奈米材料在環(huán)工設(shè)備的元件的應(yīng)用

1、奈米材料在環(huán)工設(shè)備的元件的應(yīng)用忠信科技陳忠詰壹：基本原理說明:奈米材料在素材表面塗佈後，可給環(huán)工設(shè)備的元件，帶來物理及化學(xué)作用，有利於環(huán)工設(shè)備的元件的處理效果及使用安定性，分別說明如下：一：物理作用：玻璃製作時，係將溶融的玻璃在溶融的表面進行凝結(jié)；冷卻過程， 空氣的冷凝作用及溶融錫的收縮作用，會在玻璃表面留下許多微小坑 洞；如以放大鏡甚至顯微鏡觀察其表面，可以發(fā)現(xiàn)玻璃表面的粗糙、凹 凸不平的現(xiàn)象。同樣的，塑膠製品及噴塗有機膜的產(chǎn)品，由於施工過程， 皆有小分子曳出表面及溶劑揮發(fā)的現(xiàn)象，曳出的小分子及揮發(fā)的溶劑， 會在塑膠製品及有機膜噴塗的元件表面，留下許多微小坑洞。當(dāng)污垢進 入元件表面粗糙的孔洞

2、內(nèi)時，會因勘入孔洞內(nèi)部，且和物件形成緊密的 接著，造成清除上的困難。針對上述現(xiàn)象，以極小的奈米粒子填補粗糙孔隙時，可使物件表面 變?yōu)楦交?，污垢不易附著（防污作用）；而且附著的污垢，其附著?也相對下降，使得清潔容易進行 （易潔作用）。其中，玻璃存在許多微 小坑洞會把入射光作雜亂地反射，也會造成透射光的相互干射，使的透 射光的強度下降；奈米溶膠塗佈形成的平滑表面，會減少光線的干射效 應(yīng)，進而提高透光度。以上的物理作用機制，因為不牽涉化學(xué)反應(yīng)，所需要的是表面膜層 特性，因此不需要太厚的奈米溶膠塗層；更為了透光率的考量，物理作 用機制需要的是一層厚約數(shù)十或一、二百奈米之薄膜，即可達到防止污泥累積、

3、水垢殘留及菌類滋長的作用0要能夠具有上述填孔、成膜及改善表面特性的奈米粒子，必須具有結(jié)晶良好、粒徑小（三20nm，愈小愈好。）、雜質(zhì)或添加物少等特性；忠信科技公司所開發(fā)的奈米溶膠為已結(jié)膠完成 ，且呈完全結(jié)晶態(tài)的水性 奈米粉體溶膠；其溶液中除了主成份的奈米粉體粒子外，無任何反應(yīng) 物、副產(chǎn)物，其鹽類殘留量也都在 100ppm 以下，奈米粉體粒子的粒 徑?。?20nm 以下）而分佈集中。實驗測試部份，發(fā)現(xiàn)其吸附力強而成 膜性佳（可在低溫成膜，或在高溫時於 5 分鐘內(nèi)迅速成膜。） ；因此， 鍍膜的可行性大增。二：化學(xué)作用： 奈米粒子為例，其受光線激發(fā)後進行氧化還原反應(yīng)之過程 ，可以 TiO 2為例說明

4、。當(dāng) TiO2 粒子吸收大於能階之光線能量後，電子即從共價帶 （ValenceBand） 激發(fā)至傳導(dǎo)帶 （ConductionBand） 成為自由電子，而在 共價帶形成帶正電荷的電洞 。激發(fā)態(tài)的電子可以與靠近光觸媒粒子表面 的化學(xué)分子進行還原反應(yīng)，將化學(xué)分子反應(yīng)成還原態(tài)；另一方面，電洞 所帶的正電荷則可以與化學(xué)分子進行氧化反應(yīng) ，將化學(xué)分子反應(yīng)成氧化 態(tài)；因而在光觸媒粒子表面進行氧化還原反應(yīng)，此即為典型的光催化反 應(yīng)過程； 其作用又以脫色、除臭的效果最為顯著 。要能發(fā)揮真正化學(xué)作用的功能，具有幾項條件：（一）結(jié)構(gòu)及粒徑必須正確 ：必需為以銳鈦礦或銳鈦礦 / 金紅石混合結(jié) 構(gòu)存在，顆粒粒徑在 3

5、0nm 以下的二氧化鈦。（二）必需要有充份的照光及適度的水分 。（三）必需充分的表面質(zhì)傳及循環(huán)系統(tǒng) ：光觸媒作用只發(fā)生在觸媒表面 且屬於被動作用型態(tài)（必需被處理物到達觸媒表面才作用） ，因 此充分的表面質(zhì)傳 （包括氣體流動或液體流動） 為反應(yīng)持續(xù)進行 的關(guān)鍵；另外，更需借助良好的循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計，讓處理標(biāo)的物有 效而完全的流過光觸媒表面。四）必需要有良好的預(yù)過濾系統(tǒng) ：光觸媒作用完全倚賴觸媒表面進 行，粉塵或不反應(yīng)的懸浮粒子沾附觸媒表面，將導(dǎo)致光觸媒作用 因照光受阻及反應(yīng)物隔絕之雙重效應(yīng)而減緩或停頓 ；因此有效的 預(yù)過濾系統(tǒng)可確保光觸媒作用不會因粉塵或不反應(yīng)的懸浮粒子 等異物的沾附而失去作用，延長

6、光觸媒的壽命。五）用於適當(dāng)?shù)膶ο?：光觸媒作用基本上是以氫氧自由基將有機物氧 化，理論上可將有機物徹底分解，但由於光觸媒作用只在表面很 小的厚度範(fàn)圍內(nèi)進行，且反應(yīng)時間短，只有具反應(yīng)性較強官能基 的有機物（如 C-S，C-N 或 C=O ，C=N 等）才可在有限時間內(nèi) 反應(yīng)；因此，正確的將光觸媒用於適當(dāng)?shù)膶ο?，才能收到具體的 成效；所以，將光觸媒用於除臭/脫色或刺激性VOC （大部份含 C-S， C-N 或 C=O ， C=N 等官能基）才能快速發(fā)揮其作用。六）用於處理低濃度之污染物或長期作用的場合 ：光觸媒的作用基本 上屬於和緩的作用，對於高濃度或立即性的污染，將無法負(fù)荷而 表現(xiàn)不出功效；只有

7、將光觸媒應(yīng)用於低污染濃度或長期作用的場 合，或適用以維持生活環(huán)境之乾淨(jìng)度，才能有效發(fā)揮其作用。以上六項要素中，第（一）項： 結(jié)構(gòu)及粒徑必須正確， 忠信科技公 司所提供的奈米溶膠正好合乎所需；而第（二）項至第（六）項，配合有經(jīng)驗的環(huán)境工程公司，實用的可行性很高貳：奈米溶膠的塗佈： 要藉由奈米溶膠塗佈形成良好的薄膜，需多種條件的配合，除了奈米溶膠原料的選擇外，基材的前處理/塗布方式、設(shè)備及作業(yè)環(huán)境/塗布後的處理，均為奈米溶膠薄膜是否吸附良好及長期安定的主因。分別說明如下 一：基材的前處理：其主要目的及作用如下：（一）清潔： 基材表面往往存在油污、粉塵、氧化物，若未有效去除，則奈米 溶膠難以在其上成

8、膜 ；即使勉強成膜 ，也因附著不良而容易脫落。（二）去氧化層： 此像是針對金屬而言；所有的金屬若未經(jīng)特別處理均會在表面形成氧化層，這種 天然形成的金屬氧化層，往往結(jié)晶不良、晶相雜亂且呈多孔性， 有如散砂一樣；在其上不但不易鍍膜，且形成的膜也容易脫落； 金屬表面的前處理，有一相當(dāng)重要的功用即在去除金屬表面的天 然氧化層。但是，剛?cè)コ饘俦砻娴奶烊谎趸瘜拥慕饘?，表面?性很高，需作適當(dāng)?shù)谋Ｗo膜或鈍化膜，才可確保在奈米溶膠薄膜 形成前，金屬表面不再氧化；因此，金屬表面的前處理的另一重 要功用即在形成保護膜或鈍化膜。（三）改質(zhì)：奈米溶膠（主成份為金屬氧化物） 皆帶有強大電性，若基材的電 性和奈米溶膠的

9、電性不相容（相斥） ，則薄膜根本無法附著，必 須配合後製程的奈米溶膠特性，將素材表面羽以改質(zhì)。四）改變表面型態(tài)（ morphology ）： 如前所述，元件素材表面，存在許多微小坑洞，其孔徑一般約在110阿 左右，深度約1阿；以粒徑三0.02阿 的奈米粒子， 鍍膜厚度目標(biāo)0.20.3阿 的溶膠塗佈，很難有效將元件素材表 面的微小坑洞加以覆蓋；前處理的另一重要目的，是將素材表面 的微小坑洞經(jīng)由化學(xué)法修改成孔徑約在 0.10.5阿左右，深度 約0.1 （jm的微小坑洞，以利溶膠塗佈成膜的進行；並同時提高 比表面積，以提高附著力。五）預(yù)鍍：同業(yè)的基材，由於等級、產(chǎn)地、乃至批號不同，表面特性會有差異，

10、 其差異會影響鍍膜品質(zhì) ；為了避免基材表面特性的差異干擾鍍膜 品質(zhì)，可利用預(yù)鍍作業(yè)，使基材表面特性一致化進而提升鍍膜品 質(zhì)。二：塗佈方式、設(shè)備及作業(yè)環(huán)境： 溶膠塗佈成膜的品質(zhì)，會受到設(shè)備因素 （包括：設(shè)備平穩(wěn)度、循環(huán)、 過濾等）及作業(yè)的環(huán)境因素（包括：風(fēng)量、落塵量、震動、溫度、 濕度等）影響很大；而膜層的設(shè)計及操作條件，則直接影響成品的 膜層厚度、物性及光學(xué)性。因此需以系統(tǒng)設(shè)計，配合工程施進行， 方可確保其品質(zhì)。三：塗佈後的後處理：奈米溶膠塗佈後，經(jīng)初步烘乾後，奈米粒子雖已附著，但仍以粒子型態(tài)存在，尚未成膜；需經(jīng)過適當(dāng)?shù)尼崽幚?，方可成膜（此為一?以奈米溶膠作成品外觀噴塗不耐久主要原因） 參：

11、藥液特性及製程特性說明：一：奈米溶膠特性：忠信科技所生產(chǎn)的奈米材料，有別於一般以研磨方式（包括改良的研磨/溶解綜合法）或粉末分散方式形成奈米材料的作法，而是採用濕製程方式, 直接從溶液中合成奈米溶膠溶液；又和“溶劑反應(yīng)型”截然不同，為中性、 結(jié)晶型、水溶性奈米溶膠溶液；其特點如下：（一）顆粒極細（至0nm ）,而且粒徑分佈集中性高而均勻。（二）溶膠溶液的純度高，添加劑的總量少於1克/（一般奈米溶膠溶 液，多含分散劑、乳化劑、安定劑、溶劑等，種類多而總量大，往往高達100克/升以上）（三）完全結(jié)晶且均勻分散。（四）中性水溶液。（五）濃度調(diào)整屬於可逆反應(yīng)（以不超過1.1%的上限為準(zhǔn)，可用加純水 調(diào)

12、低濃度，或低溫減壓濃縮的方式調(diào)咼濃度。）（六）藥液溫度提高，有助於膜層均勻性；但 以不超過40 C為準(zhǔn)。（七）藥液加溫時，必需採用間接加熱；若採直接加熱，將造成溶膠析 出形成膠體。由於上述特點，使得忠信科技所生產(chǎn)的奈米溶膠溶液，具有以下的加工特性：（一）安定性高：藥液的奈米粒子成份單一，且為完全結(jié)晶型態(tài)且水合作用強，不會有分解或結(jié)晶型態(tài)轉(zhuǎn)變的問題；再加上水的揮發(fā)性低，無論是貯存或操作時，藥液的變異性 很低，安定性很高，對於成本及生產(chǎn)管控極有助益（二）可自動控制：由於結(jié)晶形奈米粒子不會有分解或結(jié)晶型態(tài)轉(zhuǎn)變的問題，其吸收光譜固定，藥液中唯一的變數(shù)為水的揮 發(fā)；當(dāng)水揮發(fā)時，透光度會下降，故可利用光電

13、比色 計作自動控制，對於生產(chǎn)管控及品質(zhì)極有助益。（三）吸附力強：一般的奈米粉體其 粒徑太大，其中的雜質(zhì)及副產(chǎn)物又多，造成奈米粉體的吸附性及成膜性皆不佳， 無法自 動成膜，必需加入高分子樹脂（resin）或矽烷化合物（silane ）作為膠合劑，但此兩類物質(zhì)的加入，會妨 礙光學(xué)性（包括透光度、折射率、光譜吸收分佈等 項）。忠信科技所提供的奈米溶膠粒子為結(jié)晶型奈米 粒子，本身會帶電，再加上粒徑很小，比表面積相對 很大，不需加入膠著劑（binder ）即可吸附於基材， 形成良好的附著；對於光學(xué)膜的形成極具優(yōu)勢。（四）成膜性佳：忠信科技所提供的奈米溶膠粒子由於粒徑很小，表面能量很高，在無水（乾燥）狀態(tài)

14、下容易結(jié)合；更由於 系統(tǒng)中沒有其他雜質(zhì)干擾，故在吸附後，給予適當(dāng)條 件（去水）後，即會成膜，且達到相當(dāng)硬度，對於光學(xué)膜玻璃的後加工極具優(yōu)勢。（五）可重覆coati ng :由於成膜性佳，可在經(jīng)過簡單烘烤後，即進行下一次的coati ng，此種特性有下列優(yōu)點：（1）一次coati ng膜厚可下降，使得鍍膜層內(nèi)的缺陷相對減少； （2）重覆coati ng時，可將上一次coati ng的結(jié)晶缺陷或氣孔予以修 補，提高良率；（ 3）可將高折射率（ TiO 2）及低折射率（ SiO 2）重覆 coating ，使發(fā) 揮“光閘”效用，使光譜的對比相對放大， 達 到更高品質(zhì)的目標(biāo) 。二：前處理： 忠信科技針

15、對不同素材，設(shè)計不同的前處理，分別說明如下：（一）玻璃前處理劑： 主要是利用“微蝕作用”，將玻璃表面附著的錫粒子咬下，並改善玻 璃表面微小坑洞的孔徑、深度以利溶膠塗佈成膜的進行；並同時提高 比表面積，以提高附著力。（二）塑膠前處理： 以奈米複合硬化劑作塑膠表面預(yù)處理，處理過的表面不但可提高硬 度，且形成具有無機特性的界面，使得後製程（奈米溶膠鍍膜）容易 進行。（三）金屬前處理： 基本上，金屬前處理包括三個作用： （1）去油污：也就是“清潔”，一般以“鹼洗”為主。 （2）去氧化層，依金屬種類不同，分別採用酸性或鹼性的“微蝕 液”。一般而言，鐵材、銅材及其衍生物採用酸性微蝕液，鋁 材、鎳材及鋅材多

16、採用鹼性微蝕液。（3）形成保護膜或鈍化膜：依各種金屬種類不同，分別設(shè)定。 三：後處理：奈米溶膠塗佈後，經(jīng)初步烘乾後，依材料種類不同，分成：（一）塑膠：長時間（一小時以上）低溫烘烤或微波處理。（二）玻璃：低溫烘乾後，經(jīng)中溫?zé)Y(jié)後，再作強化處理。（三）金屬：低溫烘乾後，作高溫?zé)Y(jié)。肆：處理流程一：玻璃：玻璃一鹼洗一水洗(二次)-前處理(GP-100 )-水洗(二次)-切水 f鍍膜f烘烤f燒結(jié)f強化f成品。二：塑膠：塑膠f鹼洗f水洗(二次)f IPA洗f預(yù)鍍膜(HCS-2 )f預(yù)烘烤f UVf IPA洗 f鍍膜f烘烤或微波。三：鋁材：鋁材f鋁材前處理(AP-100 )f水洗f預(yù)鍍(SB-150 )f

17、鍍膜f烘乾f燒 結(jié)f成品。四：不鏽鋼材：不鏽鋼材f鐵材前處理(FP-100 )f水洗f安定化處理(FPM-100 )f水洗f預(yù)鍍(SB-150 )f烘乾f 鍍膜f烘乾f燒結(jié)f成品。五：銅材：銅材f銅材前處理(CP-100 )f水洗f安定化處理(CPM-100 )f烘乾f鍍膜f烘乾f燒結(jié)f成品伍：鍍膜操作：一：原理：當(dāng)被鍍元件浸在奈米溶膠溶液中時 ，奈米溶膠溶液即在被鍍元件表面形成 一層水膜（內(nèi)含奈米溶膠粒子） ；被鍍元件拉出液面時，水膜會部份流回 溶膠溶液中，部份留在被鍍元件表面，形成一定厚度的水膜；經(jīng)烘烤將水 揮發(fā)後，水膜的奈米溶膠粒子即停留在被鍍元件表面，經(jīng)特定的後處理條 件後，形成無機膜。：細部說明：（一）水性奈米溶膠粒子為顆粒很細的結(jié)晶態(tài)顆粒，在水中呈均勻的分散，可在水中保持動態(tài)平衡（安定的懸浮狀態(tài)） ，且長期安定。（二）被鍍元件表面的無機膜厚，主要決定於：（1）奈米溶膠溶液的濃度：膜厚和濃度呈線性關(guān)係。 （2）浸漬後的拉昇速度：膜厚隨拉昇速度的 2/3 次方變動。（三）使用過程，奈米溶膠粒子不會分解或析出，其消耗為純粹在被鍍元件 表面隨水膜的吸附 ，操作過程，奈米溶膠溶液的濃度變異很小 ；因此， 在無機膜厚不變的前提下 ，可按照處理面積依比例添加的方式補充