TWI592451B

TWI592451B - 多孔性氧化物基材的處理方法與多孔性氧化物基材結構

Info

Publication number: TWI592451B
Application number: TW105100162A
Authority: TW
Inventors: 郭致賢; 王麗菁
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2016-01-05
Filing date: 2016-01-05
Publication date: 2017-07-21
Also published as: TW201725248A

Description

多孔性氧化物基材的處理方法與多孔性氧化物基材結構

本揭露是有關於一種基材的處理方法與基材結構，且特別是有關於一種多孔性氧化物基材的處理方法與多孔性氧化物基材結構。

抗反射結構是一種應用在各種裝置表面的結構，其目的是要降低反射，以提升光的利用效率。一般來說，可將抗反射層設置於基材的入光面上，以減少入射至入光面的光的損失。

沸石（zeolite）為一種常見的用於抗反射層的氧化物材料。將沸石奈米結構設置於基材上做為抗反射層，可藉由其本身的多孔性結構而提供良好的抗反射效果。然而，由於此種抗反射層的奈米粒子與基材之間的黏著力不佳，以致於抗反射層的耐磨耗機械強度仍有待加強。

因此，如何提高上述沸石奈米結構抗反射層的耐磨耗機械強度，甚至是提高氧化物基材的耐磨耗機械強度，已成為此領域關注的課題。

本揭露提供一種多孔性氧化物基材的處理方法，其在低溫與低壓下對多孔性氧化物基材進行處理。

本揭露另提供一種多孔性氧化物基材結構，其具有聚矽氧烷保護層。

本揭露的多孔性氧化物基材的處理方法是先於多孔性氧化物基材上提供矽烷前驅物與含結晶水化合物。接著，在介於0.1 torr至10 torr之間的壓力與介於60°C至130°C的溫度下，使含結晶水化合物釋放出水分子，且使水分子與矽烷前驅物反應，以於多孔性氧化物基材上形成聚矽氧烷保護層。

在本揭露的多孔性氧化物基材的處理方法的一實施例中，上述的矽烷前驅物例如為單氧烷基矽烷、二氧烷基矽烷、三氧烷基矽烷、單鹵矽烷、二鹵矽烷或三鹵矽烷。

在本揭露的多孔性氧化物基材的處理方法的一實施例中，上述的含結晶水化合物例如為硫酸鎂水合物或硫酸鈉水合物。

在本揭露的多孔性氧化物基材的處理方法的一實施例中，上述的多孔性氧化物基材包括基層與位於基層上的多孔性氧化物層。

在本揭露的多孔性氧化物基材的處理方法的一實施例中，上述的多孔性氧化物層的厚度例如不超過100 nm。

在本揭露的多孔性氧化物基材的處理方法的一實施例中，上述的多孔性氧化物層的材料例如為氧化矽、氧化鋁或氧化矽與氧化鋁的混合物。

在本揭露的多孔性氧化物基材的處理方法的一實施例中，上述的多孔性氧化物基材的材料例如為氧化矽、氧化鋁或氧化矽與氧化鋁的混合物。

在本揭露的多孔性氧化物基材的處理方法的一實施例中，上述的聚矽氧烷保護層藉由共價鍵與所述多孔性氧化物基材接合。

本揭露的多孔性氧化物基材結構，包括多孔性氧化物基材與聚矽氧烷保護層。聚矽氧烷保護層配置於多孔性氧化物基材上。

在本揭露的多孔性氧化物基材結構的一實施例中，上述的聚矽氧烷保護層藉由共價鍵與多孔性氧化物基材接合。

在本揭露的多孔性氧化物基材結構的一實施例中，上述的多孔性氧化物基材包括基層與位於基層上的多孔性氧化物層。

在本揭露的多孔性氧化物基材結構的一實施例中，上述的多孔性氧化物層的厚度例如不超過100 nm。

在本揭露的多孔性氧化物基材結構的一實施例中，上述的多孔性氧化物層的材料例如為氧化矽、氧化鋁或氧化矽與氧化鋁的混合物。

在本揭露的多孔性氧化物基材結構的一實施例中，上述的聚矽氧烷保護層藉由共價鍵與多孔性氧化物層接合。

在本揭露的多孔性氧化物基材結構的一實施例中，上述的多孔性氧化物基材的材料例如為氧化矽、氧化鋁或氧化矽與氧化鋁的混合物。

基於上述，本揭露藉由在低溫與低壓下先使含結晶水化合物釋放出水分子，再使所釋放出的水分子與矽烷前驅物反應而於多孔性氧化物基材上形成聚矽氧烷保護層，因此可藉由共價鍵來提高聚矽氧烷分子之間、聚矽氧烷分子與多孔性氧化物層間以及多孔性氧化物層與基層（或氧化矽基材）之間的結合力，使得所形成的聚矽氧烷保護層具有良好的保護能力，因而提高多孔性氧化物基材的耐磨耗機械強度。

為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1為依據本發明實施例所繪示的多孔性氧化物基材的處理方法的示意圖。請參照圖1，首先，提供多孔性氧化物基材100。在本實施例中，多孔性氧化物基材100是由基層100a與形成於基層100a上的多孔性氧化物層100b構成。在本實施例中，多孔性氧化物層100b為由沸石粒子所構成的多孔性氧化物層，亦即多孔性氧化物層100b為多孔性氧化矽層，但本揭露不限於此。在其他實施例中，多孔性氧化物層100b也可以是具有其他結構的多孔性氧化矽層。或者，多孔性氧化物層100b的材料也可以是氧化鋁或是氧化矽與氧化鋁的混合物（例如於氧化矽中摻雜氧化鋁）。多孔性氧化物層100b例如是以塗佈的方式形成於基層100a上。多孔性氧化物層100b的厚度例如是不超過100 nm。

此外，在本實施例中，多孔性氧化物基材包括基層100a與位於所述基層100a上的多孔性氧化物層100b。基層100a例如玻璃基層或塑膠基層，但本揭露不限於此。在其他實施例中，基層100a也可以是多孔性氧化物基層，其材料例如是氧化矽、氧化鋁或氧化矽與氧化鋁的混合物（例如於氧化矽中摻雜氧化鋁）。在此情況下，基層100a的材料可以與多孔性氧化物層100b相同，也可以與多孔性氧化物層100b不同。

然後，對多孔性氧化物層100b進行親水性處理，以使多孔性氧化物層100b的表面上具有-OH基團。上述的親水性處理例如是電漿處理或電弧處理。此時，基層100a的表面上也可能會具有-OH基團。在其他實施例中，視實際需求，也可以省略上述的親水性處理。

接著，於多孔性氧化物基材100上提供矽烷前驅物與含結晶水化合物。矽烷前驅物例如是單氧烷基矽烷、二氧烷基矽烷、三氧烷基矽烷、單鹵矽烷、二鹵矽烷或三鹵矽烷。含結晶水化合物例如是含結晶水的無機鹽類，其可以是硫酸鎂水合物或硫酸鈉水合物。在本實施例中，矽烷前驅物是以氣相的形式提供於多孔性氧化物基材100上，因此可以充分地與多孔性氧化物層100b接觸。此外，在本實施例中，由於多孔性氧化物層100b的厚度不超過100 nm，因此矽烷前驅物亦可穿過多孔性氧化物層100b的孔隙而與基層100a接觸。

接著，在介於0.1 torr至10 torr之間的壓力與介於60°C至130°C的溫度下，使含結晶水化合物釋放出水分子，並藉由這些水分子使吸附於多孔性氧化物層100b的表面與基層100a的表面的矽烷前驅物可被水解為矽醇。所形成的矽醇會以氫鍵與多孔性氧化物層100b的表面上的-OH基團互相吸附，接著脫水形成共價鍵結，以形成聚矽氧烷。換句話說，經由上述反應，可於多孔性氧化物層100b的表面上形成聚矽氧烷保護層102，且聚矽氧烷保護層102是藉由共價鍵與多孔性氧化物層100b接合。所形成的聚矽氧烷保護層102的厚度相當薄，通常為數奈米至數十奈米的薄層。此外，在本實施例中，由於矽烷前驅物穿過多孔性氧化物層100b的孔隙而與基層100a接觸，因此所形成的聚矽氧烷保護層102也可藉由共價鍵與基層100a接合。因此，聚矽氧烷保護層102可以穩固地形成於多孔性氧化物基材100上，且矽氧烷分子之間因以矽-氧共價鍵聚合，使得聚矽氧烷保護層102對於多孔性氧化物層100b具有良好的保護力，且因此可提高多孔性氧化物基材100的耐磨耗機械強度。

特別一提的是，在本揭露中，使用結晶水化合物來提供使矽烷前驅物水解所需的水分子。此外，由於結晶水化合物在常溫常壓下並不會釋放出水分子，因此在本揭露中於介於0.1 torr至10 torr之間的壓力與介於60°C至130°C的溫度下進行處理可使結晶水化合物釋放出足夠的水分子，以使得矽烷前驅物能夠被充分地水解來進行後續的反應。

此外，在上述實施例中，多孔性氧化物基材100是由基層100a與形成於基層100a上的多孔性氧化物層100b構成，但本揭露不以此為限。本揭露的處理方法亦可直接應用於單一的多孔性氧化物基材，例如氧化矽基材、氧化鋁基材或由氧化矽與氧化鋁的混合物（例如於氧化矽中摻雜氧化鋁）構成的基材，以直接於多孔性氧化物基材上形成聚矽氧烷保護層。

以下將以實驗1至實驗3來對本揭露的多孔性氧化物基材的處理方法以及所形成的聚矽氧烷保護層做進一步的說明。

實驗1 （1）將玻璃基材表面進行清潔處理與親水處理；（2）旋轉塗佈（500 rpm, 10秒，接著1000 rpm, 30 秒）含抗反射粒子的溶液，其含有2.5 wt%的非晶相氧化矽沸石（平均粒徑74 nm）、5.0 wt%的水解的氧化矽凝膠以及92.5 wt%的乙醇；（3）在60°C的烘箱中乾燥表面10分鐘；（4）以真空大氣電漿移除後表面上的殘存有機物，持續時間為10分鐘；（5）於0.5 torr的低壓以及110°C的溫度下塗佈保護層，其中樣品a為在形成保護層時未添加矽烷前驅物，樣品b為在形成保護層時添加矽烷前驅物-二三乙氧基矽基乙烷（bistriethoxysilylethane）；（6）清潔表面；（7）以霧度計測量其霧度（haze）及總穿透率（total transition, T.T%）；（8）將樣品以無塵布於1000 g的荷重下進行1000次磨耗測試，再與未經塗佈保護層的玻璃比較總穿透率增益(T.T% gain)及霧度上升（haze gain），結果如表一所示。表一 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0002"><TBODY><tr><td> 樣品 </td><td> 霧度上升 </td><td> 總穿透率增益 </td></tr><tr><td> 磨耗前 </td><td> 磨耗後 </td><td> 磨耗前 </td><td> 磨耗後 </td></tr><tr><td> 樣品a </td><td> 0.09 </td><td> 1.07 </td><td> 0.37 </td><td> 0.09 </td></tr><tr><td> 樣品b </td><td> 0.19 </td><td> 0.26 </td><td> 0.26 </td><td> 0.52 </td></tr></TBODY></TABLE>

由表一可以清楚看出，對於形成保護層時未添加矽烷前驅物樣品a來說，磨耗後的霧度上升遠大於磨耗前的霧度上升，且磨耗後的總穿透率增益明顯小於磨耗前的總穿透率增益。反之，對於在形成保護層時添加矽烷前驅物的樣品b（以本揭露的處理方法進行處理）來說，磨耗後的霧度上升與磨耗前的霧度上升幾乎無分別，且磨耗後的總穿透率增益與磨耗前的總穿透率增益亦相近。由此可知，經由本揭露的處理方法處理後的基材具有較加的耐磨耗能力，亦即所形成的保護層具有較佳的保護功能。

實驗2 （1）將玻璃基材表面進行清潔處理與親水處理；（2）旋轉塗佈（500 rpm, 10秒，接著1000 rpm, 30 秒）含抗反射粒子的溶液，其含有1.33 wt%的非晶相氧化矽沸石（平均粒徑74 nm）、1.33 wt%的氧化矽奈米沸石晶體（平均粒徑60 nm）、2.66 wt%的水解的氧化矽凝膠以及94.67 wt%的乙醇；（3）在60°C的烘箱中乾燥表面10分鐘；（4）以真空大氣電漿移除後表面上的殘存有機物，持續時間為10分鐘；（5）於0.5 torr的低壓以及110°C的溫度下塗佈保護層，其中樣品c為在形成保護層時添加矽烷前驅物-辛基三甲氧基矽烷（octyltrimethoxysilane），樣品d為在形成保護層時添加矽烷前驅物-己基三甲氧基矽烷（hexyltrimethoxysilane），樣品e為在形成保護層時添加矽烷前驅物-3,3,3-三氟丙基三甲氧基矽烷（3,3,3-trifluoropropyltrimethoxysilane），樣品f為在形成保護層時添加矽烷前驅物-丙基三甲氧基矽烷（propyltrimethoxysilane）；（6）清潔表面；（7）以霧度計測量其霧度及總穿透率；（8）將樣品以無塵布於1000 g的荷重下進行1000次磨耗測試，再與未經塗佈保護層的玻璃比較總穿透率增益及霧度上升，結果如表二所示。表二 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0003"><TBODY><tr><td> 樣品 </td><td> 霧度上升 </td><td> 總穿透率增益 </td></tr><tr><td> 磨耗前 </td><td> 磨耗後 </td><td> 磨耗前 </td><td> 磨耗後 </td></tr><tr><td> 樣品c </td><td> 0.01 </td><td> 0.36 </td><td> 2.56 </td><td> 2.44 </td></tr><tr><td> 樣品d </td><td> -0.02 </td><td> -0.01 </td><td> 2.54 </td><td> 2.42 </td></tr><tr><td> 樣品e </td><td> -0.02 </td><td> 0.32 </td><td> 2.49 </td><td> 2.41 </td></tr><tr><td> 樣品f </td><td> 0.09 </td><td> 0.22 </td><td> 2.53 </td><td> 2.34 </td></tr></TBODY></TABLE>

由表二可以清楚看出，對於在形成保護層時添加各種矽烷前驅物的樣品（以本揭露的處理方法進行處理）來說，磨耗後的霧度上升與磨耗前的霧度上升鄉比僅輕微地增加，且磨耗後的總穿透率增益與磨耗前的總穿透率增益相比僅輕微地減少。由此可知，經由本揭露的處理方法處理後的基材具有良好的耐磨耗能力，亦即所形成的保護層具有良好的保護功能。

實驗3 （1）將玻璃基材表面進行清潔處理與親水處理；（2）旋轉塗佈（500 rpm, 10秒，接著1000 rpm, 30 秒）含抗反射粒子的溶液，其含有1.33 wt%的非晶相氧化矽沸石（平均粒徑74 nm）、1.33 wt%的氧化矽奈米沸石晶體（平均粒徑60 nm）、2.66 wt%的水解的氧化矽凝膠以及89.34 wt%的乙醇，其中樣品g中額外含有5.33wt%的3-氨基丙基三乙氧基矽烷（3-aminopropyltriethoxysilane，APTES），樣品h中額外含有5.33wt%的(3-氨丙基)-二乙氧基甲基矽烷（(3-aminopropyl)-diethoxymethylsilane，APDMES）；（3）在80°C的烘箱中固化，持續時間為1小時；（4）以真空大氣電漿移除後表面上的殘存有機物，持續時間為10分鐘；（5）清潔表面；（6）以霧度計測量其霧度及總穿透率；（7）將樣品以無塵布於1000 g的荷重下進行1000次磨耗測試，再與未經塗佈保護層的玻璃比較總穿透率增益及霧度上升，結果如表三所示。表三 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0004"><TBODY><tr><td> 樣品 </td><td> 霧度上升 </td><td> 總穿透率增益 </td></tr><tr><td> 磨耗前 </td><td> 磨耗後 </td><td> 磨耗前 </td><td> 磨耗後 </td></tr><tr><td> 樣品g </td><td> 0.20 </td><td> 4.23 </td><td> 2.32 </td><td> 0.31 </td></tr><tr><td> 樣品h </td><td> 0.09 </td><td> 1.72 </td><td> 1.76 </td><td> 0.33 </td></tr></TBODY></TABLE>

由表三可以清楚看出，若直接將矽烷與沸石混合來形成保護層，則磨耗後的霧度大幅上升，且總穿透率增益大幅減少，亦即所形成的保護層的保護效果並不佳。

雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100：多孔性氧化物基材 100a：基層 100b：多孔性氧化物層 102：聚矽氧烷保護層

圖1為依據本發明實施例所繪示的多孔性氧化物基材的處理方法的示意圖。

Claims

一種多孔性氧化物基材的處理方法，包括：於多孔性氧化物基材上提供矽烷前驅物與含結晶水化合物；以及在介於0.1 torr至10 torr之間的壓力與介於60°C至130°C的溫度下，使所述含結晶水化合物釋放出水分子，且使所述水分子與所述矽烷前驅物反應，以於所述多孔性氧化物基材上形成聚矽氧烷保護層。
如申請專利範圍第1項所述的多孔性氧化物基材的處理方法，其中所述矽烷前驅物包括單氧烷基矽烷、二氧烷基矽烷、三氧烷基矽烷、單鹵矽烷、二鹵矽烷或三鹵矽烷。
如申請專利範圍第1項所述的多孔性氧化物基材的處理方法，其中所述含結晶水化合物包括硫酸鎂水合物或硫酸鈉水合物。
如申請專利範圍第1項所述的多孔性氧化物基材的處理方法，其中所述多孔性氧化物基材包括基層與位於所述基層上的多孔性氧化物層。
如申請專利範圍第4項所述的多孔性氧化物基材的處理方法，其中所述多孔性氧化物層的厚度不超過100 nm。
如申請專利範圍第4項所述的多孔性氧化物基材的處理方法，其中所述多孔性氧化物層的材料包括氧化矽、氧化鋁或氧化矽與氧化鋁的混合物。
如申請專利範圍第1項所述的多孔性氧化物基材的處理方法，其中所述多孔性氧化物基材的材料包括氧化矽、氧化鋁或氧化矽與氧化鋁的混合物。
如申請專利範圍第1項所述的多孔性氧化物基材的處理方法，其中所述聚矽氧烷保護層藉由共價鍵與所述多孔性氧化物基材接合。
一種多孔性氧化物基材結構，包括：多孔性氧化物基材；以及聚矽氧烷保護層，配置於所述多孔性氧化物基材上。
如申請專利範圍第9項所述的多孔性氧化物基材結構，其中所述聚矽氧烷保護層藉由共價鍵與所述多孔性氧化物基材接合。
如申請專利範圍第9項所述的多孔性氧化物基材結構，其中所述多孔性氧化物基材包括基層與位於所述基層上的多孔性氧化物層。
如申請專利範圍第11項所述的多孔性氧化物基材結構，其中所述多孔性氧化物層的厚度不超過100 nm。
如申請專利範圍第11項所述的多孔性氧化物基材結構，其中所述多孔性氧化物層的材料包括氧化矽、氧化鋁或氧化矽與氧化鋁的混合物。
如申請專利範圍第11項所述的多孔性氧化物基材結構，其中所述聚矽氧烷保護層藉由共價鍵與所述多孔性氧化物層接合。
如申請專利範圍第9項所述的多孔性氧化物基材結構，其中所述多孔性氧化物基材的材料包括氧化矽、氧化鋁或氧化矽與氧化鋁的混合物。