english 網站地圖 回首頁 淡江大學

中心簡介
研究學者
研究計畫
最新訊息
相關連結
學術活動
成果展式
研究設備
資料下載
連絡我們


線上觀看人數

                                                           

           

中心簡介 研究領域架構 研究方向 再生能源 太陽熱能 太陽電能 燃料電池
能源系統工程 綠色分離程序 程序整合 光電薄膜 光電陶瓷 功能性高分子  

 

 

能源與光電材料研究中心,以下簡稱能光中心2007年成立,座落於淡江大學新工學大樓九樓,研究方向為再生能源的應用研究與新型光電材料開發。整合化學工程與材料工程系師資及校內外相關領域的研究專才,致力於中心的三大重點工作:

 

<>、進行再生能源與光電材料相關技術之研究及應用。

<>、成為大學部及研究所學生能源與材料教育的資源。

<>、以研討會及產學合作計畫方式將研究成果技轉產業界。

 

研究成果將能加速提升能源及光電材料相關之科技,例如太陽能集熱器之設計、太陽能電池研發與特殊需求之光電材料的研發等。

 

一、中心任務與目標

 

(1) 前瞻性能源工程研發與技術支援中心:

以淡大化材系所能源工程與光電材料相關研究人力為基礎,結合國內外能源相關領域的專家與學者,研發前瞻性能源工程技術,並支援國內相關產業技術的服務與發展,同時結合前瞻性光電材料做統合性研究與發展。

 

(2) 前瞻性光電材料研發與技術支援中心:

以淡大化材系所能源工程與光電材料相關研究人力為基礎,結合國內外光電相關領域的專家與學者,研發前瞻性光電材料技術,並支援國內相關產業技術的服務與發展,同時結合前瞻性能源工程做統合性研究與發展。

 

(3) 能源工程與光電材料研發人才培育中心:

以淡大化材系所能源工程與光電材料相關研究人力為基礎,結合國內外能源與光電相關領域的專家與學者,開授專業課程與人才培訓班,定期舉辦研討會,並培育相關產業的博士及碩士研發人才。並結合執行產業界能源程序與光電材料相關的研究計畫,培育具備產業界所需研發與技能之人才,有效落實知識經濟的政策。

Top

二、中心研究領域架構圖

 

  

 

三、中心顧問群

 

a.蔡志弘 博士      E-mail:ch-tsai@hotmail.com

 

現職:

 

海峽交流基金會顧問

志海能源科技股份有限公司 董事長

 

經歷:

 

2009 APEC企業領袖高峰會中華台北代表團企業代表

英國牛津大學訪問學人

監察院訴願審議委員會委員

第三屆國民大會代表

 

b.陳慶鐘 副教授

 

淡江大學 化材系兼任教師

國立成功大學化工碩士(1973)

國立成功大學化工學士(1971)

 

c.紀榮昌 教授

 

淡江大學 化材系兼任教師

美國紐約州立大學化工博士

 

聯絡方式(張正良老師)

TEL(02) 26125656 ext. 3284

E-mail: chlchang@mail.tku.edu.tw

Top

 

研究方向:

本中心的研究方向,是結合光、電、熱三個領域,針對各領域本身的工程與材料開發,以及領域間能量轉換的工程與材料開發,目的是達到能源使用與光電利用的最佳化。如針對太陽能技術與材料開發、電激發光技術與材料開發、燃料電池技術與材料開發,以及綠色產業技術與材料開發等,做個別性及統合性的研究。與其他研究中心不同的特點是本中心同時統合工程與材料技術,各項工程技術可加入新材料試驗及改良,而新材料的開發可依據各項工程技術進行設計及改造。

 

(A) 能源研究

 

 

(B) 光電材料

 

 

再生能源

 

太陽熱能

 

高效太陽熱能轉換與利用系統

 

太陽能具有潔淨與源源不絕的特性,是未來能源的重要來源之一,但是太陽能屬於稀薄的能源,需要廣闊的面積才足以提供給人類使用,因此如何有效地收集、儲存與利用太陽能,並降低傳統能源所造成的環境污染,乃是目前世界各國發展的目標。太陽能的利用主要可分為兩種型式:一為光熱轉換系統:如太陽能熱水器、太陽能空調系統、太陽能烹調系統等;二為光電轉換系統:如太陽能電池、太陽能電廠等。本中心針對有效提升太陽能應用效率,發展目標包括兩大項:

 

(A)太陽能集熱器集熱效率改善:

 

此研究針對平板型太陽能集熱器為主,利用簡單的設計改善方法,提升太陽能集熱器之集熱效果,研究方式包括:(1)設計最佳集熱器長寬比,增加熱傳驅動力;(2)加入迴流設計,提高熱能傳送效率;(3)導入熱傳導係數低之填充氣體,降低太陽能吸收板與外界之熱損失;數學理論模型建立,預測系統集熱效率與流體溫度。

 

(B)複合型太陽能光電/光熱混合收集系統:

 

由於太陽能光電池將太陽光轉變成電能時,同時會產生熱能,降低太陽能電池光電的轉換效率,故本中心目標乃是設計一複合型的太陽能光電/光熱混合收集系統,同時提升光電轉換效率並達到熱能收集的效果。研究方式包括:(1)熱傳流體選擇,提升熱傳效果;(2)光電與光熱系統之組合方式,減少熱損失與提升光電轉換效率;(3)數學理論模型建立,預測系統熱傳與電能轉換效率。

 

太陽能驅動式海水淡化系統

 

有鑑於太陽能利用的可行性及解決水源不足的問題,利用薄膜蒸餾之太陽能驅動式海水淡化系統對許多國家來說是個刻不容緩並且越來越受矚目的技術,這些國家其中也包括了台灣。本計畫的目標為針對太陽能薄膜蒸發海水淡化程序,發展一套關鍵的應用技術及進行其經濟上可行性的評估。本計畫的研究主題包括了高疏水性薄膜的研發、太陽能集熱設備之吸收塗膜之研發、作為提供電力來源之光電元件之研發、高效率薄膜蒸餾模組之研發、程序設計與其最適化與系統之質能整合及經濟評估與政策研究等。因此,本研究團隊集合了包括材料科學、材料工程、化學工程與經濟學的研究人才,以期完善此計畫。

    由於具有低成本、高介面面積、裝置簡潔(compact)、可模組化等多方面之優勢,有機高分子薄膜已被應用於多種先進分離技術,例如氣體滲透、滲透蒸發、逆滲透、超過濾、微過濾、透析、電透析、薄膜萃取、薄膜吸收、薄膜氣提、薄膜蒸餾等。其中薄膜蒸餾(MDMembrane Distillation)屬於熱驅動(Thermal Driven)裝置,是近來廣受重視的一種技術,主要是因可有效利用低溫熱源、可操作於常壓與佔據體積小。結合可再生之太陽能所提供的低溫熱能與薄膜蒸餾技術遂成為極具吸引力的一個構想。近年已有許多國家開始致力於太陽能驅動薄膜蒸餾海水淡化技術之開發,包括德國、北大西洋公約組織(NATO)、歐盟、義大利、荷蘭、日本、中國等,且部分計畫正進行示範裝置之運轉與測試。依據荷蘭TNO之估計,此海水淡化技術(MEMSTILLNANOSTILL)之成本將遠低於目前已商業運轉之成熟技術,例如逆滲透與多段蒸餾等。因此,太陽能驅動薄膜蒸餾勢必成為未來海水淡化之ㄧ主流技術。

    本研究之目的即是期望能夠發展環境友善、能源自給且具成本競爭力之太陽能驅動式薄膜蒸餾(SOLMDSolar Driven Membrane Distillation)海水淡化系統。一個SOLMD海水淡化系統包括三個主要次系統,即太陽能集熱與儲熱(接收太陽熱能以供應MD所需熱能)、太陽光電(接收太陽光能以供應系統所需電能,包括流體輸送之動力)與薄膜蒸餾。SOLMD海水淡化系統之發展自然聚焦於這些次系統各自所涵蓋的關鍵技術與創新設計,整合各次系統之程序設計,以及更廣義地涵蓋SOLMD海水淡化系統與其應用程序,如化工廠與發電廠等,之間的整合。此外,經濟評估自然是確認系統可行性與競爭力之必要分析。本計畫之範疇,依上下游關聯,遂包括下列四大領域 (1)材料/元件製造與性質改良;(2)設備設計;(3)程序最佳化;(4)經濟效益評估。本整合型計畫之完成將建立國內發展太陽能驅動薄膜蒸餾海水淡化系統所需之關鍵技術,並建立系統設計技術與軟體,以及提供經濟效益評估成果。計畫中並包括兩種不同規模實驗系統之建立,可作為推廣展示之用,即產水量分別為50 liters/day之實驗室精巧型系統(compact system)90 kg/m2day之小型系統(small system)

 

太陽熱電能之工業應用-電子業溶劑回收

 

    隨著電子產業產能的快速提昇,有機溶劑的使用量也隨之增加,以致工業廢水處理技術的開發逐漸受到重視。舉面板清洗和顯影等用途之有機溶劑為例,每年的使用量高達25萬噸,其中以TFT-LCD業使用為最大量,約佔總量的85%以上,若能有效回收這些有機溶劑,除可減少對於環境的影響,亦可降低工業的製造成本與提高產業競爭力。此外,在TFT-LCD製程上,用來當作蝕刻製程所用之剝離液(stripper)的高沸點有機溶劑,主要有DMSO( dimethyl sufroxide )MEA ( monoethanol amine )NMP(N-Methyl-2-Pyrrolidone)等而這些有機溶劑也常使用於石油化工、電子材料醫藥等領域。由於上述有機溶劑易吸水,因此使用過後常含有5%~25%的水分不等,因此,如何有效地去除水分乃是溶劑回收的最大瓶頸。傳統的溶劑回收方法主要是以蒸餾法為主,但為了有效分離純化這些有機溶劑,蒸餾塔通常必須操作在高溫低壓的狀態下,如此便需要損耗大量的能源,增加回收溶劑所需要的成本。因此,對於低耗能且高效率的溶劑回收方法的開發是個重要的研究課題。

    近年來,聚焦型太陽熱能發電技術(concentrated solar power; CSP)相當受到矚目。CSP 發電系統約從1980 年代初期開始發展,將陽光聚焦形成高溫,再將該熱能應用於推動熱機的發電。CSP 技術主要包括拋物線集熱槽型(parabolic trough)、中央塔集熱型(central solar tower)及拋物線圓碟型(parabolic dish)三種。目前CSP 的發電成本介於PV 和風力之間,正隨著市場擴張和效率提升而下降。在陽充足光地帶CSP 的併網電廠(on grid plant)的發電成本比PV 便宜,經由熱能儲存可使CSP 電廠具有穩定持續的發電能力。依據International Energy Agency (IEA)評估,在高日照地區,CSP 的發電成本在2050年以前可降至每度電3.5 美分。拋物線圓碟型史特靈引擎CSP 系統具有高轉換效率。此外,系統具備可獨立運作、無需用水、土地面積需求小等優點,且其裝置成本亦為目前所有太陽能發電技術中之最低者,特別適合地狹人稠及土地成本高的台灣地區來積極發展,尤其適用偏遠地區之分散式供電。另外,我國在精密機械、模具技術、電機、材料等傳統產業技術世界一流,可以立即支援相關技術開發,是我國的優勢。不過,我國在史特靈引擎設計製造、低耗能太陽追蹤系統、金屬表面抗反射薄膜沉積、高溫液態金屬熱管、高溫能量儲存系統、高效率再生器等關鍵技術的專業人才不足,則是相關技術開發的困難所在,可知國內相關技術的未來發展空間很大。

    本研究的目的主要是利用薄膜分離系統取代傳統蒸餾方法來進行有機溶劑的回收,並利用太陽熱能供應薄膜蒸餾系統所需之熱源,如下圖所示。

 

太陽熱電能之工業應用-電子業溶劑回收系統示意圖

 

研究中從工業廢水的前處理步驟、太陽熱能發電系統與熱交換步驟、薄膜蒸餾溶劑回收步驟、乃至廢水排放步驟都做一完整的規劃,並且建立有機溶劑與水之相平衡關係,以及針對整體系統流程進行穩態與動態之模擬分析,找出系統之最佳設計、控制與操作。此系統的優點在於可利用拋物型聚焦集熱器提供太陽輻射熱能推動史特靈引擎,並利用史特靈引擎往覆式運動的方式來帶動線性發電機發電。薄膜分離系統的工作流體可與史特靈引擎之冷卻端進行熱交換,以提高薄膜分離系統的進料溫度與線性發電機之發電效率,此外還可利用史特靈引擎之飛輪動能帶動給水幫浦運作以輔助薄膜分離系統,而經過薄膜分離系統分離純化後的有機溶劑亦可回收再利用,進而達到綠能、節能、經濟且環保的目標。

 

    此外,計劃除了設計上述的太陽熱能發電系統與薄膜分離系統,亦針對個別的系統建立其數學理論模式,並結合子計畫研究的廢水前處理系統,完成一套綠能、節能、經濟與環保的太陽能驅動式薄膜分離溶劑回收系統。將此技術移轉至實際工業應用,發展太陽熱能發電系統以提高有機溶劑的使用效率,並降低工業廢水的排放與能源的消耗。

Top

太陽電能

 

染敏太陽能電池

 

矽晶太陽能電池在過去幾年已有快速發展,但成本極高。近年來, 已發明了許多替代方法取代矽晶太陽能電池,其中染敏太陽能電池(dye-sensitized solar cell, DSSC)是最具潛力的項目之一。1991Grätzel發明第一顆染敏太陽能電池,也宣告太陽能電池將邁向具更低製造成本的時代來臨,吸引世界各國科學家的注意。染敏電池的特性如下:

1.不昂貴的材料如,透明導電玻璃、半導體氧化物、光敏染料與電解質。

2.可撓式的染敏電池具有輕薄且方便攜帶與可捲曲收藏之功能。

3.相對於其他太陽能電池,染敏電池的製造程序簡易可行。

 

但染敏電池還存在許多問題有待改進,最主要的電子-電洞再結合(recombination)問題,它發生在染料與半導體氧化物、染料與電解介質、導體氧化物與電解介質三者之間。此外,揮發性與易外漏的電解介質造成染敏電池使用壽命不長。染敏電池理論效率可達到33%,但是至今實際上實驗室最高只做到11%,因此仍然還有很大機會與努力的空間,可藉由結合各領域專家,整合新穎材料及不同製程,達成提升轉換效率的目的。

 

本中心擬針對染敏太陽能電池的構建及其待解瓶頸分為五個子計畫進行研發,最終整合成一新穎高效率的成品。其目標如下:

 

1.合成新穎染料並藉由特殊官能基團與TiO2半導體氧化物表面形成更穩定結合。

2.以溶膠-凝膠法在低溫製備TiO2半導體氧化物,並以p-型被覆。

3.以導電高分子對極板取代傳統昂貴白金對極板。

4.改用膠態電解介質以改善傳統液態電解介質揮發和外漏問題。

5.染敏太陽能電池系統整合及最佳化。

 

 

燃料電池

 

新穎燃料電池之研發與最佳化

 

近代人類的生存與發展主要仰賴石化能源。然而石化能源並非取之不盡用之不竭,再加上人類對於能源需求的急速增加,近年來開發新型態能源成為重要的課題。在許多開發中的新型態能源中,質子交換膜燃料電池 (PEMFC) 具有相當大的發展潛力可以成為未來重要能源來源。燃料電池的運作原理,主要是透過其陽極與陰極所進行的電催化反應,將化學能轉換為電能輸出。在 PEMFC 的結構中,薄膜電極組 (membrane electrode assembly, MEA) 為決定電池發電效能的主要核心。MEA 主要是由質子交換薄膜、觸媒與碳纖維布所構成,燃料(氫氣)藉由陽極的氧化反應產生氫離子與電子,氫離子經由質子交換薄膜擴散至陰極,參與氧氣還原反應產生水,而電子則經碳纖維布傳導至外部線路產生電流。質子交換薄膜以及觸媒的改進是提昇 PEMFC效能的兩大關鍵課題。

本中心將以獨特的關鍵技術製備具有連續孔隙相的薄膜,以聚合化學原位(in-situ)反應將具傳導質子能力的高分子電解質交聯穩定固定於連續的孔隙。藉由調控高分子電解質的成份結構與比率,得到具有:1.良好機械強度支撐架構,展現完整的自立性(self-standing);2.高的離子當量容量(IEC)且穩定形態的高分子電解質,不會因吸水膨潤改變離子當量的密度(IED)。

在觸媒的方面,由於鉑金屬對於這些氧化還原反應有良好的催化效果,所以近年來PEMFC 的發展多採用以鉑為主的觸媒來製備電極。然而鉑觸媒的主要缺點是容易被一氧化碳毒化導致失去催化活性,而且價格相當昂貴。這些因素也是燃料電池技術目前尚未能被廣泛應用的主要原因。本中心將著重於發展新型的鉑-金屬氧化物複合物(platinum-metal oxide composite)觸媒,以及非鉑(non-platinum)觸媒。主要目標在於提高觸媒抵抗一氧化碳毒化的能力並藉由降低鉑金屬使用量來降低MEA的製備成本。

除了針對MEA的改進,質子交換膜燃料電池操作系統的整合與規劃也是提昇其運作效能相當重要的因素。本中心將利用程序動態模擬軟體(Aspen Custom Modeler)進行整個燃料電池系統之質量與能量平衡分析。藉由提供系統個別元件的動態數學模式及流程之建立,模擬系統各物流之動態狀態。此軟體亦提供程序控制元件,可將系統控制策略納入模擬。配合Aspen pinch的熱交換網路系統設計,可求解最佳化操作條件與控制策略。

 

氫能與低溫型質子交換膜燃料電池

 

受限於石油存量及環保問題意識的抬頭,近幾年來國際原油價格不斷飆漲,且在京都議定後全球二氧化碳排放量相對受到限制。在各個國家的努力下發現,氫氣可得來源相當廣泛(重組產氫、電解水產氫、太陽能產氫、生質能產氫等),且為最潔淨的能量攜帶者。將氫氣轉換為電能的裝置,至今發展最為迅速為燃料電池系統開發,結合氫能源的開發與燃料電池系統之研究設計與發展,已備受各界關注。燃料電池發電的原理是直接將燃料的化學能轉換成電能。發電過程中不會產生二氧化碳等污染逸散等問題,且具高效率、低噪音、低污染等特點,有別於過去傳統熱機發電。燃料電池之種類相當多,且分類方式也各有不同,其中,低溫型質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)的發展應用又受到高度矚目。因為它可以接近常溫操作以及起動迅速的特性,且無電解液腐蝕與逸散問題,因此,質子交換膜燃料電池非常適用於可攜式電力、以及家用型發電機。由於質子交換膜燃料電池所使用的燃料是氫氣,氫氣燃料供應方式大致可以分為兩種,第一種類型為純氫直接供應,其主要方式有壓縮氫氣(35MPa70MPa)、低溫液氫及金屬儲氫等。以壓縮氫氣與低溫液氫為氫氣儲存與輸送為現行的主要方式,但由於壓縮或液化氫氣所需之能源較高,且運輸存潛在上的危險,國際間研發的方向為提高金屬儲氫單位重量之氫氣儲氫量。第二種類型為分散式製氫方式,利用碳氫燃料重組製氫,主要應用於定置型之產氫,另外針對可攜式之產氫技術主要以化學還原製氫(化學儲氫)等方式。其中碳氫燃料重組器系統是將各種石化燃料,如甲醇、酒精、汽油及天然氣等碳氫化合物,經由一連串化學反應後產生富含氫氣之重組氣體。以產氫價格來看,製氫的來源仍然以石化燃料製氫之成本最低,因此燃料重組器與燃料電池之系統開發,以提升重組效能、縮小系統體積、縮短開機時間,為目前分散式製氫的研發重點。在可攜式產氫技術上,主要著眼點在於產氫體積小、效率高之小型化單元建置,主要應用範圍為3C(手機,筆記型電腦)電子產品,目前日本已有此類3C 樣品雛型,但在效能及體積大小上仍需要克服,以增加產品的待機時間及改善重量等問題。

 

氫能與燃料電池研究

 

1. 節能與減碳為目前最熱門的話題,研究將著重氫能與燃料電池之高效能系統開發,以提高能源使用效率。燃料電池系統設計與控制的問題-由於燃料電池之電流-電壓(I-V)曲線可決定系統操作點。但在最大之功率輸出時,控制上會出現多重穩態的問題,因此在設計上如何為操作上預留操作度,找出設計與操作的交互作用為往後研究的重點之一。

重組器與燃料電池系統之水、熱管理-重組器與燃料電池之理論發電效能各為8037%,但如能配合其所產生的熱水,則能將效能提升整體效能到50%以上。因此燃料電池內熱水的熱整合與對外之分配,亦是燃料電池整體效能提升之關鍵。

重組器與燃料電池之系統設計與控制-以被動式氫氣需求為主之燃料電池系統控制架構,提供立即之氫氣需求,以達成燃料電池之電力供應為系統設計與控制之重點。但為防止在操作暫態過程中,一氧化碳之濃度過大,影響燃料電池之操作,因此重組器尾氣一氧化碳濃度控制為其關鍵技術。

 

2. 目前重組器在燃料電池佔之體積約50%以上。因此如何降低重組器的體積,以增加單位體積的燃料電池系統發電量,成為定置型燃料電池系統下一階段所要克服的研究,將針對:

甲醇重組產氫系統最小化反應器體積與結構設計-蒸氣重組系統中產生之一氧化碳,必需透過水轉移反應及部份氧化反應器的轉化後,才能將一氧化碳移除,以防止一氧化碳伴隨氫氣進入PEMFC燃料電池內,毒化陽極的白金觸媒。一般而言,一氧化碳移除反應器,約佔整個重組器的80%體積,藉由反應器的設計(包含設計溫度等),有效的降低此反應器的體積,為此部份設計與控制之重點。薄膜助效重組產氫系統之結構設計-鈀透氫薄膜的透氫選擇性,可將重組反應產生之氫氣分離,以破壞反應平衡轉化率的限制。此製程強化的設計,可縮小系統體積,降低反應之操作溫度。因此透氫薄膜的放置位置與面積,為此系統設計關鍵。

 

儲氫系統研究與規劃

 

由於氫氣具有爆炸性的問題,因此在儲存運輸上,安全與重量等考量成為需要克服的問題,同時也是氫能社會是否能達成的重要指標。美國能源局在2010年,針對儲氫系統應用於移動式載具(如車輛)的目標為5.5 wt%2015年要達到7 wt%。因此有系統的從元素表中找適合儲氫的儲氫材料成為目前相當重要的課題之一。目前研究以NaBH4因具有10.8 wt%理論儲氫量成為研究的重點。2007年己與工研院能環所合作建立NaBH4產氫動力學方式之模式,利用白金觸媒所製備之觸媒,將針對此動力學模式開發反應器幾何結構,並以產品導向開發商品切入氫電池市場,其中以3C產品為目前儲氫較容易進入之產業。

 

因此衍伸之相關研究規劃:

氫電池產品設計-小型約5W燃料電池發電之儲氫系統,可取代目前應用於手機電池使用。選擇適當的化學儲氫材料,找出系統的模式,進行適當的NaBH4進料控制,目的在使系統氫氣輸出可呈平穩供應於燃料電池,提供穩定的發電量。

 

被動式的氫氣供應成為商品化過程中需要克服的重點,未來在研究的重點包含:

NaBH4進料控制策略與可操作度分析-在操作過程中,長時間觀察氫氣產生為指數下降的速度。因此如何控制NaBH4溶液的進料速度以達到完美產氫(Perfect hydrogen production)為本研究方向之重點。

 

NaBH4反應器結構設計與控制結構分析-取代3C商品電池的開發需具備質輕與長時間的電力備載,因此NaBH4溶液的進料速度控制系統,需具備體積小與輕量之重點。在此將以反應器之機械結構設計取代流量控制系統,以達到被動式的氫氣控制效果。粒狀NaBH4反應物釋放機制分析-此階段設計將利用NaBH4在水中的溶解速率,取代NaBH4進料流量之控制。因此如何設計粒狀NaBH4,為主要研究的重點。氫備用電池產品開發-針對較大型之發電量而設計,氫氣可供50W~1.5kW PEM燃料電池使用。反應器及系統設計著重於迴流之流量控制,使產品之單位體積儲氫量能接近理論值之上限。以NaBH4這類型之化學儲氫材料,其理論儲氫量約10.8 wt%。因此如何將系統設計值接近NaBH4之理論儲氫量,有賴系統設計的輔助來達成。連續式NaBH4迴流系統設計與最佳化系統重量分析-將過量之NaBH4水溶液以迴流的方式將過多水量回收利用,以降低系統的重量。另外為防止NaBO2等產物在觸媒表面析出,系統之操作溫度與NaBO2之析出槽溫度控制設計,將可大幅提升系統之可操作度。連續式NaBH4迴流系統熱整合設計-NaBH4水溶液受限於每克水只能溶解0.28NaBH4的限制,因此如何能將溫度提高達成反應計量係數比的熱整合設計,為此部份的設計重點。

 

Top

能源系統工程

 

程序強化電腦輔助設計

 

程序強化之化工與能源系統

 

程序強化(process intensification)是當前化學工程與程序技術最重要的一個發展趨勢。藉由創新的裝置與技巧可提供鉅幅的改善,顯著地縮小設備體積、能耗與廢棄物之生成,進而導向便宜、安全與永續的生產技術。例如近年來歐美各國正積極研究微型反應器、微型混合器、微型分離器、微型熱交換器與微型分析器等。程序強化之具體作法包括:

 

1.多功能性反應(multifunctional reactors)裝置,如熱整合反應器、反應分離、反應射出、燃料電池等。

2.混合功能性分離(hybrid separations)裝置,如薄膜吸附、薄膜蒸餾、吸附蒸餾等。

3.替代型能源(alternative energy sources),如離心場、超音波、太陽能、微波等。

4.其他方法,如超臨界流體、動態反應器操作等。

 

運用成熟之化工原理與電腦輔助設計工具,本中心之研究著重於多功能性反應(multifunctional reactors)裝置與混合功能性分離(hybrid separations)裝置,尤其涉及薄膜分離技術之範疇。短期之研究項目包括:薄膜反應器、薄膜式蒸餾塔、薄膜式吸收塔熱泵。

 

能源系統工程電腦輔助設計

 

能源系統不論是非再生能源或再生能源,在構想建立後,下一步的工作即是整合設計,針對連續性或分批式操作,基礎設計或細部設計,在在都需要用到電腦輔助設計。電腦輔助設計的使用大大的節省了計算的時間,同時在準確度上也有所保障。

茲列舉幾種世界知名的電腦軟體於後:

1. 程序設計與模擬-ASPEN PLUS, ASPEN DYNAMICS

2. 程序最適化-GAMS, LINGO

3. 程序流程圖-VISIO

4. 換熱器網路設計-SUPERTARGET

5. 計算流體力學-FLUENT, FEMLAB

6. 其它常用軟體-MATLAB, POLYMATH

化工程序的設計與改良,是化工產業升級與發展的重要關鍵。早期我國之製程技術多由外部購入,但隨著國內技術提升,以及電腦輔助設計的發展,已逐漸邁向自行研發或改良製程的方向發展,近年來極受重視之清潔製程及省能源製程即為明顯的例證。在改良新製程的發展上,電腦輔助設計與化工基礎研究之配合固然重要,但觀念設計(conceptual design)的原理及其應用,才是發展清潔、 節能及高效率製程的關鍵技術。應用觀念性設計原理,改良製程中能源使用方式,節省製程用水需求量,並發展程序最適化技術,使設計軟體的效能提升,並配合國內化學工廠實際案例,分析並改良其現有程序,藉由產學合作達到提升我國化工效率與國際競爭力的目標。

 

創新能源利用研究.

 

開發能源做為原物料資源之創新技術,以提升能源之利用價值。研究對象為化石能源中蘊量豐富者。

 

微燃料處理系統

 

質子交換膜燃料電池作為可攜式電源,其能源密度可達鋰電池之7~8倍,在成本逐漸降低之下,已成為取代傳統電池之最佳選擇。然而燃料供應是必須克服的技術問題,由於直接供應氫氣之困難度與危險性,使用直接甲醇燃料電池與使用液態燃料經臨場(in-situ)重組產氫是主要的兩種作法。其中後者,利用已成熟發展之IC製造技術,可藉由製造各種微尺寸裝置,如微反應器、微熱交換器、微混合器等,將之整合為一個小巧的臨場(in-situ)燃料處理系統。

由於甲醇蒸汽重組微燃料處理系統作為燃料電池之可攜式電源具有極高之可行性,系統之能源利用效率有賴於個別裝置設計,以及由個別裝置所組合而成的整體流程設計。目前已有許多研究機構提出不同的設計與實驗結果,然而,文獻上尚未見對此系統之全面性探討。本計畫之目的在於針對甲醇蒸汽重組微燃料處理系統自個別裝置,以至整體系統流程,利用模擬工具進行設計與操作之最佳化研究。

本計畫之第一階段將利用計算流體力學軟體探討微技術燃料處理系統所使用各種主要微裝置,包括主要之微熱交換器與微反應器,以掌握各微裝置不同設計之性能特性。第二階段則擬運用第一階段之成果,使用程序模擬軟體探討不同的流程設計的系統整合性能,包括動態特性與控制/操作策略。

Top

綠色分離程序

 

隨著生物技術、食品工業、製藥技術與電子工業的快速發展,精密分離技術的重要性亦日益突顯。雖然正確的選擇分離程序可以提升產品的品質與降低生產成本,然而,如何兼顧環境的維護,已經變成永續發展的必要選項,因此省能源、高效率、低污染之綠色分離程序的研發是非常重要的。一般在精密分離程序中,所遭遇的分離對象不外乎生物細胞、蛋白質、超微粒子或乳化物等。這些可變形或高彈性的膠體或巨分子為相當難分離或純化的物質,而其分散介質又常為高黏度的流體,故薄膜過濾、離心分離、粒子凝聚等綠色程序由於不需添加額外的化學藥品,故極具競爭力。然而這些難濾的物質在過濾的過程中,極容易於濾材表面形成一阻力極高之類膠質層,即使其厚度甚薄,亦會導致嚴重的濾速衰減。故若操作條件的選擇稍一不慎,便反而導致浪費能源、增加生產成本。為了發展省能源、高效率、低污染之綠色分離程序,本主題之研究項目包括:薄膜過濾(微過濾、超過濾、奈米過濾)、薄膜萃取、高速離心分離、水旋風分離。

 

程序整合

 

太陽能驅動式海水淡化系統

 

有鑑於太陽能利用的可行性及解決水源不足的問題,利用薄膜蒸餾之太陽能驅動式海水淡化系統對許多國家來說是個刻不容緩並且越來越受矚目的技術,這些國家其中也包括了台灣。本計畫的目標為針對太陽能薄膜蒸發海水淡化程序,發展一套關鍵的應用技術及進行其經濟上可行性的評估。本計畫的研究主題包括了高疏水性薄膜的研發、太陽能集熱設備之吸收塗膜之研發、作為提供電力來源之光電元件之研發、高效率薄膜蒸餾模組之研發、程序設計與其最適化與系統之質能整合及經濟評估與政策研究等。因此,本研究團隊集合了包括材料科學、材料工程、化學工程與經濟學的研究人才,以期完善此計畫。

 

氫氣合成程序

 

氫氣扮演二十一世紀能源最主要攜帶者的角色,直接使用氫能的系統具有高能效與環境友善的優點。燃料電池即是使用氫能的最佳範例。未來氫能將廣泛被應用於交通運輸、電力供應、建築物能源系統與工業製程等。各國政府與主要廠商均已著手致力於氫能相關技術之研發,氫能電廠、汽車、巴士與飛機等已陸續出現。氫氣的產生可以由化石燃料、生物質、水等,而生成氫能所需的能源亦朝向可再生能源(Renewable Energy)發展中。然而在2030年之前,氫氣之主要來源仍是化石燃料,因此自化石燃料合成氫氣之程序仍具高度重要性。未來若轉由生物質生成氫氣,其合成程序仍將與自化石燃料者相類似。氫能應用另涉及氫氣輸送、儲存與使用時之安全性課題。本中心針對氫能應用係聚焦於自化石燃料合成氫氣之程序設計與安全問題,包括氫氣生成之薄膜反應器的設計、氫氣合成程序之能源整合與氫氣輸送、儲存與使用之安全。

 

薄膜反應器之多目標最佳化-甲烷重組製氫與二氧化碳回收製甲醇

 

氫能之利用發展快速,雖然氫氣之製造來源多樣,未來數十年內自化石燃料衍生物,尤其是甲烷,生成氫氣仍將為最重要途徑之ㄧ。二氧化碳作為最重要之溫室氣體,經由與氫氣反應合成甲醇,以做為燃料或石化原料,是較之予以封存更具積極意義之回收利用。此二系統在化工領域雖均已有成熟技術存在,包括反應觸媒與反應器之設計,然而,薄膜反應器之出現賦予了大幅提升程序性能的契機。

薄膜反應器是結合薄膜分離與反應雙重功能之設計,屬於化工新領域,『程序強化』(Process Intensification)之ㄧ重要應用。透過具選擇性分離功能之薄膜,將反應生成物在生成之時立即與反應物分離,可克服熱力學之平衡限制,大幅提高反應之轉化率,並可大幅簡化反應下游之分離系統,降低投資與操作成本。此一設計之關鍵技術在於適當的薄膜之存在。就製氫系統而言,鈀膜對氫氣之分離選擇率幾乎達100%。就製甲醇系統而言,近年已有使用杜邦Nafion®薄膜之可行性研究,實驗結果為可行。可預見地,薄膜反應器必將被應用於甲烷重組製氫與二氧化碳回收製甲醇兩個未來能源新利用技術之重要相關程序。

為建立甲烷重組製氫與二氧化碳回收製甲醇兩個系統之薄膜反應器的量化設計依據與性能指標間之相互妥協特性,本計畫之構想是利用文獻上對此二反應系統已建立之反應動力學與薄膜性能,針對兩個系統分別建立嚴謹之薄膜反應器數學模式,進而就典型之薄膜反應器設備尺寸進行多項性能指標之同步『多目標最佳化』。

 

IGCC發電技術之程序設計暨系統整合

 

目前全球溫室效應的影響愈來愈嚴重,其中以燃燒化石燃料 (Fossil Fuel) 的發電廠所製造的二氧化碳最多,影響全球氣候變遷甚大。全球暖化是既定事實,想要妥善因應,能源科技與政策的革新勢在必行。由於在可見的未來,便宜且藏量豐富的煤仍會繼續帶給我們電力,但我們能防止它破壞環境嗎?針對燃煤電廠,我們認為:(1) 燃煤發電應是十分普遍,但燃煤發電會產生大量的二氧化碳,對氣候造成影響,也是不爭的是實。(2) 與傳統發電廠相比,新式氣化電廠回收二氧化碳的效率較高,價錢也較可接受,有助於二氧化碳安全封存於地底下。(3) 世界各地都必須盡早開始二氧化碳的捕獲與封存,方能有助於減緩全球暖化。

本研究計畫擬針對「IGCC 氣化複循環發電技術之程序設計暨系統整合」進行研究: (I) 空氣分離與CO2捕獲/封存之設計與整合;(II) 複循環動力廠與熱能回收之設計與整合。研究可能成果包括:(1) 煤碳利用,(2) 淨煤技術,(3) 二氧化碳之排放減量,(4) 綠色產業政策規劃等。

 

光電材料

Top

光電薄膜

 

溶膠-凝膠法製備有機-無機混成薄膜

 

淡江大學能源與光電材料研究中心多年來對於光學薄膜的研究著墨甚深,致力於開發以溶膠-凝膠法製備有機-無機混成薄膜。參與的研究人員注重團隊合作與經驗分享,在此研究領域已組成堅強的研究團隊,以及豐富的研究經驗,近五年研究發展成果如下:

 

感光性二氧化矽-聚醯胺酸混成低介電薄膜

 

利用溶膠凝膠法製備感光性聚醯胺酸/二氧化矽/感光性單體DMM低介電薄膜,先利用光聚合方式使混成薄膜固化,並於熱亞醯胺化過程中使poly(DMM)裂解,進而使PI薄膜產生奈米級孔洞,此結構明顯提升PI薄膜的介電常數至1.82,並由於二氧化矽的添加使熱膨脹係數1降至約15 m/moC250 m/moC

 

感光性二氧化鈦及二氧化矽溶膠在抗反射光學薄膜的應用

 

以溶膠-凝膠法製備奈米二氧化鈦溶膠,並以偶合劑在溶膠表面產生感光性官能基,製備高折射率二氧化鈦混成薄膜。製程可實用化,在塑膠及玻璃上塗佈,折射率達1.77。結合感光性奈米二氧化矽溶膠,研發雙層抗反射光學薄膜,低折射層達1.49而高折射層達1.76,在500-600 nm波段反射率<1%

 

感光性二氧化矽-高分子混成抗污抗眩光雙效光學薄膜

 

利用溶膠凝膠法製備20-200 nm不同大小的二氧化矽奈米粒子,並以矽烷偶合劑進行表面改質製備感光性二氧化矽-高分子混成薄膜,含不飽合雙鍵之矽氧烷可提供塗料感光性及增進有機-無機物之間的相容性,而含氟矽氧烷可以輔助抗污,最後探討不同大小及含量之二氧化矽奈米粒子對薄膜光澤度、霧度、穿透度的影響,以配合產業需求。

 

感光性二氧化鋯-高分子混成抗靜電光學薄膜

 

利用溶膠凝膠法製備二氧化鋯-MAA奈米粒子,再利用含不飽合雙鍵之矽氧烷偶合劑進行表面改質提供粒子感光特性,接著導入感光性多官能團壓克力製備紫外光硬化光學薄膜。結果顯示二氧化鋯粒子在溶膠及薄膜內均分散良好,薄膜硬度可達9H表面電阻值介於1×105 Ω/cm2-1×1012 Ω/cm2達到商用標準。

 

奈米二氧化矽改質負型壓克力彩色光阻之製備

 

利用自由基聚合法合成BZMA-MAA-HEMA三成份壓克力共聚物作為彩色光組結合劑,接著利用水解縮合程序(sol-gel process)製備之奈米粒子,將一粒徑小於10 nm二氧化矽顆粒併入其中,不僅可均勻分散在阻劑中更因其結構含有反應性雙鍵,於紫外光硬化過程中可與感光性材料產生交聯結構,若其導入量控制於15 wt%以下時,解析度尚可控制於10 μm以下。相較於傳統高分子光阻,奈米粒子改質型彩色光阻的硬度及熱穩定性已大幅提昇。

 

高折射率聚亞醯胺-二氧化鈦混成薄膜

 

以可溶性聚醯亞胺及聚醯胺酸酯製備不同結構與組成的聚醯亞胺-二氧化鈦混成薄膜,折射率可達1.81,並具備優良的耐熱性質,顯示聚醯亞胺-二氧化鈦混成薄膜具有光學薄膜及光學元件的應用潛力。

 

聚亞醯胺-奈米金奈米複合薄膜

 

製備含硫醇側基的聚亞醯胺高分子,與奈米金粒子鍵結形成聚亞醯胺-奈米金奈米混成薄膜,使其具備光學元件應用的潛力。而將奈米金粒子塗佈並吸附在含硫醇側基的聚亞醯胺高分子基材上,可製備多層化聚亞醯胺/奈米金複合薄膜,具備光學元件應用的潛力。

 

高效能紫外線遮蔽高分子-二氧化鈦混成薄膜

 

以溶膠-凝膠法製備含鈦錯合物的二氧化鈦與聚胺基甲酸酯及聚甲基丙烯酸甲酯的混成薄膜,改善傳統紫外線遮蔽薄膜吸收率不足的問題。混成薄膜對紫外光吸收強度及折射率,隨二氧化鈦含量增加而增加,在可見光的透光率可達90%以上。二氧化鈦-聚胺基甲酸酯混成薄膜,二氧化鈦含量40 wt.%,在5 m厚度下的UPF值達400;二氧化鈦-聚甲基丙烯酸甲酯混成薄膜,二氧化鈦含量30 wt.%,在5 m厚度下的UPF值可達150

 

高效能近紅外線遮蔽高分子-鎢化合物混成薄膜

 

具高效率近紅外線遮蔽效果的環氧樹脂壓克力-鎢錯合物混成薄膜,添加鎢18 wt.%20 m厚的塗膜,可見光/近紅外線的平均穿透率為81/30。而利用化學沈澱法製備氧化鎢水合物,利用還原反應使部分鎢還原,使其具近紅外光吸收能力,將其摻混到高分子樹脂中進行塗佈可製備透光且吸收紫外光與近紅外光的塗膜。此製程不經過高溫燒結與機械分散。塗膜可見光穿透度>50%時,紫外光遮蔽率>84%,近紅外光遮蔽率>81%。此外直接利用氧化鎢水合物吸收紫外光產生近紅外光吸收,可見光穿透可節省照明用電,近紅外光遮蔽可節省冷氣用電。此方式為太陽光紫外光驅動,不必再消耗能源,且同時達到紫外光遮蔽效果。

 

(3,4-乙烯基二氧噻吩)-(苯乙烯磺酸鹽)-奈米白金對電極染敏太陽能電池應用

 

利用導電高分子PEDOT:PSS混摻奈米白金,取代傳統濺渡白金對電極。此製程不需經高溫製程,適合塗佈於塑膠基材上,並可借旋轉塗佈控制厚度。目前在染敏太陽能電池應用中光電轉換效率達3 % 以上。

 

Top

 

光學薄膜於綠色建築節能之應用

 

綠色建築中建築節能是最重要的一環,太陽光所導致之空調用電是建築空調用電的一半,因此隔熱省電節能相當重要。窗戶隔熱膜在建築節能產品中具有極高的節能潛力。全球暖化及能源短缺是本世紀人類要積極面臨的問題,開發有效阻隔近紅外光並具有高可見光穿透率的產品,在節能的領域是重要的研究課題。除了有近紅外光吸收性質的有機類與無機類添加劑之外,變色材料在綠建築門窗玻璃的開發應用上將扮演重要的角色。電致變色材料運用在商業大樓的玻璃窗上相當廣泛,不過在製備與應用上並不容易,且對於節能來說,仍要消耗電能來達到阻隔近紅外光的效果。所以本計劃擬採用光致變色材料,利用太陽光中紫外光的照射,造成光致變色材料顏色的變化,以阻隔近紅外光的照射,降低室內照明所消耗的電量,以達到節省能源的目的。

 

光電陶瓷

 

光電陶瓷材料

 

近二十年來電子、資訊、通訊、光電、生化、航太、精密機械等高科技產業在國內蓬勃發展,光電與電子科技在其中應用層面最廣,一直被列為國家重點科技發展項目之一。光電科技應用的領域相當廣泛,有光儲存、光輸入、光輸出、顯示器、光電轉換、微波通訊、光學元件、氣體濃度偵測、燃料電池應用等等。精密光電陶瓷材料因其高功能性、性質多樣性、耐溫性、化學穩定性等特點,於電子及光電產業發展中扮演著舉足輕重的地位。光電陶瓷材料種類繁多,如TiO2ZnOGaNSnO2CdSBa-La-Ti-O系列材料、Ba2Ti9O20等等,近幾年的相關研究有朝向半導體光催化性、氣敏性與傳感器、新型能源應用、通訊傳輸材料等方向之趨勢。因應產業環境的改變,將以具機動性、時效性與彈性的研發組織與技術來進行相關前瞻技術與產品之研究開發或提升相對應研發技術的競爭力並協助業者尋求下一波產業新契機。新世代光電陶瓷在光電元件的應用有:光觸媒、導電陶瓷、氣體感測、微波介電材料等奈米粉體或薄膜;新世代光電陶瓷在能源元件的應用有:太陽能電池與燃料電池組件等。

 

LED發光二極體製作

 

在白光固態照明的發展上,1907 H. J. RoundElectrical World中發表了第一篇關於LED的發現。1962年任職於美國GE公司Holonyak等人製作並發表首顆GaAsP紅光LED,然而直到1990年代末期,LED才開始跨入照明領域。目前主要照明用途光源:住家照明使用鎢絲燈(Tungsten Incandescent Lamps)或高效率小型日光燈(Compact Fluorescence Lamp, CFL),工作照明則多使用日光燈(Fluorescence Lamp),街燈多使用鈉燈(Sodium Lamp)。白光LED 1996年首次由Nichia公司提出,以InGaN blue 460 nm ~ 470 nm激發 Yttrium-Aluminum Garnet (釔鋁石榴石,YAG):Ce3+(5d傳輸到4f軌域)黃色(555 nm)螢光物質而達成。2001Nichia的白光LED發光效率已經可以達到20 lm/W,演色係數(Render Index, Ra)約為75~80,色溫範圍約為5000~6500 K,在2004年發光效率則可以達到74 lm/W(實驗室階段)2009年初,Nichia更進一步發表了249 lm/W的驚人數據(20mA),成為目前的世界記錄,我們相信LED照明在不久後將取代大部分的白熾燈泡與日光燈。白光LED遲至1996才問世主要是受限於藍紫光LED之缺乏,而藍紫光LED的問世可說歷經波折,直到1990年代初期經由NakamuraAkasaki等人的努力才出現一線曙光,並帶來下一世代新照明光源的契機。目前白光LED已廣泛地應用在手電筒,LCD背光源甚至車頭燈等地方,但離要普及在照明或是投影機等較大輸出還是有一段很長的路要走,最主要的原因就在於封裝散熱問題難以解決,造成能量浪費在熱散失上,導致大功率輸出不易。此外,過多的光被全反射效應侷限在GaN層的內部造成發光效率的低落也是亟待克服的主題。是以我們的研究主要著重在:1. 增加光取出。2. 改進p型接面接觸電極的熱穩定性和電性。3. 製作新型的LED結構改善散熱問題。如此一來,將可大幅降低LED的發光成本,而實現LED廣泛應用在照明上的目的。

 

利用圖形化氧化鋁(sapphire)基板和表面粗化技術來增進光取出效率

 

以目前LED而言主動層(active layer)的量子效率(quantum efficiency)幾已達到研究成熟的階段,故亮度的高低將主要取決於光取出效率(light extraction efficiency)。一般而言光取出效率的損失主要來自於active layer所發出的光有大部份在LED內部全反射所造成。如要克服全反射的問題,LED表面粗化和圖形化氧化鋁基板的製程是為較佳的解決方式,而要造成粗糙的LED表面有許多種方法,但大部分須由後製程來進行,但對GaN LED以後製程來造成粗化表面,易造成電特性的改變。一般而言,利用磊晶成長條件之控制以獲得之表面粗糙化,乃在長晶之前,其基板先經由蝕刻方式對其基板表面進行處理然後再進行磊晶成長,以此方式將可形成微型粗糙表面,藉由此方式將可提高其光取出效率,即是圖形化基板的技術。本研究團隊曾經對sapphire磊晶基板的蝕刻做過深入的研究,擁有以酸式蝕刻的方法來製造粗化磊晶層的技術,更進而申請這方面的專利,此外,另一方面的技術也能精準的利用後製程在GaN表面作粗化,兩個技術結合將大幅增加LED之光取出。

 

以高導電性、穩定性合金取代傳統p型接面接觸電極

 

 研究可以和GaN形成低電阻率之ohmic contact材料如Al:ZnO(AZO)或是一些透明超導材料如CuAlO2LaCuOSNiOCuGaO2SrCu2O2等,來取代目前以NiO/Au為主要的歐姆接觸層,而這些新型透明導電層未來將也能應用在下一世代之UV LED的製作。

 

Thin GaN技術與結構開發

 

Thin-GaN LED結構為目前世界上最先進的LED製作技術,本研究團隊目前已確實的掌握最先進的製作Thin-GaN LED的技術,更在台灣擁有多篇相關專利。此一製程大致上可以分為三個部分,包括(1)金屬墊層的開發及其反應機制研究。(2)晶圓接合的製程開發與可靠度測試。(3)不同基板之晶圓鍵合。在第一部份中主要開發一多功能性的金屬墊層,使其能夠同時具有良好的歐姆式接觸,反射效果以及高強度的鍵結,再進而研究其熱處理之後各金屬墊層之間的反應擴散機制是否會影響歐姆式接觸及鍵結強度。第二部分中,我們開發一可行的低溫製程來鍵結矽晶圓基板與氮化鎵發光層,並利用SEM剖面分析與拉伸測試儀器來進行鍵合之後的可靠度試驗。而在第三部分裡,嘗試以矽鍺晶圓來取代矽晶圓作為整個LED之封裝基板,此製程乃是利用Au-Si-Ge三成分共晶鍵合,故可以更進一步地降低鍵合溫度。此外,本團隊所開發出的利用不同鍵合條件來改變LED材料的內應力以改善發光效率更是世界上所獨有的技術,我們藉由外應力改變了磊晶層的的壓電場,造成反極化現象,初步已證實能有效地提升LED的發光效率。

Top

功能性高分子

 

功能性高分子薄膜

 

薄膜一般較為普遍的定義是一分離兩相且具有選擇性的高分子膜狀屏壁物,此選擇性即可達成濃縮、純化及分離等目的。薄膜可利用高分子、金屬、陶瓷等材料來製作,而高分子薄膜則因其結構豐富,故應用範圍也最廣,如氣體分離、海水淡化、食品濃縮、血液透析、藥物釋放等。多孔型薄膜依其結構一般又分為兩類:(1)均質薄膜,此類薄膜上下表面及截面孔隙結構均勻,其主要用途是微過濾,若薄膜疏水性佳,則也適用於薄膜蒸餾程序;(2)非對稱型薄膜,此類型薄膜之主要特徵為其上表面有一緻密皮層,主要用途則為超過濾、奈米過濾及逆滲透。多孔型薄膜之製備方式有很多種,如:燒結法、拉伸法、熱誘導相轉換法、溶劑揮發所引起的相轉換法等,工業上最常以浸漬-沈澱法來製膜。

而藉由電漿轟擊,可將薄膜表面活化,而使帶雙鍵單體聚合接枝於薄膜表面。如將聚丙烯酸接枝於薄膜上,首先將薄膜照射電漿生成自由基,接著將薄膜曝於空氣中,產生過氧化基,然後將薄與丙烯酸接觸引發聚合反應。結晶型高分子適合於製作各種精密分離用薄膜,已商品化者如Millipore公司的PolysulfonePVDF微過濾及超過濾薄膜、Pall公司的Nylon-66Cuno公司的Nylon-6微過濾薄膜等皆為典型例子;然而欲使用商業化薄膜,進行精密分離程序之開發研究則會面臨幾個問題:(1)薄膜孔隙結構受限制,對於同一高分子而言,商業化薄膜往往僅供應一種結構,因此無法研究薄膜孔隙結構對分離程序的影響;(2)薄膜之性質難以更改,商業化薄膜無法藉由添加物改變其整體性質,因此對於某高分子所製作之薄膜而言,通常僅有單一用途;(3)商業化薄膜非常昂貴,動則以萬元計。基於解決上述問題,本研究乃致力於新型薄膜之開發。從經濟效益來看,薄膜是單價極高的產品,而其生產成本卻相對很低,且其應用範圍隨著科技發展及生活品質提昇,愈來愈廣泛,實在是值得開發的一項高科技產業;然而成功的生產薄膜相當困難,關鍵在於成膜的穩定性,及薄膜結構的控制,因此本研究除了製作各種結構膜材,提供相關應用計畫使用外,也探討成膜機構;事實上,也唯有充分了解薄膜成型原理,才能順利開發新型薄膜。

薄膜實驗室近五年主要研究成果說明如下:

薄膜奈米結構之觀察與分析:利用場放射電子顯微鏡,於低電子加速電壓(e.g., 0.5-2.5 KV)下,觀察未鍍金或微量鍍金(e.g., 0.5-2 nm)之薄膜樣品,可獲得其奈米結構資訊,例如奈米孔、奈米層、晶片堆疊、晶片厚度等。

配製製膜液的溫度對薄膜構造之影響:以恆溫浸漬-沈澱法製備結晶型高分子薄膜膜時,製膜液之溶解溫度對所形成薄膜之孔隙結構與孔隙尺寸有相當大的影響;對於辛醇-DMF-PVDF系統而言,低溫溶解之製膜液所形成薄膜,其結晶顆粒與孔隙尺寸遠小於高溫溶解者,例如50 oC溶解之製膜液所製作之薄膜其結晶顆粒大小約為0.5 m,而當製膜液在110 oC溶解時則變成15-50 m,因此我們可以利用這個特性來控制薄膜孔隙結構。

薄膜後續熱處理之效應:將PVDF薄膜在略低於結晶溫度下作退火熱處理(annealling),可大幅改善薄膜之抗張強度。以辛醇-DMF-PVDF系統所製薄膜為例,在經過高溫長時間退火後,可提高薄膜之抗張強度達數倍之多。

PVDF/PMMA複合薄膜之製備:PVDFPMMA兩者相容性佳,因此可利用浸漬沈澱法來製作多孔型複合薄膜,兩高分子間並不會有嚴重相分離情形。所製薄膜之孔隙結構相當多樣化與純PVDF薄膜有所差異,也可得到網狀交穿式孔隙結構。此外由於PMMA的導入,降低PVDF疏水性,因而改善了過濾過程中的結垢問題。

多孔型薄膜固定DNA:利用不同孔隙結構薄膜作為基材,在其表面以電漿誘導法接枝聚丙烯酸或聚甲基丙醯酯環氧丙烷,再將DNA以化學鍵結方式固定於薄膜上,使薄膜具有捕捉紅班性狼瘡抗體的能力。

薄膜之神經細胞培養:利用不同孔隙結構PVDF薄膜作為基材,在其表面固定L-lysine,並用於培養神經細胞,發現多孔型薄膜有較高固定量,也較適合神經細胞之貼附、分化、生長,故可為一有用的細胞培養材料。

生物可分解性高分子PHB 薄膜之製備與應用:製備具有生物分解性高分子(PHB)之多孔性薄膜,並於薄膜表面進行化學修飾改質,再將各種不同孔隙結構或化學組成之薄膜用於細胞培養,並觀察細胞之貼附與成長情形,開發出新型生物可分解性生醫用膜材。

Chitosan/PAA/PEGDA抗菌型複合薄膜之製備:利用UV-curing 技術在poly(acrylicacid)/poly(ethylene glycol) diacrylate複合薄膜上生成Chitosan/poly(acrylic acid) 奈米薄層,此薄層具有優良的抗菌能力。

奈米級黏土/ PMMA複材之骨水泥應用:以熔融插層法將PMMA插入膨潤土製作奈米複合材料,並將其用於骨水泥之配方,以提昇骨水泥機械強度。

 

高分子-無機混成及複合材料

 

有機-無機混成及複合材料因同時具備有機與無機材料的優點而得到廣泛的研究與應用。近年來由於光電產業和奈米技術的發展,奈米級有機-無機混成及複合材料在介電層、光波導、發光元件、光電薄膜、分離薄膜,以及封裝材料的發展潛力成為熱門的研究方向。奈米級混成及複合材料在性質上的要求,除以往所重視的機械性質、耐熱性質及使用壽命外,介電常數、折射率、反射率等光電性質,以及表面能、吸附性、透氣性、熱傳導係數等也是考慮的重點。其中許多高分子可以利用光起始聚合,增加了製備高分子-無機混成及複合材料的變化性與便利性,可應用在新世代積體電路、平面顯示器、太陽能面板、電子構裝與燃料電池等項目。

多種高分子,如聚丙烯酸甲酯、聚胺基甲酸酯、聚亞醯胺、環氧樹脂等與二氧化矽或二氧化鈦等無機氧化物的奈米級混成及複合材料已在研發及應用。這些混成及複合材料可製備各式光學塗膜,如高折射率、抗反射、抗眩光、紫外光遮蔽、擴散膜、保護膜等,應用於平面顯示器及其他光學元件,同時在光電元件的封裝材料亦有很大的發展潛力。高分子-金屬錯合物,如高分子-鈦錯合物或高分子-鎢錯合物混成材料,可分別利用於紫外光及紅外光遮蔽薄膜,應用於建築及交通工具的遮蔽薄膜與太陽能集熱吸收薄膜。高分子-奈米金屬複合材料,具備特殊光電、機械、催化與其他性質,如高分子-奈米金奈米複合材料或高分子-奈米銀奈米複合材料,將來在光電、民生、生醫各方面將有突破性的發展與應用。

 

 

自我組裝奈米模板技術製備多孔性高分子   

 

利用奈米模板的技術來製備多孔性高分子,是近年來熱門研究領域之ㄧ。舉例來說,以團聯式共聚合體(block copolymer)為模板,利用體積分率的不同,形成層狀、柱狀或球狀等週期性微觀相分離結構,若選擇性地將其中一相高分子用物理化學方式將之分解,可製備出不同奈米孔洞結構的高分子材料。此方法的缺點是在於共聚合物的製備困難;因此,有人提出比較簡單的製備方式,例如直接將自我組裝奈米模板放入能形成高分子的單體中,之後將單體聚合成高分子,再將模板分解去除製備出孔洞高分子。這些合成出來的多孔奈米結構高分子,可以被廣泛應用在如多孔洞薄膜的製備、化學催化反應、色層分析儀的靜態相與化學或生物感應器等。綜合許多文獻,我們將模板合成多孔性高分子的技術,分為以下五種: 1.分子拓印技術2.膠體晶體模板技術3.微胞模板技術4.液晶模板技術5.有機膠模板技術。分子拓印技術通常是利用具有高度選擇辨認能力之小分子為模板,如氨基酸(amino-acids)、糖(sugars)與類固醇(steroids)等。分子拓印的製備是利用共價鍵結(化學鍵)或非共價鍵結作用力(離子對,氫鍵作用)將模板分子與特定的官能基單體做為分子辨識的依據。膠體晶體模板技術,與分子拓印技術類似,但是有較高的堆積密度。膠體晶體模板之性質通常很脆,早期的研究是用無機材料為模板,如二氧化矽等,之後也開始使用有機乳膠粒子為模板。微胞模板技術,利用界面活性劑(surfactants),在有機溶劑中添加少量的水後會自我聚集成球狀,之後將有機溶劑改成單體,再將單體聚合後可得到多孔性高分子。與前面兩者不同的是微胞模板技術,在聚合反應過程中,水會消失不見造成孔洞,不需要利用溶劑將模板洗掉。液晶模板技術,如液向性液晶,其自我組裝形成的結構有球形、圓柱型或是層狀等,能製備不同結構的孔洞高分子。有機膠模板技術,將膠化劑分散在單體中,使其形成有機膠,再將單體聚合成高分子,最後再將有機膠利用溶劑去除,製造多孔性高分子材料。此種技術與前面不同的地方是有機膠被洗掉後所得到的孔洞是圓柱型孔洞,不是一般經常得到的球形孔洞。

 

 

綠色高分子材料

 

由於社會大眾對環境品質的要求和環保意識的提升,以及企業界必須建立永續經營的理念,未來產業的發展將以「綠色產品」及「清潔生產」為主,綠色工業將成為人類最主要的產業政策。根據統計,全球每年所生產的塑膠製品達到一億五千萬多噸,主要的產品包括聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚酯、尼龍和其他工程塑膠等。這些塑膠製品帶來人們生活上許多便利和舒適;但是大部份的塑膠都極為安定,經過相當長的時間也不會分解,使得全球解決塑膠廢棄物之呼聲日益增高。在塑膠廢棄物目前無法有效資源回收再利用的時候,而對於掩埋與焚化處理皆有問題的今日,塑膠垃圾減量與發展生物可分解性塑膠就成了刻不容緩的工作。著眼於未來龐大的市場,國外MonsantoCargill Dow PolymersNovamontBayerShowaWaner-lambertShimadzuProcter & Gamble等國際大企業目前皆已投入非常龐大的資金在發展生物分解性塑膠材料,並且部份已經有商業化生產,譬如購物袋、垃圾袋、餐具、洗髮精瓶子、農業用覆蓋膜以及一些醫療用品等。

所謂生物分解性高分子必須在產品使用期間,提供足夠的性能;而在廢棄後,會被微生物分解、消化,最後產生二氧化碳和水。微生物如細菌(Bacteria)、真菌(Fungi)和藻類(Algae)等會分泌酵素來攻擊高分子,在高分子表面上形成許多小孔,提供更多微生物進入內部的途徑,整個過程將使高分子劣解成小碎片;一旦分子量降低至某一值時,就會被微生物完全消化。為了使生物分解過程能夠進行,必須要有: (1)微生物的存在;(2)足夠的氧氣、濕度和礦物質養分;(3)適當的溫度,約在20-60oC,視微生物的種類而定;(4)適當的酸鹼性環境,pH值在5~8左右。除了這些條件外,生物分解能力取決於高分子的結構和形態,也和表面有關,因為分解過程的第一步是微生物附著在高分子的表面上,因此譬如表面張力、表面結構和孔隙度等都有關係。生物分解性塑膠大致可分為(1)天然高分子系(2)化學合成系及(3)微生物系等三大類。天然高分子來源豐富而且價格便宜;化學合成系則有產品多樣化,可以大量生產的優點;微生物系最符合清潔生產,材料純淨,生物分解性優異。每一種生物分解材料均有其應用,應該針對其特性來發展市場,避免造成消費者之疑慮。在經濟發展與環保兼顧的條件下,生物分解性塑膠的應用將隨著其自身性能的完善和價格的降低而逐步擴大,預期未來市場前景應具發展潛力。

Top

翰可國際公司

阿克蘇諾貝爾長誠公司

岱稜科技股份有限公司

美騰能源集團

虹智精密股份有限公司

國森企業股份有限公司

光群雷射科技股份有限公司

伯馬企業有限公司

 

Copyright© 2010 All Rights Reserved by 淡江大學能源與光電材料研究中心  2011-02-24
  最佳瀏覽解析度1024*768
本網站由明宏資訊有限公司維護  維護人黃嘉宏 TEL:02-27734111 email:james@myinfogenie.com