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飛機之鋁合金基材之有機 / 無機複合塗層

班級：化材三甲學號： 4A040003 、 4A040016

姓名：吳昱叡、鄭鼎耀指導老師：黃永慈 老師

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塗層介紹 轉化塗層：可以用陽極處理法或 Cr3+ 、 Cr6+ 鹽類溶

液反應法來作成，其主要目的為增加基層與基材間的附著力。

底塗層：使用環氧樹脂、氨或是聚醯安固化劑等其他樹脂或基團作交聯作用 ( 如鉻酸鍶 ) ，其用途為增加其耐抗腐蝕性。

外塗層：通常以聚胺酯和環氧樹酯製成。

Cr6+ 具致癌性，取代鉻酸鹽的問題。

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因致癌性，取代鉻酸鹽 由於 Cr6+ 具致癌性，在目前的塗料產業中需要一個

有效率、低成本、環保且非鉻酸鹽的防腐蝕劑來替換原本的鉻酸鹽。

以耐久性、壽命為最優先的考量，解決剝落現象、重漆、製造大量毒性廢棄物等問題。

目前的技術是由溶膠 - 凝膠技術可讓飛機塗層附著以及取代目前的鉻酸轉化塗層製程。由溶膠 - 凝膠製備的混合聚合物材料可以提高機械性質和物理性質。

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溶膠凝膠之網狀結構 在溶膠 - 凝膠過程裡有兩種不同的反應，一種為金

屬醇鹽的水解作用，之後的水解物質會開始產生縮合作用，形成網狀聚合物結構。

之後，藉由有機基團取代醇化物前軀體，使網狀聚合物具有機物的功能，其官能基的金屬與碳鍵在反應的形成中不容易斷鍵，如三矽氧基矽烷 ( 一種偶聯劑 ) ，它會行自發反應，也會與其他的醇化金屬會形成有機 - 無機聚合物。

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M(OR)z + H2O M(OR)z-1(OH) +ROH------ (1)

2 M(OR)z-1(OH) (OR)z-1M-O-M OR)z-1 + H2O------

(2)

RSi(OR)3 + H2O R RSi(OR)2(OH) + ROH------ (3)

Al(OR)3 + H2O HO-Al(OR)2 + ROH------ (4)

~~~ RSi(OR)2(OH)+ HOAl(OR)2 ~~~~ ~~~ RSi(OR)2-O-

Al(OR)2~~~~

　 ------ (5)

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溶膠凝膠法 ── 交互作用1. 網狀聚合物與金屬表面間的交互作用：

金屬氧化層的厚度和密度變化取決於金屬基材在金屬表面的處理，如鋁合金與磷酸電鍍會產生一個厚度約50 nm 的多孔氧化鋁層。

鋁氧化物在潮濕環境下其表面會有很多羥基，這些羥基會發生溶膠 - 凝膠法縮合反應，在金屬與鋁或矽的溶膠 - 凝膠膜之間形成 M – O – Al 型式的化學鍵，此化學鍵可讓溶膠 - 凝膠層與金屬表面產生很強的交互作用。

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溶膠凝膠法 ── 交互作用2. 網狀聚合物對底漆或外塗層的交互作用：

底塗層由環氧基、胺基或聚醯胺交聯而成，這些基團會較易與相同型態的基團反應，並在網狀聚合物表面上進行反應。

透過化學鍵的鍵結在金屬基材以及有機塗料之間形成一個平滑無分界的薄層，如此一來會增加的對基材的吸附性以及對環境的保護。

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溶膠凝膠塗層系統

系統一：氧化鋁之溶膠 - 凝膠溶液以硝酸去調整 pH 值使它穩定，若加入矽酸鹽

或磷酸鹽，其陰離子會增加溶液的黏度使得凝膠形成。溶液若不攪拌時其黏度會隨著時間改變，溫度及 pH 值的變化也會改變之。

反應完後在 pH 值為 3 且溫度 20℃ 時，溶液（ 5 ％固體含量）的黏度大約是 6 cp 。

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溶膠凝膠塗層系統

系統二：矽烷、矽酸鋁之溶膠 - 凝膠溶液鋁和矽醇鹽水解作用產生的稀釋水溶液 ( 固體含

量約 2.5%) ，而矽烷的官能團可以是氨基、環氧基和乙烯基類。

而氨基矽烷在可以不破壞溶液之穩定性下，將pH 值調整為 5 ~ 11 。通常是用來噴塗或浸塗在鋁合金基材上，而厚度約 100-500奈米，而此種塗層是不透明，且具有很多的不光澤表面。由於塗層因氨基的親水性，所以會對水較敏感。

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溶膠凝膠塗層系統

系統三：環氧矽烷、氧化鋁 / 矽土之溶膠 – 　　　　凝膠溶液比前兩種系統溶液有更高的固體含量 ( 約 17%) ，

產生的膠體 pH 值大約為 5.0 。

塗料在 120℃ 下交聯兩小時，可抵抗適當的刮傷。 (硬度： 4H 鉛筆 )

且可耐 2小時的沸水環境。

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溶膠凝膠塗層系統

系統四：環氧樹酯、胺矽烷、矽土溶膠　　　　 – 凝膠溶液固體含量約為 45% ，此溶液可用醋酸使它穩定，

不管有無高固體含量或環氧樹酯與胺矽烷存在，這種膠體溶液可以在三個月內於室溫下維持穩定狀態。

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溶膠凝膠塗層系統

抗腐蝕劑在溶膠 - 凝膠塗層溶液中摻入不含鉻酸鹽，並測試以及製備。抗腐蝕劑有：醋酸鈰，草酸鈰，硼酸鈣，偏釩酸鉀和釩酸鈰。

而一克的化合物會溶解或懸浮於矽烷、矽酸鋁之溶膠 - 凝膠溶液 (系統二 ) 中，可生成約 0.37wt％的抗腐蝕劑。

混合無機與有機塗層混合塗層溶液的製備是加入具有水溶性的環氧樹

脂以及上述的溶膠。

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溶膠 凝膠塗層的金屬表面處理

提供金屬和基層有較好的附著性

具有與鉻酸鹽相同的抗腐蝕性質

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潮濕測試系統二可以增強與鋁合金鍵結的附著力，在評價上則

可取代鉻酸鹽作為轉化塗層。但是它對潮濕測試的接著效果卻不佳。

加熱到 100℃ 時，乾燥測試和潮濕測試卻都通過檢測。

附著測試結果指出，官能基的親水性扮演了很重要的角色。如：氨基 → 親水性　　乙烯基和丙烯基 → 疏水性

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抗腐蝕性當抗腐蝕劑在特定溶膠中難溶，則不能防止鏽化，因

為塗料和基板交聯時因抗腐蝕劑分佈不平均，導致基板會產生鏽。

加入偏釩酸鉀，其抗腐蝕性佳。

偏釩酸鉀對濕附著性會作成干擾，有小水泡出現，起泡的原因可能是因膜下的可溶性物質導致。

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耐磨性系統四擁有較好的耐磨性及耐腐蝕性，將此溶液塗在

鋁合金上會產生一層平均的塗層，厚度大約 10μm ，它在 130℃ 下交聯 2小時，塗料就會有更好的耐磨性。

此種塗料也可防止醇類腐蝕。如：異丙醇、乙醇、酸鹼兩性化合物等，　　以及 5% HCl 溶液和 0.1N NH4OH 溶液。

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溶膠凝膠環氧樹脂複合塗層

• 塗層內無機網狀物可以讓壽命更持久且可以防止紫外光照射，而水溶性環氧樹脂會漸漸失效。

• 增加機械強度（如耐磨性）。• 無機鹽防腐蝕劑可與填充劑更好結合。• 塗層的表面光滑且有防水性，也不會因加入

塗料至系統中，而破壞該塗層的性能。

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溶膠凝膠環氧樹脂複合塗層

1. 主要製劑，內含有溶膠 - 凝膠溶液、鈦氧化物 (填料及塗料 ) 以及非鉻酸鹽防腐蝕劑。

2. 固化，含有水的淺色固化劑。是利用噴霧塗層法噴灑在該鋁合金板。

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結論

現在以水為溶劑得溶膠凝膠系統已漸漸被開發，加入不同的官能團，會有不同的功能。

例如：機械強度、黏著性、抗腐蝕性…