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研究生:黃國鈞
研究生(外文):Huang, Kuo-Chun
論文名稱:新穎TMPTA/GMA/ICS/TiO_2耐熱與高透光有機/無機奈米複合材料合成及物性研究
論文名稱(外文):Preparation and Characterization of Novel Thermal Resistant and Transparent TMPTA/GMA/ICS/TiO2 Organic/Inorganic Nanocomposites
指導教授:鄭寶樹鄭寶樹引用關係
指導教授(外文):Cheng, Pao-Swu
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄師範大學
系所名稱:化學系
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:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:85
中文關鍵詞:奈米複合材料耐熱性溶膠-凝膠法甲基丙烯酸甲酯
外文關鍵詞:nanocompositethermal resistanceSol-gelacrylate
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摘要
本研究為合成高透光性、耐熱與抗靜電性之TMPTA/GMA/ICS/TiO2有機/無機奈米複合材料。選用GMA、TMPTA、ICS、TiO2與PMDA分別作為有機單體、網狀交聯單體、偶合劑、無機補強材與硬化劑。
首先,ICS偶合劑經15分鐘酸水解得到活性矽醇(silanol)中間物,後續將無機金屬TiO2微粒與矽醇中間物之Si-OH官能基以共價鍵結將微粒表面親有機化改質,得到ICS/TiO¬2複合物,爾後GMA有機單體之環氧官能基與ICS/TiO¬2複合物以熱縮開環聚合反應後,得到GMA/ICS/TiO2預聚物,最後將適量添加TMPTA有機壓克力單體與GMA/ICS/TiO2預聚物以自由基紫外光聚合順利合成具備有理想網狀共價鍵結結構複合材料。
合成時以FT-IR光譜儀檢測反應最佳配方用量與最佳反應條件,並且以TGA熱重損失儀、UV-vis光譜儀、抗靜電測試、鉛筆硬度與附著力計,分別檢測材料耐熱性質、可見光區透光性與抗UV特性、導電性與機械物性表現。由實驗結果得知在可見光區透光性可達致90%以上並且位於UV光區也有遮蔽效果,這些複合材料最佳耐熱Td值表現為430.94℃,相較單純GMA有機樹脂與GMA/ICS/TiO2複合物之耐熱性Td值分別提升138.94℃與43.05℃。

Abstract
This research is to develop novel TMPTA/GMA/ICS/TiO2 organic/inorganic nanocomposites and their hybrid films with high thermal resistant, transparent and anti-static properties. GMA(glycidyl methacrylate),TMPTA(trimethylolpropane triacrylate),ICS(tris[3-(trimethoxysilyl)propyl]isocyanurate), TiO2 and PMDA(pyromellitic dianhydride) were used as organic monomer, monomer of hypercrosslinked copolymer, coupling agent, inorganic filler and curing reagent respectively.
Firstly, ICS coupling agent was acid hydrolysis for 15 min to form its reactive silanol intermediate. These silanols could covalently bound some TiO2 nanoparticles with their active Si-OH groups to get the ICS/TiO2 complexes. Then the ICS-modified TiO2 oxoclusters graft polymerized with active epoxide group of GMA monomer to form GMA/ICS/TiO2 composites by ring-opening polycondensation. After mixed TMPTA monomer, the final TMPTA/GMA/ICS/TiO2 nanocomposites were prepared by UV-activated photopolymerization. Meanwhile, ICS could perform the uniformly dispersion of inorganic nanoparticles in the hybrid materials. Polyfunctionalized TMPTA and PMDA components strongly constructed the highly crosslinked structure in these nanocomposites and it could much enhance the thermal stability, abrasion resistance and optical properties.
The chemical bonding formation and the best weight contents of reaction components are identified by FT-IR spectra. The thermal resistance, transparence, surface electric resistance, and hardness of these nanocomposites are measured by TGA, UV-Visible, surface resistant meter, and pencil hardness tester resprctively. Experimental results show that these nanocomposites have 90% transmittance and the best Td value is 430.94℃ which is 138.94℃ and 43.05℃ higher than those of pure GMA resin and GMA/ICS/TiO2 hybrid material respectively.

目錄
第一章 緒論 1
1-1前言 1
1-2 研究動機 3
1-3 研究目的 6
第二章 文獻回顧 9
2-1 奈米複合材料 9
2-1-1 奈米複合材料之定義與分類 9
2-2 溶膠-凝膠(sol-gel)法 11
2-2-1溶膠-凝膠法原理 12
2-2-2 溶膠-凝膠法步驟 12
2-2-3 溶膠-凝膠法應用於有機/無機材料 15
2-3 偶合劑 16
2-4 紫外光硬化有機樹脂 17
2-4-1 紫外光硬化有機樹脂起源 18
2-4-2 光硬化樹脂種類 18
2-4-3 光硬化樹脂的反應機制 21
2-4-4 光起始劑類型 23
2-5 環氧樹脂簡介 24
2-5-1 環氧樹脂硬化反應 24
第三章 實驗方法 27
3-1實驗藥品 27
3-2實驗儀器 29
3-3實驗流程圖 31
3-4 實驗步驟 32
3-4-1 矽氧烷偶合劑ICS酸水解反應 32
3-4-2 無機金屬TiO2粉體表面親有機化改質 33
3-4-3 製備GMA/ICS/TiO2複合物 34
3-4-4 製備TMPTA/GMA/ICS/TiO2複合物 35
3-5 鑑定與分析 37
第四章 結果與討論 42
4-1 FT-IR傅立葉轉換紅外線光譜儀檢測 42
4-1-1 ICS矽氧烷偶合劑酸水解之FT-IR鑑定分析 42
4-1-2 ICS/TiO2複合物之FT-IR鑑定分析 46
4-1-3 GMA/ICS/TiO2複合物之FT-IR光譜圖 49
4-1-4 TMPTA/GMA/ICS/TiO2複合物光聚合反應之FT-IR光譜圖 52
4-2 熱性質分析 54
4-2-1 熱重損失儀(TGA) 55
4-2-2 影響材料耐熱性因素 57
4-2-2-1合成GMA樹脂之最佳合成方式 59
4-2-2-2 GMA/ICS/TiO2複合物之耐熱性TGA檢測 61
4-2-2-3 TMPTA/GMA/ICS/TiO2複合物之TGA檢測 66
4-3 TMPTA/GMA/ICS/TiO2有機/無機奈米光學薄膜之UV-vis透光性分析 70
4-4 TMPTA/GMA/ICS/TiO2光學薄膜之表面電阻值 73
4-5 TMPTA/GMA/ICS/TiO2光學薄膜之鉛筆硬度及附著力測定 76
4-6 TMPTA/GMA/ICS/TiO2光學薄膜之表面型態學分析 78
第五章 結論 82
參考文獻 84














表目錄
表2-1壓克力有機樹脂結構與其合成樹脂之熱裂解溫度圖 20
表3-1附著力試驗之評定點數表 40
表4-1 GMA/ICS/TiO2複合物熱裂解溫度與有機灰份殘留量 65
表4-2 TMPTA/GMA/ICS/TiO2光學薄膜之表面電阻值 76
表4-3 TMPTA/GMA/ICS/TiO2光學薄膜之表面硬度與附著力 78
















圖目錄
圖2-1 奈米複合材料分類圖 10
圖2-2矽氧烷偶合劑酸水解反應示意圖 13
圖2-3矽氧烷偶合劑於酸性條件進行水解與聚合反應示意圖 14
圖2-4 矽醇中間物與金屬氧化物鍵結示意圖……………………………………..15
圖2-5自由基聚合反應機制示意圖 22
圖2-6環氧基開環聚合反應 26
圖3-1實驗流程圖 31
圖3-2 ICS酸水解示意圖 33
圖3-3 合成ICS/TiO2複合物之反應示意圖 34
圖3-4 合成GMA/ICS/TiO2複合材料之反應示意圖………………………………34
圖3-5合成TMPTA/GMA/ICS/TiO2複合材料之反應示意圖 36
圖3-6 傅立葉轉換紅外線光譜分析儀 37
圖3-7 紫外線可見光光譜儀 39
圖3-8 熱重分析儀 41
圖3-9場發射掃描式電子顯微鏡 41
圖4-1 ICS矽氧烷偶合劑之FT-IR光譜圖 44
圖4-2 ICS矽氧烷偶合劑酸水解反應之IR光譜圖 46
圖4-3 矽醇中間物與無機金屬TiO2微粒偶合之FT-IR光譜圖 48
圖4-4 ICS矽醇中間物與不同用量TiO2微粒反應之FT-IR光譜圖 49
圖4-5 雙官能基單體GMA之FT-IR光譜圖 50
圖4-6利用PMDA硬化劑合成GMA/ICS/TiO2複合物之FT-IR光譜圖 52
圖4-7 TMPTA/GMA/ICS/TiO2複合物光聚合反應FT-IR光譜圖 54
圖4-8 純GMA單體合成樹脂之TGA曲線圖 59
圖4-9 PMDA開環硬化劑/光起始劑chemcure-709合成之GMA有機樹脂TGA曲線圖 61
圖4-10 不同組成配方用量合成GMA/ICS/TiO2複合物之TGA曲線圖 65
圖4-11 不同配方用量之GMA單體合成TMPTA/GMA/ICS/TiO2有機/無機複合材料之TGA曲線圖 69
圖4-12 不同PMDA硬化劑用量合成TMPTA/GMA/ICS/TiO2有機/無機複合材料之TGA曲線圖 69
圖4-13 不同用量TMPTA合成TMPTA/GMA/ICS/TiO2有機/無機複合材料之TGA曲線圖 70
圖4-14不同含量GMA合成TMPTA/GMA/ICS/TiO2光學薄膜之UV光譜圖 73
圖4-15 TMPTA/GMA/ICS/TiO2複合物之FE-SEM圖 80
圖4-16 TMPTA/GMA/ICS/TiO2複合物之FE-SEM圖 80
圖4-17 TMPTA/GMA/ICS/TiO2複合物之FE-SEM圖 81
圖4-18 TMPTA/GMA/ICS/TiO2複合物之FE-SEM圖 81


參考文獻
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