刮刀塗佈技術製備多孔性光子晶體於抗紫外光與紅外光之應用

 

刊登日期:2016/11/5
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過去數十年,因大氣成分的變化與臭氧的消耗,致使陽光中紫外線和近紅外線輻射強度急遽增加。長時間暴露於紫外線,對人體皮膚、眼睛和免疫系統會造成危害,而近紅外線能穿透大多數玻璃或透明塑膠窗,以長波長輻射形式被釋放,其輻射無法穿透玻璃或透明塑膠離開建築物,進而造成建築內能量積累,使室內溫度不斷提升,所造成的熱輻射導致室內空調設備於冷卻溫度所需負荷之電力增加。然而,市場上多數高分子聚合物仍無法有效反射紫外線或近紅外線。
 
近年,許多研究嘗試以設計高分子結構,或加入無機奈米粒子於高分子,以達屏蔽紫外線或近紅外線之功效。然而,改變高分子結構常引起高分子所具物理性質之變化,並造成製程上的不便。相對而言,添加無機填料之高分子複合材料,因無機粒子難均勻分散於高分子基材,故奈米粒子聚集呈微米尺寸,使入射可見光散射,導致複合材料失去透明度,影響其應用性。
 
光子晶體可能為製備智能調光玻璃的新選項,所謂光晶即為在一維、二維或三維空間中,具規則週期排列之奈米晶格結構的介電質材料,若能製備大面積且結構週期小於200奈米及大於 400奈米之規則奈米結構,則此光晶便可選擇性地繞射紫外光及近紅外光,並使可見光穿透,以保持良好透明度。然而,以現今科技量產製備大面積無缺陷且具規則排列之光晶仍具相當困難度。因此,研發一門可以低成本製備大面積且無缺陷之光子晶體,並可調整光晶排列週期,使之可阻隔太陽光中的近紅外線與紫外線,且於 400~700奈米波長範圍之可見光區域具低反射率,從而確保材料之良好透明度,亦不因對可見光之高反射率而產生反眩光公害的新技術,便成為一門新的挑戰。
 
研究方法
為解決無法大規模自組裝製備光晶之課題,近年來研究團隊嘗試使用刮刀塗佈技術製備具不同晶格間距之大面積光晶,以阻隔近紅外線與紫外線之穿透。如圖一所示,於刮刀塗佈過程中,靜止不動的刮刀垂直固定於被塗佈基材上,而刮刀與基材間隙可為1~3微米,將所配製之二氧化矽膠體/乙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯(ETPTA)單體/光起始劑懸浮液置於刮刀左側基材上。其中,二氧化矽膠體粒子之體積分率為 74 vol.%,ETPTA單體之體積分率為 25 vol.%,而光起始劑之體積分率為 1 vol.%。當注射幫浦以定速度拖曳被塗佈之基板,靜止不動的刮刀可將懸浮液均勻地塗佈於基板,同時移除過多的塗佈懸浮液,並給予懸浮液中二氧化矽膠體粒子單方向的一維剪切力,使其得以呈三維規則排列。其中,注射幫浦拖曳移動之速度可為 1~10 釐米/分鐘,經刮刀塗佈後,將樣品置於紫外光固化系統曝曬數秒,以紫外光聚合固化 ETPTA單體,以製備二氧化矽膠體晶體/ETPTA高分子複合材料。



圖一、以刮刀塗佈技術自組裝排列二氧化矽膠體晶體/
高分子複合材料示意圖

 
結果與討論
以刮刀塗佈雙層二氧化矽膠體晶體/ETPTA 高分子複合材料具有均勻淡紫色光澤(圖三(a)),因其二氧化矽膠體晶體呈六方最密堆積晶格結構,且其大範圍膠體晶體之晶格具週期性,此結構可以作為光波之繞射光欄,故所製備之 200奈米二氧化矽膠體晶體可布拉格繞射紫顏色入射光,使其樣品呈現紫色光芒。此刮刀塗佈複合材料之結構可以……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 


圖五、刮刀塗佈技術製備雙層多孔性高分子光子晶體之影像

 
作者:楊宏達、蔡依雯 / 國立中興大學
★本文節錄自「工業材料雜誌」359期,更多資料請見下方附檔。


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