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溶液化學製備奈米粉末法與陶瓷纖維

 

文章作者:張盚/廖春成/蔡木村
資料來源:工研院-化工資訊與商情05/2005

一、前言
近年來,膠體化學、仿生化學及表面化學於材料製程,可經由溶液化學流程,應用於奈米粉體、觸媒載體、陶瓷纖維、半導體材料及生醫材料等,主要具有微粒化、絀晶化、高表面積、高純度,以及低溫製程等優點,亦可利用分子設計,以應用於特殊的有機1無機混成材料(hybrid)的開發。若再搭配具有多孔性結構物質,預期將可延伸其應用性。本文將探討溶液化學法在奈米粉末與陶瓷纖維之應用,並比較其目前的研發狀況與市場應用。

二、奈米粉末與陶瓷纖維特性與應用
奈米材料結構大小介於l~IOOnm者,則謂之奈米結構。材料經奈米化後,除外觀上具有奈米尺寸外,其結構和物理特性均會隨尺寸的縮小而改變。就結構而言,可改變或控制其相變化、形態及顯微組織;物性方面,則具有小尺寸效應、表面效應及量子尺寸效應等(1.2).
若依其顆粒度(particle size)或品粒度(grainsize)區分,奈米材料大致可分為奈米粒度粉末、奈米晶型之纖維、薄膜及塊材等。其中,奈米粉末開發時間最長、技術最為成熟。奈米粉末除了尺寸小之外,亦兼具高比表面積、高活性、高堆積密度,以及高結構組合彈性等特徵。表一為奈米粉末與陶瓷纖維之應用簡介。
理想的粉末須具有微小的粒度、窄粒度分佈、高純度、均質性,以及無凝聚結團(agglomerate)狀態。目荊市售的金屬或陶瓷奈米粉末,其形狀有圖形、橢圓形或不規則形狀等,其應用亦隨展現的機能而異。
(一)二氧化鈦光觸媒
近年來環保意識逐漸受到重視,研究者開始積極開發可與大自然資源相結合之綠色材料,以降低對環境破壞並提升生活品質,光催化觸媒便是重要的發展方向(1-3)。光觸媒利用自然界存在的光能,轉換成為化學反應所需的能量,類似於植物的「光合作用」。光觸媒主要有Ti02、ZnO、W03、SrTi03、CdS、 ZnS、 MoSz等具有半導體性的陶瓷材料,其中以二氧化鈦的光催化活性最高。光觸媒二氧化鈇是微粒狀的物質,粒子的顆粒愈小,其表吼積愈大,吸收的光能愈多,效果也I愈好,通常二氧化鈦需在「奈米」級,才有足夠的表面積進行光觸媒反應。二氧化鈦粒徑在IOOnm以上,會呈現遮敝光線的消豔效果;若粒徑在30~50nm之間,則會吸收紫外光;當粒1徑小於20nm時,則呈現光觸媒活性。隨粒徑越小,越能在常溫下展現活性,故開發小粒徑奈米粉粒製程或摻雜有效添加物,將可提高二氧化鈦光觸媒的效能.
(二)奈米金觸媒
金為高安定性金屬,不具任何觸媒活性,當金顆粒微細至5nm以下,比表面積將大幅增加。致使原子鍵結狀態失去平衡,金會產生:其它金屬所沒有之室溫活性。奈米化之金觸媒具反應速率快、選擇率高,以及反應溫度i低等特點(1)。目前已有火災時自救用的金觸媒口罩等產品。
(三)奈米威測器
感測器種類很多,包括溫度、溼度、氣體及生化感測器等,具有敏感度高、形體小、能耗低及多功能等優點。在軍事方面應用甚廣,尤其在探測設備的應用最引人注目。以紅外線感測器運用於軍事為例,由於金屬奈米粒子沉積在基板上,形成的膜即成為性能突出的紅外測器,因為本身金屬奈米粒子膜具有強烈的光吸收率範圃(從可見光到紅外線),因此大量的紅外線會被金屬膜吸收而轉變成熱,故在膜與冷接點之問會產生溫茂電動勢,可製成輻射熱量測量器,運用於目標物的測定(2)。
(四)陶瓷纖維
陶瓷材料具有多樣化且兼具高硬度、耐火性、耐蝕性、化學安定性。以及優異的電、熱、光、磁特性。若能製成陶瓷纖維的形式,將有助於發揮更多的新功能。目前已開發的陶瓷纖維,包括氧化鋁、碳化矽、氧化錯、氧化鈹、氧化鎂、氧化鈦、氮化硼、硼化鈦及矽酸鹽等。陶瓷纖維的特點具有可耐1,000-1,800七的高溫,兼具耐磨、耐蝕及良好的物理與機械特性,特別適用於陶瓷基複合材料(3,4),
強度需達到1.5~6GPa,才適用於強化或補強型應用,以美國3M公司生產的A1203基纖維為例,抗拉伸強度均超過超高強度與耐高溫特性,摻入高分子或金屬材料中,可明顯提高複合材料的平均強度、韌性及耐用的溫度。國外已發展出一系列的高溫陶瓷纖維,可運用於飛機、太空梭及汽車引擎的隔熱層,不但隔熱效果變好,操作效率也將提用(4)。常見的纖維產品如單晶氧化鋁、高氧化鋁。產品包括陶瓷纖維線、套管、布、帶等,具有不燃性及耐化學性,是優良之絕緣材料,且在高溫下收‘縮率極低,使用壽命長,廣泛應用於高溫管道i保溫隔熱、防火手套與工作服、電焊防火布等(5)

三、奈米粉末之液相化學製程
奈米粒子的製備大致可分為物理與化學方1法。物理方法是從較大的分子層級細化至奈米大小,其製程前後的化學組成沒有變化,可利用機械動力(如機械攪磨法)將固體微細化。化學法是由原子層級合成至較大的奈米粒子,主:要是藉由控制化孿反應,以產生奈米粒子,並半可藉由添加介面活性劑,控制粒子的成長與防止凝聚現象的發生(3)。不同的製造方式均有其:優劣點,適用的材質及產品粒徑或品質的極限亦有所不同

四、溶液化學法之未來發展
近來已有諸多國內外專家學者投入溶液化學法之研究,主要是此法在製程上具有多項優點,尤其在奈米微粉及陶瓷纖維方面極具潛力,可藉由控制反應條件,改善粉體粒徑、型態與均質性,以及改變纖維本身的強度、韌性、孔洞型態。另外,亦可降低製造成本。
由於溶液化學法具有生成微粒化、細晶化、鬲活性及高均質性材料的優點,若能藉由分子設計的方式,以開發有機1無機混成材料,將可結合生化科技,發展出適合人體使用之生醫材料,如心臟導管、微血管、骨科修補材料、酵素和蛋白質固定器等。

蔡木村/國立虎尾科技大學材料系教授
廖春成/國立虎尾科技大學光電材料所研究生
張但嘉/國立虎尾科技大學光電材料所研究生

 

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