自修復微膠囊於導電油墨和防蝕塗料之開發與應用：材料世界網

施宣如、李嘉甄／臺北科技大學

本文主要討論藉由微膠囊包覆核心物質，並運用於有自行修復之需求材料的相關議題。由於微膠囊尺度小，其表面能大容易團聚，所以必須透過一些分散方法使微膠囊在基質中可以均勻分散，以提高微膠囊與基質的相容性，目的在於提高微膠囊的修復效率。內文提出幾種微膠囊應用於修復電路中之斷路、噴墨列印油墨，以及防腐蝕塗料的應用例子。

【內文精選】

前言

自修復(Self-healing)機制是一種模擬生物自我修復的行為，材料可以透過這個機制在受到破壞時進行自身即時的修補，且不需要人為的參與或干涉。自修復材料最初的構想，乃是欲提高材料的安全性、產品性能或延長使用期限；然而自修復材料在修補缺陷結構上是有限制的，和人體自癒能力的道理相同，對於過大過深的傷口或是較巨型的材料損傷，是無法自行從事修補動作的，因此這項技術較適合運用於較小尺度的材料缺口自修復。

微膠囊於導電油墨之應用

隨著科技的發展，大部分的電子設備朝向小型化和輕薄化的趨勢，其內部的電路也越來越細、越來越複雜。當電路不幸受到外力的破壞而造成斷路時，若導線中含有嵌入具修復功能的核心物質之微膠囊，即可為斷路提供立即的修補，省下維修的時間及成本。微膠囊除了直接運用在導電線路上，我們也將其放入導電油墨中，如此一來，透過噴墨列印(Ink-jet Printing)的導線也具有自行修復的功能。

1. 殼層與核心

近年來功能性材料，例如相變材料(PCM)的微膠囊引起越來越多的關注，PCM被稱為可吸收或釋放大量潛熱的物質，因此在相變期間能夠保持溫度不變或變化很小的本質特徵。但是，PCM從固相轉變為液相時通常會造成損失。透過微膠囊的封裝可以防止上述的問題，這對於可逆應用尤為重要。儘管封裝可以解決損耗問題，但大多數殼層材料都是聚合物，不僅具有較差的機械強度，而且其導熱係數較低，從而限制了傳熱速率。根據文獻指出，聚氨酯(Polyurethane)和聚（脲醛）(Poly(ureaformaldehyde); PUF)具有出色的機械韌性，因此可以做為堅固的外殼，但導熱性差仍然是一個問題。北科大實驗室利用二十烷(C20)做為微膠囊之核心相變材料，並使用具有較佳機械韌性之聚（脲醛）做為微膠囊的殼層材料。

圖一(a)所示為包覆著二十烷的微膠囊（以下簡稱為PUF@C20），其尺寸大約為1~10 μm，而根據圖一(b)之微膠囊橫截面的SEM影像可以得知微膠囊的殼厚為50~100 nm；透過熱重分析儀溫度對重量損失的分析，得知核心中的二十烷（簡稱C20）大約占整個微膠囊的95 wt%以上。

圖一、(a) PUF@C20之SEM影像；(b)嵌入樹脂中的破裂PUF@C20微膠囊之橫截面SEM影像（核心C20已被溶劑先行清洗乾淨），顯示出約50~100 nm的殼厚

自修復微膠囊於防蝕塗料之應用

保護金屬表面不受腐蝕的傳統方法包括陰極保護、陽極鈍化、電解抑制和主動腐蝕抑制等。然而，這些方法使用的許多化學藥品和溶劑都具有很高的毒性和致癌的風險，因此，我們使用危害性較小的化學藥品來開發用於金屬材料的新型智能防蝕塗料。

我們利用化學性質穩定且具有機械強度之PUF做為微膠囊的外殼，而內部之核心物質使用商用紫外線固化膠，所製得之微膠囊的SEM影像如圖八(a)所示；圖八(b)則為其粒徑分布，d₅₀為5.8 μm。預計將此微膠囊埋於環氧樹脂，並塗佈於低碳鋼表面，模擬當低碳鋼表面受到破壞時，紫外線固化膠之流出和修補，可使低碳鋼表面形成一保護膜，防止其繼續受到腐蝕。有別於前面兩種應用，我們選用油酸磷酸酯(OP)做為微膠囊之分散劑，由電子顯微鏡、流變行為及機械性質，可觀察到僅添加0.5 wt%的OP就足以使微膠囊在環氧樹脂中獲得良好分散。

我們在低碳鋼上表面劃出兩道對角的直線，並使用紫外光照射約10秒，圖九(a₀)~(e₀)分別代表環氧樹脂中含有0、5、10、15、20 wt%的微膠囊；而圖九(a₂₄)~(e₂₄)、(a₄₈)~(e₄₈)為試片浸入鹽水後24及48小時後的影像。顯然的，在自修復和防腐蝕(Anti-corrosion)的實驗中…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。