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[技术] 功能性涂装技术大突破-「莲花效应」

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发表于 2008-12-6 05:30:34 | 显示全部楼层

功能性涂装技术大突破-「莲花效应」

一、涂装产业新契机

  在大自然裡,我们注意到植物叶面常可保持洁淨而不被沾污,这种特性经多年来的探讨发现,与叶面上具有奈米(100~200nm)规则排列的粗糙结构表面和最外层蜡质低表面能疏水材料有关,奈米粗糙面是保护叶面不被污染的首要因素,即使被污染物附着于其上,也可轻易地以水冲刷带走洗掉,达到自清洁效果 (Self-Cleaning Effect),此即所谓的「莲花效应」(Lotus Effect)。

  这种表面自清洁的特性不仅存在于莲花叶面上,在动物皮肤或许多其他植物叶子中亦都得到验证,而开发彷造莲叶具自清洁功能的疏水涂料、涂装技术製程,乃蔚为风潮。相关的研究方向包含:(1)应用于LCD产品之高阻气、高透明涂料及抗反射高硬度涂料;(2)应用于电子产品之电磁遮蔽涂料;(3)应用于建筑之隔热节能涂料及自清洁涂料;(4)金属用防蚀防鏽涂料;(5)具环保相容性之涂料;(6)具有杀菌效果的奈米光触媒涂料;(7)精密的涂装製程技术;(8)模拟计算于涂装製程上的应用技术;(9)建立相关量测或检测技术。

  二、功能性涂装材料与技术

  涂装材料及种类众多,作用方式及机制亦不同,製备技术更是千变万化,涂层除了其基本特性外,还要能满足某些特殊的性能要求,如:自洁性、耐蚀性、耐磨性等涂层。涂层係指利用物理、化学或其它方法,在金属或非金属基材表面形成一层具有一定厚度,不同于基材材料且具有一定的强化、防护或特殊功能的覆盖层。依涂层材料的特性与形成的技术可粗分为下列三种:

  (一)金属涂层

  各种金属,如铜、铝、镍、铬、银等许多金属材料均可成为涂层,可达到防腐蚀、耐磨及其他功能涂层作用。金属涂层依形成的技术又可细分为五种:(1)热喷涂层:热喷涂材料(粉末或线材)经热源(火燄或电弧)加热至熔化或半熔化态,用高压气流令其雾化并喷射于工件上,熔融态雾化金属粒子以很高速度打到工件表面,形成片层状结构堆积集合成涂层;

  (2)热浸镀涂层:将经过表面处理的金属工件放入远比工件熔点低的熔融金属中,工件表面上就镀上一层金属镀层;

  (3)电沉积涂层:电镀是一种电化学(也是一种氧化还原)过程,如图一所示。金属工件(或是经导电处理之非金属工件)为阴极,所镀金属或合金为阳极,分别挂于黄铜製之电极上,而浸入含有镀层成份之电解液中,并通入直流电;

  (4)化学沉积镀层:在化学镀中,金属离子是依靠溶液中得到所需要的电子而还原成金属沉积在工件表面形成涂层。将具有一定催化作用的工件表面与电解质溶液接触,在无外加电流通过之下,利用还原剂进行氧化还原反应,将有关物质沉积于工件表面形成与工件结合牢固的覆盖层;

  (5)气相沉积涂层:气相沉积包括物理气相沉积和化学气相沉积,物理气相沉积是指在真空条件下,用物理的方法将镀层材料汽化成原子、分子或是离子态,再到达工件表面沉积成涂层,如:真空镀、溅镀、离子镀等。化学气相沉积则是指在一定之温度条件下,溷合气体与基材表面相互作用,使溷合气体中某种成份分解,并在工件表面形成金属或化合物的涂层。

  

  图一 电镀(电沉积)原理示意图

  (二)非金属涂层

  各种有机材料,如油漆、树脂等高分子材料;各种无机非金属材料,如硅酸盐及有色矿物均可为涂层,可达到防腐蚀、耐磨及其他功能涂层作用。非金属涂层依构成的材料与技术又可细分为三种:

  (1)有机涂料涂层:涂料涂层是将可固化的黏着剂、颜料、溶剂等组成的涂料涂佈在工件表面,乾燥固化后形成涂层。黏着剂多为高分子聚合物,如天然树脂、合成树脂以及成膜后能形成化合物的有机物;

  (2)无机涂料涂层:主要指硅酸盐材料及有色矿物为材料,依材料特性分四种技术形成涂层,其一为高温熔融固化之瓷釉涂层,乃将硅酸盐瓷釉材料分别涂覆于钢铁和陶瓷表面,经高温?烧形成良好緻密之玻璃质涂层,其二为常温化合涂层,包括水泥、水玻璃、石灰等,以溼式涂佈,在空气中发生反应或本身发生化学反应形成涂层,其三为黏着涂层,一般由有色矿物与某种胶黏剂溷合构成,涂装后乾燥固化形成涂层,其四为溶胶-凝胶涂层,是一种非常緻密牢固的气密性薄膜,具有较高的柔韧性、化学稳定性;

  (3)塑料涂层:直接将塑料黏在工件表面形成高分子聚合物涂层。热塑产塑料用较高分子量之树脂,粉末熔化后不发生交联反应,固化成涂层,一般为液态施工,如聚乙烯等。热固性塑料用较低分子量树脂,加热熔化后与硬化剂发生交联反应,形成三维立体结构的硬化涂层,如环氧树脂等。

  (三)複合材料涂层

  各种複合材料,如热浸镀锌或铝加封孔材料(高分子材料)所形成之複合防腐蚀涂层;电镀Ni-PTFE複合自润滑涂层或Ni-SiC複合磨润涂层等。

  不同涂层具有不同性能,涂层性能取决于其化学成份及组织结构,设计、製备功能性涂层时,对于涂层材料层的选择、製备方法、涂层组织结构等乃是确保涂层性能的要件。具有特殊功能之涂层材料,可以减少资源、能源之浪费和经济损失,更可以提升生活品质。

  三、涂装材料技术发展上的应用

  涂装(层)材料技术应用层面相当广泛,依所需功能性的不同,在材料特性选择与形成技术上而有差异,目前最大的应用层面在于高阻气高透明性涂层与超疏水自清洁涂层二大方向:

  (一)高阻气高透气性

  气体阻隔涂层材料可分为有机材料、无机材料及有机/无机溷成材料三大类。无机涂层材料以乾式法形成镀层,如溅镀(Sputter)、电浆沉积(Plasma Deposition)或化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)等方式成膜,镀上薄薄一层透明金属无机膜(2~1000nm)于基材表面,达到阻隔水气与氧气之目;而溼式製程方式,如旋转涂佈(SpinCoating)、含浸(Dip Coating)、刮刀(Doctor Blade Coating)、滚筒(RollCoating)等方式成膜,其成膜厚度约1~20mm不等,不但生产速度快且具大面积化生产性,更适合于连续生产,以高分子有机塑胶材料为主;至于有机/无机溷成材料而言,乃藉由高阻气无机物的添加,达到提高有机塑胶材料之阻气性,又保有高分子材料本身韧性之功能。

  阻气涂层材料最大的应用趋势是在于平面显示器(包括LCD、LED)基板表面上,在追求轻、薄、短、小的电子产品发展上,对于现今仍以玻璃基板为主的平面显示器,在不久的将来以塑胶基材取代玻璃基板已是新趋势,塑胶基材因具有重量更轻与薄型化的优点,且可解决玻璃基板易破碎及不耐冲击之缺点,同时兼具可挠曲性与可作不同形状之裁切加工等优点,因此更是提供了新世代平面显示器在外型上的设计自由度,且可捲曲特性更供使用者于携带上的方便性。但塑胶基板对气体之阻隔性较玻璃基板差,故在其塑胶基板表面涂装上阻气层是必要的处理,使达到高阻氧气比值与低水气穿透率之需求:对LCD基板符合小于0.10cc/m2day阻气率,及小于0.15g/m2day水气穿透率;对LED基板符合小于10- 5cc/m2day阻气率,及小于10-6g/m2day水气穿透率。

  (二)超疏水自清洁性

  自清洁的表面处理在去年SARS流行后受到广泛的注意,要达到超疏水性表面之功能必须具备两项条件:表面粗糙结构(如图二)与低表面能量。

  

  图二 粗糙结构

  超疏水自清洁性的表面机制,从『莲花效应』(LotusEffect)即可一窥端倪。由于莲叶表面的微结构「粗糙层」能够将空气保留在突起物间的底部,使外在的污物或液体无法完全沾附于莲叶上;被侷限在这奈米粗糙层中的空气,其情形犹如在莲叶表面形成一层气垫(AirCushion),污物或液体是由空气所支撑着;另外,盘交错结的纤毛状「腊质」,其结构亦有助于减少外来物与叶面间的接触面积,其组成成份为一疏水性非常高的碳氢化合物化学物质(即「低表面能材料」),与水滴之间的界面张又非常不,小滴不易沾黏。结合上述二大要因,使莲叶形成一超疏水表面,水滴接触角高达150o以上(如图三所示,水滴于其表面上会达150o,而油滴却只有124o),此即所谓的「莲花效应」。

  

  图三 疏水表面的接触角

  除了莲叶表面外,部份的植物与雁、鸭等动物亦有类似的自清洁机制。雁鸭的羽毛表面主要组成成份亦为油脂类,而羽毛的层状微结构中又藏有空气,所以雁鸭即使在水中也不会弄羽毛,不会造成其飞行时的阻力,在空中飞翔时更可藉此来降低与空气间的摩擦力,使飞行时更省力。蝴蝶翅膀的微小构造皆有像莲花般的粗糙结构,其粗糙度比较均匀,经光照反射形成亮丽的颜色与奈米粗糙度有相当的关联性,如图四所示。

  

  图四 蝴蝶翅膀与均匀的疏水性微结构有关

  为了使基材表面具有粗糙度,又可以提升疏水性能,其形成方法有下列三种:(1)机械方法:以一外力施于基材表面,使其具不同的几何结构;(2)施以一低表面能材料,被覆于粗糙表面基材;(3)以奈米粉体为粗糙度的来源,再藉粉体表面改质,使粉体上有低表面能的高分子或疏水处理。奈米粉体改质技术以原子转移自由基聚合法(ATRP)为主(如图五),其优点能製作出分子量均匀的高分子、温和的反应条件及有利于奈米粉体分散。

  

  图五 表面改质示意图

  人类若能将此超疏水自清洁机制运用在汽机车、飞机、船舶及大楼帷幕玻璃等基材表面,来达到疏水自洁、省能节能的效果,不仅可提升人类生活品质,更是未来可广泛地开发的大好商机。

  功能性涂装技术与理工人的关係?

  任何便利生活的应用或新颖的科技产品,其背后总会有一段历史背景,当然也一定会与材料和製程技术的发展、创新有所关联。传统的涂装,简单来说就是在牆面的表面外观上用油漆或水泥漆作一道粉刷的程序。熟不知现今在其材料及\"粉刷\"过程的改良上,增潻了许多在外观或本质上的功能性;目前最受瞩目的就是「莲花效应」或称「疏水自清洁性」的应用。

  每个人或多或少在记忆中,彷彿都会有一个印象:「一颗接近圆形、圆滚滚的水珠在叶子上滚动」,事实上,许多自然界现象(包括动植物的组织构造),都有其存在的意义与重大的功用。科技的发展、创新在某一方面是要透过细微的观察来引导出有意义的应用层面,在全盘透彻地了解其箇中奥秘后,才能进一步在材料技术及应用上作其\"模倣\"→\"改良\"→\"创新\"。

  理工人的学识、智能的培养,其实就包括了「理」:先求对数学、物理、化学、自然现象作了解、学习及「工」:然后在进一步作应用,如技术製造程序的算计、产品工程开发的拟定,都要仰赖在学「理」上的基础。想想当你听到有关任何科技新知的报导时,懂与不懂的差异在哪?在于你的所学基础是否能引导你去了解罢了!社会上对理工人的评价往往是二个字「务实」,的确身为理工人要有不断学习求知的欲望,也唯有不断地累积新的学识、智能才能引发出在研究上的科技发展与材料技术上的革命。

  科技新知与专业学科的相关性?

  本文所简介的材料技术所涵盖的基础学科颇为广泛,如物理学、电化学、表面处理学、有机高分子化学等,也正呼应了我在前段所强调的,不断地学习才会有令人意想不到的创新成果。学理工的莘莘学子们,别忽视了基本学科的重要性,如数学、物理学、化学。因为要有稳固的根基,在能堆砌出雄伟高矗的摩天大楼,俗话说的好,「万丈高楼平地起」就是这个道理。要知道在超微观的奈米世界中,任何科学技术的重大突破进步,都是一次次的产业革命。

  在涂装技术上应用的原理与专业学科的内容是相结合的,例如:金属涂装的电镀法,亦称电化学法,其原理单纯的利用大自然中各金属都具备相异的氧化还原特性,也是正因二金属之间相异的氧化还原特性,促使一方作氧化反应,另一方作还原反应,在进行还原反应的那部分就会镀上一层还原后的金属薄层。再则在谈及产生疏水性自洁涂层时,应先製作出有表面具低能量高分子的奈米粉末体,进一步将其分散于涂层材料中,涂装于某特定的表面上,在製作低能高分子奈米粉体上,需要了解表面化学反应的机构与高子分材料的特性,在高分子化学、化工动力学学科中都能学习、了解到其原理。

  知识是无限的,求知的慾望也可以是无穷的。如何能在新材料技术不断创新的洪流、浪潮中不被淹没?不二法门,就是活到老,学到老。

  读后感 : 电池极板涂佈道理 其实差不多 看有没有厉害的人 能突破锂铁正极极板涂佈技术 造福人群喔!!
发表于 2015-12-16 13:33:41 | 显示全部楼层
谢谢您,顶
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