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研究生： 許志霖
Chih-Lin Hsu
論文名稱： 金屬與非金屬材料表面疏水塗裝製程摸擬及分析
Process Simulation and Analysis to Hydrophobic Coating on Metallic/Non-metallic Material Surface
指導教授： 周賢鎧
Shyan-kay Jou
口試委員: 顏怡文
Yee-Wen Yen
胡毅
Yi Hu
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 應用科技學院 - 醫學工程研究所
Graduate Institute of Biomedical Engineering
論文出版年： 2010
畢業學年度： 98
語文別： 中文
論文頁數： 148
中文關鍵詞： 蓮花效應 、超疏水表面 、金屬與非金屬材料疏水製程.
外文關鍵詞： Lotus effect, Super-hydrophobic surface, Hydrophobic coating process of metallic or non-m
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    • 本研究中選用金屬類材料Al、GL、TiZn-P、SUS304、SUS304CF與非金屬類材料PVDF、Glass、Si wafer合計8種樣品，將添加不同比例的TS-720疏水性二氧化矽奈米粉末之ITRI疏水劑，使用與目前產業相似的簡易刮塗法將此液態疏水混合液塗佈於樣品表面，並在130oC的烘箱內乾燥5分鐘後即完成樣品的製備。ITRI疏水劑含TS-720奈米粉末的含量在2.5 wt%時，各樣品皆能達到將近140o的接觸角，SEM可清楚觀察到材料表面有奈米級的多孔結構，AFM的剖面圖也可看到TS-720奈米粉末在表面所造成的起伏。由文獻可知，除了表面材質本身應有高疏水性，表面微奈米結構型式應是達成高接觸角的重要關鍵之一。ITRI疏水劑與低於2.5 wt% TS-720奈米粉末的疏水配方塗裝的樣品，經過UV加速耐候450小時的測試，表面的接觸角與視覺外觀並未有明顯變化。
    當TS-720奈米粉末與ITRI疏水劑的混合比例達到5.0 wt%以上時，觀察到疏水塗膜有明顯剝落的狀況且疏水性也下降，可能與樣品表面之黏著性能處理有關。PVDF漆料混合10 wt%以上的TS-720奈米粉末也有疏水提升的效果，但是20與30 wt%的混合比例時，也有相同疏水塗膜剝落現象。

    Aluminum, Galvalumed steel, TiZn-P, SUS304, SUS304CF, PVDF, glass, and Si wafer are chosen in this work for the study of hydrophobic coating to metallic/non-metallic substrates. Various amount of TS-720 hydrophobic nano-particles were mixed into ITRI hydrophobic agent, and this liquid mixture is applied onto different material surfaces by a coating bar. High CA near 140o are achieved in all samples with 2.5 wt% TS-720 in ITRI H.A. mixture, and SEM images show that nano-porous surface composed of TS-720 nano-particle covers the surface of substrates. Profiles of AFM images also reveal the surface fluctuation caused by TS-720 nano-particle. From the previous study, we know that keys to super-hydrophobic surface are not only the high hydrophobic property of material but also the surface structure and roughness. No significant change in visual appearance and hydrophobicity are noticed after 450 hour exposure of UV weathering test for those coated samples.
    When the content of TS-720 nano-particle in ITRI H.A. is higher than 5.0 wt%, the hydrophobic coating peels off obviously and brings degradation of hydrophobicity. This phenomena may cause by poor adhesion from the surface pretreatment of the substrate. PVDF paint with 10 wt% TS-720 nano-particle also shows higher hydrophobicity than ordinary one, however, same de-attachment from hydrophobic film also found from sample coated with 20 or 30 wt% TS-720 in ITRI solution.

    總目錄 中文摘要 I 英文摘要 II 誌謝 III 總目錄 X 圖索引 VIII 表索引 XV 第一章 前言 1 第二章 理論基礎與文獻回顧 2 2.1 蓮花效用之超疏水表面與自潔性能 2 2.2 疏水性與表面粗糙結構之關係 5 2.3 論文回顧 10 2.4 研究動機 14 第三章 實驗方法與分析儀器 16 3.1 金屬塗裝製程介紹 16 3.1.1 一般金屬捲料塗裝製程介紹 16 3.1.2 一般金屬片材塗裝製程介紹 17 3.2 實驗基材與藥劑 19 3.2.1 實驗基材與藥劑清單 19 3.2.2 ITRI疏水劑與TS-720疏水二氧化矽奈米粉末介紹 20 3.3 儀器設備 22 3.3.1 儀器設備清單 22 3.3.1.1 塗佈棒介紹 23 3.3.2 精密儀器介紹 23 3.4 實驗方法 29 3.4.1 樣品之前處理 29 3.4.2 混合TS-720奈米粉末的ITRI疏水劑之前處理 29 3.4.3 疏水塗裝樣品製備 31 3.4.4 疏水劑於樣品表面之塗裝流程 32 3.5 材料鑑定與分析 34 第四章 結果與討論 35 4.1 SEM電鏡分析 35 4.1.1 未塗裝樣品之SEM電鏡分析 35 4.1.2 塗裝ITRI樣品之SEM電鏡分析 40 4.1.3 塗裝ITRI+0.5 wt% TS-720樣品之SEM電鏡分析 44 4.1.4 塗裝ITRI+2.5 wt % TS-720樣品之SEM電鏡分析 49 4.2 AFM表面分析 53 4.2.1 未塗裝樣品的AFM表面分析 53 4.2.2 塗裝ITRI樣品之AFM表面分析 59 4.2.3 塗裝ITRI+0.5 wt% TS-720樣品之AFM表面分析 59 4.2.4 塗裝ITRI+2.5 wt% TS-720樣品之AFM表面分析 68 4.2.5 不同樣品與塗裝條件之AFM截切剖面圖分析 73 4.3表面接觸角分析 84 4.3.1未塗裝樣品之表面接觸角分析 84 4.3.2 塗裝ITRI樣品之表面接觸角分析 86 4.3.3 塗裝ITRI+0.5 wt% TS-720樣品之表面接觸角分析 88 4.3.4 塗裝ITRI+2.5 wt% TS-720樣品之表面接觸角分析 90 4.3.5 不同塗裝配方與樣品表面結構對於表面接觸角影響之分析 92 4.3.6 塗裝ITRI+5.0/7.5 wt% TS-720樣品之表面接觸角分析 93 4.3.7 塗裝PVDF+10/20/30 wt% TS-720樣品之表面接觸角分析 99 4.4 UV加速耐候測試分析 102 第五章 結論 106 參考文獻 109 附錄一、SUS304CF樣品的AFM 3D重建影像 113 附錄二、ITRI+TS-720疏水塗膜之奈米粉末堆積模型 114 作者簡介 130 圖索引 圖2-1、蓮花效應實例圖 2 圖2-2、水銀在葉面上接觸的SEM電鏡圖 3 圖2-3、蓮花表面自潔機制示意圖 4 圖2-4、水滴於細微結構表面滾動之示意圖 4 圖2-5、液體與接觸表面的Young equation示意圖 5 圖2-6、不同接觸角之定義圖 6 圖2-7、液滴停留於非理想粗糙表面之模型 7 圖2-8、粗糙之凸起表面與碎型表面之尺寸與接觸角之依存性 9 圖3-1、金屬捲料連續式烤漆線 17 圖3-2、金屬片材連續式烤漆線 18 圖3-3、未處理之二氧化矽表面的各類官能基示意圖 21 圖3-4、已處理之TS-720疏水二氧化矽表面官能基示意圖 21 圖3-5、塗佈棒構造與原理之示意圖 23 圖3-6、液體於基材表面之視接觸角 26 圖3-7、UVA-340螢光燈管與太陽光的光譜能量分佈圖 28 圖3-8、快速耐候機使用之樣品架 28 圖3-9、疏水劑塗裝於樣品表面之流程圖 31 圖3-10、疏水劑實驗樣品塗裝方法示意圖 33 圖3-11、疏水塗裝樣品分析流程圖 34 圖4-1-1、Al、GL與PVDF未塗裝樣品的SEM電鏡圖 37 圖4-1-2、TiZn-P、SUS304與SUS304CF未塗裝樣品的SEM電鏡圖 38 圖4-1-3、Glass與Si wafer未塗裝樣品的SEM電鏡圖 39 圖4-1-4、Al、GL與PVDF塗裝ITRI樣品的SEM電鏡圖 41 圖4-1-5、TiZn-P、SUS304與SUS304CF塗裝ITRI樣品的SEM電鏡圖 42 圖4-1-6、Glass與Si wafer塗裝ITRI樣品的SEM電鏡圖 43 圖4-1-7、Al、GL與PVDF塗裝ITRI+0.5 wt% TS-720樣品的SEM電鏡圖 46 圖4-1-8、TiZn-P、SUS304與SUS304CF塗裝ITRI+0.5 wt% TS-720樣品的SEM電鏡圖 47 圖4-1-9、Glass與Si wafer塗裝ITRI+0.5 wt% TS-720樣品的SEM電鏡圖 48 圖4-1-10、Al、GL與PVDF塗裝ITRI+2.5 wt% TS-720樣品的SEM電鏡圖 50 圖4-1-11、TiZn-P、SUS304與SUS304CF塗裝ITRI+2.5 wt% TS-720樣品的SEM電鏡圖 51 圖4-1-12、Glass與Si wafer塗裝ITRI+2.5 wt% TS-720樣品的SEM電鏡圖 52 圖4-2-1、未塗裝之Al樣品的AFM掃描影像 55 圖4-2-2、未塗裝之GL樣品的AFM掃描影像 55 圖4-2-3、未塗裝之PVDF樣品的AFM掃描影像 56 圖4-2-4、未塗裝之TiZn-P樣品的AFM掃描影像 56 圖4-2-5、未塗裝之SUS304樣品的AFM掃描影像 57 圖4-2-6、未塗裝之SUS304CF樣品的AFM掃描影像 57 圖4-2-7、未塗裝之Glass樣品的AFM掃描影像 58 圖4-2-8、未塗裝之Si wafer樣品的AFM掃描影像 58 圖4-2-9、塗裝ITRI之Al樣品的AFM掃描影像 60 圖4-2-10、塗裝ITRI之GL樣品的AFM掃描影像 60 圖4-2-11、塗裝ITRI之PVDF樣品的AFM掃描影像 61 圖4-2-12、塗裝ITRI之TiZn-P樣品的AFM掃描影像 61 圖4-2-13、塗裝ITRI之SUS304樣品的AFM掃描影像 62 圖4-2-14、塗裝ITRI之SUS304CF樣品的AFM掃描影像 62 圖4-2-15、塗裝ITRI之Glass樣品的AFM掃描影像 63 圖4-2-16、塗裝ITRI之Si wafer樣品的AFM掃描影像 63 圖4-2-17、塗裝ITRI+0.5 wt% TS-720之Al樣品的AFM掃描影像 64 圖4-2-18、塗裝ITRI+0.5 wt% TS-720之GL樣品的AFM掃描影像 64 圖4-2-19、塗裝ITRI+0.5 wt% TS-720之PVDF樣品的AFM掃描影像 65 圖4-2-20、塗裝ITRI+0.5 wt% TS-720之TiZn-P樣品的AFM掃描影像 65 圖4-2-21、塗裝ITRI+0.5 wt% TS-720之SUS304樣品的AFM掃描影像 66 圖4-2-22、塗裝ITRI+0.5 wt% TS-720之SUS304CF樣品的AFM掃描影像 66 圖4-2-23、塗裝ITRI+0.5 wt% TS-720之Glass樣品的AFM掃描影像 67 圖4-2-24、塗裝ITRI+0.5 wt% TS-720之Si wafer樣品的AFM掃描影像 67 圖4-2-25、塗裝ITRI+2.5 wt% TS-720之Al樣品的AFM掃描影像 69 圖4-2-26、塗裝ITRI+2.5 wt% TS-720之GL樣品的AFM掃描影像 69 圖4-2-27、塗裝ITRI+2.5 wt% TS-720之PVDF樣品的AFM掃描影像 70 圖4-2-28、塗裝ITRI+2.5 wt% TS-720之TiZn-P樣品的AFM掃描影像 70 圖4-2-29、塗裝ITRI+2.5 wt% TS-720之SUS304樣品的AFM掃描影像 71 圖4-2-30、塗裝ITRI+2.5 wt% TS-720之SUS304CF樣品的AFM掃描影像 71 圖4-2-31、塗裝ITRI+2.5 wt% TS-720之Glass樣品的AFM掃描影像 72 圖4-2-32、塗裝ITRI+2.5 wt% TS-720之Si wafer樣品的AFM掃描影像 72 圖4-2-33、Al樣品的AFM掃描影像與截切線剖面圖 76 圖4-2-34、GL樣品的AFM掃描影像與截切線剖面圖 77 圖4-2-35、PVDF樣品的AFM掃描影像與截切線剖面圖 78 圖4-2-36、TiZn-P樣品的AFM掃描影像與截切線剖面圖 79 圖4-2-37、SUS304樣品的AFM掃描影像與截切線剖面圖 80 圖4-2-38、SUS304CF樣品的AFM掃描影像與截切線剖面圖 81 圖4-2-39、Glass樣品的AFM掃描影像與截切線剖面圖 82 圖4-2-40、Si wafer樣品的AFM掃描影像與截切線剖面圖 83 圖4-3-1、未塗裝之樣品對於接觸角的影像 85 圖4-3-2、塗裝ITRI之樣品對於接觸角的影像 87 圖4-3-3、塗裝ITRI+0.5 wt% TS-720之樣品對於接觸角的影像 89 圖4-3-4、塗裝ITRI+2.5 wt% TS-720之樣品對於接觸角的影像 91 圖4-3-5、不同疏水劑塗佈配方的樣品對於接觸角之關係圖 92 圖4-3-6、不同疏水劑塗佈配方的Al樣品對於接觸角之關係圖 95 圖4-3-7、不同疏水劑塗佈配方的GL樣品對於接觸角之關係圖 96 圖4-3-8、不同疏水劑塗佈配方的PVDF樣品對於接觸角之關係圖 96 圖4-3-9、不同疏水劑塗佈配方的TiZn-P樣品對於接觸角之關係圖 97 圖4-3-10、不同疏水劑塗佈配方的Si wafer樣品對於接觸角之關係圖 97 圖4-3-11、塗裝ITRI+5.0/7.5 wt% TS-720之Al、GL、PVDF、TiZn-P、Si wafer樣品影像 98 圖4-3-12、塗裝PVDF+10/20/30 wt% TS-720之Al、GL、PVDF、TiZn-P、Si wafer樣品影像 101 圖4-4-1、不同疏水劑塗佈配方Al樣品的接觸角對於UV曝曬時間之關係圖 104 圖4-4-2、不同疏水劑塗佈配方GL樣品的接觸角對於UV曝曬時間之關係圖 104 圖4-4-3、不同疏水劑塗佈配方PVDF樣品的接觸角對於UV曝曬時間之關係圖 105 圖4-4-4、不同疏水劑塗佈配方TiZn-P樣品的接觸角對於UV曝曬時間之關係圖 105 圖7-1、SUS304CF樣品的AFM 3D重建影像 113 圖7-2、Si wafer與Glass樣品的數位影像 115 圖7-3、Si wafer與Glass樣品的OM影像 117 圖7-4、Si wafer樣品的SEM電鏡圖 119 圖7-5、Si wafer與Glass樣品的SEM cross-sectional影像 120 圖7-6、塗裝ITRI+5.0wt% TS-720之Glass樣品的AFM掃描影 122 圖7-7、塗裝ITRI+7.5wt% TS-720之Glass樣品的AFM掃描影像 122 圖7-8、塗裝ITRI+5.0wt% TS-720之Si wafer樣品的AFM掃描影像 123 圖7-9、塗裝ITRI+7.5wt% TS-720之Si wafer樣品的AFM掃描影像 123 圖7-10、Glass樣品的AFM掃描影像與截切線剖面圖 124 圖7-11、Si wafer樣品的AFM掃描影像與截切線剖面圖 125 圖7-12、Al與GL樣品的SEM電鏡圖 127 圖7-13、TiZn-P與SUS304樣品的SEM電鏡圖 128 圖7-14、TS-720奈米粉末堆積程序示意圖 129 表索引 表4-3-1、未塗裝之樣品對於接觸角的平均值 84 表4-3-2、塗裝ITRI之樣品對於接觸角的平均值 86 表4-3-3、塗裝ITRI+0.5 wt% TS-720之樣品對於接觸角的平均值 88 表4-3-4、塗裝ITRI+2.5 wt% TS-720之樣品對於接觸角的平均值。 90 表4-3-5、塗裝ITRI+5.0/7.5 wt% TS-720之Al、GL、PVDF、TiZn-P、Si wafer樣品對於接觸角的平均值與標準差 95 表4-3-6、塗裝PVDF+10/20/30 wt% TS-720之Al、GL、PVDF、TiZn-P、Si wafer樣品對於接觸角的平均值與標準差 100 表4-4-1、不同塗裝條件之Al、GL、PVDF、TiZn-P樣品的接觸角對於UV加速耐候測試時間的數據表 103

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