford. Foundation of Colloid Science. 1992,Vol. 1, 25-31.
34.Hunter, R. J., Clareden Press Oxford. Foundation of Colloid Science. 1992,Vol. 1, 25-31.
35. Adamsom, A. W. , ⅩⅠ. Adsorption from Solution. 4th Edition. 388-393.
36.A. Mahieu-Sicaud, J. Mering, and Perrin-Bonnet. Bull. Soc. Milner. Cryistal. 1971, 74, 473.
37.莊文斌，水性聚氨酯樹脂/黏土奈米複合材料之製備與熱性質、物理、機械與光學性質之研究，國立清華大學化學工程系，碩士論文92年.
38.岩田敬治 著，賴耿陽 譯著，聚脲脂樹酯PU原理與實用，復漢出版社印行
39.陳瑞鑫／鄭雅玲，“環保型PU樹脂材料技術與應用”.
40.Herrington,Nafziger,Hock,Moore,Casati,Lidy”Basic Chemistry”
41.何蓓心，聚氨基甲酸酯/黏土奈米複合發泡體之製作與其性質研究，逢甲大學紡織工程研究所，碩士學位論文95年.
42.Yueping Fu, Daniel R. Palo, Can Erkey, R. A. Weiss. Macromolecules 1997, 30. 7611-7613.
43.網路資料http://memo.cgu.edu.tw/
44.杜逸虹 著，聚合體學，三民書局印行.
45.A.Moet Akelah , ”Synthesis of Organophilic Polymer-clay nanocomposites” , J. App.Polym. Sci : Applied Polymer Symposium, 1994,55,153-172.
46.奈米時代-實現與夢想,中國輕工業出版社.
47.Doering, W. E.; Nie, S. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 311-317.
48.Yanbing Wang, Gregory A. Sotzing, R. A. Weiss. Chem. Mater. 2003,15. 375-377.
49.Yueping Fu, Daniel R. Palo, Can Erkey, R. A. Weiss. Macromolecules 1997, 30. 7611-7613.
50.Xia Cao a, L. James Lee a,*, Tomy Widya b, Christopher Macosko b, Polymer 46 ,2005, 775-783.
51.T.-K, Chen, Y.-I. Tien, K.-H. Wei*. Polymer 41, 2000, 1345-1353.
52.Jui-Ming Yeh a,*, Chia-Tseng Yao a , Chi-Fa Hsieh b, Li-Hwa Lin a, Pei-Li Chen c, Jinn-Chern Wu c, Hsing-Chung Yang d, Chi-Phi Wu a. European Polymer Journal 44, 2008, 3046-3056.
53.Jui-Ming Yeh a,*, Chia-Tseng Yao a , Chi-Fa Hsieh b, Hsing-Chung Yang c, Chi-Phi Wu a. European Polymer Journal 44, 2008, 2777-2783.
54.D.K. Chattopadhyay a, B. Sreedhar b, K.V. S.N. Raju a ,*. Polymer 47, 2006, 3814-3825.
55.G. Harikrishnan, T. Umasankar Patro, and D. V. Khakhar*. Ind. Eng. Chem. Res. 2006, 45, 7126-7134.
56.Zhongbin Xu, 1,2 Xiling Tang, 1,2 Aijuan Gu,3 Zhengping Fang, 1 Lifang Tong 1. Journal of Applied Polymer Science, Vol.105, 2007, 2988-2995.
57.W. J. Seo, 1 Y. T. Sung, 1 S. B. Kim, 2 Y. B. Lee, 3 K. H. Choe,3 S.H. Choe,3 J. Y. Sung,4 W. N. Kim1 . Journal of Applied Polymer Science, 2006,Vol. 102, 3764-3773.
58.M Maiy and CK Das*, Polymer Int, 2000, 49: 757-762.
59.S. Varghese, 1 K. G. Gatos, 2 A. A. Apostolov,3 J. Karger-Kocsis2. Journal of Applied Polymer Science, 2004, Vol. 92, 543-551.
60.JISHENG MA, SHUFAN ZHANG, ZONGNENG QI. Journal of Applied Polymer Science, 2001, Vol. 82, 1444-1448.
61.G. Harikrishnan, T. Umasankar Patro, D.V. Khakhar*.Carbon, 45, 2007, 531-535.
62.Hsien-Tang Chiu, Jyh-Horng Wu. Journal of Applied Polymer Science, 2005, Vol. 98, 1206-1214.
63.Mark F. Sonnenschein a ,*, Robbyn Prange b, Alan K. Schrock b. Polymer, 48, 2007,616-623.
64.F.A. Costa Oliveira a ,*, S. Dias a, M. Fatima Vaz b,J. Cruz Fernandes b. Journal of the European Ceramic Society, 26, 2006,179-186.
65.Fabrice Saint-Michel, Laurent Chazeau *, Jean-Yves Cavaille. J,Composites Science and Technology, 66, 2006, 2709-2718.
66.陳素珍，陰離子水性聚氨酯奈米複材之製備與研究，中原大學化學系，碩士學位論文93年.