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壹、研究動機.
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壹、研究動機 我們發現世界上有很多人住鐵皮屋，夏天時因為太陽的熱傳導得很快，房子一下子就熱了起來。為了讓鐵皮屋裡面涼一些，他們就花錢請人來裝冷氣，但是開很強的冷氣浪費很多電，而且也造成地球暖化。沒有錢的人，沒辦法買得起冷氣或電風扇，只好跑出屋子，或拿扇子搧風忍受熱氣，看起來很可憐。有時，室內因為太陽的照射，溫度升到四十度以上，沒辦法待在裡面；到了冬天，裡面的溫度又會下降得比平常的屋子還來得低，這些人的生活就很辛苦。為了讓以上事情發生的機率變低，我們決定找便宜、容易取得，且符合隔熱條件的粉末，把它們製成油漆塗料，塗抹在鐵皮上，幫助鐵皮屋的溫度不上升得太快。【康軒版自然與生活科技領域 第六冊 第三單元 熱的傳播與保溫】 貳、研究目的 一、瞭解不同顏色鐵板的隔熱效果。 二、找尋適合當作隔熱塗料的材料。 三、實驗不同材料混合白色壓克力顏料製成塗料後的隔熱效果。 四、實驗不同材料塗上不同厚度的白色壓克力顏料後的隔熱效果。 五、測試不同材料與二氧化鈦在不同比例組合下的隔熱效果。 六、測試不同材料塗上不同厚度的二氧化鈦之隔熱效果。 七、試驗不同材料混合二氧化鈦，並使用壓克力膠的隔熱效果。 八、試驗珍珠岩粉混合二氧化鈦，並使用不同黏著劑的隔熱效果。 參、研究設備及器材 設備：溫度測量儀。 器材：鐵尺、碗、攪碎機、板子、鐵板、電子天平、湯匙、冰棒棍、篩網、剪刀、膠帶、雙面膠。 材料：稻桿、木屑、二氧化鈦、膠水、水 肆、研究過程 • 一、研究前：測量鐵板在200秒燈泡照射下的溫度變化情形 • 二、製作塗料板 • 1.將兩把鐵尺貼在一個板子上，中間隔著鐵板的寬度，再將鐵板黏貼在中間。(如右圖1) • 2.把製作好的液態塗料均勻塗在鐵板上。 • 3.用冰棒棍在上面輕輕的刮和敲，把塗料分配均勻。 • 4.把塗好的鐵板拿到外面，等塗料乾燥後即可。 • 三、實驗過程圖 （每20 秒觀察記錄一次） 圖1：塗料板設計圖 伍、研究方法與結果 • 實驗一：不同顏色的鐵片隔熱情形 • （一）實驗變因：操縱變因：不同顏色的塗料 • 保持不變的變因：鐵板、溫度測量儀 • 應變變因：溫度(℃) • （二）實驗步驟(略) • （三）實驗結果： • （四）發現與討論： • 1.塗料乾後，在鐵板上發現很多泡泡的痕跡。 • 2.這四種顏料以黃色最難上色，乾掉後還看得見鐵板的顏色。 • 3.實驗一測出的溫度為：紅色＞綠色＞黃色＞白色，所以我們發現以 • 白色的隔熱效果最好。紅色及綠色在與研究前未塗顏料的鐵板相 • 比，溫度較高，推測其顏色太深，沒有塗塗料的鐵板因為較容易反 • 光，所以測出來的溫度較低。 • 4.溫度在剛開始有很明顯的差距，到200秒後黃色與白色的差距不大。 圖12：各色鐵板的隔熱情形 • 實驗二：試驗並測試生活中常見的粉末特性 • 由實驗一發現，白色顏料的隔熱效果最好，因此我們想找看看日常生活中 • 是否有適合的白色粉末可以當作油漆塗料，因此設計下列實驗： • （一）實驗步驟： • 1.先找出日常生活中常見的粉末 • 2.把16種粉末倒在16張實驗紙上，用手觸摸及觀察。 • 3.放入水中並觀察、用湯匙攪拌後再觀察，把結果記錄下來。 • （二）實驗結果： • （三）發現與討論： • 1.大部分的粉都會下沉。攪拌後都會溶解。 • 2.洋菜粉和別的粉不一樣，因它會變成果凍。 • 3.全部的粉都是白色的，但是白的程度不同。如：杏仁粉是乳白色 • 的，白胡椒粉和沙子是灰白色，奶粉和發粿粉是白色帶點黃黃的。 表2：生活中各種粉末的特性 實驗三：椰子粉製成塗料的隔熱情形 由實驗二中找出最適合的粉，就是不溶解在水中，又不與水產生變化的椰子粉，來進行實驗設計： （一）實驗變因 操縱變因：不同的黏著劑(膠水、白色壓克力顏料) 保持不變的變因：椰子粉的量、鐵板、溫度測量儀 應變變因：溫度(℃) （二）實驗步驟(略) （三）實驗結果： 處理一：椰子粉8克＋12.5㏄膠水＋25㏄水 處理二：椰子粉8克＋12.5㏄白色壓克力顏料＋25㏄水 • （四）發現與討論： • 1.處理一：看起來黃黃的，而且塗抹不均勻，摸起來粗粗的顆粒又大，幾乎只剩下椰子粉，有很多凹洞，在凹洞中 • 可以看到鐵板，聞起來有椰子的味道，一直用手摸 ，就會有油脂沾在手上。 • 2.椰子粉+壓克力膠+水：看起來白白的又有凹洞，聞起來有淡淡的椰子粉清香，顆粒粗又大，摸起來粗粗的。 圖14：不同黏著劑處理下椰子粉的隔熱情形 • 3.我們發現處理二的溫度較低，所以處理二的隔熱效果較好，因為處理二是加白色壓克力膠，表面是白色的鐵板 • 溫度會較低 。 • 4.從圖表中，我們發現從第40秒開始有溫度差距變化。 • 5.從圖表中，我們發現四個溫度差距4～5℃。
實驗四：稻桿及木屑混合白色壓克力顏料後的隔熱情形實驗四：稻桿及木屑混合白色壓克力顏料後的隔熱情形 由實驗三發現：椰子粉摸起來油油的、重量又重、價格又高，並不適合用來做為油漆的塗料。於是我們開始 找尋是否有像椰子粉的植物纖維可替代，於是選用了稻稈及木屑做為我們的研究對象，開始以下的實驗設計： （一）實驗變因：操縱變因：木屑及稻桿 保持不變的變因：鐵板、白色壓克力顏料的量 、測量時間、溫度測量儀 應變變因：溫度(℃) （二）實驗步驟(略) （三）實驗結果：稻稈及木屑混合白色壓克力顏料後的隔熱情形(右圖) 圖15：稻稈及木屑混合壓克力膠後的鐵板 （四）發現與討論： 1.本實驗發現木屑加上白色壓克力膠的效果較好，可是觀察到稻桿加 上白色壓克力膠的顏色看起來較淺，但效果並沒有木屑來得好。 2.與實驗一單純白色塗料的結果互相比較，顏色雖然沒有較白，但有 加入稻桿及木屑的隔熱效果較好，厚度也較厚。 實驗五：塗上不同厚度的白色壓克力顏料後的隔熱情形 由實驗四發現：直接將白色壓克力顏料混合稻稈及木屑後，製成的鐵板顏色並沒有很白，因此我們想試看看如 果將壓克力顏料塗在上面的隔熱情形是否會更好，因此進行了以下的實驗： （一）實驗變因 操縱變因：壓克力顏料的層數 保持不變的變因：鐵板、測量的時間、溫度測量儀 應變變因：溫度(℃) （二）實驗步驟(略) （三）實驗結果： 處理一：稻稈4g+膠水12.5 c.c +水25c.c 處理二: 稻稈4g+膠水12.5 c.c +水25c.c+一層白色壓克力顏料 處理三：稻稈4g+膠水12.5 c.c +水25c.c+兩層白色壓克力顏料 圖16：稻稈及木屑混合白色壓克力顏料後的隔熱情形 處理一：木屑4g+膠水12.5 c.c +水25c.c 處理二: 木屑4g+膠水12.5 c.c +水25c.c+一層白色壓克力顏料 處理三：木屑4g+膠水12.5 c.c +水25c.c+兩層白色壓克力顏料 圖19：稻稈-一層及兩層的隔熱情形 圖21：木屑-一層及兩層的隔熱情形 圖18：稻稈-無塗及一層的隔熱情形 圖20：木屑-無塗及一層的隔熱情形 （四）發現與討論： 1.本實驗中，塗一層白色壓克力顏料比塗二層白色壓克力顏料顏色來的深，而且溫度也比較高，所以隔熱效果較差。 2.從圖表中，我們發現塗上一層壓克力顏料與塗上兩層壓克力顏料的隔熱效果差異不大，再觀察鐵片也發現其顏色 差異也不大。 3.從圖表中，我們發現木屑處理三（塗上兩層白色壓克力顏料）的隔熱效果最好，稻稈處理一隔熱效果最差。 實驗六：研究稻稈、木屑與二氧化鈦在不同比例下的隔熱情形 由實驗四、實驗五中發現白色壓克力顏料加入後確實可以使鐵板降溫，而白色壓克力顏料較貴，所以我們想要 利用白色壓克力顏料的主要成分二氧化鈦來進一步實驗，想了解二氧化鈦是否也有同樣的功效，因此進行以下實驗： （一）實驗變因操縱變因：稻桿、木屑與二氧化鈦的比例 保持不變的變因：鐵板、測量的時間、溫度測量儀應變變因：溫度(℃) （二）實驗步驟(略) （三）實驗結果：稻桿：二氧化鈦（每20 秒觀察記錄一次） 圖22：稻桿與二氧化鈦不同比例下溫度變化情形 圖23：木屑與二氧化鈦不同比例下溫度變化情形 圖24：稻桿與木屑-二氧化鈦在1:1下溫度變化情形 • （四）發現與討論： • 1.從這個表格中，我們發現稻桿:二氧化鈦的2:1比1:1的升高較多的溫度，所以稻桿:二氧化鈦為1:1的隔熱效果較好， • 在實驗中以1:1（1）的溫度最低。 • 2.從表格中，我們發現木屑2:1比1:1的溫度還高，以1:1（1）的溫度最低，與上面稻桿所得的實驗結果相同。 • 3.不論是稻稈或是木屑剛開始溫度升高很快，100秒後兩者差距慢慢出來。結果是木屑比稻桿的溫度還低。 • 4.從實驗中發現，當稻稈或木屑加入的二氧化鈦的比例越高時，塗出來的鐵片較白，隔熱的效果也越佳。 • 5.稻稈：二氧化鈦＝1：1的溫度比木屑：二氧化鈦＝1：1的溫度上升較快，所以用木屑的隔熱效果較佳。 實驗七：研究二氧化鈦在不同處理下的隔熱情形 （一）實驗變因： 操縱變因：二氧化鈦的層數 保持不變的變因：稻稈、木屑的量、測量的時間 、溫度測量儀 應變變因：溫度(℃) （二）實驗步驟(略) （三）實驗結果： 處理一：稻稈4g+膠水12.5 c.c +水25c.c 處理二：稻稈4g+膠水12.5 c.c +水25c.c+一層二氧化鈦 處理三：稻稈4g+膠水12.5 c.c +水25c.c+兩層二氧化鈦 • (四)發現與討論： • 1.從表格中，我們發現沒有塗二氧化鈦的鐵板，溫度都比有塗二氧化鈦的鐵板溫度還高，所以有塗二氧化鈦的鐵板隔 • 熱效果較好。 • 2.實驗中鐵板顏色的比較：沒塗二氧化鈦的鐵板比較深，有塗一層二氧化鈦的顏色比較淺。 • 3.處理二塗一層二氧化鈦的在剛開始的20秒後比處理一的來的高一點，但是到了40秒以後處理二上升的溫度就比處理 • 一的來的低，所以有塗二氧化鈦的隔熱效果較好。 • 4.從表格中，我們發現塗二層鐵板的溫度比只塗一層的溫度還低，所以隔熱效果較好。 圖26：塗上二氧化鈦與否的溫度變化情形 圖27：塗上一層與兩層二氧化鈦的溫度變化情形
處理一：木屑4g+膠水12.5 c.c +水25c.c 處理二：木屑4g+膠水12.5 c.c +水25c.c+一層二氧化鈦 處理三：木屑4g+膠水12.5 c.c +水25c.c+兩層二氧化鈦 • (四)發現與討論： • 1. 從表格中，我們發現沒有塗二氧化鈦的鐵板，溫度都比有塗二氧化鈦的鐵板溫度還高，所以有塗二氧化鈦的鐵板隔熱效果較好。 • 2.實驗中鐵板顏色的比較：沒塗二氧化鈦的鐵板比較深，有塗一層二氧化鈦的顏色比較淺。 • 3.由上圖中發現在40秒到140秒間處理二(1)與其他三個的溫度變化有較大的差異，到了140秒後處理二的兩次測試趨於穩定，漸漸與處理一有明顯的溫度差異。 圖28：塗上二氧化鈦與否的溫度變化情形 圖29：塗上一層與兩層二氧化鈦的溫度變化情形 • 4.從表格中，我們發現塗二層鐵板的溫度比只塗一層的溫度還低，所以隔熱效果較好。 • 5.實驗中鐵板顏色的比較：塗上一層二氧化鈦的鐵板比塗兩層二氧化鈦的顏色較深。 • 6.鐵板乾掉後有一些亮晶晶的，那是在塗抹鐵片時產生的氣泡乾掉所造成的。 • 7.從實驗表格中可見，從40秒之後處理一和處理二的差異逐漸明顯。 實驗八：利用壓克力膠混合稻稈、木屑與二氧化鈦在不同比例下的隔熱情形 根據前幾個實驗我們的黏著劑都使用膠水加上水，因此我們想找出是否有可以取代膠水加水的黏著劑，經過我們 多方面的詢問老師及家長後，找到一種壓克力膠是比較稀的，因此設計了以下的實驗： （一）實驗變因：操縱變因：稻桿、木屑與二氧化鈦的比例 保持不變的變因：鐵板、測量的時間 、溫度測量儀 應變變因：溫度(℃) （二）實驗步驟(略) （三）實驗結果： 稻稈與木屑：二氧化鈦不同比例下與壓克力膠混合後溫度變化情形 圖30：混合壓克力膠的鐵板 • (四)發現與討論： • 1.與實驗七相比，壓克力膠的效果並沒有膠水+水來的好，可能是壓克力膠沒有 • 膠水來的黏，加上木屑及稻稈的顆粒較大，所以較不容易均勻的塗在鐵板上。 • 2.木屑塗完後呈現深膚色，比例為1：1比2：1的看起來較白，塗完的鐵板會凹凸不平，而且看起來顆粒較為細小。 • 3.稻稈塗完後呈現土黃色，比例為1：1比2：1的看起來較白，塗完的鐵板摸起來較為平坦，而且稻稈看起來顆粒較 • 為細長。 • 4.以隔熱效果來看，此實驗中以木屑：二氧化鈦＝1：1的效果最好，但與研究七相比，以膠水+水的隔熱效果比用 • 壓克力膠的隔熱效果來的好。 • 5.稻稈2：1的溫度升高較多，而稻稈1：1跟木屑2：1的溫度只差一點點；而這四種處理從第40秒開始慢慢拉開溫度 • 上的差距。 圖31：不同黏著劑混合稻桿.木屑與二氧化鈦在不同比例下的溫度變化情形 實驗九：珍珠岩粉在不同黏著劑下的隔熱情形 因為稻稈及木屑需要較多的事前處理，而實驗二日常生活中常見的白色粉末都不適合用來當油漆的顏料，於是 我們繼續找尋適合的白色粉末，最後找到一種本來就有隔熱效果的珍珠岩粉，利用珍珠岩粉來進行以下的實驗設計： （一）實驗變因：操縱變因：不同的黏著劑 保持不變的變因：珍珠岩粉、鐵板、 測量的時間、溫度測量儀 應變變因：溫度(℃) （三）實驗結果：處理一:珍珠岩粉：二氧化鈦＝1：1(黏著劑：膠水＋水) 處理二:珍珠岩粉：二氧化鈦＝1：1(黏著劑：壓克力膠) 圖32：珍珠岩粉與不同黏著劑處理後的鐵板 • (四)發現與討論： • 1.將珍珠岩粉和二氧化鈦使用膠水+水當黏著劑所塗出來的鐵片，看起來表面的 • 凹洞較大，但是摸起來卻較平坦而堅固。 • 2.將珍珠岩粉和二氧化鈦使用壓克力膠當黏著劑所塗出來的鐵片，看起來表面的 • 凹洞較小，但是摸起來顆粒卻是粗粗的，又粉粉的感覺。 3.兩種處理在剛開始的20秒就有明顯的差距變化。實驗中珍珠岩粉以使用壓克力 膠的黏著劑的隔熱效果較佳。 圖33：珍珠岩粉在不同黏著劑下溫度變化情形 陸、討論 一、本來我們想要找一些白色又空心的粉末來作為油漆的材料，但是當我們將白色粉末放入水中觀察後， 發現我們取得的粉末大部分都會沉下去，甚至會溶解在水中。剛開始只有椰子粉會浮在水上，於是 我們討論起植物性的纖維大多是空心的，所以我們想利用植物廢棄物來做為這次的研究，最後我們 選用了木屑及稻稈做為這次研究的方向。 二、稻稈和木屑並非白色的，所以除了利用白色壓克力顏料外，發現其成分之一的二氧化鈦(鈦白粉)是工 業上常常用來當作白色染料的成分之一，所以我們利用稻稈加上二氧化鈦來進行實驗設計。 三、實驗六將二氧化鈦直接加到了混合液中，發現塗出來的鐵片看起來並沒有很白，因此我們設計實驗 七，將二氧化鈦當成塗膠，直接塗抹在鐵板上，發現塗兩層的效果，看起來比較白，而隔熱效果也 越好。但是與實驗六相比，實際測量出來的溫度卻沒有比較低，不知是否為環境溫度所影響，這是 值得我們再深入研究的。 四、實驗八改用了專家老師給我們的壓克力專用黏劑，但是實際將稻稈及木屑放入其中攪拌時，效果並 沒有比較好，推測可能是因為這種膠水較稀，較不容易將顆粒大的稻稈及木屑均勻的塗抹在鐵板上。 五、木屑及稻稈兩者做為塗料的比較，可以發現木屑的效果比稻稈來得佳，雖然在測試是否為空心的時候， 稻稈效果比較佳，但是經由研磨及過篩，木屑看起來粉末較為細小，所以在塗抹上來說較為容易，結果 也顯示木屑經過處理後，隔熱效果比稻稈來得佳。 六、珍珠岩粉是詢問過專家老師，由專家老師推薦我們使用較為廉價、價格便宜又是白色空心的材料之一， 我們利用兩種不同黏著劑來進行，結果發現壓克力膠加上珍珠岩粉的效果比較好，可能的原因為珍珠岩 粉的質感非常細緻，加上壓克力膠較稀，容易均勻混合，而容易塗抹，所以隔熱效果較佳。 柒、結論 一、淺色鐵板的隔熱效果比深色好，其中又以白色鐵板的隔熱效果最佳。 二、適合製成塗料的粉具有不溶於水，且不與水產生變化的特性。一般來說，植物纖維具有中空的特性，是可 使用的素材。 三、與稻桿加白色壓克力膠相比，木屑加上白色壓克力膠的隔熱效果比較好。 四、無論使用稻桿或木屑，塗上兩層白色壓克力顏料的降溫效果都比較好。其中，木屑的效果又比稻桿更好。 五、無論使用稻桿或木屑，就它與二氧化鈦的重量比而言， 1：1的隔熱效果較2：1為佳。 六、由研究七發現，隔熱效果以塗上二氧化鈦兩層＞塗上二氧化鈦一層＞沒有塗上二氧化鈦，表面越白，隔熱 效果越好。 七、由研究八及九發現，如果使用木屑或稻稈隔熱，利用膠水的隔熱效果會優於壓克力膠；若使用珍珠岩粉， 則利用壓克力膠的為黏著劑的隔熱效果會比較好。
