การพัฒนาผงสีแดงสะท้อนรังสีอินฟราเรดย่านใกล้จากเหล็กออกไซด์หุ้มด้วยซิลิกาและเซอร์คอน

Development of Fe₂O₃@SiO₂ and Fe₂O₃@ZrSiO₄ core-shell NIR-reflective red pigments

Name: ปิยะ สรณาคมน์

ThaSH: รังสีอินฟราเรด

ThaSH: เหล็กออกไซด์ -- การสังเคราะห์

ThaSH: ซิลิกา -- การสังเคราะห์

ThaSH: เซอร์คอน -- การสังเคราะห์

LCSH: Infrared radiation

Abstract: งานวิจัยนี้ได้ศึกษาการพัฒนาผงสีแดงอนินทรีย์สะท้อนรังสีอินฟราเรดย่านใกล้ที่มีโครงสร้างแบบเปลือกหุ้มแกนจากผงเหล็กออกไซด์ทางการค้า (Fe₂O₃) ซึ่งทำหน้าที่เป็นแกนสี (pigments core) และห่อหุ้มด้วยเปลือกที่มีความใสของซิลิกา (SiO₂) และเซอร์คอน (ZrSiO₄) โดยสังเคราะห์ผ่านกระบวนการโซล-เจล (sol-gel process) ในส่วนแรกเป็นการสังเคราะห์ผงสีแดงเหล็กออกไซด์หุ้มซิลิกา (Fe₂O₃@SiO₂) ซึ่งได้ศึกษาอิทธิพลของการเติมสารลดแรงตึงผิว (surfactant) ซิทิลไตรเมทิลแอมโมเนียมโบรไมด์ (CTAB) ในช่วงความเข้มข้น 0-2 มิลลิโมลาร์ ที่ส่งผลต่อโครงสร้างและขนาดความหนาของชั้นเคลือบซิลิกา ในส่วนที่สองเป็นการสังเคราะห์ผงสีแดงเหล็กออกไซด์หุ้มเซอร์คอน (Fe₂O₃@ZrSiO₄) และผงสีแดงเหล็กออกไซด์หุ้มซิลิกา-เซอร์คอน (Fe₂O₃@SiO₂@ZrSiO₄) ซึ่งได้ศึกษาอิทธิพลของการเปลี่ยนชั้นเคลือบจากซิลิกาเป็นเซอร์คอนบนพื้นผิวอนุภาคเหล็กออกไซด์ที่ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเฉดสี สำหรับการวิเคราะห์สัณฐานวิทยาของผงสีแดงเหล็กออกไซด์หุ้มซิลิกา พบว่าขนาดความหนาของชั้นเคลือบซิลิกาบนพื้นผิวอนุภาคเหล็กออกไซด์ที่เป็นแกนสีเพิ่มขึ้นจาก 8 เป็น 62 นาโนเมตร ซึ่งมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นตามความเข้มข้นของสาร CTAB ที่ใช้ในการสังเคราะห์ และเมื่อตรวจสอบคุณสมบัติการสะท้อนรังสีอินฟราเรดย่านใกล้ (%R) พบว่ามีค่า %R อยู่ในช่วง 62.7%-65.3% ซึ่งสูงกว่าผงเหล็กออกไซด์ทางการค้าประมาณสองเท่าโดยไม่ขึ้นกับขนาดความหนาของชั้นเคลือบซิลิกาบนพื้นผิวอนุภาคเหล็กออกไซด์ อีกทั้งยังคงให้เฉดสีแดงที่ใกล้เคียงกับผงเหล็กออกไซด์ทางการค้าอยู่ การศึกษาผงสีแดงเหล็กออกไซด์หุ้มเซอร์คอน และผงสีแดงเหล็กออกไซด์หุ้มซิลิกา-เซอร์คอน พบว่าสัณฐานวิทยาของผงสีทั้งสองแบบเกิดการเกาะกลุ่มกันของอนุภาคเหล็กออกไซด์อยู่ภายใต้ชั้นเคลือบเซอร์คอนที่มีขนาดความหนาและไม่สม่ำเสมอ ซึ่งเป็นผลจากการหลอมตัวเป็นน้ำแก้ว (glassy phase) ของชั้นเคลือบเซอร์คอนและ/หรือซิลิกาบนพื้นผิวอนุภาคเหล็กออกไซด์ โดยพบว่าผงสีแดงเหล็กออกไซด์หุ้มซิลิกา-เซอร์คอนมีขนาดอนุภาคผงสีใหญ่กว่าผงสีแดงเหล็กออกไซด์หุ้มเซอร์คอน และมีแนวโน้มของขนาดอนุภาคผงสีใหญ่ขึ้นตามขนาดความหนาของชั้นเคลือบซิลิกาบนพื้นผิวอนุภาคเหล็กออกไซด์ที่เป็นแกนสี ซึ่งเป็นผลมาจากชั้นเคลือบซิลิกาสามารถทำหน้าที่เป็นชั้นบัฟเฟอร์ (buffer) ช่วยในการสังเคราะห์วัฏภาคเซอร์คอนได้มากขึ้น อย่างไรก็ตามคุณสมบัติการสะท้อนรังสีอินฟราเรดย่านใกล้ของผงสีแดงเหล็กออกไซด์หุ้มเซอร์คอนและผงสีแดงเหล็กออกไซด์หุ้มซิลิกา-เซอร์คอนแสดงค่า %R อยู่ในช่วง 61.5%-67.5% ซึ่งสูงกว่าผงเหล็กออกไซด์ทางการค้าประมาณสองเท่าเช่นเดียวกับผงสีแดงเหล็กออกไซด์หุ้มซิลิกา แต่ให้เฉดสีชมพูปะการัง (coral pink) เนื่องจากชั้นเคลือบเซอร์คอนเกิดการแทนที่ของไอออน Si³⁺ และ/หรือ Si⁴⁺ ด้วยไอออน Fe²⁺ และ/หรือ Fe³⁺ สำหรับผลการทดสอบความเสถียรต่อสภาวะกรดไฮโดรคลอริก (HCl) พบว่าชั้นเคลือบซิลิกาและชั้นเคลือบเซอร์คอนสามารถเพิ่มความเสถียรให้กับอนุภาคเหล็กออกไซด์ได้ โดยที่ชั้นเคลือบเซอร์คอนมีความเสถียรต่อสภาวะกรดมากกว่าชั้นเคลือบซิลิกา และจากผลการทดสอบความเสถียรของเนื้อสีภายใต้สภาวะรังสีอัลตราไวโอเลตและความชื้น พบว่ามีค่าความแตกต่างของสี (ΔE) ระหว่างก่อนและหลังทดสอบเล็กน้อยในช่วง 0.65-2.67 ผลที่ได้แสดงให้เห็นว่าผงสีแดงแต่ละแบบที่สังเคราะห์ภายในงานวิจัยเหมาะสมสำหรับนำไปประยุกต์ใช้เป็นสีทาตัวอาคารสะท้อนความร้อน

Abstract: The purpose of this research was to develop NIR-reflective inorganic core-shell red pigments. Fe₂O₃ was acted as a pigment core and encapsulated with a transparent SiO₂ and ZrSiO₄ shell layer via sol-gel process. The first part was to synthesize Fe₂O₃@SiO₂ pigments and studied the effect of CTAB surfactant at different concentration between 0-2 mM on structural formation and thickness of SiO₂ layer. The second part was to synthesize Fe₂O₃@ZrSiO₄ and Fe₂O₃@SiO2@ZrSiO₄ pigments and studied the influence of ZrSiO₄ layer on pigment color shade and NIR reflectivity. For the morphological analysis of Fe₂O₃@SiO₂ pigments, the results showed that the thickness of the SiO₂ layer on the Fe₂O₃ particle surface was increased from 8 to 62 nm with increasing the concentration of CTAB. After encapsulation, Fe₂O₃@SiO₂ pigments still had the red hue of hematite and the NIR reflectivity improved to 62.7%-65.3%, or twice that of the hematite, and the reflectivity did not depend on the thickness of the SiO₂ layer on the Fe₂O₃ particle surface. The morphology analysis of Fe₂O₃@ZrSiO₄ and Fe₂O₃@SiO₂@ZrSiO₄ pigments showed that Fe₂O₃ particles were agglomerated under ZrSiO₄ layer due to the formation of glassy phase of the ZrSiO₄ and/or SiO₂ layer on the Fe₂O₃ particle surface. The Fe₂O₃@SiO₂@ZrSiO₄ pigments were bigger than Fe₂O₃@ZrSiO₄ pigments, which the size tended to increase with the thickness of the SiO₂ coating layer on the Fe₂O₃ particle surface. This was because the SiO₂ coating layer could act as a buffer layer to increase the yield of ZrSiO₄ formation. The NIR reflection properties of both pigments showed %R in the range 61.5%-67.5%, and the pigments gave a shade of coral pink due to the substitution of Si3+ and/or Si4+ ion with Fe2+ and/or Fe3+ ion in ZrSiO₄ coating layer. The stability test under acid solution showed that SiO₂ and ZrSiO₄ layer could protect Fe₂O₃ particles from hydrochloric acid (HCl). Where ZrSiO₄ had resistance to HCl better than SiO₂. The stability test of the paint under UV and humidity conditions showed that the paint before and after testing had slight color difference (ΔE) in the range 0.65-2.67. These results showed that the Fe₂O₃@SiO₂ and Fe₂O₃@ZrSiO₄ pigments were suitable for use as cool pigments for coating applications

สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง. สำนักหอสมุดกลาง

Address: กรุงเทพมหานคร

Email: Lifelong@kmitl.ac.th

Name: ปานไพลิน สีหาราช

Role: อาจารย์ที่ปรึกษาวิทยานิพนธ์

Email : panpailin.se@kmitl.ac.th

Name: นราธิป วิทยากร

Role: อาจารย์ที่ปรึกษาวิทยานิพนธ์ร่วม

Email : naratip.vi@kmitl.ac.th

Created: 2564

Modified: 2564-12-06

Issued: 2564-12-06

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

tha

DegreeName: วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต

Level: ปริญญาโท

Descipline: เคมีประยุกต์

Grantor: สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง

©copyrights สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	Fulltext Piya Soranakom.pdf	6.2 MB	11	2025-01-21 13:41:09

ใช้เวลา

0.028144 วินาที