金屬納米粒子濃漿料的開發(fā)

    納米粒子一直都是色材的原料。

    例如，分散于氫氧化錫基質(zhì)中的金納米粒子色材，稱為金錫紫(Purple of(Cassius)。

    還有，中世紀(jì)教會建筑的格窗(Stained Glass)，以高級玻璃餐具聞名的威尼斯玻璃，日本的雕花玻璃等等都是以金或銅的納米粒子作為紅色色材使用，尤其是使用金納米粒子的紅色玻璃，在外國被稱為Gold Ruby Glass或Cranberry Glass，在日本則被稱為金紅玻璃而受到珍視。

    另外，涂料工業(yè)，從過去就是以有機(jī)、無機(jī)顏料作為色材使用，利用分散機(jī)將這些顏料分散在高分子溶液中，制造涂料。

    為了達(dá)成良好的顏料的分散狀態(tài)，無論是在配合設(shè)計(jì)上，或是在加工工學(xué)上，可以達(dá)到目標(biāo)的顏料分散粒子徑,頂多以數(shù)百nm為限。

    近年來，噴墨印花機(jī)用顏料油墨和液晶顯示裝置的色彩過濾器(Colour Filtcr)等用途成為牽引角色，顏料分散技術(shù)也有了進(jìn)步，即使如此，可以達(dá)到的分散度大約100nm左右。

    最近，以工業(yè)涂裝領(lǐng)域?yàn)橹�，涂料美麗的外觀(設(shè)計(jì)性)是受矚目的質(zhì)量，和顏料的分散狀態(tài)關(guān)系密切的性質(zhì)，如色彩的透明感、深度、鮮明性的飛躍提升都是加強(qiáng)商品競爭力所需要的。

    以金、銀納米粒子利用表面電漿子(Plasmon)的光吸收而呈現(xiàn)鮮艷的紅、黃色色調(diào)；由教會建筑格窗所證實(shí)，即使長期曝露在陽光下，仍很堅(jiān)牢；粒子比起過去的顏料分散可達(dá)到的等級小了一位數(shù)以上，所以粒子所引起的光線散射可以忽略，可具有和染料同等的透明性，作為高級涂料用色材使用。

    涂料用金屬納米粒子漿料的要件

    調(diào)制金、銀的納米粒子，并且為了作為涂料用色材使用，存在許多課題。

    首先是，玻璃厚度至少要有1mm左右，即使在納米粒子的玻璃基質(zhì)中的濃度只有數(shù)10ppm，仍能獲充分的著色，一般而言，涂膜的厚度約數(shù)10mm左右，為了進(jìn)行充分的著色，至少需要百分比級數(shù)的膜中濃度。

    還有，在一般的涂料制造工程中，要先調(diào)制含有濃厚顏料的顏料漿料，然后混入呈現(xiàn)涂膜物性和基材等機(jī)能的高分子粘合劑中，就能制造涂料，為了將金、銀的納米粒子和顏料漿料一樣處理，必須調(diào)制數(shù)10％的高濃度納米粒子漿料。

    其次，表面電漿子的光吸收波長和納米粒子的粒子徑有關(guān)系，所以為了獲得光吸收曲線的清晰性(色彩的鮮明性)，粒子徑分布要清晰具體(Sharp)。

    第三是涂料的基質(zhì)成分可以使用聚酯、丙烯、尿烷、環(huán)氧等高分子或齊聚物，還可以使用芳香族碳化氫、甲酮、酯、醇、水和廣范圍的溶劑。

    將納米粒子漿料與這些物質(zhì)進(jìn)行混合，或溶解其中時(shí)，必須具備不會引起凝聚或相分離等現(xiàn)象的安定性。

    金屬納米粒子濃厚漿料的調(diào)制

    金屬納米粒子的調(diào)制法有，將金屬離子還原成金屬原子，成長成納米粒子的化學(xué)方法以及使金屬塊在不活性氣體中進(jìn)行蒸發(fā)，然后利用冶井(Cold Trap)等方式來捕捉變成粒子狀的金屬物理的方法。

    在鎳或鉍等卑金屬納米粒子的調(diào)制上，對于還原方法還需要進(jìn)行更多的研發(fā)。

    金屬納米粒子濃厚漿料的特征

    金屬種類以及金屬濃度

    例如，以金來說，在漿料中最大含有30％的金納米粒子，使溶劑全部揮散時(shí)，殘余的固型分中的金屬含有量最大是90％，其余的10％可調(diào)制圖1的梳子型嵌段共聚物漿料。

    溶劑選擇性取決于作為保護(hù)膠體使用的梳子型嵌段共聚物的側(cè)鏈的極性。

    以金或銀來說，共聚物側(cè)鏈從高極性到低極性均能利用，所以溶劑的混合范圍也很廣范，如水～醇～甲酸／酯～芳香族碳化氫。

    其它的金屬種類，因?yàn)槟壳翱墒褂玫墓簿畚镉邢�，所以可以使用的溶劑種類也有限。

    安定性

    本方法所得到的金屬納米粒子漿料一次完全脫溶劑處理，制成粉末狀，長期保存下，粒子也不會凝聚，投入溶劑很容易再分散，再現(xiàn)納米粒子分散系。

    另外，漿料在常溫、空氣環(huán)境下保存，半年以上都不會沉淀和產(chǎn)生凝聚物。

    以A表示的醇系漿料是以在形成烷氧基硅烷等所構(gòu)成的無機(jī)薄膜為目的溶膠一凝膠加工用粘合劑系統(tǒng)中安定溶解、混合為目的而開發(fā)的。

    溶膠一凝膠加工用粘合劑溶，一般以極端的酸性和鹽基性居多，與粒子分散系混合時(shí)會發(fā)生沖擊，而且大多會產(chǎn)生粒子凝聚，在設(shè)計(jì)上，透過非離子系高極性側(cè)鏈的使用，使混合時(shí)不易發(fā)生沖擊。

    粒子形態(tài)

    調(diào)制的納米粒子的典型例子，以金來說，可獲得10～15nm之粒度分布較均勻的球形粒子，而銀則是5～10nm。

    金和銀系以一旦生成的粒子為核心，可以二階段反應(yīng)再使粒子成長，金的粒子徑可增大到45nm，銀則約70nm左右，可以調(diào)制核殼型合金納米粒子。

    表面電漿子光吸收

    使金(粒子徑15nm)和銀(粒子徑10nm)的納米粒子分散(50ppm)在甲苯中時(shí)分別在420nm、530nm附近可以看到金、銀納米粒子起因于特有的表面電漿子光吸收的峰值。

    呈現(xiàn)金屬光澤

    將此漿料直接涂布在適當(dāng)?shù)幕�材上，然后在常溫下令其干燥，就會形成金屬光澤的皮膜�?

    而且，此皮膜會因?yàn)榧訜岫�呈現(xiàn)導(dǎo)電性。

    納米粒子漿料的應(yīng)用事例

    涂料用色材

    金、銀納米粒子比起一般的涂料用顏料，具有卓越的著色力、彩度、透明性。

    例如，在色力方面，一般的黃色有機(jī)顏料在涂膜中若沒有數(shù)10％，就無法獲得的著色，銀納米粒子只要數(shù)％就能達(dá)到，考慮有機(jī)顏料和銀的比重差，銀納米粒子每單位體積的著色力約為有機(jī)顏料的100倍左右。

    分別使銀納米粒子和高耐候、高彩度用途所使用高級有機(jī)顏料：Pigment Yellow l10分散在涂膜中同，并于CIE坐標(biāo)上進(jìn)行彩度的比較銀納米粒較銀納米粒子的X、y值均比Pigment Yellow 110大，而且彩度較高。

    再者，利用納米粒子進(jìn)行著色時(shí)，可以忽視粒子所引起的光的散射，所以比起將過去的顏料(大小為一般的次微米級(Submicron)領(lǐng)域)進(jìn)行分散后著色，更能實(shí)現(xiàn)高度的透明性。

    在利用方面，介紹二層Coat Metallic涂裝系。

    二層Coat Metallic涂裝由清晰涂層和含有鋁片等光亮材底涂層所構(gòu)成的。

    通常，著色顏料也包括在底涂層中，清晰涂層不含顏料等著色材，但在清晰涂層中添加數(shù)％的納米粒子，就可以制作出過去的顏料所無法呈現(xiàn)的設(shè)計(jì)。

    在清晰涂層添加約2％的金納米粒子(直徑15 nm)進(jìn)行涂裝時(shí)，照射光線的部分呈鮮明的紅色，而部分則暗，可以制作出明顯的顏色對比。

    因?yàn)楣饩�照射和觀看角度所引起的顏色變化稱為Color Flop，這是一種有用的設(shè)計(jì)表現(xiàn)手段的一種。

    涂料用混入透明性微粒子紅色顏料(分散粒子徑120nm)時(shí)光反射強(qiáng)度的角度依存性和只有清晰涂層場合。

    光從-45o的方向射入平板的試驗(yàn)面板。

    由光的正反射部分(45o)向著擴(kuò)散反射部(-70o方向)反射光會大幅減少，只有清晰涂層和光潔層含有金納米粒子時(shí)，反射的減少幾乎是同等的，而清晰涂層含有透明性微粒子紅色顏料時(shí),-30o～-80o附近的擴(kuò)散反射強(qiáng)度會變大。

    這是因?yàn)橥磕ぶ械牧Ｗ又�光散射�?qiáng)度取決于粒子徑，金納米粒子的粒子徑對光的波長非常地小，散射高強(qiáng)度很小(擴(kuò)散反射小)，而透明性微粒子紅色顏料的粒子徑較大的緣故。

    視覺上的差異是在觀看擴(kuò)散反射部之際，含有透明性微粒子紅色顏料的涂膜會產(chǎn)生霧白感、濁感。

    金屬光澤涂裝

    作為表面電漿子光吸收紅、黃色色材，在基質(zhì)中的粒子濃度頂多數(shù)％而已，自由電子孤立在各粒子中。

    在固型分中的金屬濃度很高時(shí)，利用涂裝、干燥，會形成擁有金屬光澤的皮膜。

    在基材上進(jìn)行確保平滑性所需要的打底劑涂裝之后，涂上金屬納米粒子涂料，加熱使干燥。

    金屬納米粒子涂料在固型分中含有銀納米粒子約90％左右。

    金屬熔點(diǎn)會因奈米尺寸化而降低，此種涂裝系統(tǒng)也會使銀奈米粒子的熔點(diǎn)降低到150℃，在加熱前，皮膜容易再溶解到溶劑中，但是加熱后不會溶解。

    設(shè)想加熱會引起粒子的粘附，形成許多柔軟的丸子的網(wǎng)眼構(gòu)造，獲得幾乎沒有問題的金屬皮膜。

    來源: 印染在線   作者：杜預(yù)