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一抹奈米防汙塗料,不用清潔劑,玻璃也能亮晶晶

文/廖英凱

有用過汽車美容用品店的撥水劑,或是幫愛車做過貴鬆鬆的美容鍍膜嗎?經過處理的表面,不僅看起來更亮晶晶,撥水性也更好,雨水滴到汽車表面時,彷彿流動性變得更好而無法留在表面上,這個現象,似乎也在大自然的蓮葉上有類似的效果。蓮葉上的水珠,總是流動的特別快,而且看起來特別的渾圓,科學家們把這個現象稱之為「蓮花效應」或「蓮葉效應」。

這些具有「蓮花效應」的材質表面,往往有疏水性與自潔性的特性。以蓮花來說,蓮葉的表面上滿布一顆顆5~15微米凸起的表皮細胞,而表皮細胞上又覆蓋一層一顆顆直徑約100nm的蠟質結晶。致使水接觸到葉子上時,因表面張力的原因讓水與葉面的接觸角大於150度而形成水珠,而當葉子有任何傾斜時,水珠就會很快地滾動流掉,並把灰塵髒污帶走,達到「出污泥而不染」的自潔效果。

了解這個大自然的奧秘之後,工研院材化所應用化學研究組黃元昌博士的團隊,正利用這個奧秘,開發出能讓物體表面也能有蓮花效應的神奇塗料。要達到這樣的神奇效果,可以分成奈米結構、微米結構、疏油材質、底膠這四個步驟來解釋。

如同蓮葉表面100奈米大小的蠟質結晶,黃博士是利用矽氧烷類的化合物,這種化合物的結構中含有有矽和氧原子所構成的主鏈結構。將這種化合物以溶凝膠(so-gel)的方式處理,將矽氧烷材料水解再縮合,而製造出直徑100nm以下的奈米顆粒。進一步再將這些奈米尺度的顆粒,聚集改質成直徑2-10微米的微米顆粒,如同蓮葉表面突起的表面細胞一般。

防汙塗料在微米(左)和奈米(右)尺度的SEM圖

防汙塗料在微米(左)和奈米(右)尺度的SEM圖

材料改質畫面

材料改質畫面

經過一系列的改質後,二氧化矽所形成的奈米微米結構,已可達到如蓮葉般的疏水與自潔效果。類似的技術也開始被應用在歐洲的一些產業上。然而,這樣的成效卻還不足以應付台灣的環境。這是由於我國空氣中的油性髒污較多,而油性粒子對表面的附著力更好。因此,黃博士的團隊,又再合成製造出長度約1-2nm的含氟的分子,並利用自行開發的技術將這些分子整齊排列在微米奈米顆粒的表面。這些經過特殊設計的含氟分子,擁有更低的表面能,可使油滴在塗佈防汙材料的表面後,可達到150的接觸角。

水在塗佈奈米防汙塗料材質的表面,呈現一個渾圓的水滴狀。

水在塗佈奈米防汙塗料材質的表面,呈現一個渾圓的水滴狀。

最後一步,要再將這些微米奈米顆粒給想辦法附著於玻璃或建材等地表面,而這需要仰賴底膠的選擇與微米結構的搭配。目前黃博士團隊所製造出的二氧化矽顆粒,由於同時具有微米奈米的結構,因而擁有較高的表面粗糙度。且二氧化矽顆粒也跟所選定的底膠能有結合力較強的化學鍵結。因此,能添加較多的底膠,而與塗佈材質表面結合更緊密且不易脫落。針對不同的塗佈材質,也可以選用不同的底膠與二氧化矽顆粒配方,而有應用於玻璃的透明塗料,或是應用於建材或金屬的半透明樹脂配方。覺得要洗大樓玻璃或屋頂屋簷很麻煩嗎?也許可以考慮看看這個神奇塗料,以後就讓老天爺的雨水幫你洗刷刷囉。

工研院材化所 應用化學研究組 黃元昌博士

工研院材化所 應用化學研究組 黃元昌博士

團隊照

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