奈米材料在环工设备的元件的应用.docx

奈米材料在環工設備的元件的應用

忠信科技 陳忠詰壹：基本原理說明：
奈米材料在素材表面塗佈後，可給環工設備的元件，帶來物理及化學作用，有利於環工設備的元件的處理效果及使用安定性，分別說明如下：
一：物理作用：
玻璃製作時，係將溶融的玻璃在溶融的表面進行凝結；冷卻過程，空氣的冷凝作用及溶融錫的收縮作用，會在玻璃表面留下許多微小坑洞；如以放大鏡甚至顯微鏡觀察其表面，可以發現玻璃表面的粗糙、凹凸不平的現象。同樣的，塑膠製品及噴塗有機膜的產品，由於施工過程，皆有小分子曳出表面及溶劑揮發的現象，曳出的小分子及揮發的溶劑，會在塑膠製品及有機膜噴塗的元件表面，留下許多微小坑洞。當污垢進入元件表面粗糙的孔洞內時，會因勘入孔洞內部，且和物件形成緊密的接著，造成清除上的困難。
針對上述現象，以極小的奈米粒子填補粗糙孔隙時，可使物件表面變為更平滑，污垢不易附著（防污作用）；而且附著的污垢，其附著力也相對下降，使得清潔容易進行（易潔作用）。其中，玻璃存在許多微小坑洞會把入射光作雜亂地反射，也會造成透射光的相互干射，使的透射光的強度下降；奈米溶膠塗佈形成的平滑表面，會減少光線的干射效應，進而提高透光度。
以上的物理作用機制，因為不牽涉化學反應，所需要的是表面膜層特性，因此不需要太厚的奈米溶膠塗層；更為了透光率的考量，物理作用機制需要的是一層厚約數十或一、二百奈米之薄膜，即可達到防止污泥累積、水垢殘留及菌類滋長的作用。
要能夠具有上述填孔、成膜及改善表面特性的奈米粒子，必須具有結晶良好、粒徑小（≦20nm，愈小愈好。）、雜質或添加物少等特性；忠信科技公司所開發的奈米溶膠為已結膠完成，且呈完全結晶態的水性奈米粉體溶膠；其溶液中除了主成份的奈米粉體粒子外，無任何反應物、副產物，其鹽類殘留量也都在100ppm以下，奈米粉體粒子的粒徑小（20nm以下）而分佈集中。實驗測試部份，發現其吸附力強而成膜性佳（可在低溫成膜，或在高溫時於5分鐘內迅速成膜。）；因此，鍍膜的可行性大增。
二：化學作用：
奈米粒子為例，其受光線激發後進行氧化還原反應之過程，可以TiO2為例說明。當TiO2粒子吸收大於能階之光線能量後，電子即從共價帶(Valence Band)激發至傳導帶(Conduction Band)成為自由電子，而在共價帶形成帶正電荷的電洞。激發態的電子可以與靠近光觸媒粒子表面的化學分子進行還原反應，將化學分子反應成還原態；另一方面，電洞所帶的正電荷則可以與化學分子進行氧化反應，將化學分子反應成氧化態；因而在光觸媒粒子表面進行氧化還原反應，此即為典型的光催化反應過程；其作用又以脫色、除臭的效果最為顯著。
要能發揮真正化學作用的功能，具有幾項條件：
（一）結構及粒徑必須正確：必需為以銳鈦礦或銳鈦礦/金紅石混合結構存在，顆粒粒徑在30 nm 以下的二氧化鈦。
（二）必需要有充份的照光及適度的水分。
（三）必需充分的表面質傳及循環系統：光觸媒作用只發生在觸媒表面且屬於被動作用型態（必需被處理物到達觸媒表面才作用），因此充分的表面質傳（包括氣體流動或液體流動）為反應持續進行的關鍵；另外，更需借助良好的循環系統設計，讓處理標的物有效而完全的流過光觸媒表面。
（四）必需要有良好的預過濾系統：光觸媒作用完全倚賴觸媒表面進行，粉塵或不反應的懸浮粒子沾附觸媒表面，將導致光觸媒作用因照光受阻及反應物隔絕之雙重效應而減緩或停頓；因此有效的預過濾系統可確保光觸媒作用不會因粉塵或不反應的懸浮粒子等異物的沾附而失去作用，延長光觸媒的壽命。
（五）用於適當的對象：光觸媒作用基本上是以氫氧自由基將有機物氧化，理論上可將有機物徹底分解，但由於光觸媒作用只在表面很小的厚度範圍內進行，且反應時間短，只有具反應性較強官能基的有機物（如C-S，C-N 或C=O，C=N 等）才可在有限時間內反應；因此，正確的將光觸媒用於適當的對象，才能收到具體的成效；所以，將光觸媒用於除臭／脫色或刺激性VOC（大部份含C-S，C-N 或C=O，C=N 等官能基）才能快速發揮其作用。
（六）用於處理低濃度之污染物或長期作用的場合：光觸媒的作用基本上屬於和緩的作用，對於高濃度或立即性的污染，將無法負荷而表現不出功效；只有將光觸媒應用於低污染濃度或長期作用的場合，或適用以維持生活環境之乾淨度，才能有效發揮其作用。

以上六項要素中，第（一）項：結構及粒徑必須正確，忠信科技公司所提供的奈米溶膠正好合乎所需；而第（二）項至第（六）項，配合有經驗的環境工程公司，實用的可行性很高。
貳：奈米溶膠的塗佈：
要藉由奈米溶膠塗佈形成良好的薄膜，需多種條件的配合，除了奈米溶膠原料的選擇外，基材的前處理∕塗布方式、設備及作業環境∕塗布後的處理，均為奈米溶膠薄膜是否吸附良好及長期安定的主因。分別說明如下
一：基材的前處理：其主要目的及作用如下：
（一）清潔：
基材表面往往存在油污、粉塵、氧化物，若未有效去除，則奈米溶膠難以在其上成膜；即使勉強成膜，也因附著不良而容易脫落。
（二）去氧化層：
此像是針對金屬而言；所有的金屬若未經特別處理均會在表面形成氧化層，這種天然形成的金屬氧化層，往往結晶不良、晶相雜亂且呈多孔性，有如散砂一樣；在其上不但不易鍍膜，且形成的膜也容易脫落；金屬表面的前處理，有一相當重要的功用即在去除金屬表面的天然氧化層。但是，剛去除金屬表面的天然氧化層的金屬，表面活性很高，需作適當的保護膜或鈍化膜，才可確保在奈米溶膠薄膜形成前，金屬表面不再氧化；因此，金屬表面的前處理的另一重要功用即在形成保護膜或鈍化膜。
（三）改質：
奈米溶膠（主成份為金屬氧化物）皆帶有強大電性，若基材的電性和奈米溶膠的電性不相容（相斥），則薄膜根本無法附著，必須配合後製程的奈米溶膠特性，將素材表面羽以改質。
（四）改變表面型態（morphology）：
如前所述，元件素材表面，存在許多微小坑洞，其孔徑一般約在1～10μm左右，深度約1μm；以粒徑≦0.02μm的奈米粒子，鍍膜厚度目標0.2～0.3μm的溶膠塗佈，很難有效將元件素材表面的微小坑洞加以覆蓋；前處理的另一重要目的，是將素材表面的微小坑洞經由化學法修改成孔徑約在0.1～0.5μm左右，深度約0.1μm的微小坑洞，以利溶膠塗佈成膜的進行；並同時提高比表面積，以提高附著力。
（五）預鍍：同業的基材，由於等級、產地、乃至批號不同，表面特性會有差異，其差異會影響鍍膜品質；為了避免基材表面特性的差異干擾鍍膜品質，可利用預鍍作業，使基材表面特性一致化進而提升鍍膜品質。
二：塗佈方式、設備及作業環境：
溶膠塗佈成膜的品質，會受到設備因素（包括：設備平穩度、循環、過濾等）及作業的環境因素（包括：風量、落塵量、震動、溫度、濕度等）影響很大；而膜層的設計及操作條件，則直接影響成品的膜層厚度、物性及光學性。因此需以系統設計，配合工程施進行，方可確保其品質。
三：塗佈後的後處理：
奈米溶膠塗佈後，經初步烘乾後，奈米粒子雖已附著，但仍以粒子型態存在，尚未成膜；需經過適當的後處理，方可成膜（此為一般以奈米溶膠作成品外觀噴塗不耐久主要原因）。

參：藥液特性及製程特性說明：
一：奈米溶膠特性：
忠信科技所生產的奈米材料，有別於一般以研磨方式（包括改良的研磨∕溶解綜合法）或粉末分散方式形成奈米材料的作法，而是採用濕製程方式，直接從溶液中合成奈米溶膠溶液；又和“溶劑反應型”截然不同，為中性、結晶型、水溶性奈米溶膠溶液；其特點如下：
（一）顆粒極細（≦20nm），而且粒徑分佈集中性高而均勻。
（二）溶膠溶液的純度高，添加劑的總量少於1克∕升（一般奈米溶膠溶液，多含分散劑、乳化劑、安定劑、溶劑等，種類多而總量大，往往高達100克∕升以上）。
（三）完全結晶且均勻分散。
（四）中性水溶液。
（五）濃度調整屬於可逆反應（以不超過1.1%的上限為準，可用加純水調低濃度，或低溫減壓濃縮的方式調高濃度。）
（六）藥液溫度提高，有助於膜層均勻性；但以不超過40℃為準。
（七）藥液加溫時，必需採用間接加熱；若採直接加熱，將造成溶膠析出形成膠體。
由於上述特點，使得忠信科技所生產的奈米溶膠溶液，具有以下的加工特性：
（一）安定性高：藥液的奈米粒子成份單一，且為完全結晶型態且水合作用強，不會有分解或結晶型態轉變的問題；再加上水的揮發性低，無論是貯存或操作時，藥液的變異性很低，安定性很高，對於成本及生產管控極有助益。
（二）可自動控制：由於結晶形奈米粒子不會有分解或結晶型態轉變的問題，其吸收光譜固定，藥液中唯一的變數為水的揮發；當水揮發時，透光度會下降，故可利用光電比色計作自動控制，對於生產管控及品質極有助益。。
（三）吸附力強：一般的奈米粉體其粒徑太大，其中的雜質及副產物又多，造成奈米粉體的吸附性及成膜性皆不佳，無法自動成膜，必需加入高分子樹脂（resin）或矽烷化合物（silane）作為膠合劑，但此兩類物質的加入，會妨礙光學性（包括透光度、折射率、光譜吸收分佈等項）。忠信科技所提供的奈米溶膠粒子為結晶型奈米粒子，本身會帶電，再加上粒徑很小，比表面積相對很大，不需加入膠著劑（binder）即可吸附於基材，形成良好的附著；對於光學膜的形成極具優勢。
（四）成膜性佳：忠信科技所提供的奈米溶膠粒子由於粒徑很小，表面能量很高，在無水（乾燥）狀態下容易結合；更由於系統中沒有其他雜質干擾，故在吸附後，給予適當條件（去水）後，即會成膜，且達到相當硬度，對於光學膜玻璃的後加工極具優勢。
（五）可重覆coating：由於成膜性佳，可在經過簡單烘烤後，即進行下一次的coating，此種特性有下列優點：
（1）一次coating膜厚可下降，使得鍍膜層內的缺陷相對減少；
（2）重覆coating時，可將上一次coating的結晶缺陷或氣孔予以修補，提高良率；
（3）可將高折射率（TiO2）及低折射率（SiO2）重覆coating，使發揮“光閘”效用，使光譜的對比相對放大，達到更高品質的目標。

二：前處理：
忠信科技針對不同素材，設計不同的前處理，分別說明如下：
（一） 玻璃前處理劑：
主要是利用“微蝕作用”，將玻璃表面附著的錫粒子咬下，並改善玻璃表面微小坑洞的孔徑、深度以利溶膠塗佈成膜的進行；並同時提高比表面積，以提高附著力。
（二） 塑膠前處理：
以奈米複合硬化劑作塑膠表面預處理，處理過的表面不但可提高硬度，且形成具有無機特性的界面，使得後製程（奈米溶膠鍍膜）容易進行。
（三） 金屬前處理：
基本上，金屬前處理包括三個作用：
（1） 去油污：也就是“清潔”，一般以“鹼洗”為主。
（2） 去氧化層，依金屬種類不同，分別採用酸性或鹼性的“微蝕液”。一般而言，鐵材、銅材及其衍生物採用酸性微蝕液，鋁材、鎳材及鋅材多採用鹼性微蝕液。
（3） 形成保護膜或鈍化膜：依各種金屬種類不同，分別設定。

三：後處理：
奈米溶膠塗佈後，經初步烘乾後，依材料種類不同，分成：
（一） 塑膠：長時間（一小時以上）低溫烘烤或微波處理。
（二） 玻璃：低溫烘乾後，經中溫燒結後，再作強化處理。
（三） 金屬：低溫烘乾後，作高溫燒結。
肆：處理流程

一：玻璃：
玻璃 → 鹼洗 → 水洗（二次）→ 前處理（GP-100）→ 水洗（二次）→ 切水 → 鍍膜→ 烘烤 → 燒結 → 強化 → 成品。

二：塑膠：
塑膠 → 鹼洗 → 水洗（二次）→ IPA洗 → 預鍍膜（HCS-2）→ 預烘烤→ UV→ IPA洗 → 鍍膜→ 烘烤或微波。

三：鋁材：
鋁材 → 鋁材前處理（AP-100） → 水洗 →預鍍（SB-150）→ 鍍膜 → 烘乾 →燒結 → 成品。

四：不鏽鋼材：
不鏽鋼材→ 鐵材前處理（FP-100）→ 水洗 → 安定化處理（FPM-100）→ 水洗 → 預鍍（SB-150）→ 烘乾 →鍍膜→ 烘乾 → 燒結 → 成品。

五：銅材：
銅材 →銅材前處理（CP-100）→ 水洗 → 安定化處理（CPM-100）→ 烘乾 → 鍍膜→ 烘乾 → 燒結 → 成品。
伍：鍍膜操作：
一：原理：
當被鍍元件浸在奈米溶膠溶液中時，奈米溶膠溶液即在被鍍元件表面形成一層水膜（內含奈米溶膠粒子）；被鍍元件拉出液面時，水膜會部份流回溶膠溶液中，部份留在被鍍元件表面，形成一定厚度的水膜；經烘烤將水揮發後，水膜的奈米溶膠粒子即停留在被鍍元件表面，經特定的後處理條件後，形成無機膜。
二：細部說明：
（一） 水性奈米溶膠粒子為顆粒很細的結晶態顆粒，在水中呈均勻的分散，可在水中保持動態平衡（安定的懸浮狀態），且長期安定。
（二） 被鍍元件表面的無機膜厚，主要決定於：
（1） 奈米溶膠溶液的濃度：膜厚和濃度呈線性關係。
（2） 浸漬後的拉昇速度：膜厚隨拉昇速度的2/3次方變動。
（三） 使用過程，奈米溶膠粒子不會分解或析出，其消耗為純粹在被鍍元件表面隨水膜的吸附，操作過程，奈米溶膠溶液的濃度變異很小；因此，在無機膜厚不變的前提下，可按照處理面積依比例添加的方式補充消耗量，進行藥液管控。
（四） 奈米溶膠溶液的濃度變異的另一因子：水的蒸發。水的蒸發會造成奈米溶膠溶液的濃度上昇，其管控方式，可在加入生產銷耗的補充液後，以純水直接補至原來液位即可。
三：藥液管控：
奈米溶膠溶液的濃度，主要是來自於水的揮發及鍍膜消耗；其管控步驟如下：
（一） 補充膠溶銷耗量：
依鍍膜條件（決定厚度）及處理面積（處理元件總表面積 × 處理數量），由“換算表”得出溶膠使用量，加入應補充的膠溶銷耗量。
（二） 補充蒸發水量：
加入應補充的膠溶銷耗量後，以純水直接補至原來液位即可。
（三） 循環至藥液均勻，並溶膠屑過濾完成即可（至少循環10分鐘以上）。