TW201522475A - 熱敏性複合材及其用途與使用該熱敏性複合材之製冷裝置 - Google Patents

熱敏性複合材及其用途與使用該熱敏性複合材之製冷裝置 Download PDF

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Abstract

本揭露係提供一種熱敏性複合材，係包括中孔洞粒子；以及熱敏性聚合物係填充於該中孔洞粒子之中孔洞，且該熱敏性聚合物具有隨溫度升高親水性下降的特性。本揭露復提供該熱敏性複合材之用途及使用該熱敏性複合材之製冷裝置。

Description

熱敏性複合材及其用途與使用該熱敏性複合材之製冷裝置
本揭露係關於一種熱敏性複合材，更具體而言，本揭露係關於該熱敏性複合材之用途及使用該熱敏性複合材之製冷裝置。
利用太陽熱能或工業餘熱、廢熱回收來驅動製冷空調系統，提供工業冷卻與空調需求，將有助於提高整體能源使用效率，更是發展再生能源空調系統最重要的技術項目之一，同時政策配合民間推動冷熱電三生系統應用，提高整體能源使用效率，對國家整體的節能減碳將有極大的效益。
然而，傳統上常用的再生能源驅動之吸收式製冷裝置，由於使用化學液體反應使得管路容易結晶與腐蝕，造成機台壽命短暫且需要經常檢查維護因而人力成本提升等問題，以及需要高溫做為再生熱能，對於發展節能減碳之效益已明顯降低。
是以，發展低溫再生能源驅動吸附式空調系統，降低再升溫度及再生能耗為急迫需要解決的問題，現今所能使用的吸附材料，通常高水氣吸附量皆為親水性吸附材，然而，因為表面為親水性，所以水汽脫附需要更高溫度或能量。因此，高吸附量與低脫附再升溫度，通常難以兼顧。
因此，亟需開發智慧溫敏性吸附材料，利用改質吸附劑孔洞內部，於低溫吸附水分子後，當溫度高於溫敏材料分子結構轉變溫度時，該塗層將由親水性轉為疏水性，水分子與吸附劑吸附鍵結能量變弱，可降低再生溫度，增加脫附效率，藉以符合產業的需求。
本揭露提供一種熱敏性複合材，其可用於吸附式製冷裝置，以符合產業利用的需求。
本揭露之熱敏性複合材包括中孔洞粒子，係具有複數中孔洞；以及熱敏性聚合物，其係填充於該中孔洞粒子之中孔洞，且該熱敏性聚合物具有隨溫度升高親水性下降的特性。
於本揭露之一具體實施例中，進一步提供熱敏性複合材於吸附式製冷劑的用途。
本揭露復提供一種吸附式製冷裝置，其係使用熱敏性複合材。
於一具體實施例中，該吸附式製冷裝置，係包括：真空腔體，係用以填充冷媒；吸附床，係設於該真空腔體中，且該吸附床內填充有上述之熱敏性複合材，俾吸收或脫附 該冷煤；冷凝器，係設於該真空腔體中，用以凝結來自該熱敏性複合材脫附之冷媒；以及蒸發器，係設於該真空腔體中且該蒸發器具有該冷媒，俾用以蒸發該冷煤。
10‧‧‧真空腔體
101‧‧‧第一腔室
101a‧‧‧第一吸附床
102‧‧‧第二腔室
102a‧‧‧第二吸附床
103‧‧‧切換器
104‧‧‧冷凝器
105‧‧‧蒸發器
106‧‧‧第一管路
107‧‧‧第二管路
108‧‧‧冷/熱水器
20‧‧‧熱敏性複合材
第1圖係顯示吸附式製冷裝置之示意圖；第2圖係顯示矽膠(5mm)披覆不同重量高分子比例(PNIPAAm)之結果照片；第3圖係顯示未改質矽膠之熱重損失分析曲線；第4圖係顯示不同PNIPAAm覆載比例下矽膠吸附劑於不同溫度(40、100及160℃)下之水氣脫附行為；(a)未改質；(b)矽膠/PNIPAAm覆載比例(1：0.2)；(c)矽膠/PNIPAAm覆載比例(1：0.5)；(d)矽膠/PNIPAAm覆載比例(1：1)；第5圖係顯示矽膠在不同覆載比例下各溫度下水氣脫附比例；以及第6圖係顯示不同覆載比例矽膠吸附劑於40℃、100℃與160℃下實際脫附水氣率。
以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。
本揭露提供一種中孔洞粒子，係具有複數中孔洞，其中，該中孔洞粒子之孔徑介於2nm至50nm，以及該中孔洞粒子之比表面積係介於521m2/g至553m2/g。
於一具體實施例中，該中孔洞粒子，並無特別限制。 中孔洞粒子的實例包括，但不限於：矽膠、活性氧化鋁、矽分子篩、沸石所組成之群組之至少一者。
本揭露復提供一種熱敏性聚合物，其係填充於該中孔洞粒子之中孔洞，且該熱敏性聚合物具有隨溫度升高親水性下降的特性，其中，該熱敏性聚合物之結構係如式(I)，且並無特別限制。如式(I)： ，其中n為50至70之整數，重量平均分子量範圍係5650至7900。
於一具體實施例中，該熱敏性聚合物復包括PMEO2MA-b-PMEO3MA及PEG-b-PADMO之任選一者。
於另一態樣中，本揭露提供一種熱敏性複合材，係包括中孔洞粒子，係具有複數中孔洞；以及熱敏性聚合物，其係填充於該中孔洞粒子之中孔洞，且該熱敏性聚合物具有隨溫度升高親水性下降的特性。
於該熱敏性複合材之一具體實施例中，該中孔洞粒子之孔徑介於2nm至50nm，以及該中孔洞粒子之比表面積係介於521m2/g至553m2/g。
於一具體實施例中，該中孔洞粒子，並無特別限制。中孔洞粒子的實例包括，但不限於：矽膠、活性氧化鋁、矽分子篩、沸石所組成之群組之至少一者。
於另一具體實施例中，該熱敏性聚合物，係填充於該中孔洞粒子之中孔洞，且該熱敏性聚合物具有隨溫度升高親水性下降的特性，其中，該熱敏性聚合物，並無特別限制。
於一具體實施例中，該熱敏性聚合物具有式(I)： ，其中n為50至70之整數，重量平均分子量範圍係5650至7900。
於一具體實施例中，該熱敏性聚合物復包括PMEO2MA-b-PMEO3MA及PEG-b-PADMO之任選一者。
於一具體實施例中，該中孔洞粒子與該熱敏性聚合物之重量比為1：0.1至1：1。
根據上述熱敏性複合材，本揭露提供該熱敏性複合材於吸附式製冷劑的用途。
本揭露復提供一種吸附式製冷裝置，其係使用熱敏性複合材。於一具體實施例中，該吸附式製冷裝置，係包括：真空腔體，係用以填充冷媒；吸附床，係設於該真空腔體中，且該吸附床內填充有上述之熱敏性複合材，俾吸收或脫附該冷煤；冷凝器，係設於該真空腔體中，用以凝結來自該熱敏性複合材脫附之冷媒；以及蒸發器，係設於該真空腔體中且該蒸發器具有該冷媒，俾用以蒸發該冷煤。
又，如第1圖所示，該吸附式製冷裝置之真空腔體10具有第一腔室101及第二腔室102，且該真空腔體10內填充有冷媒。
於具體實施例中，第一吸附床101a係設於該第一腔室101中，且該第一吸附床101a內填充所述之熱敏性複合材20，俾吸收或脫附該冷煤；第二吸附床102a係設於該第二腔室102中，且該第二吸附床102a內填充有所述之熱敏性複合材20，俾吸附或脫附該冷煤。
此外，該真空腔體10復包括：切換器103，俾使該冷煤饋入該第一腔室101及該第二腔室102之一者，其中，未饋入有該冷煤之腔室中的吸附床則脫附該冷煤；冷凝器104，係設於該真空腔體10中，且與該第一腔室101及該第二腔室102連通，以凝結來自該熱敏性複合材20脫附之冷媒；以及蒸發器105，係設於該真空腔體10中，與該第一腔室101及該第二腔室102連通，且該蒸發器105具有該冷媒，俾用以蒸發該冷煤。
於一具體實施例中，該第一腔室101連接有第一管路106，且該第二腔室102連接有第二管路107。
根據本發明一具體實施例，將欲冷卻水經由該蒸發器105內之冷媒吸收熱能予以製冷，而該冷媒吸收熱能後蒸發，藉由切換器103控制該冷媒蒸氣通至該第一腔室101及該第二腔室102之一者，俾使該第一吸附床101a及該第二吸附床102a之一者上之該熱敏性複合材20吸附該冷煤蒸氣，而未饋入有該冷煤之腔室中的吸附床則藉由冷/熱 水器108排出熱水，經由第一管路106及第二管路107之一者流至未饋入有該冷煤之腔室予以脫附該冷媒，使該冷煤通至該冷凝器104凝結成液體，該冷煤可再循環使用。
實施例 實施例1 熱敏性複合材之製備
首先，選定5mm顆粒大小矽膠(silica gel)做為合成改質吸附劑材料，取0.15克(g)的矽膠吸附劑，並以真空系統下，120℃活化6小時，以確保矽膠材料具有高活性與孔隙乾燥，利用熱敏性單體、交聯劑及起始劑以1：0.016：0.022(g/g)比例，溶解於3毫升(ml)丙酮中，再將此單體/矽膠溶液以0.2、0.5、1.0(g/g)比例注射於活化後矽膠反應瓶中，密封並置於暗室0℃，同時攪拌12小時，以達到完全含浸之目的。完成後利用抽氣過濾裝置以3ml蒸餾水洗除吸附劑外表面殘留之單體與溶液，開始進行聚合反應，反應條件於氮氣環境下60℃進行12小時聚合。再以丙酮去除未聚合之殘留溶液，最後以真空烘箱於40℃調理12小時即可獲得熱敏性複合材1。
熱敏性複合材2跟熱敏性複合材3分別以上述熱敏性複合材1之方式製備，其中，熱敏性聚合物之組成如表1：
PNIPAAm：聚N-異丙基丙烯醯胺
PMEO2MA-b-PMEO3MA：聚二(乙二醇)甲基醚甲基丙烯酸酯-b-聚三(乙二醇)甲基醚甲基丙烯酸酯
PEG-b-PADMO：聚乙二醇-b-聚-N-丙烯醯基-2,2-二甲基-1,3-噁唑烷
AIBN：偶氮二異丁腈
實施例2 熱敏性複合材之特性試驗 測試1
第2圖為矽膠(5mm)披覆不同重量高分子比例之結果照片，由照片顯示當完成熱敏性高分子材料覆載於矽膠表面孔洞後，其顏色為略顯偏淡黃色，未改質者則呈現透明無色。利用表面分析孔洞儀(BET)，探討矽膠(5mm)披覆不同重量熱敏性複合材1比例，隨著矽膠/熱敏性複合材1覆載比例由1：0、1：0.2、1：0.5至1：1時，比表面積與孔體積的變化結果如表2所示：
由表2可知，熱敏性複合材1確實填充於矽膠之中孔洞，但其表面積及孔體積仍可維持未改質矽膠之75%以上。
測試2
為了確定溫敏型(PNIPAAm)材料是否確實合成架接於吸附孔洞材料上，利用紅外線光譜儀(FT-IR)量測吸附劑材料之吸收光譜圖，其測試結果隨著熱敏性複合材1覆載量增加，1648cm-1羰基(C=O)的吸收光譜強度增強，以1：1比例最高，強度約為未改質之5至6倍，同時1548cm-1之N-H鍵結強度，亦由原本未改質的無訊號，隨著熱敏性複合材1覆載量增加，可明顯發現N-H彎曲震動訊號的增強，此結果可證實熱敏性高分子單體1確實填充於矽膠之中孔洞。
測試3
為了了解矽膠吸附劑達到完全脫附之溫度與估算水分子吸附於有機/無機載體的含量，利用熱重損失分析儀(TGA)進行分析，實驗前將矽膠置入置入恆溫恆濕箱，吸 濕條件為RH=80%，25℃，時間為30分鐘，測試結果如第3圖所示，當脫附溫度達160℃，重量損失率已達到平衡及穩定狀態，因此以160℃重量損失率視為矽膠飽和吸附容量。
進一步探討不同熱敏性複合材1覆載量於不同脫附溫度之吸附情形，將固定不同脫附溫度40℃、100℃及160℃進行恆溫熱損失分析，如第4a圖至第4d圖所示，其結果得知，當以不同比例熱敏性複合材1改質矽膠後，水氣於100℃下脫附程度有趨近160℃完全脫附之趨勢，因此第4b圖至第4d圖中熱重損失分析儀(TGA)之100℃曲線會接近160℃曲線，顯示矽膠表面改質後有助於低溫達成完全再生脫附程度。另外，隨著熱敏性複合材1覆載量增加，其脫附量有略微下降，由未改質的19.36%wt，分別降至16.77%wt(覆載比例1：0.2)、15.88%wt(1：0.5)與15.39%wt(1：1)。此主要原因為部份微孔孔洞熱敏性複合材1所遮蔽，故其吸附量約略下降20%。
測試4
第5圖為矽膠於不同熱敏性複合材1覆載比例後，各脫附溫度之水氣脫附比例，第5圖目的在了解經PNIPAAm改質後，低溫脫附是否能有效提升水氣脫附率。並以160℃做為100%水氣完全脫附點，故由圖可知，低溫40℃時，無論是否改質，矽膠約有38至39%的水氣比例可以脫附出來；而在100℃脫附時，經過PNIPAAm改質後之矽膠吸附劑，其水氣脫附程度已可達83%至88%，遠高於未改質之 62%。因此藉由熱敏性材料修飾改質吸附劑表面確實可於較低溫度下提升水氣脫附能力。
測試5
不同覆載比例之矽膠於40℃、100℃與160℃下之實際水氣脫附率，測試結果如第6圖所示。由圖可知160℃脫附溫度下，以未改質矽膠之水氣脫附率最高，達到19.36%wt，並隨著高分子覆載比例增加而慢慢遞減至15.39%wt。在100℃脫附溫度下，以改質矽膠於高分子覆載比例為(0.2)時，其水氣脫附率最高約為14.3%wt。藉由PNIPAAm的修飾改變孔洞表面親/疏水特性後，可使水氣吸/脫附率於100℃下大幅提升20%，即由11.9%wt水氣脫附率提高至14.3%wt。
由上可知，本揭露藉由熱敏性聚合材料於中孔洞粒子之孔洞內部表面合成改質，使熱敏性複合材於不同溫度調控下，其表面呈現可逆之親、疏水性(hydrophobic and hydrophilic)特性變化，藉此加速驅動水分子的脫附行為，來降低脫附再生時所需溫度，符合產業之需求。
10‧‧‧真空腔體
101‧‧‧第一腔室
101a‧‧‧第一吸附床
102‧‧‧第二腔室
102a‧‧‧第二吸附床
103‧‧‧切換器
104‧‧‧冷凝器
105‧‧‧蒸發器
106‧‧‧第一管路
107‧‧‧第二管路
108‧‧‧冷/熱水器
20‧‧‧熱敏性複合材

Claims (10)

  1. 一種熱敏性複合材，包括：中孔洞粒子，係具有複數中孔洞；以及熱敏性聚合物，其係填充於該中孔洞粒子之中孔洞，且該熱敏性聚合物具有隨溫度升高親水性下降的特性。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之熱敏性複合材，其中，該中孔洞粒子之孔徑係介於2nm至50nm。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之熱敏性複合材，其中，該中孔洞粒子之比表面積係介於521m2/g至553m2/g。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之熱敏性複合材，其中，該中孔洞粒子係選自矽膠、活性氧化鋁、矽分子篩、沸石所組成之群組之至少一者。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之熱敏性複合材，其中，該中孔洞粒子係選自矽膠。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之熱敏性複合材，其中，該熱敏性聚合物之結構係如式(I)： ，其中n為50至70之整數。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之熱敏性複合材，其中，該熱敏性聚合物之重量平均分子量範圍係5650至 7900。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之熱敏性複合材，其中，該中孔洞粒子與該熱敏性聚合物之重量比為1：0.1至1：1。
  9. 一種以如申請專利範圍第1至8項任一項所述之熱敏性複合材於吸附式製冷劑的用途。
  10. 一種吸附式製冷裝置，包括：真空腔體，係用以填充冷媒；吸附床，係設於該真空腔體中，且該吸附床內填充有如申請專利範圍第1項所述之熱敏性複合材，俾吸收或脫附該冷煤；冷凝器，係設於該真空腔體中，用以凝結來自該熱敏性複合材脫附之冷媒；以及蒸發器，係設於該真空腔體中且該蒸發器具有該冷媒，俾用以蒸發該冷煤。
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