Sol-gel合成與分析.docVIP

溶膠－凝膠法製作有機無機複合材料 99.09.15更新實驗目的利用溶膠－凝膠法(sol-gel )合成無機奈米溶膠並暸解其機理。無機溶膠與有機單體(monomer)混合加熱成型為複合材料以瞭解奈米複合材料之製法及其性質。 實驗說明本實驗首先製備無機奈米溶膠以四乙氧矽烷(Tetraethoxy silaneTEOS)加水進行水解及縮合反應生成二氧化矽(SiO2)溶膠。於溶膠內加入有機反應性單體羥乙基甲基丙烯酸酯及二異戊四醇六丙烯酸酯，熱起始劑，合成為複合塗料。將此塗料以於玻璃片上，再加熱硬化形成硬質塗膜。 理論部份以四乙氧矽烷(Tetraethoxy silaneTEOS)加水進行水解及縮合反應生成無機二氧化矽溶膠。n(OR)4--n稱為水解反應；視觸媒不同又分兩種反應機構，在酸性觸媒下為親電性水解反應(Electrophilic substitution reaction)，而在鹼性觸媒下則為親核性水解反應(Nucleophilic substitution reaction)，反應機構如下所示： 親電性水解反應(Electrophilic substitution reaction) 親核性水解反應(Nucleophilic substitution reaction) 縮合反應(Condensation) 主要又分為以下兩種機制，並脫出水或醇類： 脫醇縮合反應(Alcohol Condensation) 脫水縮合反應(Water Condensation) 聚合反應(Polymerization) 關於聚合反應，Iler提出以下反應機制： (1)單體聚合形成微粒 (2)微粒的成長 (3)微粒相互聚集成一網狀結構，最後在液態介質中互相交聯形成凝膠 預先水解過的Si(OH)n(OR)4-n彼此互相聚合成一三度空間的SiO2網狀結構，反應如下： 影響溶膠凝膠反應之主要因素如下所示： pH值之影響 pH 2以下時，隨著H+濃度增加聚合速度越快；反之，在pH 2以上時，隨著OH-濃度增加聚合速度越快，但在pH 2左右是等電點(isoelectric point)，是一個穩定的區域，使得凝膠時間變長。 在酸性或鹼性環境下，水解反應速率比縮合反應速率快，生成的粒子偏小且為線性網狀結構；相反，在鹼性環境下，縮合反應速率比水解反應快，容易生成大粒徑且顆粒狀的粒子，如圖1所示。 添加水量之影響 首先定義[H2O]/[TEOS]的莫爾比為r， Kim 等人發現在低含水量下(r=1~2)，會造成水解反應的不完全，主要呈現線性結構，在凝膠時會形成粒徑較大的粒子；但隨著水量的增加(r=4~10)，水解反應越完全；而在高含水量下(r=25~50)，會使得Si(OH)4在縮合時因濃度太低的影響而不易形成凝膠，粒徑會較小。 圖二氧化矽於不同pH下之聚合情況 四氧矽烷四乙氧矽烷過氧化二苯甲醯　　 BPO Sol＋2-HEMA＋DPHA 交聯硬化成複合材料 120℃，1hr 四、實驗藥品 [1] TEOS（Tetraethoxysilane）四乙氧基矽烷 化學式：C8H20O4Si，分子量：208.33 沸點：163~167℃，密度：0.933 [2] HCl（Hydrochoric acid）鹽酸 化學式：HCl，分子量：36.45 沸點：℃，化學級 [3] IPA（2-propanol）異丙醇 化學式：(CH3)2CHOH分子量：60.10 沸點：82℃，工業級 [4] 2-HEMA（2-hydroxy ethyl methacrylate）羥乙基甲基丙烯酸酯 化學式：CH2=C(CH3)COOC2H4OH，分子量：130.14 沸點：205~208℃，密度：1.073，工業級 [5] DPHA（Dipentaerythritol hexacrylate）二異戊四醇六丙烯酸酯 　　 化學式：[(CH2=CHCOOCH2)3CCH2]2O，分子量：578 沸點：110℃，密度：1.18，工業級 [6] BPO（Benzoyl peroxide）過氧化二苯甲醯 化學式：(C6H5)2C2O4 ，分子量：242.23 密度：實驗裝置及設備 [1] 電磁攪拌器：附磁一套 [2] 上皿天平：0.01g，一[3] 烘箱：室溫～0℃，一　 [4] 塑膠及玻璃滴管：數支 [5] 錐形瓶：一個 [6] PE塑膠瓶：個 [7] 刮刀：支 [8] 玻璃片：片 [9] 硬度實驗用鉛筆：組（～） [10]