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黃淇釩
鄧琪倩
羅嘉洛
謝文鴻
方煦蕙
2009-10香港科學青苗獎(中學組)
殿軍
東華三院盧幹庭紀念中學
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CD 膠片,廢不廢? 引言:
電子廢物
從大型家用電器如電冰箱、空調到手機、個人 CD、電子電腦,電子廢物包含
一系列範圍廣泛且不斷增加的電子產品。電子廢物問題已經是嚴峻的危機,
有兩個主要特徵:首先電子廢物是有害的,在處理時會造成嚴重污染。其次
電子廢物正以驚人的速度增長,由於極容易過時淘汰,所以當電子工業不願
意承擔廢物處理的成本。
CD 光碟在日常生活中極為普遍,其本身含有聚碳酸酯(Polycarbonate)。用家
一般都會選擇用後丟棄,且每年丟棄的數量非常之大,故此我們選擇了循環
再用 CD 內的材料。
目的:
(i) 將 CD 碎片加入 2-甲基丙烯酸甲酯(methyl 2-methylpropenoate),在經聚合
作 用 希 望 形 成 一 種 新 的 聚 合 物 合 金(Polymer alloy) 或 聚 合 物 混 合 物
(Polymer mixture),籍此測試它性質的改變。
(ii) 加入碳黑(carbon black),籍此測試它的導電性。
(iii) 利用 CD 能把光反射的原理,製成太陽能加熱器 (solar heater)。
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第一部份:合成新的聚合物及測試其性質
(a) 實驗步驟
(1) 首先回收即將丟棄的 CD 膠片。
(2) 將即將丟棄的 CD 放入裝有 750 毫升,5 M 氫氧化鈉(NaOH)溶液的
燒杯中,加熱至 70 0C 並放置 4 小時,目的是為了去除 CD 表面的
鋁制層。
2 Al + 6 NaOH → 2 Na3AlO3 + 3 H2
(3) 沖水並洗淨可以得到透明的 CD 片。
3
(4) CD 片可以用剪刀輕易剪成碎片。
(5) 在一試管中,稱 0.1 g 的 CD 碎片,再加入最少量
的二氯甲烷(dichloromethane),放置 1 小時待所有
碎片溶解。再讓溶劑揮發掉。
(6) 然 後 在 同 一 試 管 中 加 入 4.0 g 的 2- 甲 基 丙 烯 酸 甲 酯 (methyl
2-methylpropenoate) , 再 加 入 少 量 的 過 氧 化 物 引 發 劑
(di(dodecanoyl)peroxide initiator)。
(7) 將 裝 有 反 應 混 合 物 的 試 管 放 入 Ultrasonic
Cleaner,加熱震動 2 小時,溫度保持在 60 0C,希
望 CD 內的聚碳酸酯鏈(polycarbonate chain)能夠和
2-甲 基 丙 烯 酸 甲 酯 (methyl 2-methylpropenoate)均
勻混合。
(8) 2 小時後,在溫度保持在 60 0C 的情況下,靜止放置試管 5 小時,以
便發生聚合反應(polymerization)。
(9) 5 小時後,拿出並敲碎試管,便可得到新的聚合物。
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(b) 測試能源消耗
我們利用萬用電錶量度使用 Ultrasonic Cleaner 7 小時的耗電量。結果顯
示一次實驗用電 0.4 度,所需電費 $ 0.36.
Ultrasonic Cleaner
使用前 2 小時後 5 小時後
電錶讀數 00036.2 00036.3 0.0036.5
用電度數 / 00036.3 – 0036.2 = 0.1 度 00036.5 – 0036.2 = 0.3 度
7 小時用電度數 0.1 + 0.3 = 0.4 度
電 費 (以每度 90¢計算) 0.4 x 90¢ = $ 0.36
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(c) 實驗結果
表一:
混合成份 (Composition of Polymer) 新聚合物 聚合物的顏色
CD 碎片 2-甲基丙烯酸甲酯 (methyl 2-methylpropenoate)
碳黑 (Carbon Black)
A (對照) 透明 / 4.0 g /
B 乳白色 0.1 g 4.0 g /
C 乳白色 0.25 g 4.0 g /
G 不能形成 0.50 g 4.0 g /
樣本 A:為純淨的聚甲基丙烯酸甲酯(Poly(methyl methacrylate) – PMMA)
樣本 B:4.0 g PMMA + 0.1 g CD (polycarbonate)
樣本 C:4.0 g PMMA + 0.25 g CD (polycarbonate)
樣本 G:新的聚合物混合物無法成功形成
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將樣本 A, B, C 拿去做應力測試(mechanical test),結果如下:
新聚合物 直徑
Diameter / mm
長度
Length / mm
抗張 / 拉強度
Tensile strength / (N / mm2)
PMMA 48
(文献值 literature value)
A (Pure PMMA)
6.2 42 43
B 4.6 31 56
C 4.7 30 25
新聚合物 直徑
Diameter / mm
長度
Length / mm
拉伸強度
Elongation at break
PMMA 2 - 10 %
(文献值 literature value)
A (Pure PMMA)
6.2 42 14 %
B 4.6 31 22 %
C 4.7 30 6 %
新聚合物 直徑
Diameter / mm
撞擊強度
Impact strength / ( J / mm2)
A (Pure PMMA)
3.0 0.0214
B 3.3 0.0100
C 4.7 0.0065
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討論一
由圖表中發現樣本 B (含有 4.0 g PMMA 和 0.1 g CD) 所組成的新聚合物
的抗張 / 拉強度 (Tensile strength),為 56 N / mm2 ,較純 PMMA 的 43 N
/ mm2 為佳。其拉伸強度 (Elongation at break) 為 22 %,也較純 PMMA 的 14
% 為佳。
當聚合物內的 CD 成分上升,例如樣本 C (含有 4.0 g PMMA 和 0.25 g CD)
所組成的新聚合物,其抗張 / 拉強度 (Tensile strength),則下降至 25 N
/ mm2
雖然樣本 B 的撞擊強度 (Impact strength) 為 0.0100 J / mm2,並非十分理
想,但較純 PMMA 的 0.0214 J / mm2 也相差不遠。
結果顯示,CD(polycarbonate) 的含量成分會影響到組成新的聚合物的物
理性質。
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表二:
混合成份 新聚合物 聚合物的顏色
CD 碎片 2-甲基丙烯酸甲酯 (methyl 2-methylpropenoate)
碳黑 (Carbon Black)
D 黑色 0.1 g 4.0 g 0.10 g
E 黑色 0.1 g 4.0 g 0.25 g
F 黑色 0.1 g 4.0 g 0.50 g
H 不能形成 0.1 g 4.0 g > 0.50 g
樣本 D:4.0 g PMMA + 0.1 g CD (polycarbonate) + 0.10 g 碳黑(carbon black)
樣本 E:4.0 g PMMA + 0.1 g CD (polycarbonate) + 0.25 g 碳黑(carbon black)
樣本 F:4.0 g PMMA + 0.1 g CD (polycarbonate) + 0.50 g 碳黑(carbon black)
樣本 H:新的聚合物混合物無法成功形成
討論二
我們嘗試加入不同成分的碳黑 (carbon black) 製備成樣本 D, E 和 F,期
望找出新聚合物導電時所需碳黑 (carbon black) 的成分。
可惜就算加到 0.50 g 碳黑,樣本 F 仍像一個絕緣體 (insulator),電阻值
(resistance) 大於 1 x 1014 ohm.
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討論三
我們還發現如果在實驗步驟(5),不將溶劑揮發掉,所形成的聚合物 X 會浮在
水面上,且有一定硬度,見下圖。
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第二部份:製做太陽能加熱器 (Solar Heater)
(a) 實驗步驟
(1) 收集棄用 CD,並剪成小長方塊備用。
(2) 用紙板製成一個盒子如圖 1 所示。切 AB(停止在 B)和 DC(在 C
停止)。
(3) 在面板 1 和 2 加一折疊紙板,而面板 3(見圖 2)是 60 和 90 度之間
的角度。
(4) 於面板 1, 2, 3, 4 上用棄用 CD 覆蓋。
(5) 於面板 4 的支柱可用於調整面板 4(圖 3)。 近面板 4 單切口用於鎖
定此面板關閉的存儲位置。
圖 1 圖 2 圖 3
(6) 為每個燒杯注入 100 mL 的
水。
(7) 置於太陽下 1 小時。
(8) 每 5 分鐘觀察有太陽加熱器
和直接擺放在地上的燒杯中
的水溫變化。
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(b) 實驗結果
表三:
時間 / min 溫度 / oC
A (太陽能加熱器) B (對照)
0 28 28
5 30 28
10 32 28
15 33 29
20 35 29
25 37 29
30 38 29
35 39 30
40 40 30
45 40 30
水在太陽能加熱器和燒杯中上升的變化
26
28
30
32
34
36
38
40
42
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
時間 / min
溫度
/ o
C
A (太陽加熱器)
B (對照)
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總結
現時,不少國家,包括香港都未能有效處理 CD 電子廢物,加上大都用完即
棄,而且廢物對地球生態和人類健康構成嚴重威脅。
有見及此,我們首先利用 CD 能把光反射的原理,製出一個 CD 太陽能加熱
器中,100 mL 水在加熱器中能在 35 分鐘內上升 13 oC(見上表三)。
然後,我們成功合成一種新的聚合物,並發現混合 (4.0 g PMMA和 0.1 g CD)
所組成的新聚合物 (樣本B) 的抗張 / 拉強度 (Tensile strength),有 56 N /
mm2,且整個過程只需 $ 0.36 的電費。
可惜就算加入 0.50 g 碳黑,樣本仍無法導電,電阻值 (resistance) 大於 1 x 1014
ohm.
我們嘗試廢物利用,但研究的路還很漫長,希望在喚醒公眾關注電子廢物的
同時,能夠在對新型物料的研發上提供一些參考。
鳴謝:香港理工大學應用物理學系 WONG Yuen Wah 教授提供應力測試
參考:
孫紹燦。塑膠使用手冊。浙江科學技術出版社。2000
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評語
參賽同學嘗試就身邊的電子廢物─CD 作科學探究,選材不錯。建議
書包括三項有關 CD 循環再用的研究:探究新的聚合物的特性、加入
碳黑後的導電性及利用 CD 製成太陽能加熱器。有關的實驗及製作步
驟皆表達清晰,學生亦能夠利用實驗結果作出合乎科學邏輯的分析及
結論。
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