奈米材料懸浮液之穩定策略及穩定性測量方法

刊登日期:2016/12/5
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一般認為奈米化後的微細材料能免於沉降的困擾,然而,對於具有高密度的奈米粒子而言,如何在高濃度的情況下製備穩定的奈米材料懸浮液,仍是一個具有相當挑戰性的問題。

另外,在配置奈米化材料懸浮液的過程中,如何快速地測量懸浮液的穩定性,以得知配方的穩定效果,也是一個很重要的課題。本文介紹了幾種高濃度懸浮液的穩定與測量方法以饗讀者,期望透過懸浮液配方及測量方法的改善,能加快讀者在功能性奈米墨水的研發時程,以提升奈米懸浮液在產業上的應用。
 
緒論
奈米化的材料因為具有比塊材更加優越的物理及化學性質,而在各個領域受到廣泛的矚目。其中一個應用奈米化材料的方法是將奈米材料懸浮液透過溶液塗布製程或是印刷技術製備成元件與薄膜。然而,為達到良好的印刷品質,必須要有穩定的懸浮液。一般認為奈米化後的材料,因其微小的粒徑,能夠藉由布朗運動抵抗重力而穩定分散在溶液中,但這僅限於稀薄的懸浮液。

要能夠有效率的印刷生產,懸浮液必須有一定的固含量。然而,在高濃度的情況下,粒子彼此碰撞的機率大增,因而容易產生聚集與沉降的現象。不穩定的分散液會造成塗布製程上的困難以及印刷圖樣品質不佳,因此,奈米材料分散液穩定性的重要不僅僅止於產品的保質期,也對塗布品質有深遠的影響。所以要如何提升奈米材料懸浮液的穩定性,特別是如何在高濃度的情況下形成穩定的懸浮液,成為一個工業上必須要解決的課題。




圖一、粒子靜電斥力示意圖

 
穩定策略
一般奈米材料懸浮液的製造,通常是將奈米粉體分散在溶液當中,或是將合成好的奈米材料沉澱收集後洗淨;然後再懸浮。在這些過程中,越細小的材料具有越高的表面能,越容易形成難以分散的聚集物,需要利用能產生高剪切力的設備來進行分散,像是球磨機、超音波均質機、高壓均質機等。然而,在高剪切力分散的過程中往往會破壞材料的結構,特別是對於一維材料的奈米線、奈米管等,打散聚集所需的能量也足以打斷線體,導致這些奈米材料的特性受到損害。此外,為了使微小的奈米粒子能夠維持分散,會使用高分子量的分散劑,這些高分子量分散劑難以去除而影響了塗布後奈米材料的表現,尤其是在導電油墨上嚴重影響印刷線路的導電性以及燒結溫度。



圖四、(a)奈米銀線薄膜加熱器;(b)未添加與添加增稠劑後之銀線薄膜樣態;(c)未添加與添加增稠劑的加熱器之熱像圖

 
穩定性測量方法
一般來說,測量懸浮液穩定性的方法可分為兩種,一是直接測量懸浮液粒子的濃度分布;二是量取與懸浮液穩定度間接相關的物理化學性質,像是懸浮液粒子粒徑分布、粒子Zeta電位、懸浮液黏度等。第一種方法中最常見的是靜置法,也就是利用肉眼觀察靜置下的懸浮液粒子的濃度變化。這個方法雖然能讓人簡便地鑑別懸浮液的穩定性,但卻相當耗時且無法提供較為客觀的數據來計算產品的保質期。

靜置法不夠準確的缺點能夠透過使用其他分析技術來解決,像是光散射、聲波衰退、NMR等方法。但測量耗時的問題仍難以得到完善的解決,特別是對於穩定的分散液而言。比起靜置法,量取粒子Zeta電位等與懸浮液穩定度間接相關的參數,雖然能快速分辨懸浮液的穩定性,然而……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:張家維、廖英志 / 國立台灣大學           
★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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