TWI613168B - 有色智慧型玻璃 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種有色智慧型玻璃，其包含一對透明基板、一組間隔組件，及一個有色溫感性水膠組成物。該對透明基板是彼此相向且間隔設置以共同形成一間隙。該組間隔組件是夾置於該對透明基板所形成的該間隙間，以與該對透明基板共同定義出一填置空間並封閉該填置空間。該有色溫感性水膠組成物是填充於該填置空間中，並含有水、水膠、染料，及氧化石墨烯。在本發明中，該水膠是經反應而化學鍵結於該氧化石墨烯，且該染料是吸附在氧化石墨烯上。

Description

有色智慧型玻璃
本發明是有關於一種智慧型玻璃(smart window)，特別是指一種有色智慧型玻璃。
基於呈親水性(hydrophilic)的水膠(hydrogel)易透過水當媒介以分散於水中，且在足夠的溫度下或經照光後可因前述足夠溫度而產生相變化以自透光態轉變成混濁態。因此，水膠已廣泛地應用於智慧玻璃相關技術領域，用以達成調節日光的功效。
大陸第CN 101608021 B核准公告號發明專利案(以下稱前案1)公開一種N-異丙基丙烯醯胺(N-isopropyl acrylamide；以下簡稱NIPAM)類聚合物/聚乙烯醇(PVA)複合水凝膠的製備方法及其產品。前案1的製備方法是先將0.5wt%至1.5wt%間的NIPAM水溶液與5wt%至20wt%間的PVA水溶液以重量比為0.5~1.5：1的關係均勻混合成一混合溶液後，再緩慢地於該混合溶液中加入相當於該混合溶液之1wt%至5wt%間的交聯劑並 均勻攪拌且靜置8小時至24小時，從而製得N-異丙基丙烯醯胺類聚合物/聚乙烯醇複合水凝膠。此外，依前案1的製備方法所製得的N-異丙基丙烯醯胺類聚合物/聚乙烯醇複合水凝膠，是可被應用於智能調光節能玻璃，以在夏季溫度較高的環境下遮陽隔熱並降低室內溫度從而減少致冷的能耗，並在冬季溫度較低時於保持室內充足採光的條件下減少採暖的能耗。前案1所公開的N-異丙基丙烯醯胺類聚合物/聚乙烯醇複合水凝膠雖然可應用於智能調光節能玻璃；但是，前案1的複合水凝膠卻無法呈現出色彩變化以美化建築物的外觀。
整合上述說明，在達到調光節能的前提下亦使智慧型玻璃能呈現出色彩變化以美化建築物的外觀，是此技術領域的相關技術人員所待研究的課題。
因此，本發明的目的，即在提供一種能在調光節能的前提下提供色彩變化以美化建築物外觀的有色智慧型玻璃。
於是，本發明有色智慧型玻璃，包含一對透明基板、一組間隔組件，及一個有色溫感性水膠組成物。該對透明基板是彼此相向且間隔設置以共同形成一間隙。該組間隔組件是夾置於該對透明基板所形成的該間隙間，以與該對透明基板共同定義出一填置空 間並封閉該填置空間。該有色溫感性水膠組成物是填充於該填置空間中，並含有水、水膠、染料(pigment)，及氧化石墨烯(graphene oxide)。在本發明中，該水膠是經反應而化學鍵結於該氧化石墨烯，且該染料是吸附在氧化石墨烯上。
本發明的功效在於：該有色智慧型玻璃可在調光節能的前提下，也能呈現出色彩變化以美化建築物的外觀。
2‧‧‧透明基板
20‧‧‧間隙
200‧‧‧填置空間
3‧‧‧間隔組件
31‧‧‧方框型間隔件
310‧‧‧缺口
32‧‧‧接合間隔件
4‧‧‧有色溫感性水膠組成物
41‧‧‧第一混合步驟
42‧‧‧第二混合步驟
43‧‧‧反覆洗滌及離心收集步驟
44‧‧‧第三混合步驟
45‧‧‧添加步驟
46‧‧‧聚合反應步驟
33‧‧‧封口間隔件
5‧‧‧針筒
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一方塊流程圖，說明本發明有色智慧型玻璃的一實施例的一有色溫感性水膠組成物的製作流程；圖2是一溫度對時間關係圖，說明本發明根據圖1的一第一混合步驟所得的一第一水溶液的一空白例0至4(BE0、BE1、BE2、BE3、BE4)的溫度對時間的變化；圖3是一彩色影像圖，說明本發明根據圖1的製作流程所製得的有色溫感性水膠組成物的一前置例2(PE2)與經一比較例(CE)所製得的有色溫感性水膠組成物於相轉換前的態樣；圖4是一彩色影像圖，說明顯示於圖3的前置例2(PE2)與比較例(CE)於相轉換後的態樣； 圖5是一元件製作流程圖，說明本發明該實施例的有色智慧型玻璃的製作流程；圖6是由圖5的一直線VI-VI所取得的一剖面圖；圖7是一彩色影像圖，說明本發明根據圖5的製作流程所製得的有色智慧型玻璃的一比較例1(CE1)、一具體例1至3(E1、E2、E3)，與一比較例2(CE2)於相轉換前的態樣；圖8是一彩色影像圖，說明顯示於圖7的該比較例1(CE1)、該等具體例(E1、E2、E3)，與該比較例2(CE2)於相轉換後的態樣；圖9是一彩色影像圖，說明本發明根據圖5的製作流程所製得的有色智慧型玻璃的一具體例4(E4)於相轉換前的態樣；及圖10是一彩色影像圖，說明顯示於圖9的該具體例4(E4)於相轉換後的態樣。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
<發明詳細說明>
參閱圖6，本發明有色智慧型玻璃的一實施例，包含一對透明基板2、一組間隔組件3，及一個有色溫感性水膠組成物4。該對透明基板2是彼此相向且間隔設置以共同形成一間隙20。該組間 隔組件3是夾置於該對透明基板2所形成的該間隙20間，以與該對透明基板2共同定義出一填置空間200並封閉該填置空間200。該有色溫感性水膠組成物4是填充於該填置空間200中，並含有水、水膠、染料，及氧化石墨烯。在本發明中，該水膠是經聚合反應(polymerized reaction)而化學鍵結於該氧化石墨烯，且該染料是吸附在氧化石墨烯(GO)上。此處需補充說明的是，該對透明基板2並不限於平板狀的外觀，其也可以是呈曲面的外觀，只要是令該對透明基板2面對面地相向設置以定義出該間隙20，皆可以實施。在本發明該實施例中，各透明基板2是以一呈平板狀的玻璃板為例做說明。
適用於本發明該實施例的該染料是一帶有苯環(benzene ring)的水溶性有色有機溶劑，且該水膠是聚異丙基丙烯醯胺[poly(N-isoproply acrylamide)；以下簡稱PNIPAM]。較佳地，該帶有苯環的水溶性有色有機溶劑是一選自下列所構成的群組：溴甲酚綠(bromocresol green；化學結構式為C21H14Br4O5S)、剛果紅(congo red；化學結構式為C32H22N6Na2O6S2)、亞甲基藍(methylene blue；化學結構式為C16H18ClN3S)，及前述帶有苯環的水溶性有色有機溶劑的組合。
較佳地，吸附於該氧化石墨烯上的該染料是依序經混合水與氧化石墨烯以形成一均勻分散有氧化石墨烯的第一水溶液，且 於該第一水溶液中均勻混入足夠量的染料以形成一第二水溶液並令氧化石墨烯吸附達飽和量的染料後，反覆地經水洗滌與離心收集(centrifugal and collection)以去除未吸附於氧化石墨烯的染料後所製得，並從而收集到一吸附有染料的氧化石墨烯，以定義出該染料於該有色溫感性水膠組成物中的含量。更佳地，以重量百分比計，該水膠於該有色溫感性水膠組成物中的含量是介於6wt%至15wt%間；該吸附有染料的氧化石墨烯(以下稱有色GO)於該有色溫感性水膠組成物中的含量是介於0.01wt%至1wt%間。又更佳地，該水膠於該有色溫感性水膠組成物中的含量是介於6wt%至7wt%間；該吸附有染料的氧化石墨烯(有色GO)於該有色溫感性水膠組成物中的含量是介於0.01wt%至0.2wt%。
此處需特別補充說明的是，上述吸附有染料的氧化石墨烯(該有色GO)於該有色溫感性水膠組成物中的含量，一方面是決定於最終所具體選用的染料，另一方面也決定於建築物外觀所欲呈現出來的視覺效果。更詳細地說，當所選用的染料是極易於吸附在氧化石墨烯時(如，亞甲基藍)，為避免氧化石墨烯因吸附過量的染料而影響有色智慧型玻璃的整體穿透率(transparency)，則需降低該吸附有染料的氧化石墨烯(該有色GO)於該有色溫感性水膠組成物中的含量，以提升有色智慧型玻璃的整體穿透率。此外，當建築物外觀所欲呈現出來的視覺需求性是穿透率偏低的視覺效果時，則 需令該吸附有染料的氧化石墨烯(該有色GO)於該有色溫感性水膠組成物中的含量增加，以藉此減少色智慧型玻璃的整體穿透率。
在本發明該實施例中，該對透明基板2分別是一玻璃基板；該間隔組件3是由聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane；以下簡稱PDMS)所構成；該有色感溫性水膠組成物4中的水與氧化石墨烯(以下簡稱GO)分別是去離子水(DI water)與經Hummers法所製得的GO。
詳細地來說，本發明該實施例之有色感溫性水膠組成物4是根據圖1所示之製作流程製得。如圖1所示，其依序包括一第一混合步驟41、一第二混合步驟42、一反覆洗滌及離心收集步驟43、一第三混合步驟44、一添加步驟45，及一聚合反應步驟46。
該第一混合步驟41是均勻混合去離子水與氧化石墨烯(GO)並予以聲振(ultrasonication)，以形成均勻分散有氧化石墨烯(GO)的第一水溶液。
該第二混合步驟42是於該第一水溶液中均勻混入足夠量的染料(如，C21H14Br4O5S、C32H22N6Na2O6S2，或C16H18ClN3S等帶有苯環的水溶性有色有機溶劑)，並於常溫下攪拌1小時使GO吸附近飽和量的水溶性有色有機溶劑以形成第二水溶液。
該反覆洗滌及離心收集步驟43是使該第二水溶液反覆地經去離子水洗滌與離心收集，以去除未吸附於GO上的水溶性有色 有機溶劑並收集吸附有染料的氧化石墨烯(以下稱有色GO)。
該第三混合步驟44是均勻混合去離子水與吸附有染料的氧化石墨烯(有色GO)以形成第三水溶液。在本發明該實施例之第三溶液中，吸附有染料的氧化石墨烯(有色GO)的第三水溶液是被分成一前置例1(PE1)、一前置例2(PE2)、一前置例3(PE3)及一前置例4(PE4)，且該PE1、該PE2、該PE3與該PE4等有色GO於各自所對應的該第三水溶液中的含量，分別是0.01wt%、0.05wt%、0.1wt%與0.2wt%。
該添加步驟45是於體積各為10ml的該PE1、該PE2、該PE3與該PE4的第三溶液中，分別添加675mg的NIPAM單體與做為自由基起始劑(radical initiator)且重量為6.5mg的過硫酸鉀(potassium persulfate，化學結構式為K2S2O8，以下簡稱KPS)，並於常溫下攪拌15分鐘且同時引入流量為30sccm的氮氣(N2)以除氧並抑制自由基的干擾，從而形成第四水溶液。
該聚合反應步驟46是於該PE1、該PE2、該PE3與該PE4的第四溶液中分別注入濃度為3%且體積為100μl的亞硫酸鈉(以下稱Na2SO3)，以產生聚合反應使NIPAM經聚合反應後成為聚異丙基丙烯醯胺(PNIPAM)，並製得該PE1、該PE2、該PE3與該PE4的有色溫感性水膠組成物4。
此處需補充說明的是，發明人同時根據上述有色溫感水 膠組成物4之製作流程中的該第一混合步驟41製備出一空白例0(BE0)、一空白例1(BE1)、一空白例2(BE2)、一空白例3(BE3)，及一空白例4(BE4)；其中，該等空白例(BE0~BE4)之第一水溶液中的氧化石墨烯(GO)含量分別是0wt%、0.01wt%、0.05wt%、0.1wt%與0.2wt%。
由圖2顯示可知，該空白例0(BE0)之第一水溶液在未含有氧化石墨烯(GO)的條件下，其經照光10分鐘後所產生的溫度對時間曲線的變化量並不大。相較於該等空白例(BE1~BE4)，隨著該第一溶液中的GO含量提升，其經照光10分鐘後所產生的溫度對時間曲線的變化量明顯相對該空白例0(BE0)增加許多。初步證實，氧化石墨烯(GO)是做為光熱轉換用的有益介質。
此處需進一步要說明的是，為比較本發明該等前置例(PE1~PE4)的有色溫感性水膠組成物4可令水溶性有色有機溶劑均勻吸附於氧化石墨烯(GO)上，以在升溫至其PNIPAM的低臨界溶解溫度(lower critical solution temperature；以下稱LCST)並產生相轉換後，不影響水溶性有色有機溶劑於PNIPAM中的分佈，發明人是進一步地以該前置例2(PE2)的有色溫感性水膠組成物4來與一含有染料且未含有氧化石墨烯(GO)的比較例(CE)進行比較。由圖3顯示可知，該前置例2(PE2)與該比較例(CE)的有色溫感性水膠組成物在相轉換前，染料(水溶性有色有機溶劑)可對 PNIPAM進行染色。然而，由圖4顯示可知，該比較例(CE)的有色溫感性水膠組成物在相轉換後卻發生分層的現象，反而是本發明該前置例2(PE2)的有色溫感性水膠組成物4在相轉換後並未出現有分層的現象。
該比較例(CE)上述分層的現象其主要原因在於，當溫度低於相轉換溫度時，親水的-NH2官能基傾向與周邊水域產生交互作用以形成分子間的氫鍵(intermolecular hydrogen bond)，此時水溶性有色有機溶劑是可以有效地藉此機會滲入PNIPAM內部形成對PNIPAM的染色作用。一旦溫度升高至相轉換溫度後，疏水的異丙基官能基團(isopropyl-methyl)將取代-NH2，以改由分子內的氫鍵(intramolecular hydrogen bond)來主導。因此，水溶性有色有機溶劑無法與疏水端的異丙基有效地共存，此時隨著水分的釋放，部分的水溶性有色有機溶劑也會隨著水分一起被帶離PNIPAM，因而產生分層的現象。
相反地，本發明該前置例2(PE2)的染料是吸附於氧化石墨烯(GO)表面，且PNIPAM又經聚合反應以化學鍵結於氧化石墨烯(GO)，因而使得該前置例2(PE2)的有色溫感性水膠組成物4中的染料(水溶性有色有機溶劑)不會隨著相轉換而與PNIPAM發生分層的問題。此外，由圖4中所顯示的前置例2(PE2)也可以觀察到，當溫度超過LCST而發生相轉換現象，其由原本的暗藍色(見圖 3)轉為趨近透明(見圖4)，同時PNIPAM本身的體積也會收縮；因此，水分也會藉此機會被排出，且其所排出的水分為澄清的透明色。相較圖4中的該比較例(CE)，其在超過LCST而發生相轉換後，所排出的水分為藍色，證實本發明中的有色溫感性水膠組成物4能有效地避免在相轉換時所引致的染料與PINPAM的分離現象。
根據上兩段的分析說明可知，本案是使氧化石墨烯(GO)在聚合反應後以化學鍵結於PNIPAM，且在聚合反應前是先令染料吸附於氧化石墨烯上，而非吸附於PNIPAM上。此處要說明的是，染料與氧化石墨烯(GO)間的接合途徑除了既有的氫鍵以外，氧化石墨烯(GO)上具有大量的帶負電且能與染料間產生靜電交互作用力(electrostatic interaction)的官能基，且帶有苯環的水溶性有色有機溶劑也能與氧化石墨烯(GO)上的六角環密切貼合。因此，本發明有色溫感性水膠組成物4不易因相轉換而發生退色的問題。
本發明該實施例之有色智慧型玻璃是根據圖5所示的製作流程的一製作例來實施。首先，是以PDMS於該對透明基板2的表面分別形成一各自所對應且各自帶有一缺口310的方框型間隔件31，並令該對透明基板2的表面相向且呈實質平行地間隔設置，以使該等方框型間隔件31的缺口310朝同向設置，並於該對透明基板2間共同形成該間隙20。後續，以PDMS於該間隙20處形成一用以上下接合該等方框型間隔件31的接合間隔件32，使該對透明基板2 與該等間隔件31、32共同定義出與該等缺口310相通的該填置空間200。進一步地，利用一填充有該前置例2(PE2)的有色溫感性水膠組成物4(也就是，有色GO含量為0.05wt%)的針筒5，自該等缺口310處注入該有色溫感性水膠組成物4至該填置空間200中。最後，以PDMS封閉該等缺口310與該填置空間200，從而製得本發明該實施例的有色智慧型玻璃(如圖6所示)。
<具體例1(E1)>
本發明有色智慧型玻璃的一具體例1(E1)是根據上述製作例(見圖5)製得，且在本發明該具體例1(E1)中，該帶有苯環的水溶性有色有機溶劑是亞甲基藍(C16H18ClN3S)，且該對透明基板2中的其中一個透明基板2上，是預先形成有一預定圖案。
<具體例2(E2)>
本發明有色智慧型玻璃的一具體例2(E2)大致上是相同於該具體例1(E1)，其不同處是在於，在本發明該具體例2(E2)中，該帶有苯環的水溶性有色有機溶劑是溴甲酚綠(C21H14Br4O5S)。
<具體例3(E3)>
本發明有色智慧型玻璃的一具體例3(E3)大致上是相同於該具體例1(E1)，其不同處是在於，在本發明該具體例3(E3)中，該帶有苯環的水溶性有色有機溶劑是剛果紅(C32H22N6Na2O6S2)。
<比較例1(CE1)>
本發明有色智慧型玻璃的一比較例1(CE1)大致上是相同於該具體例1(E1)，其不同處是在於，該比較例1(CE1)的有色溫感性水膠組成物中未含有染料與氧化石墨烯(GO)。
<比較例2(CE2)>
本發明有色智慧型玻璃的一比較例2(CE2)大致上是相同於該具體例1(E1)，其不同處是在於，該比較例2(CE2)的有色溫感性水膠組成物中未含有染料。
<具體例4(E4)>
本發明有色智慧型玻璃的一具體例4(E4)大致上是相同於該具體例1(E1)，其不同處是在於，在本發明該具體例4(E4)中，該有色溫感性水膠組成物是使用該前置例1(PE1)。換句話說，該具體例4(E4)的該吸附有染料的氧化石墨烯(該有色GO)於該有色溫感性水膠組成物中的含量是0.01wt%。
參閱圖7，該等比較例(CE1~CE2)與該等具體例(E1~E3)在照光前，皆可顯示出各自所對應的預定圖案，該等比較例(CE1~CE2)與該等具體例(E1~E3)間的差異在於，該等具體例(E1~E3)更分別顯示出藍、綠、紅三種底色的半透明色彩，可令智慧型玻璃呈現出色彩變化以美化建築物的外觀。此外，由圖7顯示也明顯可見，該具體例1(E1)內所呈現的預定圖案的對比色相對該等具體例(E2~E3)來得較為不明顯，其原因在於，亞甲基藍是極易 於吸附在氧化石墨烯上的染料，以致於在相同有色GO含量(0.05wt%)下所呈現出來的對比色也有所差異。
參閱圖8，該比較例(CE1~CE2)經25℃環境下照射日光5分鐘後，雖然可令其PNIPAM自透明轉變成混著態，以阻隔光源並調光節能，但是由圖8的顯示明顯可以看出，該等比較例(CE1~CE2)所呈現出來的顏色較為單調且無變化。相反地，該等具體例(E1~E3)經25℃環境下照射日光5分鐘後(見圖8)，不僅可以令其PNIPAM自半透明色彩的態樣轉變成混濁態，還可以呈現出不透光的藍、綠、紅等三種顏色，以令本發明該等具體例(E1~E3)除了可以阻隔光源以達調光節能的功效外，還能美化建築物的外觀。
參閱圖9，該具體例4(E4)在照光前，除了因該有色GO含量的下降而可顯示出其預定圖案外，也能顯示出淺藍色的半透明色彩，可令智慧型玻璃呈現出色彩變化以美化建築物的外觀。進一步參閱圖10，該具體例4(E4)經25℃環境下照射日光5分鐘後，不僅可以令其PNIPAM自半透明色彩的態樣轉變成混濁態，還可以呈現出不透光的淺藍色以令本發明該具體例4(E4)除了可以阻隔光源以達調光節能的功效外，還能美化建築物的外觀。
此處要進一步說明的是，根據上述分析數據的說明可知，該吸附有染料的氧化石墨烯(該有色GO)於該有色溫感性水膠 組成物中的含量，一方面是視其於最終所具體選用的染料而定，另一方面也取決於建築物外觀所欲呈現出來的視覺效果。因此，本案於前述發明詳細說明內所提及的該吸附有染料的氧化石墨烯(該有色GO)於該有色溫感性水膠組成物中的含量範圍，僅為本發明的實施例而已，並不能以前述範圍為限。
綜上所述，本發明有色智慧型玻璃在達到調光節能的前提下，也能呈現出色彩變化以美化建築物的外觀，故確實能達成本發明的目的。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
2‧‧‧透明基板
20‧‧‧間隙
200‧‧‧填置空間
3‧‧‧間隔組件
4‧‧‧有色溫感性水膠組成物

Claims (7)

  1. 一種有色智慧型玻璃，包含：一對透明基板，彼此相向且間隔設置以共同形成一間隙；一組間隔組件，是夾置於該對透明基板所形成的該間隙間，以與該對透明基板共同定義出一填置空間並封閉該填置空間；及一個有色溫感性水膠組成物，是填充於該填置空間中並含有水、水膠、染料，及氧化石墨烯；其中，該水膠是經反應而化學鍵結於該氧化石墨烯，且該染料是吸附在氧化石墨烯上；及其中，該水膠在足夠的溫度下可因前述足夠溫度而產生相變化以自透光態轉變成混濁態，且該染料是一水溶性有色有機溶劑。
  2. 如請求項1所述的有色智慧型玻璃，其中，該水溶性有色有機溶劑是帶有苯環。
  3. 如請求項2所述的有色智慧型玻璃，其中，該帶有苯環的水溶性有色有機溶劑是選自下列所構成之群組：溴甲酚綠、剛果紅、亞甲基藍，及前述帶有苯環的水溶性有色有機溶劑的組合。
  4. 如請求項1至3任一請求項所述的有色智慧型玻璃，其中，該水膠是聚異丙基丙烯醯胺。
  5. 如請求項4所述的有色智慧型玻璃，其中，吸附於該氧化石墨烯上的該染料是依序經混合水與氧化石墨烯以形成 一均勻分散有氧化石墨烯的第一水溶液，且於該第一水溶液中均勻混入足夠量的染料以形成一第二水溶液並令氧化石墨烯吸附達飽和量的染料後，反覆地經水洗滌與離心收集以去除未吸附於氧化石墨烯的染料後所製得，並從而收集到一吸附有染料的氧化石墨烯，以定義出該染料於該有色溫感性水膠組成物中的含量。
  6. 如請求項5所述的有色智慧型玻璃，其中，以重量百分比計，該水膠於該有色溫感性水膠組成物中的含量是介於6wt%至15wt%間；該吸附有染料的氧化石墨烯於該有色溫感性水膠組成物中的含量是介於0.01wt%至1wt%間。
  7. 如請求項6所述的有色智慧型玻璃，其中，以重量百分比計，該水膠於該有色溫感性水膠組成物中的含量是介於6wt%至7wt%間；該吸附有染料的氧化石墨烯於該有色溫感性水膠組成物中的含量是介於0.01wt%至0.2wt%間。
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