昆山技术学院纤维系专题研究计划书昆山电子历程昆山科技大学.docx

1、昆山技术学院纤维系专题研究计划书昆山电子历程昆山科技大学崑山科技大學 綠色材料研究所 研究計畫書題 目奈米碳管改質二氧化矽/偶氮染料混成材之研究指導老師日期研究生馬英旗1、 前言 (包含題目定義、研究動機及研究目標) 有機染料有別於傳統染料的優點，在於可透過化學的合成方法添加螢光增白劑、UV吸收劑等增強其染料的功能性。德國BASF公司的研究人員在上世紀90年代末首先通過細乳液聚合方法製備了一種新的色料稱為奈米色料。奈米色料簡單的定義是指染料以分子狀態分散並於奈米尺寸的交聯聚合物粒子中而得到的奈米複合物【1】。這方法與傳統的研磨、高壓粉碎等機械方法相比較更為節省成本、效率更高，而目前在最近研究中

2、常被使用的奈米染料製備方法為有機/無機的溶膠-凝膠法。 溶膠-凝膠(sol-gel)法之研究最早由Ebelmen首先將SiCl4 與C2H5OH 反應得到Tetraethylorthosilicate(TEOS)，並在於濕空氣在酸性條件下水解形成SiO2凝膠，回朔到七十年前Geffcken用金屬醇塩水解和凝膠化可以製備氧化物薄膜並在於西元一九三九年在德國Schott玻璃公司工作時第一次利用溶膠凝膠法，成功地在窗框上了鍍膜，為公司申請到了專利。 到了1950 年兩位美國人利用醇鹽與金屬硝酸鹽混合成多成份之玻璃，得到與當時利用傳統方法合成出最佳狀態的玻璃品一樣均勻，然而在1971年德國Dislic

3、h用金屬醇塩水解製備出SiO2-B2O-Al2O3-Na2O-K2O多組分玻璃，在1975年Yoldas和Yamane製備得到整塊陶瓷材料和多孔透明氧化鋁薄膜，因而引起許多學者投入此領域研究，然而溶膠凝膠法的研究在九零年代有重大的成長，全世界已經有超過五萬篇的相關論文。 溶膠凝膠法是一種製造陶瓷和玻璃的方法，而這個方法包含了系統的液相（溶膠）到固相（凝膠）的轉換，它有各式各樣的應用；例如Ultra-fine陶瓷粉、大型製陶及製玻璃業、陶瓷纖維、無機薄膜、氣凝膠。雖然當前對於溶膠-凝膠法真正機構並未完全了解，但已有許多學者合成多成份氧化物，而以此方法合成粉末、纖維、無機披覆膜等應用，更擴大對溶膠

4、-凝膠法的研究風氣【2-3】。 溶膠凝膠法最主要的應用是在製作薄膜上利用旋轉塗佈法、浸入塗佈法、噴霧法、電泳法、噴墨法、滾壓塗佈法等方法在基材表面產生薄膜。不僅能在玻璃、金屬上，也能在其他各式各樣的基質上生成光學鍍膜、保護用鍍膜、裝飾用鍍膜、以及製作電光材料。 溶膠(Sol)的定義就是指直徑介於1-100nm之間的膠體粒子，是穩定且均勻分散的膠體溶液，且在聚合中產生交聯，持續縮和反應最終可形成一個網狀結構的聚合物，且隨著時間的增加可以使網狀結構更為巨大，在網狀結構的成長過程中溶膠的黏度會隨著聚合度的增加而增加，最後會轉變成為凝膠(Gel)。其反應如下：水解Si(OR)4 + H2O HO-Si

5、(OR)4+ROH聚縮合Si-OH + HO-Si Si-O-Si + H2O持續時間聚合形成網狀結構 自從1991年發現奈米碳管，由於其前所未有的物理和化學特性，在大部分地區的科學和工程產生大量的使用率。歸功於它們，因為以前沒有一個材料可以展現出頂尖的機械組合、保暖性以及電子特性。這些特性造就出完美的奈米碳管不僅範圍廣泛的實際應用，而且作為一個理解基本奈米科學和奈米技術的試驗台【4-5】。目前，奈米碳管有許多的影響性在使用於奈米改質劑、提高機械和電子性能的傳統高分子材料及賦予這些材料新的功能性。最近的研究中常使用奈米碳管和傳統的聚合物結合可以賦予聚合物既增強複合材料的物理性能和減少可燃性。此

6、研究有機會開發奈米碳管作為新一代高功能性的聚合物複合材料。因此我們計劃將奈米碳管應用於奈米染料，將PTT纖維功能化製成高性能紡織品【6-7】。 PTT纖維與PET纖維一樣，也是聚酯家族的一員。1941年，它由2個英國化學家合成，但是高昂的原料價格使其當時未能商業化。一直到了1990年代殼牌(Shell)化學公司進一步改善製程將 PDO之製程能力提高，而使生產PTT樹酯之成本下降，終於達到商業化之目的，並且投入生產PTT樹酯之生產。【8】然而PTT纖維商品化只是近10年 的事。PTT纖維是聚酯纖維家族的新產品，PTT是聚對苯二甲酸丙二醇酯，而PET是聚對苯二甲酸乙二醇酯，PTT和PET纖維同屬聚

7、酯纖維。兩者結構相比，PTT僅僅比PET纖維多了一個應甲基，導致他們分子構象上的不同使得PTT擁有優異的染色牢度，且在力學、彈性等性能上比PET更為優秀【9-11】。本計畫的基本作法利用強酸溶液將奈米碳管粉末酸處理，使其末端成為羧酸基(COOH)的碳管。再以sol-gel法將奈米碳管與偶氮染料製成有機-無機混成材料。將製得奈米碳管改質二氧化矽/偶氮染料之後並將此複合材料染色於PTT纖維上，期望能提升複合物之機械強度、撥水、抗紫外線及導電等性質，並運用於紡織原(PTT)上。2、 研究方法與步驟2-1-1 實驗藥品：1. 硫酸鈉(Na2SO4) 試藥級，和光純藥工業2. 碳酸鈉(Na2CO3) 試

8、藥級，島久藥品株式會社3. 碘(Iodine) 林純藥品工業4. 硫代尿素(Thiourea) 試藥級，（ACROS，比利時）5. 乙醇(C2H5OH) 試藥級，島久藥品株式會社6. 乙醚(Ethyl ether)：（ACROS，比利時），試藥級7. 鹽酸(HCl) 試藥級，NIHON SHIYAKU REAGENT8. 間-硝基苯胺(m-Nitroaniline)試藥級，（ACROS，比利時）9. 四乙氧基矽烷(Si(OC2H5)4，TEOS)，(Tetraethyl orthosilicate，98%(TEOS) 試藥級ACROS ORGANICS比利時10. Triethoxy viny

9、lsilane (VTES) 試藥級 (ACROS，美國) 2-1-2 儀器設備：1.平板磁石熱攪拌器(Whatman，9970-802NA)。2.紅外線光譜分析儀(FT-IR，Bio-Red Digilab FTS-40)。3.紫外線光譜分析儀(SHIMADZU UV-1201)。4.微量分析天枰(FA-2000)。5.恆溫攪拌裝置(Fudata FDO-510)7.定型烘乾機 (Chang Yang R3)8.重量損失分析儀(TGA，Du Pont 2200)。9.核磁共振儀(NMR，BRUKER AVANCE 400)11.場放射型掃描式電子顯微鏡(Fe-SEM) (Philips XL

10、40 FE-SEM)12.接觸角測定儀(FACE協和界面科學株式會社S-150)2-2 實驗步驟2-2-1中間體7a之製備 秤取硫代尿素(1.52g；0.02mole)與碘(1.269g；0.01mole)及苯乙醯(1.20g； 0.01mole)，置入圓底燒瓶中，並予以攪拌及以隔水加熱迴流4小時後，以無水乙醚萃洗過濾，取之固體，置入300 ml之熱水中，再滴入氨水使其固體析出製得中間體7a。2-2-1偶氮染料合成 偶氮染料為分子結構中含有偶氮基(-N=N-)的染料。根據偶氮基的數目可分為單、雙、多偶氮染料。本實驗使用中間體7a當偶合鹽加入10% 碳酸鈉水溶液，直至7a中間體完全分散於水溶液中

11、。再秤取間-硝基苯胺粉體在加入少量的水與鹽酸，直至完全溶解，再加入NaNO2水溶液，於冰浴中進行攪拌，最後過濾乾燥製得染料9a。2-2-2前軀體合成將偶氮染料9a完全溶解在THF溶劑中，依比例混合VTES，放置恆溫水槽中，加熱迴流4小時，即可得前軀體10a-10f。2-2-3奈米碳管酸處理 由於奈米碳管表面不容易和其他化學物質產生反應，且在液相中分散性不佳。因此必須對其表面進行處理，使其產生容易和其他物質鍵結的功能。之後再利用其功能基進行碳管表面之修飾。首先將奈米碳管放入混酸 (硝酸 : 硫酸 = 1: 3）中。在80下酸化3小時後，將酸化好的碳管以及其酸液離心之後；除去上層液，並用去離子水清

12、洗下層之碳管多次。2-2-4奈米碳管/偶氮染料合成 將前軀體溶於THF溶劑與酸化奈米碳管進行縮合反應。經恆溫迴流攪拌待反應完畢。得奈米碳管/VTES/偶氮染料合成材。2-2-5 染織物之加工條件 採取二浸二壓法，以80預乾2分鐘，並經過熱焙處理，加工條件為145x120秒。3、 參考文獻1. 胡振錕、薛敏钊、劉燕剛奈米色料的製備及應用化學進展，2006年一月第18卷第一期2. Cuiming Wu, Yonghui Wu, Tongwen Xu *, Weihua YangStudy of Solgel reaction of organically modified alkoxysilane

13、s.Part I: Investigation of hydrolysis and polycondensation of phenylaminomethyl triethoxysilane and tetraethoxysilaneJournal of Non-Crystalline Solids 352 (2006) 564256513. T. Jesionowski*Synthesis of organicinorganic hybrids via adsorption of dye on an aminosilane-functionalised silica surface Dyes

14、 and Pigments 55 (2002) 1331414. 鄭如茵、高陳佑多層奈米碳管之氧化國立台灣科技大學高分子工程研究所碩士學位論文，2008年7月5. Yuyang Liu, Xiaowen Wang, Kaihong Qi and J. H. Xin Functionalization of cotton with carbon nanotubes.J. Mater. Chem., 2008, 18, 345434606. Yuyang Liu,a Jing Tang,b Ronghua Wang,a Haifeng Lu,a Li Li,a Yeeyee Kong,a Kaih

15、ong Qia and J. H. XinArtificial lotus leaf structures from assembling carbon nanotubes and their applications in hydrophobic textilesJ. Mater. Chem.，2007, 17, 107110787. 張靖宗。纪全，夏延致，孔慶山MWNTsPET复合材料的阻燃性能塑料，2009年第38卷第四期8. 秦靜如、周貝倫純化程序對奈米碳管表面特性影響之研究國立中央大學環境工程研究所碩士論文，2006年七月9. 繆融PTT纖維紡織面料的染整加工技術紡織導報，2009年第八期10. 張文徽、袁傳剛PTT纖維與PET纖維鑑別方法的研究上海紡織科技，2009年七月第37卷，第七期11. 廖盛焜、林尚明、黃柏翰 撥水性染料對PTT纖維的染色性質及機能性逢甲大學紡織工程研究所碩士論文，2004年一月12. 顏明賢、蔡嘉峰GPTMS/TEOS/噻唑系混成材料之研究 97級崑山科大高分子材料系日四技畢業專題論文集4、 專題計畫執行進度以甘梯圖表示編號 年月項目 99199299399499599699799899999109