專利名稱：一種低溫程序制備納米薄膜的方法
技術領域：
本發明涉及以納米粉體溶膠材料在基材表面制備納米薄膜的加工技術領域。一種通過特定涂布技術以納米粉體溶膠材料在基材表面形成納米薄膜使基材表面能表現該納米材料特性的加工方法，其制程包括基材表面納米薄膜加工程序、納米薄膜固化程序的納米薄膜制備方法。具體而言，本發明是導入拋磨作業及使用紫外光固化方法的處理程序，以實現能在低溫制程下使納米粉體溶膠材料在被處理基材表面形成成膜性完整與附著度良好的薄膜，以發揮納米材料的特有功效。
背景技術：
根據文獻之揭示，納米粉體溶膠材料在基材表面制備納米薄膜的加工技術方法有很多。如中國專利ZL 00115361.7采用磁控濺射法在玻璃基材表面制備納米薄膜；中國專利ZL01134335.4利用磁控濺射在玻璃、金屬、陶瓷等基材表面制備納米薄膜。中國專利申請號200510018520.6是以鈦酸丁酯或鈦酸異丙酯，以乙醇或/和異丙醇作溶劑以合成二氧化鈦溶膠，并將二氧化鈦溶膠涂布于玻璃材質上經620～720高溫燒結才能成膜附著于玻璃基材上；中國專利授權公告號CN1128187C是以鈦酸四丁酯、鈦酸四乙酯、鈦酸四異丙酯、鈦酸四(2-乙基己)酯、鈦酸四(十七)酯、二異丙氧基-二乙酰丙酮鈦、二正丁氧基-二(三乙醇胺)鈦、二羥基-二乳酸鈦或四辛烯甘醇鈦等為原料，并與乙醇、丙醇、異丙醇、丁醇、異丁醇、丙酮、氯仿、正己烷、苯、甲苯或四氯化碳等合成溶劑型二氧化鈦溶膠。并將二氧化鈦溶膠涂布于玻璃材質上經550～720℃高溫燒結才能成膜附著于玻璃基材上；中國專利申請號01128058.1是以鈦酸丁酯、鈦酸丙酯，硅有機化合物包括硅酸丁酯、硅酸丙酯；有機醇包括乙醇、丙醇、丁醇等以合成二氧化鈦溶膠，并將二氧化鈦溶膠涂布于玻璃材質上經450～500℃高溫燒結才能成膜附著于玻璃基材上。
綜合上述專利內容，可以發現，所述的納米薄膜制備方法必須在高溫或使用昂貴的工藝才能達到與基材作良好的結合及附著性良好，其工藝過于復雜造成成本過高以致推廣不易。常溫或低溫的加工法，在成本考慮上具有先天的優勢，然而現有的加工方式多數須添加黏著劑，如東陶(日本)機器股份有限公司之專利(臺灣專利公告號00313630)即使用硅氧烷基做為黏著劑，不但有環保上的顧慮，且有耐久性不佳等問題。若不使用黏著劑，常溫或低溫的加工法往往需要很長的時間，才可以達到良好的固化效果，在加工與使用上有很多不便。而依傳統的涂布方式所制成的納米薄膜常存在有涂布不均、成膜性不佳或不易固化等情況。其所以不易達到均勻涂布及成膜性不佳的主要原因是納米粒子本身非常細微，而所有基材表面由微觀的角度觀察皆非平坦，形成高低起伏達數十甚至數百納米的凸峰與低谷分布，在涂布時，納米粉體溶膠材料會因液體表面張力的作用在基材表面上形成一層懸浮于低谷上的薄膜(如圖1所示)，納米粒子實際上并未附著到基材表面低谷部位。涂層干燥過程中，低谷上原本藉張力所成的膜會由邊緣開始干燥，致使薄膜崩塌，細微納米粒子即落入基材表面的低谷中，因低谷的表面積大于懸浮其上薄膜的表面積，所以落入低谷的細微納米粒子無法填滿低谷的整個表面，破壞了納米薄膜的完整性和連續性(如圖2所示)。
發明內容
本發明的目的是提供由納米粉體溶膠材料制備納米薄膜的制程，并導入拋磨作業及使用紫外光(UV)固化方法，以克服現有技術的不足，并具備生產工藝簡易、低溫加工、節省能源、成本低、投資省及安全環保等優點。
本發明低溫程序制備納米薄膜的方法步驟包括1.納米薄膜加工程序將納米粉體溶膠材料涂布于經慣用的方法清洗干凈或改質過適合涂布納米粉體溶膠材料的基材表面上，以形成一層納米粉體溶膠濕膜；將上述的濕膜依設定的操作條件于基材表面進行拋磨，使納米粉體溶膠材料能填入基材表面包括凸峰低谷等所有部位，于基材表面形成一層完整性及連續性的納米涂層(如圖3所示)。該具完整與連續性的納米涂層可明顯增加后續納米粉體溶膠涂布的均勻性與附著度(如圖4所示)。
2.納米薄膜固化程序將經上述納米薄膜加工程序后的基材，以設定的程序進行薄膜固化，固化的目的為使納米薄膜能更堅牢的附著于基材表面。
本發明所述的納米薄膜加工程序，系將納米粉體溶膠材料涂布于基材表面，其中涂布納米粉體溶膠材料的方法可為滾涂法、擦涂法、刷涂法、提拉法、噴涂法、旋涂法等的任一種進行表面涂布，以形成一層液體薄濕膜；然后再以設定的操作條件拋磨該納米粉體溶膠濕膜，使納米粉體溶膠材料能填入基材表面包括凸峰低谷等所有部位，于基材表面形成一層完整性及連續性的納米涂層。
本發明所述的納米薄膜加工程序，其拋磨操作條件使用的轉速或來回摩擦頻率不小于20rpm，對基材的向下拋磨加壓力不小于0.01N/cm2(牛頓力/平方公分)。
本發明所述的納米薄膜加工程序，其拋磨操作的方式可以人工方式以手施工或以自動化設備依操作條件施工。
本發明所述的納米薄膜加工程序，所述的濕膜厚度以不大于60μm為宜，使能保持涂層外觀的均勻性，所述的表面預干條件可為自然干燥或于小于95℃以下低溫進行干燥。
本發明所述的納米薄膜固化程序，以紫外光照射固化，照射于基材表面納米薄膜上的光源為UV-C，其波長介于200nm～290nm，照射能量不小于0.1mW/cm2，照射時間不小于10分鐘；或光源為UV-B，其波長介于290nm～320nm，照射能量不小于0.4mW/cm2，照射時間不小于30分鐘；或光源為UV-A，其波長介于320nm～390nm，照射能量不小于0.8mW/cm2，照射時間不小于30分鐘。所述的固化條件于基材上制備的納米薄膜，其附著性的測試符合中國國家標準GB/T9286-1998測試規范之0級要求。
本發明所述的基材，其材料可為玻璃、塑料、金屬、陶瓷、有機高分子材料、烤漆板、瓷磚、石材、木材、無機材料或以上材料的混合所制備的基材。
本發明提供了一種納米薄膜的低溫制備工藝，能有效的在被處理基材表面形成分布均勻完整且附著度良好的薄膜，以發揮納米材料的特有功效，并能具備生產工藝簡易、低溫加工、節省能源、成本低、投資省及安全環保等優點。
本發明所述的納米薄膜加工程序，其納米粉體溶膠材料能填入基材表面包括峰谷等所有部位，于基材表面形成一層完整性及連續性的納米涂層。上海愛建納米科技發展有限公司的AJ-III原子力顯微鏡測得，金屬基材表面納米處理前，其峰谷最高和最低的落差為388.9nm，經納米薄膜加工程序后，其峰谷最高和最低的落差為34.6nm。
本發明的主要優勢在于1.低溫加工，加工工藝簡便、節省成本、縮短加工時程。
2.成膜性及均勻性好、密致性佳，可于常溫加工。
3.不限施工場合，能輕易將納米粉體溶膠材料應用于基材的表面涂布。
4.納米涂層透光性好，不造成光線干涉現象。
5.納米粉體溶膠材料能填入基材表面包括峰谷等所有部位，于基材表面形成一層完整性及連續性的納米涂層。
圖1.傳統制備納米薄膜的技術涂布時薄濕膜形成狀態示意圖。
圖2.傳統制備納米薄膜的技術涂布的涂層干燥后薄膜狀態示意圖。
圖3.本發明技術涂布的納米涂層拋磨后成膜狀態之示意圖。
圖4.本發明技術涂布的納米涂層的均勻性與附著度示意圖。
圖中1薄濕膜、2基材、3干躁后薄膜具體實施方式
以下以實施例說明本發明內容，但本發明之范圍并不只限于此等的例子實施例1.
清潔玻璃基材表面，去除表面油污，并改質使其親水角小于20°。進行納米薄膜加工程序，調制含0.9％二氧化鈦納米粉體溶膠材料，將玻璃表面，以擦涂法涂布于玻璃表面形成15～20μm濕膜，使用尼龍不織布材質，以手來回拋磨，拋磨頻率約為每分鐘20次的速度，向下拋磨加壓力為0.1～0.2牛頓力/平方公分的操作參數，使納米材料在玻璃基材表面形成一層具完整性及連續性的納米薄膜，然后用滾涂的方式將上述納米粉體溶膠材料均勻涂布在玻璃基材表面上，以70℃、10分鐘進行表面預干；再以紫外光UV-C照射玻璃表面進行納米薄膜固化程序，所使用的紫外光UV-C照射條件為照射于基材表面納米薄膜上的強度0.2～0.3mW/cm2，照射時間45～60分鐘；玻璃表面所制備的納米薄膜其附著性的測試符合中國國家標準GB/T9286-1998測試規范之0級要求；并以原子力顯微鏡測得，玻璃基材表面納米處理前，其峰谷最高和最低的落差為148.9nm，經納米薄膜加工程序后，其峰谷最高和最低的落差為25.3nm。以相同的納米粉體溶膠材料在不同基材及不同的操作條件所形成的納米薄膜比較，其結果如表一所示。
表一不同基材表面制備納米薄膜的比較
備注1.附著性測試以中國國家標準(GB/T9286-1998)作參考依據。
2.原子力顯微鏡掃瞄是以上海愛建納米科技發展有限公司的AJ-III原子力顯微鏡量測。
實施例2.
清潔不銹鋼基材表面，去除表面油污，并改質使其親水角小于20°。進行納米薄膜加工程序，調制含1.0％氧化鋅納米粉體溶膠材料，將上述納米粉體溶膠材料，以擦涂法涂布于不銹鋼板表面形成約20～25μm濕膜，使用尼龍不織布材質，以拋磨機拋磨，調整轉速為650rpm，拋磨向下加壓力為0.2～0.22牛頓力/平方公分的操作參數，使納米材料在不銹鋼基材表面形成一層具完整性及連續性的納米薄膜，然后用滾涂的方式將上述納米粉體溶膠材料均勻涂布在不銹鋼板表面，而后以65～68℃、10分鐘進行表面預干；再以紫外光照射不銹鋼板表面進行納米薄膜固化程序，所使用的UV-B紫外光照射條件為照射強度2.0～2.2mW/cm2，照射時間10分鐘，不銹鋼板表面所制備的納米薄膜其附著性的測試符合中國國家標準GB/T9286-1998測試規范之0級要求；并以原子力顯微鏡測得，不銹鋼基材表面納米處理前，其峰谷最高和最低的落差為278.9nm，經納米薄膜加工程序后，其峰谷最高和最低的落差為43.3nm。以相同的納米粉體溶膠材料在不同基材及不同的操作條件所形成的納米薄膜比較，其結果如表二所示。
表二不同基材表面制備納米薄膜的比較
備注1.附著性測試以中國國家標準(GB/T9286-1998)作參考依據。
2.原子力顯微鏡掃瞄是以上海愛建納米科技發展有限公司的AJ-III原子力顯微鏡量測。
實施例3.
清潔烤漆板基材表面，去除表面油污，并改質使其親水角小于20°。進行納米薄膜加工程序，調制1.5％氧化錫納米粉體溶膠，將上述納米粉體溶膠材料，以擦涂法涂布于烤漆板表面形成約25～30μm濕膜，以拋光機拋磨，調整轉速為1150～1200rpm，拋磨向下加壓力為0.05～0.06牛頓力/平方公分的操作參數，使納米材料均勻在烤漆板基材表面形成一層完整性及連續性的納米薄膜，以65～70℃、10分鐘進行表面預干；再以紫外光照射烤漆板表面進行納米薄膜固化程序，所使用的紫外光UV-C照射條件為照射強度1.5～1.55mW/cm2，照射時間10～30分鐘；烤漆板表面所制備的納米薄膜其附著性的測試符合中國國家標準GB/T9286-1998測試規范之0級要求；并以原子力顯微鏡測得，不銹鋼基材表面納米處理前，其峰谷最高和最低的落差為383.4nm，經納米薄膜加工程序后，其峰谷最高和最低的落差為34.2nm。。以相同的納米粉體溶膠材料在不同基材及不同的操作條件所形成的納米薄膜比較，其結果如表三所示。
表三不同基材表面制備納米薄膜的比較
備注1.附著性測試以中國國家標準(GB/T9286-1998)作參考依據。
2.原子力顯微鏡掃瞄是以上海愛建納米科技發展有限公司的AJ-III原子力顯微鏡量測。
權利要求
1.一種低溫程序制備納米薄膜的方法，包括如下工序(1).納米薄膜加工程序將納米粉體溶膠材料涂布于清洗干凈或改質過的基材表面形成一層厚度不大于60μm的納米粉體溶膠濕膜，將上述的濕膜以向下加壓力不小于0.01N/cm2、轉速不小于20rpm或來回次數不小于10次/分的方式進行拋磨，于基材表面形成一層完整連續的納米涂層，拋磨后得視需要進行后續納米粉體溶膠涂布，涂布后的薄膜以自然干燥或以95℃以下低溫的條件下進行表面預干；(2).納米薄膜固化程序將經納米薄膜加工程序處理的基材，以紫外光照射進行固化，照射的光源為波長介于200nm～290nm的UV-C，照射能量不小于0.1mW/cm2，照射時間不小于10分鐘；或為波長介于290nm～320nm的UV-B，照射能量不小于0.4mW/cm2，照射時間不小于30分鐘；或為其波長介于320nm～390nm的UV-A，照射能量不小于0.8mW/cm2，照射時間不小于30分鐘。
2.按權利要求1所述的一種低溫程序制備納米薄膜的方法，其涂布方式可為滾涂法、擦涂法、刷涂法、提拉法、噴涂法、旋涂法中的任一種進行表面涂布。
3.按權利要求1所述的一種低溫程序制備納米薄膜的方法，可應用于其材料為為玻璃、塑膠、金屬、陶瓷、有機高分子材料、烤漆板、瓷磚、石材、無機材料或以上材料的混合所制備的基材。
4.按權利要求1所述的一種低溫程序制備納米薄膜的方法，所述的清洗干凈或改質基材表面，是使用洗滌劑洗去基材表面的有機物及其它污物，以適合作表面納米涂布。
5.按權利要求1所述的一種低溫程序制備納米薄膜的方法，所述的表面拋磨，是以手工拋磨、電動或氣動拋磨機具或自動化拋磨器材進行。
全文摘要
本發明涉及一種利用低溫的處理程序，它包括納米薄膜加工程序和納米薄膜固化程序的工序，在被處理基材表面形成附著度良好的薄膜，使得納米溶膠材料轉化成附著性良好而致密的保護薄膜，以發揮納米材料的特有功效的方法。能有效改善與基材間的附著性，并能具備生產工藝簡易、低溫加工、節省能源、成本低、投資省及安全環保等優點。
文檔編號B05D3/06GK1958175SQ20061003024
公開日2007年5月9日 申請日期2006年8月21日 優先權日2006年8月21日
發明者黃建國 申請人:泉耀新材料科技(上海)有限公司