TWI454516B - 可移除式疏水性組合物、可移除式疏水性塗層及其製備方法 - Google Patents

Description

可移除式疏水性組合物、可移除式疏水性塗層及其製備方法

本發明是有關於疏水性組合物、疏水性塗層及其製備方法，特別是有關於可移除式疏水性組合物、可移除式疏水性塗層及其製備方法。

許多日常消費用品、隨身電子產品、交通器具、樂器、運動用具、瓷器或裝飾藝術品等，表面需要進行疏水保護處理。然而，目前已知疏水性保護膜的形成方法皆過於專業，不適合一般人操作使用。例如需要進行熱固化或紫外光固化程序。或者處理製程涉及表面化學處理或蝕刻處理以製作出具有疏水特性的粗糙表面結構。因此具有疏水性的表面的產品通常都必須由工廠處理好之後，才會交到消費者手上使用。疏水性保護層很難由一般消費者自行製作。

此外，當疏水性保護層經過長時間的使用之後，保護層會有退化的現象使得其疏水效果會逐漸喪失，因此有必要更換新的疏水性保護層。但是目前由工廠製備的疏水性保護層很難直接移除，一般需要使用機械研磨或加熱融熔等激烈的方式才能夠移除，這不但需要極專業的知識及器材才能夠執行，也很容易對基材造成嚴重的傷害。

一些用來形成疏水性塗層的塗料含有氟素成分，這是因為氟化物本身具有低表面能特性而能達到疏水的效果。然而，目前歐洲議會投票通過了《歐盟危險物質指令》(76/769/EEC)的最新修正案，決議嚴格限制氟化物的使用，包括全氟辛酸(Perfluoro-octanoic acid,PFOA)、全氟辛磺酸(Perfluorooctane Sulfonate,PFOS)等衍生物的使用。其中PFOS是全氟化學品的一項，熱穩定性佳，在環境中不易被破壞，還可耐水耐油。另一種常見的全氟化學品是全氟辛酸(PFOA)及其鹽類。PFOA及其衍生產品的應用包括家用產品表面處理(如不沾鍋炊具)、方便食品包裝、防粘污材料纖維以及防火泡沫。全氟化學品聚在活有機體的脂肪組織中，對於人體和野生動物都是有害的。歐洲議會已被要求特續進行風險評估、尋找更安全的替代產品、定義減用措施，包括限制銷售與使用。

針對此考量，疏水性保護層可以從在基材的表面形成粗糙微結構，結合非含氟系之低表面能材料來著手。非含氟系疏水改質材料早在1957年美國專利第2,786,042號已揭露，利用碳數1~20矽烷類成分對具有微結構的氧化矽表面進行修飾改質，藉此得到具有疏水性的粉體材料。美國專利第5,136,074號描述利用矽烷化修飾劑對粉體材料進行修飾，藉此得到穩定的改質粉體，其中修飾劑包括trimethylchlorosilane,t-butyldimethylchlorosilane。美國專利第5,651,921號揭露利用有機物化合物取代矽烷修飾氧化矽材料表面的OH基，藉此形成疏水性材料，其中使用的修飾成分包括organic group-substituted halosilanes、organic group-substituted alkoxysilanes、organic group-substituted silazanes與hydrolyzates。美國專利第6,025,455號揭露利用烷基官能基對氧化矽材料表面的OH基進行修飾，使用的材料包括disiloxane與monosiloxane。此文獻更敘述使用溶劑可形成用以形成疏水性塗層的塗料，疏水性塗層可藉由塗佈且固化塗料的步驟形成。美國專利第6,767,984號揭露利用高分子材料接枝矽烷而達到改質的目的，藉此形成塗在車輛表面的疏水保護塗料之組合物配方。西元2006年期刊Applied Surface Science 253卷2217~2221頁，敘述利用Hexamethyldisilazane修飾氧化矽，藉此得到具有疏水特性的表面。西元2009年期刊Applied Surface Science 255卷3600~3604頁，描述利用Trimethylethoxysialne矽氧烷化合物修飾氧化矽的表面，藉此得到透明且具疏水性的塗層。西元2009年期刊Journal of Colloid and Interface Science 332卷484~490頁，揭露使用Hexamethyldisilazane搭配Methyltrimethoxysilane以形成能夠承受1個月高濕度環境的長效型疏水性塗層。

國際專利WO 2008/153687號，揭露利用低表面能的材料修飾粉體表面，藉此製成一噴塗用配方，其可在基材的表面直接塗佈形成一疏水性塗層。然而此疏水性塗層有附著強度不足與穩定性不佳的問題。台灣專利第I310779號，揭露利用環氧樹脂作為疏水性粉體與基材表面之間的黏著劑，用來強化疏水性塗層貼附在基材的牢固性，但是此疏水性塗層並無法輕易地被移除。台灣專利申請案第96121473號，揭露使用聚丙烯酸酯做為高透明、高耐候性的防污防水塗料之附著劑。使用上述塗料形成的疏水性塗層很難移除，通常需要使用專業的知識或器材，舉例來說，以機械研磨或加熱融熔方式進行清除步驟才行。

也有一些例子是使用本身具有疏水性質的蠟質製作疏水性保護層。但是這種塗料容易遇到粉體混合不均的問題，且粉體會因為完全被蠟質包覆而無法展現本身具有的疏水特性，因此形成的疏水性塗層的疏水效果會大打折扣。

根據本發明之一方面，提供一種可移除式疏水性組合物。可移除式疏水性組合物包括0.1至50重量份奈米顆粒、0.1至5重量份附著性調整劑或附著性抑制劑、100重量份溶劑以及0.1至50重量份高分子化合物。奈米顆粒的粒徑小於100奈米。奈米顆粒的表面以矽烷化合物修飾；。

根據本發明之另一方面，提供一種可移除式疏水性塗層的製備方法，包括以下步驟。提供上述可移除式疏水性組合。將可移除式疏水性組合施加於基材的表面上。將可移除式疏水性組合中的溶劑揮發之後，可移除式疏水性組合會於基材的表面上形成可移除式疏水性塗層。

根據本發明之又一方面，提供一種可移除式疏水性塗層，其係以上述製備方法所形成。

本發明係提供一種可移除式疏水性組合物、可移除式疏水性塗層及其製備方法。可移除式疏水性組合物與形成的可移除式疏水性塗層不含危險物質─氟素，且具有優異的疏水效果。以下係配合範例及圖示進行說明，然本技術領域具有通常知識者當可明瞭，下述文字與圖示並不會對本發明之欲保護範圍造成限縮。

可移除式疏水性組合物

可移除式疏水性組合物包括(a) 0.1至50重量份奈米顆粒，其粒徑小於100奈米，且奈米顆粒的表面係以矽烷化合物改質；(b) 0.1至5重量份附著性調整劑或附著性抑制劑；(c) 100重量份溶劑；以及(d) 0.1至50重量份高分子化合物。

於本發明之實施例中，奈米顆粒包括氧化鈦、氧化鋅、氧化鋁、氧化矽、雲母、上述材料之衍生物或組合。矽烷化合物包括六甲基二矽氮烷、二甲基二氯矽甲烷、三甲氧基辛基矽烷、八甲基環四矽氧烷、乙氧基矽烷系列成分、聚二甲基矽氧烷、四甲基四乙烯基環四聚矽氧烷系列成分、上述材料之衍生物或組合。矽烷化合物可以化學鍵結的方式(例如利用水解法與奈米顆粒產生鍵結)改質奈米顆粒的表面性質，使奈米顆粒的表面具有更佳的疏水性質。

表面被矽烷化合物改質的奈米顆粒可以直接購得、購買加工半成品或是由原料加工製得。奈米顆粒的製備方法包括溶膠-凝膠(sol-gel)合成法、氣相反應法、水熱合成法(hydro-thermal)、沉積法、物理粉碎法、機械球磨法、化學氣相沈積法、微乳液法、電化學法等。溶膠-凝膠(sol-gel)合成法指得是金屬化合物經溶液、溶膠、凝膠而固化，再經低溫熱處理而生成奈米顆粒，其優點在於反應物種類多，產物顆粒均一，過程易控制。氣相反應法為目前最主要的合成技術之一，其基本原理是利用氣相中的原子或分子在過飽和狀態時，會成核析出成固相或液相。如在氣相中進行均質成核時控制其冷卻速率，則可漸成長為純金屬、陶瓷或複合材料之奈米顆粒；若在固態基板上緩慢冷卻而成核-成長，則可長成薄膜、鬚晶或碳管等奈米級材料。氣相反應法優點在於乾淨且奈米顆粒的粒徑容易控制。研究用或欲探索用途時，需要特性一定的奈米顆粒，此時很適用氣相蒸發法形成金屬、合金、陶瓷、複合物、有機化合物的奈米顆粒。待奈米顆粒製備完成後，再以矽烷化合物與奈米顆粒進行化學鍵結，藉此製造表面被矽烷化合物改質的奈米顆粒。

溶劑包括烷類、芳香類、醇類、酮類、酯類、酯類衍生物或上述之組合。舉例來說，溶劑可包括乙醇、異丙醇、丁烷、庚烷、己烷、丙酮、丁酮、甲基乙基酮、甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、雜酯、上述材料之衍生物或組合。使用恰當的溶劑能使奈米顆粒在塗料中的分散性良好，奈米顆粒會穩定地懸浮在塗料中，不易產生聚集，也可以不會很快地沈降下來。溶劑的揮發性也能幫助分散在塗料中的奈米顆粒均勻地排列在基材的表面上，而提高疏水性塗層的疏水效果。

附著性調整劑或附著性抑制劑的功能為使可移除式疏水性組合物具有適當之附著性，亦可抑制高分子塗層黏著性使之具可移除之性質。實施例中使用的附著性調整劑也可作為鍵結劑(binder)，用以增強奈米顆粒與基材的表面之間的附著性。附著性調整劑包括石油精蠟、巴西蠟、蜜蠟、聚乙烯蠟、上述材料之衍生物或組合。高分子化合物包括聚乙烯、聚丙烯、聚醋酸乙酯、壓克力樹脂、聚氯乙烯、聚苯乙烯、矽橡膠樹脂、環氧樹脂、聚氨脂樹脂、上述材料之衍生物或組合。由於本發明實施例的塗料中附著性調整劑或附著性抑制劑(蠟質)僅佔了少量比例，黏稠的附著性調整劑並不會嚴重地影響到奈米顆粒分散的狀況，也不會將奈米顆粒整個包覆住，因此奈米顆粒仍能夠均勻地混合在塗料當中並表現本身具有的疏水特性。另外，使用附著性調整劑能使得形成的疏水性塗層具有可輕易移除的特性。

根據本發明的一些實施例，可移除式疏水性組合物可更包括高分子塑性調整助劑。高分子塑性調整助劑可包括聚乙二醇、聚四甲基醚二醇、聚己內酯多元醇、鄰苯二甲酸二辛酯、三乙酸甘油酯、三甲戊二醇異丁酯、上述材料之衍生物或組合。

可移除式疏水性塗層及其製備方法

第1圖顯示本發明一實施例之可移除式疏水性塗層的製備流程圖。實施例之可移除式疏水性塗層的製備方法，包括：(a)提供上述可移除式疏水性組合物(步驟S101)；(b)將可移除式疏水性組合物施加於基材的表面上(步驟S103)；以及(c)將可移除式疏水性組合物中的溶劑揮發之後，可移除式疏水性組合物會在基材的表面上形成可移除式疏水性塗層(步驟S105)。

在步驟S103中，可以利用各種塗佈方式將可移除式疏水性組合物施加於基材的表面上，例如旋轉塗佈、浸泡塗佈、噴塗、抹塗、刮塗、刷塗、滾塗等。適合用來塗佈可移除式疏水性組合物以形成可移除式疏水性塗層於表面上的基材包括：玻璃、陶瓷、石材、塑膠、金屬或高分子等，除此之外，其他材料與其複合物亦可適用。既然本實施例之可移除式疏水性組合物可以塗佈的基材的材質種類很多，形成可移除式疏水性塗層後也都具有疏水效果，許多日常生活用品、隨身電子產品、交通器具、樂器、運動用具、瓷器或裝飾藝術品等都可以使用實施例之可移除式疏水性組合物，例如：皮包、皮鞋之皮革保養、隨身電子用品機殼或螢幕防刮保護層、車輛表面清潔保護處理、磁磚表面耐磨疏水處理、飾品表面亮光保護處理、樂器表面防指紋口水不殘留處理、運動器具表面防水塗膜處理等許多各式各樣的應用。

於一實施例中，在步驟S105，於基材的表面上塗佈可移除式疏水性組合物之後，可以在室溫環境下自然風乾直至溶劑揮發殆盡，藉此完成本實施例之可移除式疏水性塗層。另外也可利用扇子、風扇、吹風機等簡單的對流工具加速乾燥。請注意，本實施例之可移除式疏水性組合物僅需於室溫下輔以簡單的對流工具即可製備可移除式疏水性塗層，無須使用特殊或專業的加熱或紫外光固化設備，製備方法簡便容易，任何人都可輕易上手，因此可擴大產品的銷售客層。

本發明實施例之可移除式疏水性塗層的製備方法可更包括步驟S107，移除可移除式疏水性塗層。當可移除式疏水性塗層經過長時間的使用導致其疏水效果退化之後，使用者可能會有更換可移除式疏水性塗層的需求。本發明實施例之可移除式疏水性組合物添加有高分子化合物與少量的附著性調整劑或附著性抑制劑(蠟質)，因此形成的可移除式疏水性塗層為可移除的包覆膜層，外觀上類似緊貼於基材之表面的透明保鮮膜。可移除式疏水性塗層不需要使用激烈的手法，可經由撕除、沖洗、刷除等方式輕易地自基材的表面移除，因此能對基材的表面的損傷程度減少至最小化。在移除可移除式疏水性塗層之後，可將另一個可移除式疏水性組合物施加在基材的表面上，以形成另一全新的可移除式疏水性塗層。根據上述，可移除式疏水性塗層在功能退化之後，使用者可以透過非常簡便的方式自行更換基材的表面上的可移除式疏水性塗層，其中在移除舊的可移除式疏水性塗層的過程中幾乎不會對基材的表面造成傷害。

實施例與比較例

以下舉出幾組比較例與本發明的實施例的條件與結果，以顯現本發明的優點。

實施例一的可移除式疏水性塗層的製備方法係先將0.5g以六甲基二矽氮烷修飾表面的氧化矽奈米顆粒(粒徑7nm)、0.5g石油精蠟與100ml醋酸丁酯混合加熱至60℃使之均質分散，然後添加0.5g PMMA，於室溫下進行攪拌直至溶解，藉此得到可移除式疏水性組合物。將所得之可移除式疏水性組合物直接裝入氣壓式噴罐，對玻纖板基材的表面進行噴塗之後，待溶劑完全乾燥即得到可移除式疏水性塗層。

實施例二的可移除式疏水性塗層的製備方法與實施例一相似，惟以巴西蠟取代石油精蠟。

比較例一至二的疏水性塗層製備方法與實施例一類似，惟改變了塗料的內含物。可參照表一了解比較例之塗料的詳細內含物。

本發明之實施例在可移除式疏水性組合物添加了少量的附著性調整劑或附著性抑制劑(蠟質)，會影響黏著劑與表面附著性。比較以上實施例一至二與比較例一至二的結果可發現，比較例的塗料未使用蠟質，而形成的疏水性塗層係十分牢固的黏著在基材的表面上，必須以激烈的移除手法才能移除。而本發明實施例的可移除式疏水性組合物有使用少量的附著性調整劑或附著性抑制劑(蠟質)，形成的可移除式疏水性塗層僅以乾紙巾進行擦拭便能移除，不需要使用溶劑或其他激烈的手段。此外，實施例之可移除式疏水性塗層的疏水效果明顯優於比較例之疏水性塗層。

表二為顯示比較例三至比較例六的結果。比較例三至比較例六並未使用高分子化合物，且表面改質之奈米顆粒與添加之附著性調整劑之間無化學鍵結反應。比較例三至六的疏水性塗層的製備方法係將0.5g以六甲基二矽氮烷修飾表面的氧化矽奈米顆粒(粒徑7nm)、0.5g石油精蠟與100ml異丙醇在室溫下均質分散，藉此得到疏水性組合物。然後，將所得之疏水性組合物直接裝入氣壓式噴罐，對玻纖板基材的表面進行噴塗之後，待溶劑完全乾燥即得到疏水性塗層。

由比較例四，改質奈米粒子在蠟質添加後仍維持其疏水特性。從比較例六的結果可知蠟質本身具有疏水性質。相較於比較例六，比較例五的塗料多添加了表面未被矽烷化合物修飾的奈米粒子，使得形成的疏水性塗層表面粗糙，因此疏水性有稍微提升。比較例三其含有以矽烷化合物修飾表面的奈米粒子的可移除式疏水性塗層的疏水效果明顯優於比較例五與比較例六。

第2圖為比較例三製得的疏水性塗層、比較例四製得的疏水性塗層與石油精蠟的紅外光譜分析結果。從第2圖可知，蠟質的添加並不會造成與奈米顆粒的光譜吸收峰有明顯的異動，證實蠟質與奈米顆粒之間並沒有發生化學鍵結作用，可用以說明以矽烷化合物修飾表面的奈米粒子在蠟質添加後仍能保留其疏水特性。從比較例三與比較例四的結果來看，甚至可以發現在添加蠟質後，比較例三之可移除式疏水性塗層的附著穩定性可大幅的提升。

本發明的可移除式疏水性塗層兼具穩定的附著性及可移除性，可應用的用途廣泛，舉例來說，可應用在交通運輸工具、建築物、戶外機件、隨身電子用品的防水浸泡、耐高濕鹽份環境和表面易潔塗層的功能。使用在戶外器具之用途的可移除式疏水性塗層經過長久時間的使用後可能會有退化現象，此時即需要進行移除以便於形成另一個新的可移除式疏水性塗層。或者，有時候電子元件加工過程需要修改元件，因此可移除式疏水性塗層需重新移除再施工，本發明之概念也適合其他的使用情況。以下說明本發明應用在器具上的實施例。

實施例三　應用在高壓礙子

可移除式疏水性組合物的配方如下：

(1) 2重量份氧化矽微粒，其粒徑為7nm；

(2) 20重量份甲苯；

(3) 80重量份RTV橡膠；以及

(4) 0.1重量份石油精蠟。

利用油漆刷直接將可移除式疏水性組合物刷塗在礙子的表面上，然後可移除式疏水性組合物經過室溫熟化而硬化成型，可得到可移除式疏水性塗層。可移除式疏水性塗層的疏水角度可達106.1±1.9度。可移除式疏水性塗層在礙子表面上的附著性良好，即使進行1000小時高溫高濕(85℃,95%RH)耐候性測試，礙子表面上的可移除式疏水性塗層仍維持穩定附著，無脫落狀況，且疏水角度仍維持104.2±0.7度。當礙子表面上的可移除式疏水性塗層需要移除時，可直接將可移除式疏水性塗層從光滑礙子表面剝離。剝離掉舊的可移除式疏水性塗層之後的礙子表面上可以再重新塗佈新的可移除式疏水性組合物，以形成新的可移除式疏水性塗層。

實施例四　應用在鞋子表面

可移除式疏水性組合物的配方如下：

(1) 2重量份氧化矽微粒，其粒徑為7nm；

(2) 10重量份RTV橡膠；

(3) 100重量份溶劑甲苯；以及

(4) 0.1重量份石油精蠟。

以油漆刷直接將可移除式疏水性組合物刷塗在鞋子的表面上，接著可移除式疏水性組合物經過室溫熟化而硬化成型之後，可形成可移除式疏水性塗層。可移除式疏水性塗層的疏水角度可達111.5±2.5度。可移除式疏水性塗層在鞋子表面上的層附著性良好，經持續浸泡水中24小時，水分仍不會穿透可移除式疏水性塗層而進入鞋內。在直接剝離鞋子表面上的可移除式疏水性塗層之後，可以再重新塗佈新的可移除式疏水性組合物以形成另一個新的可移除式疏水性塗層。

實施例五　應用在電路板

可移除式疏水性組合物的配方如下：

(1) 1重量份氧化矽微粒，其粒徑為7nm；

(2) 40重量份Acrylic高分子；

(3) 80重量份溶劑醋酸酯類溶劑；

(4) 0.1重量份石油精蠟；以及

(5) 1重量份鄰苯二甲酸二辛酯。

以噴塗或浸塗的方式將可移除式疏水性組合物塗佈在電路板的表面上。以60℃的溫度加熱固化塗料之後，可得到可移除式疏水性塗層。可移除式疏水性塗層的疏水角度可達91.0±1.2度。可移除式疏水性塗層在水中持續浸泡168小時之後，仍保有良好的附著性，穩定地附著於電路板的表面上。當電路板表面上的可移除式疏水性塗層需要移除時，可將電路板置入醋酸丁酯溶劑中，以將可移除式疏水性塗層從電路表面移除。移除後可以再重新塗佈可移除式疏水性組合物，以形成新的可移除式疏水性塗層。

綜上所述，雖然本發明的較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

S101-S107．．．步驟

第1圖繪示依照本發明之一實施例之可移除式疏水性塗層的製備流程圖。

第2圖顯示比較例製得的可移除式疏水性塗層與蠟質的紅外光譜分析結果。

Claims (10)

1. 一種可移除式疏水性組合物，包括：a.0.1至50重量份奈米顆粒，其粒徑小於100奈米，該些奈米顆粒的表面以矽烷化合物修飾；b. 0.1至5重量份附著性調整劑或附著性抑制劑；c. 100重量份溶劑；d. 0.1至50重量份高分子化合物，包括壓克力樹脂、矽橡膠樹脂、上述材料之衍生物或組合；以及e. 高分子塑性調整助劑，包括聚己內酯多元醇、鄰苯二甲酸二辛酯、三乙酸甘油酯、三甲戊二醇異丁酯、上述材料之衍生物或組合。
2. 如申請專利範圍第1項所述之可移除式疏水性組合物，其中該些奈米顆粒包括氧化鈦、氧化鋅、氧化鋁、氧化矽、上述材料之衍生物或組合。
3. 如申請專利範圍第1項所述之可移除式疏水性組合物，其中該矽烷化合物包括六甲基二矽氮烷、二甲基二氯矽甲烷、三甲氧基辛基矽烷、八甲基環四矽氧烷、聚二甲基矽氧烷、四甲基四乙烯基環四聚矽氧烷系列成分、上述材料之衍生物或組合。
4. 如申請專利範圍第1項所述之可移除式疏水性組合物，其中該溶劑包括烷類、芳香類、醇類、酮類、酯類、酯類衍生物或上述之組合。
5. 如申請專利範圍第4項所述之可移除式疏水性組合物，其中該溶劑包括乙醇、異丙醇、丁烷、庚烷、己烷、 丙酮、丁酮、甲基乙基酮、甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、雜酯、上述材料之衍生物或組合。
6. 如申請專利範圍第1項所述之可移除式疏水性組合物，其中該附著性調整劑或附著性抑制劑包括石油精蠟、巴西蠟、蜜蠟、上述材料之衍生物或組合。
7. 如申請專利範圍第1項所述之可移除式疏水性組合物，其中該附著性調整劑或附著性抑制劑的功能為使該可移除式疏水性組合物具有可移除之性質。
8. 一種可移除式疏水性塗層的製備方法，包括：(a)提供如申請專利範圍第1項所述之可移除式疏水性組合物；(b)將該可移除式疏水性組合物施加於一基材的表面上；以及(c)將該可移除式疏水性組合物中的溶劑揮發之後，該可移除式疏水性組合物於該基材的表面上形成一可移除式疏水性塗層。
9. 如申請專利範圍第8項所述之可移除式疏水性塗層的製備方法，更包括：在移除該可移除式疏水性塗層之後，將另一可移除式疏水性組合物施加於該基材的表面上；以及將該另一可移除式疏水性組合物中的溶劑揮發之後，該另一可移除式疏水性組合物於該基材的表面上形成另一可移除式疏水性塗層。
10. 一種可移除式疏水性塗層，其係以申請專利範圍 第8項所述之製備方法所形成。