CN108274854B - 有色智慧型玻璃 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种有色智慧型玻璃,其包含一对透明基板、一组间隔组件,及有色温感性水凝胶组成物。该对透明基板彼此相向且间隔设置以共同形成间隙。该组间隔组件夹置于该对透明基板所形成的该间隙之间,以与该对透明基板共同定义出填置空间并封闭该填置空间。该有色温感性水凝胶组成物填充于该填置空间中,并含有水、水凝胶、染料,及氧化石墨烯。在本发明中,该水凝胶经反应而化学键合于该氧化石墨烯,且该染料吸附在氧化石墨烯上。该有色智慧型玻璃可在调光节能的前提下,也能呈现出色彩变化以美化建筑物的外观。

Description

有色智慧型玻璃
【技术领域】
本发明于涉及一种智慧型玻璃(smart window),特别是涉及一种有色智慧型玻璃(smart color window)。
【背景技术】
基于呈亲水性(hydrophilic)的水凝胶(hydrogel)易通过水当媒介以分散于水中,且在足够的温度下或经照光后可因前述足够温度而产生相变化以自透光态转变成混浊态。因此,水凝胶已广泛地应用于智慧玻璃相关技术领域,用于达成调节日光的功效。
第CN 101608021 B授权公告号发明专利案(以下称前案1)公开一种N-异丙基丙烯酰胺(N-isopropyl acrylamide;以下简称NIPAM)类聚合物/聚乙烯醇(PVA)复合水凝胶的制备方法及其产品。前案1的制备方法是先将0.5重量%至1.5重量%之间的NIPAM水溶液与5重量%至20重量%之间的PVA水溶液以重量比为0.5~1.5:1的关系均匀混合成混合溶液后,再缓慢地于该混合溶液中加入相当于该混合溶液的1重量%至5重量%之间的交联剂并均匀搅拌且静置8小时至24小时,从而制得N-异丙基丙烯酰胺类聚合物/聚乙烯醇复合水凝胶。此外,依前案1的制备方法所制得的N-异丙基丙烯酰胺类聚合物/聚乙烯醇复合水凝胶,可被应用于智能调光节能玻璃,以在夏季温度较高的环境下遮阳隔热并降低室内温度从而减少致冷的能耗,并在冬季温度较低时于保持室内充足采光的条件下减少采暖的能耗。前案1所公开的N-异丙基丙烯酰胺类聚合物/聚乙烯醇复合水凝胶虽然可应用于智能调光节能玻璃;但是,前案1的复合水凝胶却无法呈现出色彩变化以美化建筑物的外观。
整合上述说明,在达到调光节能的前提下也使智慧型玻璃能呈现出色彩变化以美化建筑物的外观,是此技术领域的相关技术人员所待研究的课题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种能在调光节能的前提下提供色彩变化以美化建筑物外观的有色智慧型玻璃。
本发明的有色智慧型玻璃,包含一对透明基板、一组间隔组件,及有色温感性水凝胶组成物。该对透明基板彼此相向且间隔设置以共同形成间隙。该组间隔组件夹置于该对透明基板所形成的该间隙之间,以与该对透明基板共同定义出填置空间并封闭该填置空间。该有色温感性水凝胶组成物填充于该填置空间中,并含有水、水凝胶、染料(pigment),及氧化石墨烯(graphene oxide)。在本发明中,该水凝胶经反应而化学键合于该氧化石墨烯,且该染料吸附在氧化石墨烯上。
本发明的有色智慧型玻璃,该染料是带有苯环(benzene ring)的水溶性有色有机溶剂。
本发明的有色智慧型玻璃,该带有苯环的水溶性有色有机溶剂选自下列所构成的群组:溴甲酚绿(bromocresol green;化学结构式为C21H14Br4O5S)、刚果红(congo red;化学结构式为C32H22N6Na2O6S2)、亚甲基蓝(methylene blue;化学结构式为C16H18ClN3S),及前述带有苯环的水溶性有色有机溶剂的组合。
本发明的有色智慧型玻璃,该水凝胶是聚异丙基丙烯酰胺[poly(N-isoproplyacrylamide);以下简称PNIPAM]。
本发明的有色智慧型玻璃,吸附于该氧化石墨烯上的该染料是依序经混合水与氧化石墨烯以形成均匀分散有氧化石墨烯的第一水溶液,且于该第一水溶液中均匀混入足够量的染料以形成第二水溶液并令氧化石墨烯吸附达饱和量的染料后,反复地经水洗涤与离心收集以去除未吸附于氧化石墨烯的染料后所制得,并从而收集到吸附有染料的氧化石墨烯,以定义出该染料于该有色温感性水凝胶组成物中的含量。
本发明的有色智慧型玻璃,以重量百分比计,该水凝胶于该有色温感性水凝胶组成物中的含量介于6重量%至15重量%之间;该吸附有染料的氧化石墨烯于该有色温感性水凝胶组成物中的含量介于0.01重量%至1重量%之间。
本发明的有色智慧型玻璃,以重量百分比计,该水凝胶于该有色温感性水凝胶组成物中的含量介于6重量%至7重量%之间;该吸附有染料的氧化石墨烯于该有色温感性水凝胶组成物中的含量介于0.01重量%至0.2重量%之间。
本发明的有益效果在于:该有色智慧型玻璃可在调光节能的前提下,也能呈现出色彩变化以美化建筑物的外观。
【附图说明】
图1是方块流程图,说明本发明有色智慧型玻璃的实施例的有色温感性水凝胶组成物的制作流程;
图2是温度对时间关系图,说明本发明根据图1的第一混合步骤所得的第一水溶液的空白例0至4(BE0、BE1、BE2、BE3、BE4)的温度对时间的变化;
图3是彩色影像图,说明本发明根据图1的制作流程所制得的有色温感性水凝胶组成物的前置例2(PE2)与经比较例(CE)所制得的有色温感性水凝胶组成物于相转换前的态样;
图4是彩色影像图,说明显示于图3的前置例2(PE2)与比较例(CE)于相转换后的态样;
图5是元件制作流程图,说明本发明该实施例的有色智慧型玻璃的制作流程;
图6是由图5的直线VI-VI所取得的剖面图;
图7是彩色影像图,说明本发明根据图5的制作流程所制得的有色智慧型玻璃的比较例1(CE1)、具体例1至3(E1、E2、E3),与比较例2(CE2)于相转换前的态样;
图8是彩色影像图,说明显示于图7的该比较例1(CE1)、所述具体例(E1、E2、E3),与该比较例2(CE2)于相转换后的态样;
图9是彩色影像图,说明本发明根据图5的制作流程所制得的有色智慧型玻璃的具体例4(E4)于相转换前的态样;
图10是彩色影像图,说明显示于图9的该具体例4(E4)于相转换后的态样。
【具体实施方式】
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明:
<发明详细说明>
参阅图6,本发明有色智慧型玻璃的实施例,包含一对透明基板2、一组间隔组件3,及有色温感性水凝胶组成物4。该对透明基板2彼此相向且间隔设置以共同形成间隙20。该组间隔组件3夹置于该对透明基板2所形成的该间隙20之间,以与该对透明基板2共同定义出填置空间200并封闭该填置空间200。该有色温感性水凝胶组成物4填充于该填置空间200中,并含有水、水凝胶、染料,及氧化石墨烯。在本发明中,该水凝胶经聚合反应(polymerized reaction)而化学键合于该氧化石墨烯,且该染料吸附在氧化石墨烯(GO)上。此处需补充说明的是,该对透明基板2并不限于平板状的外观,其也可以是呈曲面的外观,只要是令该对透明基板2面对面地相向设置以定义出该间隙20,皆可以实施。在本发明该实施例中,各透明基板2以呈平板状的玻璃板为例做说明。
适用于本发明该实施例的该染料是带有苯环的水溶性有色有机溶剂,且该水凝胶是聚异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)。较佳地,该带有苯环的水溶性有色有机溶剂选自下列所构成的群组:溴甲酚绿(C21H14Br4O5S)、刚果红(C32H22N6Na2O6S2)、亚甲基蓝(C16H18ClN3S),及前述带有苯环的水溶性有色有机溶剂的组合。
较佳地,吸附于该氧化石墨烯上的该染料是依序经混合水与氧化石墨烯以形成均匀分散有氧化石墨烯的第一水溶液,且于该第一水溶液中均匀混入足够量的染料以形成第二水溶液并令氧化石墨烯吸附达饱和量的染料后,反复地经水洗涤与离心收集(centrifugal and collection)以去除未吸附于氧化石墨烯的染料后所制得,并从而收集到吸附有染料的氧化石墨烯,以定义出该染料于该有色温感性水凝胶组成物中的含量。更佳地,以重量百分比计,该水凝胶于该有色温感性水凝胶组成物中的含量介于6重量%至15重量%之间;该吸附有染料的氧化石墨烯(以下称有色GO)于该有色温感性水凝胶组成物中的含量介于0.01重量%至1重量%之间。又更佳地,该水凝胶于该有色温感性水凝胶组成物中的含量介于6重量%至7重量%之间;该吸附有染料的氧化石墨烯(有色GO)于该有色温感性水凝胶组成物中的含量介于0.01重量%至0.2重量%之间。
此处需特别补充说明的是,上述吸附有染料的氧化石墨烯(该有色GO)于该有色温感性水凝胶组成物中的含量,一方面是决定于最终所具体选用的染料,另一方面也决定于建筑物外观所欲呈现出来的视觉效果。更详细地说,当所选用的染料极易于吸附在氧化石墨烯时(如,亚甲基蓝),为避免氧化石墨烯因吸附过量的染料而影响有色智慧型玻璃的整体穿透率(transparency),则需降低该吸附有染料的氧化石墨烯(该有色GO)于该有色温感性水凝胶组成物中的含量,以提升有色智慧型玻璃的整体穿透率。此外,当建筑物外观所欲呈现出来的视觉需求性是穿透率偏低的视觉效果时,则需令该吸附有染料的氧化石墨烯(该有色GO)于该有色温感性水凝胶组成物中的含量增加,以借此减少色智慧型玻璃的整体穿透率。
在本发明该实施例中,该对透明基板2分别是玻璃基板;该间隔组件3由聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane;以下简称PDMS)所构成;该有色感温性水凝胶组成物4中的水与氧化石墨烯(以下简称GO)分别是去离子水(DI water)与经Hummers法所制得的GO。
详细地来说,本发明该实施例的有色感温性水凝胶组成物4根据图1所示的制作流程制得。如图1所示,其依序包括第一混合步骤41、第二混合步骤42、反复洗涤及离心收集步骤43、第三混合步骤44、添加步骤45,及聚合反应步骤46。
该第一混合步骤41是均匀混合去离子水与氧化石墨烯(GO)并予以超声破碎(ultrasonication),以形成均匀分散有氧化石墨烯(GO)的第一水溶液。
该第二混合步骤42是于该第一水溶液中均匀混入足够量的染料(如,C21H14Br4O5S、C32H22N6Na2O6S2,或C16H18ClN3S等带有苯环的水溶性有色有机溶剂),并于常温下搅拌1小时使GO吸附近饱和量的水溶性有色有机溶剂以形成第二水溶液。
该反复洗涤及离心收集步骤43是使该第二水溶液反复地经去离子水洗涤与离心收集,以去除未吸附于GO上的水溶性有色有机溶剂并收集吸附有染料的氧化石墨烯(以下称有色GO)。
该第三混合步骤44是均匀混合去离子水与吸附有染料的氧化石墨烯(有色GO)以形成第三水溶液。在本发明该实施例的第三溶液中,吸附有染料的氧化石墨烯(有色GO)的第三水溶液被分成前置例1(PE1)、前置例2(PE2)、前置例3(PE3)及前置例4(PE4),且该PE1、该PE2、该PE3与该PE4等有色GO于各自所对应的该第三水溶液中的含量,分别是0.01重量%、0.05重量%、0.1重量%与0.2重量%。
该添加步骤45是于体积各为10ml的该PE1、该PE2、该PE3与该PE4的第三溶液中,分别添加675mg的NIPAM单体与作为自由基起始剂(radical initiator)且重量为6.5mg的过硫酸钾(potassium persulfate,化学结构式为K2S2O8,以下简称KPS),并于常温下搅拌15分钟且同时引入流量为30sccm的氮气(N2)以除氧并抑制自由基的干扰,从而形成第四水溶液。
该聚合反应步骤46是于该PE1、该PE2、该PE3与该PE4的第四溶液中分别注入浓度为3%且体积为100μl的亚硫酸钠(以下称Na2SO3),以产生聚合反应使NIPAM经聚合反应后成为聚异丙基丙烯酰胺(PNIPAM),并制得该PE1、该PE2、该PE3与该PE4的有色温感性水凝胶组成物4。
此处需补充说明的是,发明人同时根据上述有色温感水凝胶组成物4的制作流程中的该第一混合步骤41制备出空白例0(BE0)、空白例1(BE1)、空白例2(BE2)、空白例3(BE3),及空白例4(BE4);其中,所述空白例(BE0~BE4)的第一水溶液中的氧化石墨烯(GO)含量分别是0重量%、0.01重量%、0.05重量%、0.1重量%与0.2重量%。
由图2显示可知,该空白例0(BE0)的第一水溶液在未含有氧化石墨烯(GO)的条件下,其经照光10分钟后所产生的温度对时间曲线的变化量并不大。相较于所述空白例(BE1~BE4),随着该第一溶液中的GO含量提升,其经照光10分钟后所产生的温度对时间曲线的变化量明显相对该空白例0(BE0)增加许多。初步证实,氧化石墨烯(GO)是做为光热转换用的有益介质。
此处需进一步要说明的是,为比较本发明所述前置例(PE1~PE4)的有色温感性水凝胶组成物4可令水溶性有色有机溶剂均匀吸附于氧化石墨烯(GO)上,以在升温至其PNIPAM的低临界溶解温度(lower critical solution temperature;以下称LCST)并产生相转换后,不影响水溶性有色有机溶剂于PNIPAM中的分布,发明人进一步地以该前置例2(PE2)的有色温感性水凝胶组成物4与含有染料且未含有氧化石墨烯(GO)的比较例(CE)进行比较。由图3显示可知,该前置例2(PE2)与该比较例(CE)的有色温感性水凝胶组成物在相转换前,染料(水溶性有色有机溶剂)可对PNIPAM进行染色。然而,由图4显示可知,该比较例(CE)的有色温感性水凝胶组成物在相转换后却发生分层的现象,反而是本发明该前置例2(PE2)的有色温感性水凝胶组成物4在相转换后并未出现有分层的现象。
该比较例(CE)上述分层的现象其主要原因在于,当温度低于相转换温度时,亲水的-NH2官能基倾向于与周边水域产生交互作用形成分子间的氢键(intermolecularhydrogen bond),此时水溶性有色有机溶剂可以有效地借此机会渗入PNIPAM内部形成对PNIPAM的染色作用。一旦温度升高至相转换温度后,疏水的异丙基官能基团(异丙基-甲基,isopropyl-methyl)将取代-NH2,以改由分子内的氢键(intramolecular hydrogen bond)来主导。因此,水溶性有色有机溶剂无法与疏水端的异丙基有效地共存,此时随着水分的释放,部分的水溶性有色有机溶剂也会随着水分一起被带离PNIPAM,因而产生分层的现象。
相反地,本发明该前置例2(PE2)的染料吸附于氧化石墨烯(GO)表面,且PNIPAM又经聚合反应化学键合于氧化石墨烯(GO),因而使得该前置例2(PE2)的有色温感性水凝胶组成物4中的染料(水溶性有色有机溶剂)不会随着相转换而与PNIPAM发生分层的问题。此外,由图4中所显示的前置例2(PE2)也可以观察到,当温度超过LCST而发生相转换现象,其由原本的暗蓝色(见图3)转为趋近透明(见图4),同时PNIPAM本身的体积也会收缩;因此,水分也会借此机会被排出,且其所排出的水分为澄清的透明色。相较图4中的该比较例(CE),其在超过LCST而发生相转换后,所排出的水分为蓝色,证实本发明中的有色温感性水凝胶组成物4能有效地避免在相转换时所引致的染料与PINPAM的分离现象。
根据上两段的分析说明可知,本申请使氧化石墨烯(GO)在聚合反应后化学键合于PNIPAM,且在聚合反应前先令染料吸附于氧化石墨烯上,而非吸附于PNIPAM上。此处要说明的是,染料与氧化石墨烯(GO)之间的接合途径除了既有的氢键以外,氧化石墨烯(GO)上具有大量的带负电且能与染料间产生静电交互作用力(electrostatic interaction)的官能基,且带有苯环的水溶性有色有机溶剂也能与氧化石墨烯(GO)上的六角环密切贴合。因此,本发明有色温感性水凝胶组成物4不易因相转换而发生退色的问题。
本发明该实施例的有色智慧型玻璃是根据图5所示的制作流程的制作例来实施。首先,以PDMS于该对透明基板2的表面分别形成各自所对应且各自带有缺口310的方框型间隔件31,并令该对透明基板2的表面相向且呈实质平行地间隔设置,以使所述方框型间隔件31的缺口310朝同向设置,并于该对透明基板2之间共同形成该间隙20。后续,以PDMS于该间隙20处形成用于上下接合所述方框型间隔件31的接合间隔件32,使该对透明基板2与所述间隔件31、32共同定义出与所述缺口310相通的该填置空间200。进一步地,利用填充有该前置例2(PE2)的有色温感性水凝胶组成物4(也就是,有色GO含量为0.05重量%)的针筒5,自所述缺口310处注入该有色温感性水凝胶组成物4至该填置空间200中。最后,以PDMS封闭所述缺口310与该填置空间200,从而制得本发明该实施例的有色智慧型玻璃(如图6所示)。
<具体例1(E1)>
本发明有色智慧型玻璃的具体例1(E1)根据上述制作例(见图5)制得,且在本发明该具体例1(E1)中,该带有苯环的水溶性有色有机溶剂是亚甲基蓝(C16H18ClN3S),且该对透明基板2中的其中一个透明基板2上,预先形成有预定图案。
<具体例2(E2)>
本发明有色智慧型玻璃的具体例2(E2)大致上相同于该具体例1(E1),其不同处是在于,在本发明该具体例2(E2)中,该带有苯环的水溶性有色有机溶剂是溴甲酚绿(C21H14Br4O5S)。
<具体例3(E3)>
本发明有色智慧型玻璃的具体例3(E3)大致上相同于该具体例1(E1),其不同处是在于,在本发明该具体例3(E3)中,该带有苯环的水溶性有色有机溶剂是刚果红(C32H22N6Na2O6S2)。
<比较例1(CE1)>
本发明有色智慧型玻璃的比较例1(CE1)大致上相同于该具体例1(E1),其不同处是在于,该比较例1(CE1)的有色温感性水凝胶组成物中未含有染料与氧化石墨烯(GO)。
<比较例2(CE2)>
本发明有色智慧型玻璃的比较例2(CE2)大致上相同于该具体例1(E1),其不同处是在于,该比较例2(CE2)的有色温感性水凝胶组成物中未含有染料。
<具体例4(E4)>
本发明有色智慧型玻璃的具体例4(E4)大致上相同于该具体例1(E1),其不同处是在于,在本发明该具体例4(E4)中,该有色温感性水凝胶组成物使用该前置例1(PE1)。换句话说,该具体例4(E4)的该吸附有染料的氧化石墨烯(该有色GO)于该有色温感性水凝胶组成物中的含量是0.01重量%。
参阅图7,所述比较例(CE1~CE2)与所述具体例(E1~E3)在照光前,皆可显示出各自所对应的预定图案,所述比较例(CE1~CE2)与所述具体例(E1~E3)之间的差异在于,所述具体例(E1~E3)更分别显示出蓝、绿、红三种底色的半透明色彩,可令智慧型玻璃呈现出色彩变化以美化建筑物的外观。此外,由图7显示也明显可见,该具体例1(E1)内所呈现的预定图案的对比色相对所述具体例(E2~E3)来得较为不明显,其原因在于,亚甲基蓝是极易于吸附在氧化石墨烯上的染料,以致于在相同有色GO含量(0.05重量%)下所呈现出来的对比色也有所差异。
参阅图8,该比较例(CE1~CE2)经25℃环境下照射日光5分钟后,虽然可令其PNIPAM自透明转变成混浊态,以阻隔光源并调光节能,但是由图8的显示明显可以看出,所述比较例(CE1~CE2)所呈现出来的颜色较为单调且无变化。相反地,所述具体例(E1~E3)经25℃环境下照射日光5分钟后(见图8),不只可以令其PNIPAM自半透明色彩的态样转变成混浊态,还可以呈现出不透光的蓝、绿、红等三种颜色,以令本发明所述具体例(E1~E3)除了可以阻隔光源以达调光节能的功效外,还能美化建筑物的外观。
参阅图9,该具体例4(E4)在照光前,除了因该有色GO含量的下降而可显示出其预定图案外,也能显示出浅蓝色的半透明色彩,可令智慧型玻璃呈现出色彩变化以美化建筑物的外观。进一步参阅图10,该具体例4(E4)经25℃环境下照射日光5分钟后,不只可以令其PNIPAM自半透明色彩的态样转变成混浊态,还可以呈现出不透光的浅蓝色以令本发明该具体例4(E4)除了可以阻隔光源以达调光节能的功效外,还能美化建筑物的外观。
此处要进一步说明的是,根据上述分析数据的说明可知,该吸附有染料的氧化石墨烯(该有色GO)于该有色温感性水凝胶组成物中的含量,一方面是视其于最终所具体选用的染料而定,另一方面也取决于建筑物外观所欲呈现出来的视觉效果。因此,本申请于前述发明详细说明内所提及的该吸附有染料的氧化石墨烯(该有色GO)于该有色温感性水凝胶组成物中的含量范围,只为本发明的实施例而已,并不能以前述范围为限。
综上所述,本发明有色智慧型玻璃在达到调光节能的前提下,也能呈现出色彩变化以美化建筑物的外观,所以确实能达成本发明的目的。
以上所述,只为本发明的实施例而已,不能以此限定本发明实施的范围,凡是依本发明权利要求及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰,皆仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (7)

1.一种有色智慧型玻璃,包含:一对透明基板、一组间隔组件,及温感性水凝胶组成物;其中该对透明基板彼此相向且间隔设置,以共同形成间隙,该组间隔组件夹置于该对透明基板所形成的该间隙间,以与该对透明基板共同定义出填置空间并封闭该填置空间,且该温感性水凝胶组成物填充于该填置空间中,其特征在于,该温感性水凝胶组成物是有色温感性水凝胶组成物,并含有水、水凝胶、染料,及氧化石墨烯,且该水凝胶经反应而化学键合于该氧化石墨烯,且该染料吸附在氧化石墨烯上。
2.根据权利要求1所述的有色智慧型玻璃,其特征在于,该染料是带有苯环的水溶性有色有机溶剂。
3.根据权利要求2所述的有色智慧型玻璃,其特征在于,该带有苯环的水溶性有色有机溶剂选自下列所构成的群组:溴甲酚绿、刚果红、亚甲基蓝,及前述带有苯环的水溶性有色有机溶剂的组合。
4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的有色智慧型玻璃,其特征在于,该水凝胶是聚异丙基丙烯酰胺。
5.根据权利要求4所述的有色智慧型玻璃,其特征在于,吸附于该氧化石墨烯上的该染料是依序经混合水与氧化石墨烯以形成均匀分散有氧化石墨烯的第一水溶液,且于该第一水溶液中均匀混入足够量的染料以形成第二水溶液并令氧化石墨烯吸附达饱和量的染料后,反复地经水洗涤与离心收集以去除未吸附于氧化石墨烯的染料后所制得,并从而收集到吸附有染料的氧化石墨烯,以定义出该染料于该有色温感性水凝胶组成物中的含量。
6.根据权利要求5所述的有色智慧型玻璃,其特征在于,以重量百分比计,该水凝胶于该有色温感性水凝胶组成物中的含量介于6重量%至15重量%之间;该吸附有染料的氧化石墨烯于该有色温感性水凝胶组成物中的含量介于0.01重量%至1重量%之间。
7.根据权利要求6所述的有色智慧型玻璃,其特征在于,以重量百分比计,该水凝胶于该有色温感性水凝胶组成物中的含量介于6重量%至7重量%之间;该吸附有染料的氧化石墨烯于该有色温感性水凝胶组成物中的含量介于0.01重量%至0.2重量%之间。
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