淡江大學化學工程與材料工程學系碩士班學位論文
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本研究對丁基乳膠摻混奈米級黏土，使奈米黏土於橡膠機材中，達到奈米級分散即剥層(exfoliation)或插層(intercalation)之結構，故將利用奈米球磨機先將奈米黏土乳化分散再分別以乳膠法(Emulsion)與共凝聚法(Co-coagulation)的方式製備丁基橡膠之奈米黏土複合材料，最後將複材進行加硫得到奈米橡膠成品。 研究之基材為丁基橡膠，運用丁基橡膠乳膠進行乳化摻混實驗，再以XRD、TEM分析黏土之分散性，發現乳膠法與共凝聚法所得之複材結構不同，另以DMA、TGA測定其在不同黏土與相容劑比例下的熱性質改變，再利用透氣性分析儀分析阻氣性提升率，其中以乳膠法制備丁基橡膠複材(EmR-5)於DMA檢測Tg為-24.76oC，下降約 3 oC是由界面活性劑造成潤滑作用，熱分解溫度為(Td) 342 oC，Td值上升19oC可歸咎於黏土分散性佳，阻絕氧氣進入材料之入徑，而以共凝聚法製備上，其Tg及Td並無顯著改變顯示出黏土分散性不佳。最後，利用萬能拉力機比較各樣品機械性質的提升，以乳膠法製備之奈米橡膠其硬度測試較純料提高20%，而拉力提升約2倍。
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本論文使用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD) 軟體FLUENT配合一系列之使用者自定函數(User Defined Function, UDF)完成了自二氧化碳合成甲醇之填充床式觸媒反應器(Packed Bed Catalytic Reactor，PBR)與觸媒薄膜反應器(Catalytic Membrane Reactor，CMR)之三維模式模擬，模式納入了填充床球型觸媒顆粒反應器中(1)巨相之流力、熱傳與質傳；(2)觸媒顆粒內之流力、熱傳、質傳與化學反應；(3)巨相與觸媒顆粒間之流力、熱傳與質傳；及(4)薄膜兩側巨相間之流力、熱傳與質傳。流體速度限制於層流範圍。 透過模擬探討了反應器內部之特性分佈，包括壓力、速度、溫度與組成，並探討了參數之影響，包括觸媒顆粒孔徑、粒徑、操作壓力、進料流量、是否具薄膜與膜厚等。針對填充床之摩擦因子以及觸媒顆粒與巨氣相間之熱傳係數與質傳係數，本研究並比較模擬結果與文獻關聯式，結果顯示摩擦因子較吻合，熱傳係數與質傳係數則有極大差異。
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根據修正型阻力串聯模式，考慮濃度極化現象沿著薄膜管增加並透膜壓差、體積流率隨之下降，一組估算管式薄膜超過濾器局部和平均濾速之關係式可透過質量與動量平衡求得。在各種進料濃度、透膜壓差及體積流率等操作條件變化下，以Dextran T500水溶液在陶瓷薄膜管中的超過濾實驗為例，由10個濾液出口局部濾速的實驗數據證實了估算式的正確性，並進而討論濃度極化遞增造成濾速沿薄膜管的衰退。 接下來，我們在薄膜管中插入一鋼棒，於其上繞環，觀察改變繞環密度並沿管軸改變繞環間距對濾速的影響，並進行理論分析。結果顯示適當地調整繞環間距，藉以消除濃度極化的影響，並維持有效的透膜壓差，將可大大改善超過濾的操作效率。
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本論文提出一創新之裝置，係針對已提出之併合熱與物質交換薄膜模組(Hybrid heat and mass exchange membrane module)之修正設計。此設計使用殼管式多膜管裝置，液相以落膜方式於膜管外與氣相進行熱質傳，熱交換流體於膜管內與管外之氣相或液相進行熱傳。應用此設計之蒸餾塔，即HMEDiC (Heat and Mass Exchange Distillation Column)，屬於非絕熱(Diabatic)操作，可獲接近熱力學可逆之操作，提高能效。本論文針對氨水系統與苯－甲苯系統完成了HMEDiC之模擬分析研究。模擬分析使用Aspen Plus程序模擬軟體，配合以Fortran程式語言撰寫之嚴謹熱力學數學模式，並利用FLUENT軟體進行流力分析，決定最小膜厚。 針對氨水系統之分析結果顯示，在最小膜厚下，HMEDiC之熱能消耗低於填充式蒸餾塔。對氨水系統與苯－甲苯系統，具塔內熱交換之HMEDiC可操作於不具塔內熱交換時之兩倍進料流量，而單位進料之精餾段熱負荷、單位進料之氣提段熱負荷、單位進料之全塔可用能損失皆較低。HMEDiC之ㄧ重要特性為當進料流量固定時，並非膜厚愈小，產物純度愈高。當操作於具塔內熱交換之情況時，改變熱質傳係數之影響不大。
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本論文系將聚丙烯、黏土、碳黑利用熔融混煉法製備成PP/clay/cb之導電奈米複材。以表面電阻儀量測各複材的表面電阻係數；SEM觀察碳黑與黏土在高分子基材中的分散情形與複材的相形態；XRD確定黏土的剝、插層情形。 TGA測定各複合材料的熱裂解溫度(Td)；DSC量測複材的熔點(Tm)與結晶度的變化；DMA測定複材的固態機械性質；平板式流變儀測定複材的熔融態流變性質。結果發現PP/clay/cb複材中，經加工條件的確定，與各成份間的適當比例，可以少量的clay添加，使表面電阻大幅下降，且經由適當的相容劑的選擇與添加量，可提升複材的機械性質。並藉由各種測試的結果，探討其之間的相互關係以及對複材物性之影響。
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本研究分為兩部份，第一部份為以化學還原法製備含有羥基包覆的奈米金 (AuMUD)，使其外層具有-OH官能基，然後將AuMUD以不同重量百分比例掺入環氧丙烯酸酯中，使-OH基與C=O形成氫鍵，製成薄膜及厚膜。第二部份的研究為利用化學還原法製備出由MPS包覆的奈米金粒子(AuMPS)，再與poly(MMA-co-MSMA)作鍵結，並加入適量的水催化水解縮合反應，合成出具有共價鍵結的聚甲基丙烯酸酯-奈米金奈米複合材料。研究中並探討奈米金粒徑大小與比例對聚甲基丙烯酸酯-奈米金複合材料各種性質之影響。 本研究的獨特點為利用高分子與奈米金間的化學鍵結，製備固態的高分子-奈米金奈米複合材料或薄膜，提升奈米金在奈米複合材料或薄膜中的含量，並討論奈米金對於高分子結構與性質的影響，以增進其應用範圍。在研究中發現在AuMUD/Epoxy Acrylate奈米複合薄膜中，奈米金含量0.01 wt%時可得到優良的奈米金在基材分散性、最高熱裂解溫度、良好的疏水性以及硬度。在AuMPS/MMS奈米複合薄膜中，奈米金含量0.1 wt% (Au : MPS = 1 : 5)時，具有良好的奈米金在基材中的分散性、最高熱裂解溫度、高折射率以及良好之硬度。
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本研究利用一個三流體平板式薄膜模組作為具有混合氣液質傳與熱交換功能之裝置，進行薄膜模組作為純熱交換(水－水、水－水－空氣)與同時作為熱交換與物質交換(氨水蒸氣－氨水－冷卻水)之實驗，並在程序模擬軟體Aspen Plus之上，利用附加程式之方式建立此平板式薄膜模組之數學模式。 模式中採用文獻報導之四種熱質傳係數關聯式，以與實驗結果進行比較，並藉以探討模組內部之熱質傳特性，以及分析各操作條件與熱質傳係數改變對熱交換量與吸收量之影響。在純熱交換與併合熱與物質交換之情形下，各關聯式與實驗數據之吻合程度不同。針對氨水系統，熱傳阻力之分佈以多孔膜為最大，其次為氣相層，質傳阻力則以多孔膜為最小，氣相層次之，液相層稍高。 本研究透過實驗結果證實了此一併合氣液質傳與熱交換功能之裝置的可行性，以及所建立數學模式之適用性。
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本研究主要是討論薄膜萃取系統並導入回流系統之解析解研究，可分為理論分析與實驗兩大部分。理論部份是針對共軛格拉茲問題的薄膜萃取系統進行理論分析，利用分離變數法、正交展開法及特徵函數以及數解展開來求得系統中的二維濃度分佈式。本文假設流體於兩平行板間的流體視為性質均勻之不可壓縮流體完全展開之速度分佈，忽略軸傳導，且流體物性不隨溫度改變，層流流動，進而去討論引入回流比、薄膜位置及水相溶液的體積流率的影響，其結果皆與二行程無迴流的狀況比較。結果顯示對於迴流比、薄膜位置及水相體積流率的增加，系統的萃取量也會隨之提升。 本研究亦同時設計平板型薄膜萃取器實驗，並將其結果與二維理論值做比較，結果顯示二維質傳數學模型具有相當的準確性。