高分子奈米複合防蝕塗料

 

刊登日期:2014/7/4
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腐蝕(Corrosion)是自然界常見的電化學行為。根據統計顯示,全世界每年因腐蝕造成的損失遠高於地震、颱風、火災等自然災害所造成的損失。以美國工業界為例,每年因腐蝕而造成的損失約為美國國內生產毛額(GDP)的6%。更何況台灣四周環海,屬於亞熱帶海洋性環境,空氣中的溼度及鹽分都極高,讓我國處在極為嚴苛的腐蝕環境。此外這嚴苛的環境首當其衝的就是在台灣產業界佔了重要地位的漁業、工業、鋼鐵業等,因此腐蝕的問題對我們是極為重要的課題。

一般常用的防腐蝕(Anticorrosion)方法可分為1.結構設計防蝕;2.陰極防蝕法;3.金屬塗層;4.無機塗層;5.有機塗層;6.抑制劑和鈍態劑等。其中有機高分子塗層(Polymeric Coatings)最被廣泛使用,因為高分子塗層便宜、製備簡單且實用性高。然而純有機高分子塗層卻無法長時間阻隔腐蝕因子,例如水氣、氧氣及腐蝕離子,因此許多研究團隊開始將奈米材料添入有機高分子材料中形成高分子奈米複合材料,藉此延長腐蝕因子的擴散路徑,來達到提升防腐蝕的效果。近年來,在高分子奈米複合材料(Polymer Nanocomposites)開發並運用在防腐蝕塗料上更是如日中天。根據SciFinder數據指出,近十年相關文獻發表已達四百餘篇,且有逐年上升趨勢(圖一)。


圖一、近十年(2004-2014)高分子奈米複合防蝕塗料論文發表數量趨勢

高分子/黏土奈米複合材料
在製備高分子/黏土複合材料時,必須考慮黏土在高分子中的分散情況,因為不同的分散程度對於複合材料的整體性質都有巨大的影響。黏土於高分子中的分散情形可分為下列三種(圖二):1.傳統型複合材料:黏土仍保有原本完整的結構與高分子間無強力鍵結,且時間長時,將導致相分離現象。2.插層型複合材料:黏土保有其層狀結構,但其層間距增大,因此高分子可嵌入穿梭於黏土層狀結構間。3.脫層型複合材料:黏土的層狀結構完全被打散,以不規則的方式分散於高分子中,此為混成最佳的奈米複合材料,其性質將大幅提升。因此為了將較親水的黏土更有效分散於油性的高分子中,必須將黏土進行有機化改質成為親油性黏土(Organoclay)。而最佳的方法是利用陽離子交換進行改質,其中最常見的改質劑又以四級銨鹽類(Quaternary Ammonium Salt)為主,例如Cocamidopropylhydroxysultaine、Tetradecyltrimethylammonium Chloride、Diallyl Dimethyl Ammonium Chloride等。

親水性的黏土經過改質劑改質後,在層間距上會有非常明顯的差異,例如圖三為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、黏土以及聚甲基丙烯酸甲酯/黏土的廣角X-ray繞射圖譜。

高分子/二氧化矽奈米複合材料
二氧化矽(SiO2) 在地球上的蘊藏量大,且具有高表面積、高化學安定性、低膨脹係數、高耐火性、反應性佳與低折射率等特性,因此常被用來製備高分子/二氧化矽奈米複合材料。但要將二氧化矽添入有機高分子中,必須先將二氧化矽進行有機化改質,否則會造成分散性不佳的結果。

本研究室為了使二氧化矽奈米粒子在樹酯中的分散性提升,利用Tetraethyl Orthosilicate與(3-aminopropyl)-trimethoxysilane進行Sol-Gel反應,合成胺基(Amino Functional Group)修飾的二氧化矽奈米粒子。由圖七可明顯看見,有機化改質的二氧化矽奈米粒子在樹酯中的分散性相當好。而分散在高分子中的二氧化矽也扮演了與黏土相同的角色—阻隔空氣中的腐蝕因子。因此隨著二氧化矽在樹酯中的添加量提升可以發現其防腐蝕的效果也隨之提升,主要是因為二氧化矽有效延長腐蝕因子穿過塗層的時間。如圖八,添加3 wt%二氧化矽奈米粒子的樹酯/二氧化矽奈米複合材料(EES3)擁有最低氧氣通過量……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文。


圖八、樹酯/二氧化矽奈米複合材料薄膜之(a)塔伏曲線與(b)氣體透過分析圖

作者:張繼豪、葉瑞銘/中原大學化學系
★本文節錄自「工業材料雜誌331期」,更多資料請見:http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=14951


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