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研究生： 林莉婕
Lin, Li-Jie
論文名稱： 以中孔洞氧化矽空心球材料混合向列型液晶製備具有記憶效應之智慧玻璃窗
Realization of Smart Window with Memory Effect by Mixing Hollow Sphere Mesoporous Silica with Nematic Liquid Crystal
指導教授： 林弘萍
Lin, Hong-Ping
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 化學系
Department of Chemistry
論文出版年： 2017
畢業學年度： 105
語文別： 中文
論文頁數： 115
中文關鍵詞： 智慧型玻璃窗 、中孔洞氧化矽 、液晶5CB 、記憶效應
外文關鍵詞： Smart window, Mesoporous silica, 5CB liquid crystal, Memory effect
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    • 本研究使用環境友善、具生物可降解性之非離子型界面活性劑AEO作為模板及乳化劑，分別使用矽酸鈉及TEOS為氧化矽源，以一鍋化之軟模板法合成出微米大小之空心球型中孔洞氧化矽材料。為了可以合成球型完整且達到孔徑大小與結構之可調控性，在研究中嘗試四種不同親水鏈長度之AEO與兩種氧化矽源，並改變合成pH值、反應系統濃度與水熱、鍛燒、乙醇萃取等後處理方法，來探討對材料特性的改變以及應用於智慧玻璃窗之影響。並且也利用同樣具有生物可降解性之界面活性劑gelatin，經由硬模板法合成空心管狀之中孔洞氧化矽材料，同上述方法調控材料構型及孔洞性質，並比較應用於智慧玻璃之差異。
    合成出之空心球、空心管、實心球等不同構型之中孔洞氧化矽材料，其構型尺度分布寬達4–5個數量級，交錯聯通的空隙及孔洞適合均勻混合向列型液晶5CB，封裝成智慧玻璃窗。透過直接修飾疏水性官能基矽烷，降低表面作用力，使智慧玻璃窗在通入電場並移去後仍保有液晶分子整齊排列之記憶效應，保有透明之外觀，再透過簡單的按壓玻璃表面或加熱-冷卻之相變化使液晶重回混亂態，並達成節能型智慧玻璃窗之應用。同樣利用表面改性方法，將氧化矽材料在乙醇溶液中加熱迴流後將表面官能基取代為Si-OH，增加材料表面極性以及與液晶分子間的作用力，可製備出以電場控制亮暗之傳統開關型智慧玻璃窗。無論是節能記憶型或傳統開關型，皆有應用於綠色建材之潛力，運用電場調控玻璃窗之穿透度以減少冷、暖氣與照明之能耗。

    Existing liquid crystal smart windows require a continuous power supply to maintain a transparent state, and therefore incur a high power consumption. In this study, a practical energy-saving strategy is demonstrated by mixing 5CB nematic liquid crystal with hollow sphere mesoporous silica (HSMS) synthesized using a soft-templating method under pH=5.5–6.0 and then hydrophobically modified by chlorotrimethylsilane. The optical microscopy observations show that the hierarchical sphere structure divides the 5CB molecules into a large number of scattering regions, and therefore produces a dense opaque state. For example, 7.5 wt% HSMS addition results in an opaque state with a transmittance as low as 23%. However, given an applied voltage of 80 V, the 5CB molecules are almost perfectly aligned and a transparent state with a saturated transmittance of 100% is obtained. Notably, the weak anchoring force between the hydrophobically modified HSMS and the liquid crystal material resists the realignment of the 5CB molecules following the removal of the electrical field and results in a residual transmittance of over 90% for more than 2 hours. Overall, the results presented in this study show that the addition of HSMS material to 5CB liquid crystal enhances the memory effect and therefore makes possible the realization of smart windows with a reduced energy consumption.

    目錄 第一章、緒論 1 1.1 中孔洞材料 1 1.2 界面活性劑介紹 3 1.2.1 界面活性劑基本性質 3 1.2.2 界面活性劑分類 4 1.2.3 界面活性劑的行為 5 1.2.4 脂肪醇聚氧乙烯醚(Fatty Alcohol Ethoxylates)的簡介 6 1.2.5 明膠(gelatin)的簡介 7 1.3 氧化矽源介紹 8 1.3.1 矽酸鹽(Sodium silicate) 8 1.3.2 四乙氧基矽烷(TEOS) 10 1.4 空心狀材料的合成 12 1.5 表面修飾有機官能基 13 1.6 液晶基本介紹 15 1.6.1 液晶的光電性質 15 1.6.2 液晶顯示器的介紹 17 1.6.3 智慧型玻璃窗(Smart window)的介紹 18 第二章、實驗部分 19 2.1 化學藥品 19 2.2 中孔洞氧化矽材料的合成 20 2.2.1 以脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)為有機模板合成中孔洞氧化矽材料 21 2.2.2 合成空心球型中孔洞氧化矽材料 22 2.2.3 合成空心管狀中孔洞氧化矽材料 23 2.3 智慧型玻璃窗的製作 24 2.3.1 中孔洞氧化矽材料的疏水性修飾 24 2.3.2 製作智慧型玻璃窗 25 2.4 產物的鑑定 26 2.4.1 穿透式電子顯微鏡 (Transmission Electron Microscopy, TEM) 26 2.4.2 掃描式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscopy, SEM) 26 2.4.3 熱重分析儀 (Thermogravimetry Analysis, TGA) 27 2.4.4 氮氣等溫吸附/脫附測量 (N2 adsorption / desorption isotherm) 27 2.4.5 穿透率測量 32 2.4.6 全反射红外光谱法(Attenuated Total Reflectance, ATR) 33 2.4.7 光學顯微鏡(Optical Microscope) 33 第三章、合成中孔洞氧化矽材料 34 3.1 實驗設計 34 3.2 以脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)為模板合成中孔洞氧化矽材料 34 3.2.1 不同鏈長之AEO對產物的影響 35 3.2.2 改變反應系統pH值對產物的影響 36 3.2.3 水熱時間對產物的影響 40 3.2.4 去除模板之方法對產物的影響 41 3.2.5 改變氧化矽源對產物影響 43 3.3空心球型中孔洞氧化矽材料的製備與探討 47 3.3.1 不同氧化矽源對合成空心球型材料的影響 48 3.3.2 以軟模板法合成空心球之機構 49 3.3.3 反應時間對產物的影響 50 3.3.4 改變反應系統pH值對產物的影響 53 3.3.5 反應系統總水量對產物的影響 57 3.3.6 反應物比例對產物的影響 59 3.3.7 水熱時間對產物的影響 60 3.3.8 去除模板之方法對產物的影響 63 3.3.9 反應系統有鹽類存在對產物的影響 65 3.4 管狀中孔洞氧化矽材料的製備與探討 67 3.4.1 以明膠及奈米碳管為模板合成空心管狀氧化矽材料 67 3.4.2 反應物比例對產物的影響 68 3.4.3 活化時間及反應時間對產物的影響 71 3.4.4 不同水熱溫度及時間對產物的影響 72 3.4.5 以不同界面活性劑做為表面活化劑對產物的影響 77 第四章、中孔洞氧化矽材料混和液晶應用於智慧型玻璃窗 79 4.1 實驗設計 79 4.2 以氧化矽空心球材料做為添加材探討智慧型玻璃窗之記憶效應 80 4.2.1 材料表面疏水性修飾的必要性 83 4.2.2 添加材比例的影響 86 4.2.3 空心球球徑大小的影響 88 4.2.4 修飾方法的影響 91 4.2.5 空心球孔洞大小的影響 96 4.2.6 不同氧化矽源合成出之空心球產物的影響 99 4.2.7 鹽類殘留的影響 101 4.2.8 混合液晶改用E7之結果探討 103 4.3 探討不同構型之中孔洞氧化矽添加材產生的記憶效應 105 4.4 記憶效應之應用前景 108 第五章、結論 111 參考文獻 113

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