高無機耐久混成材料發展與應用

 

刊登日期:2014/7/11
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永續性塗料可由三個發展方向來說明:第一是減少環境衝擊,如減少VOC/毒性物質排放,減少溫室氣體排放與提供健康環境;第二是提高能源效益,利用塗料節省能源使用;第三則是提高資源效益,增加材料耐久效果、增加功能性,或不使用石化資源,而使用以可再生原料來製作的塗料成分。最常見的永續綠色環保塗料包含有水性塗料、VOC塗料、紫外線塗料等。
 
氟碳塗料具有優良的耐候效果,但單價高且硬度稍微不足,PVDF塗料重塗性不佳,因此發展出另一種耐候塗料—無機耐候塗料。無機的鍵能高可抵抗紫外線破壞,因此耐候效果較佳。但無機含量過高會造成成膜性與加工性變差,一般無機耐候塗料會添加50%有機材料來增加成膜、柔軟與加工性。
 
如表一所示,市售無機混成耐候材料的無機含量僅有 50%,雖然硬度可在 2H以上,價格也相較低,但耐候效果低於PVDF與FEVE氟碳樹脂塗料,仍無法與氟碳樹脂耐候性競爭。而傳統的有機塗料例如壓克力、聚酯塗料鍵能低,因此耐候性通常在2~5年之間,經由矽改質樹脂塗料耐候性約可提升到7年左右,但耐候性同樣無法與氟碳塗料相競爭。
 
耐候材料原理
表二為建材被破壞的主要原因, 在金屬部分以腐蝕為主,在非金屬部分以高分子裂解為主。而樹脂為塗料的主要成膜成分,也是決定塗料耐候性優劣的主要因素,樹脂一般為有機高分子以化學鍵結方式連結各元素。常見的有機高分子會以C-C(鍵能約83 Kcal/mol)與 C-O(鍵能為85.5Kcal/mol)等,其鍵能對應的波長分別為346與334 nm(表三)約為UV-A區域,因此會被日光中的紫外線破壞而造成材料裂解。而氟碳材料C-F鍵能為116 Kcal/mol,太陽光進入大氣層後,短波長、高能量之電磁波如X-ray等都會被吸收,無法進入到地表上,因此很少光線能破壞氟碳塗料,相較之下耐候性較為優異。
 
工研院高無機混成耐候材料
台灣地處亞熱帶, 環境特色包含高溫、多雨、日照強,在這樣的環境下塗料表面更容易被破壞,造成塗膜龜裂、粉化與退色。尤其是建築、交通工具等,更期望提高耐候效果,減少維護頻率。氟碳塗料具有良好耐候效果,但單價過高。傳統無機混成材料因無機成分不足,使得耐候效果仍然低於氟碳塗料,而提高無機成分卻會造成成膜性與柔軟性不足,使得應用上更加困難。
 
為解決國內產業困境,工研院投入高無機混成材料開發,期望藉由本研究技術投入,提高國內產業競爭力。工研院所研發高無機成分之混成材料是以矽氧化合物為主,為鑑定矽氧化合物無機成分含量,本研究以熱重分析儀進行分析,一般溶劑、單體會在 300˚C以下裂解,一般有機高分子則是在 300~500˚C產生裂解,超過500˚C以上甚至達到 800˚C皆為無機材料。工研院研發之Si-O為主鏈結構之無機混成材料,其無機含量可達到 85%以上(圖二),高於市售無機混成材料約 30%以上。另外,無機鍵結鍵能高,在可見光幾乎不會吸收,但無機材料粒徑過大卻會造成光散射。
 

圖二、無機混成材料之熱重分析儀分析
 
無機成分達到60%以上塗膜成膜性與柔軟性會快速下降,為解決無機成分過高造成成膜性不足,本研究以結構控制方式來改善成膜性與柔軟性不足缺點,圖四(a)為一般之高無機混成材料,其成膜性不佳造成基材直接暴露在外,因此在浸泡鹽水時,由圖四(c)可明顯看出鍍鋅鋼板很容易產生白鏽腐蝕現象,證實無機成膜性不佳會造成保護效果下降。工研院以結構控制技術,能控制無機材料結構是以Si-O鍵結,但結構排列讓塗層具有良好的成膜性與柔軟性,因此在……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文。
 

圖四、(a)一般高無機混成材料;(b)工研院高無機混成材料;(c)一般高無機混成材料;(d)工研院高無機混成材料之200小時浸泡鹽水試驗
 
作者:黃元昌、湯偉鉦、蘇一哲、簡淑雲 
★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=14958

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