廖英志、吳奕鋒、陳彥齊、吳家秀、邱鈺絜/臺灣大學化學工程學系；朱育麟、黃泳彬/工研院材化所
三、白色墨水（TiO2 -DMAc-PU）製程
以SEM分析TiO2粉末的原始粒徑，由圖十二得知，TiO2粉末的原始粒徑大小約為36nm，再以TEM測量TiO2於水中的粒徑大小，發現有約為125nm大小的聚集體產生，主要原因為TiO2的PH等電位點介於4-6間，而TiO2於水中的PH值約為7，因為表面電荷分布不多，容易造成顆粒聚集。而所選用的溶劑為DMAc，其介電常數約為37.8，比水的介電常數（78.5）低，表面電荷更少，因此，若將TiO2分散於DMAc中也會有團聚的現象發生。
圖十二、(a) TiO2粉末表面樣態之SEM圖；(b) TiO2粉末於水中之TEM圖
將TiO2分散於DMAc中，會形成不穩定的分散液，可以透過物理方式，如研磨、超音波震盪等給予能量，使奈米粒子能均勻分散於溶劑中。比較不同製程下濾液的固含量（表二），可以發現沒有研磨的TiO2分散液（5 wt%）無法通過0.22μm的針筒過濾器，若將TiO2事先研磨再分散於DMAc中，分散溶液可以通過0.22μm的針筒過濾器（圖十三），且濾液固含量為2.18 wt%，若再利用公自轉機給予剪切力混合，濾液的固含量可以提高至2.43 wt%。
圖十三、0.22μm的針筒過濾器 (a)未研磨之TiO2-DMAc，顆粒過大，只濾出DMAc；(b)經研磨後之TiO2-DMAc，大部分TiO2顆粒可濾出
由上述可得知，分散TiO2-DMAc最佳的製程方法為先研磨使粉末粒徑變小、再於公自轉機中給予剪切力混合、最後於均質機中高能量震盪，可以達到均勻分散的效果。
為了增加粒子間的立體障礙，以提升TiO2於DMAc的分散效果，使濾液的固含量可以提升，我們選用商業分散劑BYK111來分散TiO2-DMAc。如圖十四所示，BYK-111屬於低分子量（通常300-2000 g/mol）分散劑，其作用原理類似界面活性劑，一端具有親溶劑的性質，而另一端則是親顏料，結構上具有酸性基團，並且帶有陰離子的特性。因一端帶有電荷的特性，BYK111這類物質表面多帶有較大的極性，使表面容易被帶相反電荷的分散劑所吸附形成一層封膜而穩定，特別適合無機顏料的分散，而又以二氧化鈦效果最佳。
以BYK111 / TiO2 = 0.01、0.02、0.03的比例加入TiO2-DMAc中，藉由剪切力混合、均質機給予高能量分散，之後將分散液通過0.22μm的針筒過濾器，計算濾液的固含量，由表三可以發現，添加三種不同比例的分散劑都可以增加濾液的固含量，其中以BYK111/TiO2= 0.02這個比例的濾液為3.37 wt%，固含量最高，表示分散效果最好。
比較有無添加分散劑對樣品粒徑的影響，分別將兩個5 wt%的樣品稀釋後，以DLS分析分散液的粒徑分布，由圖十五得知，沒有加分散劑的樣品平均粒徑為202nm，且從粒徑分布圖可以發現，有大於1000nm粒子出現。而有加分散劑的樣品分散係數（P.D.I.）為0.074，平均粒徑為143.7nm，peak的位置在200nm以下，且P.D.I.很小，表示分散性很好，由此可得知，添加分散劑可以有效分散TiO2於DMAc中。
隨著濃度與固含量的提高，可能會導致TiO2粒子不易分散在DMAc中，且容易使粒子產生團聚現象。因此，我們透過DLS量測不同濃度下的粒徑大小，並比較添加分散劑後對高濃度墨水的影響。結果由圖十六得知，無添加分散劑的20 wt%樣品，在均質機震盪過程中，透過給予能量讓膠體分散均勻，且因固含量高，粒子間建立網絡結構，使得溶液會發生膠化作用（Gelation） （圖十七），而形成半固態相，因此平均粒徑特別大。添加分散劑後，在高濃度下的樣品不會有膠化的現象發生，且樣品的平均粒徑在200nm以下。添加分散劑可以降低粒徑的大小，且在濃度高至20wt%時，樣品不會發生膠化的現象。
圖十五、有無添加分散劑之樣品粒徑分布圖
將PU與TiO2漿料混合可應用於靜電紡絲中，而混合後的墨水黏度需控制在500-2000 cp。如圖十八得知，不同濃度下TiO2漿料的黏度大約介於1-2 cp，黏度變化不大。從圖十一發現，20wt%的PU黏度已高達60000 cp，而15wt%的PU黏度大約12000 cp，影響墨水黏度最主要的因素為---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。