功能性微粉特性分析—應用於分散技術

刊登日期:2016/12/5
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微粒粉體的特性及表面分析是材料應用端分散微粒粉體的關鍵技術,利用分散劑分散微粒粉體並使其達到安定化系統設計,因此,除了微粒粉體的功能性用於篩選、比較微粒粉體的性能之外,微粒粉體的表面分析使其分散安定也相當重要。本文介紹關於微粒粉體的功能特性分析及其於分散之應用。



圖一、微粒粉體分散系統

 
粉體特性分析技術
粉體通常具有較高的比表面積與總表面能,粉體較容易團聚,對於微粒粉體的特性分析主要可以分成四個部分,分別是功能性分析(Functionality)、材料形態/形貌(Morphology)、表面分析(Surface Analysis)和物理性質(Physical Properties)(圖二)。功能性分析是粉體特性分析最首要的項目,分析方向則是針對應用端的特性需求去分析,從同類型粉體在此特性下比較功能性質之差異,進而篩選出最適合應用端需求的粉體。

微粒粉體的形態與形貌會影響功能性,同時也會影響與高分子材料混和時的製程與配方,微粒粉體的尺寸大小、形狀和形態可以經由研磨分散技術作調控,其規格必須要配合與高分子材料混和所使用的設備製程,同時在配方設計上也需要先分析微粒粉體的材料形態與形貌,才可以調控達到複合材料的目標性質。

表面分析部分則著重於其表面的化學性質,粉體可能因為製程過程的不同,使其表面具有不同的化學性質,而其表面的化學性質則會影響與高分子材料進行混和後的相容性,粉體與高分子材料必須均勻混和才能完全發揮其特殊性能,同時也可避免複合材料的整體性質因粉體與高分子材料相容性不佳,而造成物性下降。

1. 功能性分析
粉體的功能性質分析如色彩飽和度、消光係數、折射率或導電度等。以有機顏料色粉為例,當篩選有機顏料應用於彩色塗料/油墨時,色粉的色濃度以及彩度是篩選粉體的關鍵,需利用色度儀等儀器進行分析篩選,必須選用色濃度和彩度較高的有機顏料粉體進行使用,讓塗料/油墨有高的色彩飽和度。

使用 TiO2 粉體應用時,特別需要分析其白度、折射率以及遮蓋率,利用X光繞射儀分析 TiO2 粉體,而著色強度、遮蓋率也是需要進行分析篩選。工研院材化所建立微粒粉導電度特性分析方法,使其量測結果具有鑑別度,以篩選出適合應用之金屬微粉。

2. 形態/形貌分析
粉體的形態/形貌和應用的製程與配方設計有關聯,因此在應用設計配方前,需要先分析微粒粉體的材料形態與形貌,包含尺寸大小、尺寸分布與微觀形狀等。以有機顏料粉體而言,用於噴墨用顏料墨水需要其 D95 尺寸大小低於 200nm,且通常需要尺寸分布較窄;相對於導電應用之微粒粉體則需要尺寸分布較寬,大小不同的尺寸有利於排列堆疊更緊密,且尺寸較大、形貌為片狀的微米銀片將利於導電功能。
 


圖四、SEM分析範例﹣形貌分析、尺寸大小與表面化學組成元素分析

 
3. 表面分析
粉體的表面分析著重於其表面的化學性質探討,粉體在製程過程中可能使其表面形成化學官能基的修飾,分析其表面的化學官能基修飾後,選用適合的分散劑以提高相容性。分析粉體的表面化學官能基修飾,通常會使用傅利葉轉換紅外線光譜儀(FT-IR)、熱重分析儀(TGA)和微差掃瞄熱卡計(DSC)。

利用紅外線光譜儀分析粉體表面的有機分子官能基,其官能基會有特徵的分子振動頻率,分析其特徵吸收光譜,可分析微粒粉體的表面有機化學官能基修飾。熱重分析儀是測量其總重量隨溫度的變化,即可分析得到微粒粉體表面是否具有有機官能基修飾,同時也可以知道其有機官能基修飾所佔的成分比例。微差掃瞄熱卡計則是……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:史習岡、張信貞 / 工研院材化所           
★本文節錄自「工業材料雜誌」360期,更多資料請見下方附檔。


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