中華民國第 61 屆中小學科學展覽會作品說明書

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中華民國第 61 屆中小學科學展覽會作品說明書

排版\030201-封面

國中組化學科

第三名

030201-封面

色變 ~移印幻影-著墨於儀

學校名稱：臺中市立豐東國民中學

作者：指導老師：

國二郭珈妤國一陳貞臻

賴月琴

關鍵詞：顏色感測器模組及可調變色燈的吸光儀辨

色、移印染

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摘要

我們將染布前處理後，墨水樹心染材經煮染及上色時間越久染色效果越佳；染液呈紅色，略呈酸性，加鹼呈紫色、加酸呈黃色，但染布在空氣中置放，漸回復紅棕色。

我們也發現，加入不同含金屬離子的媒染劑會改變染液的顏色，而且前媒染比後媒染的顯色效果佳；後媒染則比同媒染的顯色效果佳。

最後，我們開發出整合手機 App 辨色的第二代在暗箱光路徑區中測比色槽染液的 RGB、染布使用 GY-33 顏色感測器模組量測，可增加顏色量測的準確度。另外，也終於成功的製造出第四代可調變色燈的吸光儀設計，在十六色燈的感光電壓下，與串接電阻檢測電壓的線性回歸趨勢線的 R²值均可達 0.99 以上，並可依染液選擇色燈，製作出不同濃度的檢量線並定量染布後的廢液濃度，回收再利用。

壹、研究動機

去年我參加了學校的植物染假日技藝班，我發現：

不僅花草、葉子可以染，連老樹上的鬚、砍下樹幹上的皮、種子與果實等都可以染！

我體會了幾種染材：福木、洋蔥、胭脂蟲，最後還用墨水樹染布，再做出抱枕，但是，我發現我們很多人染出來的顏色不盡相同，有的還差異很大。我問技藝班老師，為什麼會這樣？她也說不出所以然來…。

學校每學期都會請工友用電鋸把茂密的校樹主枝旁的樹幹一一鋸掉，我看著旗桿圍著一截一截的樹幹，在幾週風吹日曬後，樹心顏色愈變愈深，我就在想，它除了變成資源垃圾外，是否還有其它用途？就像墨水樹心染材一樣…。

最讓我感興趣的是，技藝班老師拿了一個她最近學的移印染技術做的袋子，我看著一片片葉子形狀像幻影一樣，拓印在墨水樹染布上，真是好看！

我決定了，我拜託科展老師帶著我和學妹一起一探墨水樹染及移印染的多彩變化吧~加油了！

貳、研究目的

一、墨水樹的來源及先備知識調查二、染液及染布的 RGB 辨色研究三、可調變色燈的吸光儀研究及設計

四、墨水樹在水相中萃取色素的溶解度初測五、墨水樹萃取液的酸鹼性色變

六、墨水樹在媒染劑中的色變

七、墨水樹萃取液在不同液相中的水平及垂直層析色層分佈八、墨水樹的色布染

九、移印染在墨水樹色布上的色變

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參、研究設備及器材

【研究所需器材及藥品】

智慧型手機、筆電、網站、App 辨色軟體、自製第一代、第二代 RGB 測定箱設計及 GY-33 顏色感測器模組校正、自製第一代~第四代可調變色燈的吸光儀、圖畫紙、濾紙、洗衣粉、棉布、加熱器、不鏽鋼鍋、勺子、長筷子、篩子、塑膠水槽、電子秤、紅外線測溫器、滴管、燒杯、量筒、藥勺、量瓶、標籤、直尺、護貝機、護貝膠膜、奇異筆、計時器、工作手套、不織布口罩、

麵包板、50 mL 燒杯、膠帶、魔帶、50 及 100mL 量筒、塑膠滴管、六段式變壓器電源、光敏電阻、電阻器、LED 燈、鱷魚夾線、三用電錶、智高積木、智高馬達、計時器、冰醋酸、氫氧化鈉、醋酸錫、醋酸銅、醋酸鐵、明礬、尤加利葉、木麻黃、槭葉、槲蕨、福木、煙火樹、變葉木，阿勃勒

自製第三代可調變色燈的吸光儀第四代可調變色燈的吸光儀

肆、研究過程及方法

實驗架構

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【研究一】墨水樹的來源及先備知識調查

(一 ) 墨水樹的認識

維基百科

https://zh.wikipedia.o rg/wiki/%E5%A2%A 8%E6%B0%B4%E6

%A8%B9

【科名】：蘇木科 [墨水樹屬] 【學名】：Haematoxylun campechianum L.

【英名】：Campeachy Wood 【花期】：３月到５月

【產地】：原產於美洲中部、哥倫比亞及西印度，1918 年引進台灣。

【別名】：洋森木、洋蘇木、蘇木、蘇方木、紅蘇木、騣木、采木、棕木、蘇方、蘇枋、黑水樹、

七彩樹、通天樹、衝天樹、戈梅芳或黑水樹

(https://zh.wikipedia.org/wiki/蘇木精)

木材及樹皮中的蘇木精為優秀染料，常用於細胞染色或衣物(是一種花青素)，植物性染料

有效成分的化學結構上大多含有羥基、甲氧基、

羰基、羧基，而墨水樹的蘇木精正含有羰基及羥基，正因為有這些結構所以加入不同酸鹼或媒染劑才能有不同顏色變化。

OH 可以抓住金屬鹽，而物質顯色的原理就是吸附可見光中的某段波長，所以人的眼睛看到的顏色是該物質所吸收光的補色。

(二) 光電測定儀(吸光儀)

依比爾定律原理來量測分析物，以一束平行單色光垂直照射比色管溶液，通過一定長度的待測液後，會被吸收掉一部分的光能，使透光強度減弱。吸光度與光穿過溶液的長度及溶液濃度間之關係式為：

A 吸收度= log(Ι0 / It)= log(1/ T)= K* l*c (Ι0：入射光的強度 It：透射光的強度 K：吸收係數 l：光穿過

溶液的長度 c：溶液的濃度 )，濃度 c 與吸收度 A 成正比。

若樣品濃度愈濃則透過的光愈少，其穿透度減少，吸收值增加。我們透過測量光吸墨水樹的花與果

界：植物界 Plantae

門：被子植物門 Magnoliophyta 綱：雙子葉植物綱 Magnoliopsida 目：豆目 Fabales

科：豆科 Fabaceae

亞科：蘇木亞科 Cæ salpinioideae 屬：墨水樹屬 Haematoxylon 種：墨水樹 H. campechianum

Ι0：入射光的強度 It：透射光的強度

l

：光穿過溶液的長度

類似花青素羥基環氧基

可見光的吸收波長及其互補色的關係

雙鍵跳動後產生羰基

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【研究二】染液及染布的 RGB 辨色研究

(一 )手機 App 辨色 App 辨色 RGB

智慧型手機 → 網路 app 商店 → 輸入[ color picker] → 下載 App 辨色軟體程式 → 點選快速連結的畫面 → 以手機拍照相片或直接畫面讀取 → 由 APP 辨色記錄 RGB。RGB 測定箱設計

(二 )第一代 R GB 測定箱設計

超強白光 LED 為光源以黑色紙做遮罩光源照射比色管槽黑色路徑光透過 45∘平面鏡反射至上方手機鏡頭

討論：白光 LED 光源太強，使手機 App 辨色無法呈現紅色的辨色結果。

(四 ) 第三代 RGB 測定模組-GY-33 顏色感測器一、說明：

GY-33 顏色感測器模組具有下列的優點，低成本、小體積、容易組裝、低功耗以及低工作電壓等優點。

GY-33 顏色感測器模組核心為 TCS34725 感光元件，感光元件可提供數位的紅、綠、藍數值，具有高度整合的光電耦合感光元件，能去除不必要的紅外線及其他干擾，以增加顏色量測的準確度。

二、規格：

數值量測範圍為 RGB 相對值 0~255。

最高量測頻率為 10Hz。工作電壓為 3~5 伏特(V)。

工作電流為 15 毫安培(mA)。尺寸為 24.3mm x 26.7mm。

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【研究三】可調變色燈的吸光儀研究及設計

(一)第一代白光光敏電阻吸光儀

3V~12V 下，光敏電阻光感應電壓達 3.59V~13.03V，符合光敏電阻無照光，總電阻大，電流變小，而對應的測定電壓小(背景電壓)；光敏電阻照光，總電阻變小，電流變大，而對應的測定電壓大，再扣除背景電壓，即為光源穿透比色管槽液體吸光後，讓光再照至光敏電阻，

使感光的光敏電阻值由 2.38KΩ，下降至幾Ω的大小。

(二)第二代色光光敏電阻吸光儀

去年我們發現，用黃光(相當於紅光與綠光的複合光)照射不同濃度的藍染溶液，溶液吸光後，無法呈現有鑑試度的檢量線，若改用白光，則藍色溶液吸收其它色光，穿透藍光的效果，讓光敏電阻呈現的感光電壓大小，做出具有較佳鑑試度的檢量線，

而能清楚的定量。

我們探究的墨水樹可因不同酸鹼值、溫度、氧化、媒染劑而產生色變，因此，第二代，

我們以不同層數、各色的透明彩色玻璃紙做為白光光源的隔板，使得，白光穿透各彩色玻璃紙，產生不同色光效果，以因應溶液的色變。如右上圖示。

(一) L 型的第三代色光光敏電阻吸光儀

我們以十六顆綜合型 LED 燈，經過並聯分流串接及三切開關設計後，可切換出七色色光(紅光、藍光、綠光、紅藍複合光、紅綠複合光、藍綠複合光以及紅藍綠三色複合光)

去年的光源設計

今年的光源設計：

+5~5.5V 整流變壓器

照光電源有 110V 3w 白光 LED 燈泡(不需串接任何的電阻)，本實驗使用回收 5~5.5V 變壓器則對一般小 LED 燈(通常最多只能負載 3.75V)，所以，需串接電阻(使用 120Ω 或 50Ω 即可)以分掉一些電壓，避免 LED 燈燒掉。

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問題是，單顆 LED 燈的光區面積很好設計，但光區面積為 3*3 cm 大小、而且每顆 LED 燈光源發射角度為 30∘角的光源，要集中光區至穿透比色管槽，讓光敏電阻感光，讓我們修正了多次後，終於設計出配合長方型光路徑箱的十六顆 LED 燈的集光器，為了修正及縮短吸光儀的長度，我們又特別設計成 L 型的第三代色光光敏電阻吸光儀，同時可以整合手機 App 辨色的第二代在暗箱光路徑區中測比色槽溶液的 RGB 大小。

因本校有內電池切換模式的舊型數字型電錶已損壞，而生科教室數十臺的新型數字型電錶均無內電池的切換模式，所以，我們決定改變觀察端為一般電阻的電壓變化

去年吸光度儀的電路設計簡圖如下圖左，今年第三代吸光度儀的電路設計簡圖如下圖右

為降低背景分壓值，選擇串接的電阻為比光敏電阻小相當多的 180Ω、120Ω，甚至 50Ω 則幾乎無照光的背景分電壓接近於零；今年選擇串接的電阻為與光敏電阻相當的 2 kΩ 大小，電阻大小不同電阻上的線條彩色及分布就不同，可用三用電錶實測電阻大小或上網查詢色條碼。

觀察端在光敏電阻與電阻兩端偵測電壓則有不受光時的背景值，兩電阻比愈大，背景值愈小。

一般電阻的電阻提高至與光敏電阻值相近，兩者仍維持串接，

光敏電阻未受光時，電阻較大，分配電壓大小，與一般電阻接近，約為供電電壓的一半；而光敏電阻受光時，電阻較小，分配電壓變小，所以，數字型電錶直接並聯偵測一般電阻兩端電壓的分配電壓值愈大，也沒有要扣掉背景值的問題。

16 色光板

觀察端各色光光源

感光實驗端

電錶觀察端各色光光源

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(二) 多色光燈條照射光敏電阻感光的第四代吸光儀

以雙層黑色壁報紙做成方型可掀蓋光路徑箱，內部分成三區，左邊為2.38KΩ 10mm 光敏電阻與 2KΩ電阻串聯焊接 (光敏電阻的感光實驗端置於路徑箱內，2KΩ電阻則兩端各接數字型電錶的正負觀察端)。

自製暗箱盒中間加比色管固定槽及左右開孔的檔板設計，右側為粘貼燈條及 LED 快接頭，最後以電源頭連接六段式變壓器，並以 LED 遙控器測試，9V 或 12V 則可讓 16 色光變色燈亮。

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【研究四】墨水樹在水相中萃取色素的溶解度初測

(一 ) 墨水樹在水相中常溫的萃取色素溶解度步驟：

1.將 2 克的墨水樹裝在自製布袋內，袋口拉緊，置於裝有 50mL 常溫水的杯中備用。

2.以電磁攪拌器攪拌每分鐘後，各取 2mL 溶液分別裝入已標示編號的比色管中。

3.將各比色管依序置於 RGB 測定箱中，以手機下載的 App 辨色各實驗後萃取溶液的 RGB 值。

(二 ) 墨水樹在水相中不同溫度下的萃取色素溶解度步驟：

1.將 2 克的墨水樹萃取液裝在自製布袋內，袋口拉緊，置於裝有 50mL 水的杯中，並將此杯置於電磁攪拌器上啟動溫度開關至 40℃，當溫度達至 40℃時，開始計時。

2.攪拌每分鐘後，各取 2mL 墨水樹萃取液溶液分別裝入已標示編號的比色管中。

3.將各比色管依序置於 RGB 測定箱中，以手機下載的 App 辨色各萃取溶液的 RGB 值。

4.同步驟 1，將電磁攪拌器上啟動溫度開關由 40℃調至 60℃，當溫度達至 60℃時，開始計時。

5.同步驟 2~3，以手機下載的 App 辨色各萃取溶液的 RGB 值。

6.同以上步驟，電磁攪拌器上啟動溫度開關調至 80℃，測加熱每分鐘後的 RGB 值。

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【研究五】墨水樹萃取液的酸鹼性色變

(一 ) 酸液中的色變步驟：

1.以冰醋酸配製不同的 pH 大小 1~6，以 pH 計校正之。

2.以 3mL 塑膠滴管吸取 2 mL 的墨水樹萃取液加到各比色管槽內，第一槽為對照組，將比色管置於 RGB 測定箱中，以手機下載的 App 辨色各溶液的 RGB 值。(所有後面的光源都側拍，

因為後面溶液總體積不同)

3.以 3mL 塑膠滴管吸取 1 mL 的墨水樹萃取液加到各比色管槽內，第二槽加 pH 6 冰醋酸 5 滴，

以乾淨的吸管來回抽吸抽放 5 次後，將比色管置於 RGB 測定箱中，以手機下載的 App 辨色各溶液的 RGB 值。

4.同步驟 3，第二槽再加 pH 6 冰醋酸 5 或 10、15 滴，以乾淨的吸管來回抽吸抽放 5 次後，將比色管置於 RGB 測定箱中，以手機下載的 App 辨色各溶液的 RGB 值。

5.同步驟 3~4，第三槽~第七槽，將 pH6 改為 pH 5~1，將比色管置於 RGB 測定箱中，以手機下載的 App 辨色各溶液的 RGB 值。

(二 ) 鹼液中的色變步驟：

1.以氫氧化鈉配製不同的 pH 大小 8~13，以 pH 計校正之。

2.以 3mL 塑膠滴管吸取 2 mL 的墨水樹水溶液加到各比色管槽內，第一槽為對照組，將比色管置於 RGB 測定箱中，以手機下載的 App 辨色各溶液的 RGB 值。(所有後面的光源都側拍，

3.以 3mL 塑膠滴管吸取 1 mL 的墨水樹水溶液加到各比色管槽內，第八槽加 pH 8 氫氧化鈉水溶液 5 滴，以乾淨的吸管來回抽吸抽放 5 次後，將比色管置於 RGB 測定箱中，以手機下載的 App 辨色各溶液的 RGB 值。

4.同步驟 3，第八槽再加 pH 8 氫氧化鈉 5 或 10、15 滴，以乾淨的吸管來回抽吸抽放 5 次後，

將比色管置於 RGB 測定箱中，以手機下載的 App 辨色各溶液的 RGB 值。

5.同步驟 3~4，第九槽~第十三槽，將 pH8 改為 pH 9~13，將比色管置於 RGB 測定箱中，以手機下載的 App 辨色各溶液的 RGB 值。

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【研究六】墨水樹在媒染劑中的色變

(一 ) 明礬： A 媒染劑 (二 ) 醋酸鐵： B 媒染劑 (三 ) 醋酸錫： C 媒染劑實驗步驟：

1.將明礬 A 媒染劑加水稀釋為 1:5、1:10、1:15、1:20 如下圖後備用。

B 或 C 媒染劑 1mL 1mL 1mL 1mL 1mL 1mL 1mL 1mL 水 4mL 6.5mL 9mL 11.5mL 14mL 16.5mL 19mL 21.5mL 步驟：

1.將 A 媒染劑加水稀釋為 1:5、1:10、1:15、1:20 後備用。

2.以 3mL 塑膠滴管吸取 2 mL 的墨水樹水溶液加到各比色管槽內，第一槽為對照組，將比色管置於 RGB 測定箱中，以手機下載的 App 辨色各溶液的 RGB 值。(所有後面的光源都側拍，

3.以 3mL 塑膠滴管吸取 1 mL 的墨水樹水溶液加到各比色管槽內，第二槽加 A 媒染劑 1:5 濃度 1 mL，以乾淨的吸管來回抽吸抽放 5 次後，將比色管置於 RGB 測定箱中，以手機下載的 App 辨色各溶液的 RGB 值。

4.同步驟 3，第三槽~第五槽再加 A 媒染劑 1:10 或 1:15、1:20 濃度 1 mL，以手機下載的 App 辨色各溶液的 RGB 值。

5.同步驟 1~4，依上圖稀釋比例，將 A 媒染劑改為 B 媒染劑，將比色管置於 RGB 測定箱中，以手機下載的 App 辨色各溶液的 RGB 值。

6.同步驟 5，B 媒染劑改為 C 媒染劑，將比色管置於 RGB 測定箱中，以手機下載的 App 辨色各溶液的 RGB 值。

A 媒染劑 1mL 1mL 1mL 1mL 水 4mL 9mL 14mL 19mL

1:5 1:10 1:15 1:20

1:5 1:7.5 1:10 1:12.5 1:15 1:17.5 1:20 1:22.5

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【研究七】墨水樹萃取液在不同液相中的水平及垂直層析色層分佈

(一 )墨水樹萃取液在不同液相中的水平直層析色層分佈找出水平色層最佳擴散溶劑種類

實驗步驟：

1.水平色層分析模板製作：以電腦 Microsoft Word 插入 24*10 方格，列高設定 0.5 cm，繪製十字定位線，加上 0.5cm*0.5cm 簍空吸管滴定入口及 1cm*1cm~5cm*5cm 同心圓三組如下圖定位，將投影片置於雷射印表機內，列印出投影片模板備用。

2.以智高積木製作滴管支撐架，將上列投影片模板 0.5cm*0.5cm 圓簍空，做為吸管滴定的定位入口，以可撕貼膠帶固位後備用。

3.將圓形濾紙置於培養皿上，然後移至吸管滴定口下，濾紙中心點對準滴定出口，提起吸管，吸取墨水樹萃取液 1 mL 後，連續滴入五滴墨水樹萃取液(約 0.25 mL)。

4.另取貼標水的吸管吸取 1 mL 水後，移至步驟 3 的濾紙中心點位置，每

滴 2 滴，計時 5 秒後，拍攝水平色層擴散圖，反覆操作至共滴下 20 滴水，拍照記錄如表九之水平色層分佈圖。

5.同步驟 2~4，將水改成 pH 6 或 pH 1~5 的醋酸水溶液每滴 2 滴，計時 5 秒後，拍攝水平色層擴散圖，反覆操作至共滴下 20 滴醋酸水溶液，拍照記錄如表十之水平色層分佈圖。

6.同步驟 2~4，將水改成 pH 8 或 pH 9~13 的氫氧化鈉水溶液每滴 2 滴，計時 5 秒後，拍攝水平色層擴散圖，反覆操作至共滴下 20 滴氫氧化鈉水溶液，拍照記錄如表十一之水平色層分佈圖。

7.同步驟 2~4，將水改成媒染劑 A 1:20 濃度或媒染劑 B 1:20、媒染劑 C 1:20 濃度的水溶液每滴 2 滴，計時 5 秒後，拍攝水平色層擴散圖，反覆操作至共滴下 20 滴媒染劑水溶液，拍照記錄如表十二之水平色層分佈圖。

(二 )墨水樹萃取液在不同液相中的垂直層析色層分佈

實驗步驟：

1.垂直色層分析模板製作：以電腦 Microsoft Word 插入 25*20 方格，列高設定 0.5 cm，插入 10 cm 刻度尺，繪製 0.5cm*0.5cm 定位圓，組合如下圖，將投影片置於雷射印表機內，列印出投影片模板備用。

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【研究九】移印染在墨水樹色布上的色變

鐵劑對樹葉移印在墨水樹染布蒸煮後的色變實驗步驟：

(一)染料及鐵劑的配製：

【研究十】、墨水樹染材的減量回收及再利用之研究

(一) 檢量線製作-偵測與光敏感光電阻串接的電阻電壓值大小

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伍、研究結果與討論

一、染液及染布的 RGB 辨色研究 1.手機 App 辨色

去年我們用 App 辨色測 RGB，但易受外界光源的影響，我們也懷疑，色布顏色及溶液顏色用手機 App 辨色受人為的影響也不小（選辨的色區域及範圍大小），為了除去外界干擾源，

我們決定用測定箱來改進。

2.第一代 RGB 測定箱設計

以超強白光 LED 為光源，結果白光 LED 光源太強，使手機 App 辨色無法呈現紅色的辨色結果。

3.第二代 RGB 測定箱設計

110V3w 的白光 LED 燈泡只接輸出 5V 的變壓器為電源，大大地減弱光的強度，可使手機 App 呈現紅色的辨色結果。溶液的 RGB 辨色是成功了，所以，本作品內的溶液的 RGB 我們都是以這第二代 RGB 測定箱來辨色，但是，色布呢？如何避外界光源干擾？

4.第三代 RGB 測定模組-GY-33 顏色感測器

GY-33 顏色感測器模組核心為 TCS34725 感光元件，感光元件可提供數位的紅、綠、藍數值，具有高度整合的光電耦合感光元件，能去除不必要的紅外線及其他干擾，以增加顏色量測的準確度。以黑、藍、紅、綠色校正卡校正後，RGB 感光元件的遮罩恰是我們去除所有外界光源干擾的光罩，所以，我們的色布都是用 GY-33 顏色感測器模組測定 RGB。

二、可調變色燈的吸光儀研究及設計 1.第一代白光光敏電阻吸光儀

去年我們發現，用黃光(相當於紅光與綠光的複合光)照射不同濃度的藍染溶液，溶液吸光後，無法呈現有鑑試度的檢量線，若改用白光，則藍色溶液吸收其它色光，穿透藍光的效果，

讓光敏電阻呈現的感光電壓大小，做出具有較佳鑑試度的檢量線，而能清楚的定量。

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2.第二代色光光敏電阻吸光儀

示售昂貴的光電測定儀(吸光儀)可以自動的用特定波長的色光去定量溶液的濃度，所以，

我們既已能辨別溶液顏色，若用幾種顏色透明玻璃紙來試試看，相當於不同特地波長的色光照射比色管呢？結果如下：

結果還不錯，但是每次抽換這些玻璃紙，似乎也不是辦法，應想個徹底的解決之道。恰好，學妹的爸爸是學光電的，我們把這個難題請他幫我們解決，於是第三代吸光儀就在萬難下生出來了。

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實測水及不同墨水樹不同濃度溶液，呈現數字的靈敏度是可分各濃度的差異(如實驗記錄本)，

但是即使調到 12V，整體偵測數字都大不如前而且選擇及切換色光太不方便了。我們知道這些外露的線材都需內藏，而且也怕被我們一不小心就扯斷了。

經過討論，我們如果要推廣我們的設計，最好能用簡單的數位型電錶就能清楚比較，減少人為或儀器操作的誤差豈不更好？我們已完全成功的開發出溶液的第二代 RGB 測定箱及色布等測定 RGB -GY-33 顏色感測器模組，顏色辨別沒有問題了，只要溶液濃度可以精確的定量就更好了，所以，我們決定再繼續開發第四代吸光儀。

變壓器 16LED 色燈

3 切開關

比色管槽 16LED 色燈

內有 45∘鋁箔反射面接狹縫

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4.多色光燈條照射光敏電阻感光的第四代吸光儀

表一、照射各色光通過清水比色管使光敏電阻的感光實驗端，以六段式整流變壓 3V~12V 供電下，使串聯的 2KΩ電阻偵測電壓

電壓大小光敏電阻照白光

光敏電阻照紅燈 2

光敏電阻照燈 3

光敏電阻照燈 8 3 2.67 0.86 1.86 1.8 1.38 2.13 2.03 1.69 6 5.1 1.58 3.67 3.54 2.57 4.03 3.78 3.2 9 7.44 2.4 5.42 5.2 3.81 5.9 5.5 4.69 12 9.85 3.26 7.18 6.86 5.11 7.84 7.3 6.28 電壓大小光敏電阻

照燈 9

光敏電阻照燈 16 3 2.27 2.09 1.94 2.28 2.14 2.18 2.54 2.19 6 4.34 3.93 3.71 4.33 4.05 4.11 4.84 4.14 9 6.33 5.74 5.46 6.35 5.95 6.04 7.09 6.09 12 8.37 7.58 7.22 8.37 7.58 7.98 9.29 8

照射各色光通過清水比色管使光敏電阻的感光實驗端，以六段式整流變壓 3V~12V 供電下，

使串聯的 2KΩ電阻偵測電壓可達 0.86V~9.85V，符合光敏電阻無照光，電阻大，分電壓大，串

(20)

接的測定電阻電壓小；光敏電阻照光，電阻變小，分電壓小，串接的測定電阻電壓則變大，總算製造出第四代可調變色燈的吸光儀設計，在十六色燈的感光電壓下，與串接電阻檢測電壓的線性回歸趨勢線的 R²值均可達 0.99 以上。

二、墨水樹在水相中萃取色素的溶解度初測(以第二代 RGB 測定箱測定) (一 ) 墨水樹在水相中常溫的萃取色素溶解度

表二、墨水樹在水相中常溫隨攪拌時間的萃取色素 RGB 數值

攪拌時間(分) 1 2 3 4 5

RGB 數值 R G B R G B R G B R G B R G B

1 150 75 87 148 59 67 139 40 51 151 59 65 136 25 38

(21)

3 151 76 88 147 60 68 147 41 54 139 37 47 150 34 47 4 144 70 81 142 55 64 150 39 50 140 35 48 135 34 44 5 145 69 80 146 58 67 139 42 51 150 38 49 149 37 46 平均 148 73 84.2 147.8 60 68.6 143.4 40.2 51.2 143.8 42.2 52 142.2 31.2 43

(二 ) 墨水樹在水相中不同溫度下的萃取色素溶解度

表三、墨水樹在水相中不同溫度下隨攪拌時間的萃取色素 RGB 數值

加熱時間(分) 常溫 40℃ 1 分鐘 40℃ 2 分鐘 40℃ 3 分鐘 40℃ 4 分鐘

1 136 25 38 47 18 6 59 47 14 88 62 12 83 54 5 2 141 26 40 48 18 6 56 44 14 92 64 12 86 57 4 3 150 34 47 49 20 7 52 40 10 101 70 12 84 55 4 4 135 34 44 49 19 6 50 40 10 117 81 9 88 56 1 5 149 37 46 49 20 8 42 30 9 102 72 16 93 60 6 平均 142.2 31.2 43 48.4 19 6.6 51.8 40.2 11.4 100 69.8 12.2 86.8 56.4 4 加熱時間(分) 常溫 60℃ 1 分鐘 60℃ 2 分鐘 60℃ 3 分鐘 60℃ 4 分鐘

1 43 13 9 31 7 3 46 9 6 46 16 8 39 8 6

2 45 12 8 42 9 4 51 11 8 42 14 6 39 8 5

3 44 12 7 47 12 4 45 9 7 42 12 6 42 9 6

4 44 10 5 49 12 6 37 6 5 40 12 6 49 13 7

5 43 10 6 41 9 5 26 4 2 37 11 7 56 14 7

平均 43.8 11.4 7 42 9.8 4.4 41 7.8 5.6 41.4 13 6.6 45 10.4 6.2 加熱時間(分) 常溫 80℃ 1 分鐘 80℃ 2 分鐘 80℃ 3 分鐘 80℃ 4 分鐘

1 47 10 8 11 1 1 20 3 2 10 0 0 7 0 2

2 49 9 7 9 0 1 31 6 4 39 5 3 2 0 1

3 34 7 5 5 0 1 34 6 4 40 9 7 7 1 2

4 43 7 5 8 0 1 29 5 3 34 5 3 6 0 2

5 42 7 5 2 0 0 25 4 3 28 5 3 2 1 1

平均 43 8 6 7 0.2 0.8 27.8 4.8 3.2 30.2 4.8 3.2 4.8 0.4 1.6 三、墨水樹萃取液的酸鹼性色變(以第二代 RGB 測定箱測定)

(一 ) 酸液中的色變

表四、墨水樹萃取液加 pH 1~pH 6 冰醋酸不同滴數的 RGB 數值(pH 2~6 如記錄本)

加酸(滴數) 墨水樹萃取液加 5 滴 pH 1 加 10 滴 pH 1 加 15 滴 pH 1 加 20 滴 pH 1

1 117 12 6 84 11 1 96 22 1 111 23 1 97 21 1 2 61 8 8 89 11 1 95 22 2 125 27 1 115 29 1 3 59 9 8 96 11 1 99 21 1 128 26 1 122 37 1 4 78 15 9 89 13 1 92 20 2 126 24 1 125 37 1 5 83 2 1 92 10 1 95 18 1 125 26 1 123 39 1 平均 79.6 9.2 6.4 90 11.2 1 95.4 20.6 1.4 123 25.2 1 116 32.6 1

(22)

(二 ) 鹼液中的色變 (以第二代 RGB 測定箱測定)

表五、墨水樹萃取液加 pH 8~pH 13 氫氧化鈉不同滴數的 RGB 數值測定(pH 9~13 如記錄本)

加鹼(滴數) 墨水樹萃取液加 5 滴 pH 8 加 10 滴 pH 8 加 150 滴 pH 8 加 20 滴 pH 8

1 117 12 6 96 13 1 108 36 3 146 63 2 135 64 1

2 61 8 8 92 14 1 108 34 2 147 62 2 137 67 1

3 59 9 8 93 13 1 110 33 2 154 59 2 119 56 1

4 78 15 9 96 13 1 119 31 2 148 63 2 120 55 1 5 83 2 1 100 21 2 110 33 2 146 59 2 115 67 1 平均 79.6 9.2 6.4 95.4 14.8 1.2 111 33.4 2.2 148.2 61.2 2 125.2 61.8 1 四、墨水樹萃取液在不同液相中的水平及垂直層析色層分佈

1. 墨水樹萃取液在不同液相中的水平層析色層分佈 表九、墨水樹萃取液在水相中的水平色層分佈圖

表十、墨水樹萃取液在酸性水溶液中的水平色層分佈圖

(23)

表十一、墨水樹萃取液在鹼性水溶液中的水平色層分佈圖

(24)

(25)

五、墨水樹的色布染研究

表十三、各媒染劑與墨水樹染材對布料前媒染、同媒染及後媒染的差異比較

表十四、原色布樣與各媒染劑前媒染、同媒染或後媒染染布的比較

(26)

六、移印染在墨水樹色布上的色變

表十五、乾燥葉加墨水樹染布的移印染(1 染布及乾燥葉有浸泡鐵劑後擰乾及擦乾、2 乾燥葉有浸泡鐵劑而染布沒有、3 乾燥葉無浸泡鐵劑而染布有浸泡鐵劑)

(27)

表十六、新鮮葉加墨水樹染布的移印染(浸於不同濃度的鐵劑後擰乾、新鮮葉無浸泡鐵劑) 左下角福木、右上角煙火樹、中間變葉木，上方阿勃勒；白色蓋布與色布左右對稱

七、墨水樹染材的減量回收及再利用之研究(表十九~三十二如實驗記錄本，數據製圖如下) 表十七、白光照射不同濃度墨水樹汁

墨水樹汁濃度 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 3v 源偵測 v 2.67 1.885 1.465 1.229 1.164 1.098

6v 源偵測 v 5.10 3.56 2.85 2.34 2.29 2.06

9v 源偵測 v 7.44 5.22 4.20 3.47 3.31 3.07

12 v 源偵測 v 9.85 6.98 5.57 4.61 4.35 4.18 表十八、紅光照射不同濃度墨水樹汁

墨水樹汁濃度 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 3v 源偵測 v 2.67 0.646 0.533 0.428 0.41 0.355

6v 源偵測 v 5.10 1.22 1.02 0.81 0.76 0.65

9v 源偵測 v 7.44 1.83 1.54 1.25 1.14 1.00

12 v 源偵測 v 9.85 2.54 2.07 1.69 1.56 1.41

(28)

第四代多色光 9VLED 燈條單燈源吸光度儀，以「白光」照射不同濃度墨水樹汁，在不同電壓下，光敏電阻照光強度與串接 2K 歐姆偵測電壓的關係圖中線性回歸趨勢線 R²值，顯然比「紅色系」墨水樹汁以「紅色波長的光」靈敏度差。

(29)

(30)

第四代光敏電阻吸光儀以多色光 9VLED 燈條單燈照射不同濃度的墨水樹汁，不同色光使光敏電阻感光強度變化與串接 2K 歐姆偵測電壓的線性回歸分析趨勢線的比較

電阻供電電壓趨勢線方程式相關係數 r 的平方值 R²

色光及燈號 6V 9V 6V 9V

白燈 1 y = 2.4744x + 0.2478 y = 1.6617x + 0.1694 R² = 0.9448 R² = 0.9494 紅燈 2 y = 8.8649x + 0.6459 y = 5.6747x + 0.4341 R² = 0.9837 R² = 0.993 綠燈 3 y = 4.3562x + 0.3824 y = 2.8612x + 0.2599 R² = 0.9299 R² = 0.9296 藍燈 4 y = 7.5163x + 0.4537 y = 4.8954x + 0.3121 R² = 0.8633 R² = 0.8678 橙燈 5 y = 5.7284x + 0.4581 y = 3.6832x + 0.3136 R² = 0.9796 R² = 0.978 淺綠 6 y = 3.8999x + 0.3491 y = 2.5655x + 0.2364 R² = 0.912 R² = 0.9207 深藍 7 y = 6.0155x + 0.386 y = 3.9305x + 0.2655 R² = 0.8988 R² = 0.9081 深黃 8 y = 4.5321x + 0.3819 y = 2.8801x + 0.2616 R² = 0.9689 R² = 0.9699 青燈 9 y = 3.6383x + 0.3225 y = 2.3672x + 0.2197 R² = 0.8938 R² = 0.9108 褐燈 10 y = 4.5171x + 0.37 y = 2.9114x + 0.2522 R² = 0.7299 R² = 0.7501 黃燈 11 y = 4.5171x + 0.37 y = 2.9114x + 0.2522 R² = 0.7299 R² = 0.7501 淺藍 12 y = 3.6312x + 0.3211 y = 2.3609x + 0.2195 R² = 0.9111 R² = 0.914 粉紅 13 y = 4.6936x + 0.3376 y = 3.0158x + 0.2285 R² = 0.8994 R² = 0.931 淺黃 14 y = 3.1891x + 0.3055 y = 2.1008x + 0.2082 R² = 0.9654 R² = 0.9593 淡藍 15 y = 3.1447x + 0.2818 y = 2.0545x + 0.1937 R² = 0.9211 R² = 0.9067 紫燈 16 y = 4.4723x + 0.2961 y = 2.7649x + 0.2181 R² = 0.9376 R² = 0.9355

「其它的色光」照射不同濃度墨水樹汁，在不同電壓下，光敏電阻照光強度與串接 2K 歐姆偵測電壓的關係圖中線性回歸趨勢線 R²值，也都比「紅色系」墨水樹汁以「紅色波長的光」靈敏度差。

所以，假設未知濃度的墨水樹染液濃度要回收，以 9v 電源，用紅光測出偵測電壓為 1.50 v 則代入 1/1.5= y 的線性回歸趨勢線 y = 5.6747x + 0.4341，R² = 0.993

1/1.5=5.6747x + 0.4341，∴回推回收墨水樹染液濃度 x = (1/1.5 - 0.4341)/ 5.6747 = 0.04098

(31)

陸、結論

1.將染布去漿、加濃染劑後的染布顯色效果較好。

2.墨水樹心染材經煮染及上色時間越久染色效果越佳；染液呈紅色，略呈酸性，加鹼呈紫色、加酸呈黃色，但染布在空氣中置放，漸回復紅棕色。

3.染液加入不同含金屬離子的媒染劑會改變顏色，前媒染比後媒染的顯色效果佳；後媒染則比同媒染的顯色效果佳。

4.移印染的色布應選淺色為宜，只需染布浸鐵劑擰乾，且鐵劑與水的濃度比例 1:500~1:2000，均可對樹葉移印在墨水樹染布蒸煮後產生色變。

5.我們成功的整合手機 App 辨色的在暗箱光路徑區中測比色槽染液的 RGB、染布使用 GY-33 顏色感測器模組量測，可增加顏色量測的準確度。

6.我們也成功的製造出第四代可調變色燈的吸光儀設計，以 LED 遙控器讓紅外線感測器接收靜態十六色燈的變換，操作容易，整體吸光儀設計成本低廉，相當於特地波長色光的十六色燈的感光電壓下，光敏電阻與串接電阻檢測電壓的線性回歸趨勢線的 R2 值均可達 0.99 以上，

真是太令人感動了。並可依染液選擇色燈，製作出不同濃度的檢量線並定量染後的廢液濃度，

回收再利用。

柒、參考資料

1. 自然第三冊第 2-2 水溶液-飽和溶液與溶解度康軒文教事業 2. 自然第四冊第 8-2-2 氧化還原反應的應用康軒文教事業 3. 自然第五冊第四章基本電路康軒文教事業

4. 歷屆科展作品

(1)郭珈妤等(2020) 色變~藍靛粉的山水風情畫中華民國第 60 屆中小學科學展覽會，臺中市 (2)蔡明傑等(2017) 色素大不銅-光合色素光譜分析與探討中華民國第 56 屆中小學科學展覽

會，臺南市 5.墨水樹資料

(1) https://zh.wikipedia.org/wiki/蘇木精

(2)https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A2%A8%E6%B0%B4%E6%A8%B9 (3)https://sukaren88.pixnet.net/blog/post/16024609

(4)https://blog.xuite.net/wen529595/twblog/123616137-2012 (5) http://163.24.93.132/dnpsothers/plants/plant/new_page_86.htm 6.光敏電阻遇光的電壓變化值測定

http://blog.ncue.edu.tw/sys/lib/read_attach.php?id=19286

7.施正雄， 2014 年 10 月，儀器分析原理與應用，五南圖書出版股份有限公司 8.馬毓秀(2008)。四季繽紛草木染。台北：遠流

(32)

【評語】 030201

多光光度計的製作能夠精益求精，運用簡單器材製作多顏色光度計藉以量測染料濃度改變在不同波長 (變色燈)照射下光敏電阻電壓 (吸光度)之變化。自製儀器構造雖簡單，但效果優異，線性良好，非常值得嘉許；惟可再注意濃度改變與測量電壓在不同源偵測電壓下回歸線斜率高低代表之物理意義與優化光度計間之關聯。

C:\Users\cutes\Downloads\030201-評語

(33)

作品簡報

(34)

色變 ~ 移印幻影 - 著墨於儀

科別：化學科

組別：國中組

(35)

方法

RGB辨色(定性)

手機 App辨色

智慧型手機 → 網路app商店→

→

點選快速連結的畫面 → 以手機拍照相片或直接畫面讀取→由APP辨色記錄RGB。

輸入[ color picker] → 下載App辨色軟體程式→

→

手機直接讀取RGB數據誤差太大，

需設計RGB 測定箱

染液製備

將定量的墨水樹染材裝在自製布袋內，袋口拉緊

染材放入定量的水杯中

染材杯放置電磁攪拌器加積木裝置中加熱攪拌

每分鐘常溫或加熱攪拌取樣

布料前處理

去漿布料浸泡在肥皂絲中置放至隔夜後洗滌

濃染去漿布料浸泡在含蛋白質水溶液中半小時後擰乾曝晒

手機置放位置

RGB測定箱及顏色感測器模組辨色(定性)

第一代RGB測定箱設計光源照射比色管槽黑色路徑

光透過45∘平面鏡反射至上方手機, LED光太強，使手機App無法呈現紅色的辨色結果

第二代RGB測定箱設計

^110V3w的

白光燈泡只接輸出減壓 5V的變壓器為電源

第三代RGB測定模組-GY-33顏色感測器

檢測色布、色紙，可避外界光源干擾，定距離準確辨色的效果

可調變色燈的吸光儀(定量)

第一代白光光敏電阻吸光儀

光敏電阻超亮白光

只發出混合白光光源，

無分光效果

第二代色光光敏電阻吸光儀

加裝各色玻璃紙遮罩可達分光效果但抽換遮罩較為不便。

L型的第三代色光光敏電阻吸光儀

十六顆綜合型LED燈，

三切開關可切換出七色色光

多色光燈條照射光敏電阻感光的第四代吸光儀 燈條及LED快接頭，以LED 遙控器測試，

9V或12V則可讓16色光變色燈亮

(36)

環氧基

電子會跳動

羥類似花青素結構基

色變及儀器設計原理的介紹

墨水樹染料成份：蘇木精結構

木材及樹皮中的蘇木精為優秀染料，是一種花青素，常用於細胞染色或衣物。

物性染料有效成分的化學結構上大多含有

而墨水樹的蘇木精正含有 及

正因為有這些結構，所以加入不同酸鹼或媒染劑 才能有不同顏色變化

OH

可以抓住金屬鹽而物質顯色的原理就是吸附可

見光中的某段波長

所以會改變波長而產生不同顏色

非水溶性靛藍（氧化型）水溶性靛白（還原型）

靛藍的還原反應與靛白的氧化反應

（圖片來源：Wikipedia(2019)。取自https://goo.gl/XMY4zZ）

向右得到電子還原

向左失去電子而氧化

電子會跳動

羧基胭脂紅酸

茜草根內的茜素

光的吸收波長及其互補色

可見光的吸收波長與補色的關係

來源：化學工業概論吳紀聖、謝榮忠編著

依比爾定律原理來量測分析物，

以一束平行單色光垂直照射比色管溶液，通過一定長度的待測液後，會被吸收掉一部分的光能，

一般電阻的電阻提高至與光敏電阻值相近，兩者仍維

持串接，光敏電阻未受光時，電阻較大，分配電壓大

小，與一般電阻接近，約為供電電壓的一半；而光敏

電阻受光時，電阻較小，分配電壓變小，所以，數字

(37)

R 255 41 G 255 48 B 255 48 GY-33顏色感測器

是由兩顆白光和中間的感光器所組成的

GY-33顏色感測器

ADC是指類比數位訊號把布反射出來的光轉換成電的類比訊號再轉換成數位數字再傳送到電腦變成RGB

著墨於儀 ^著 ^墨 ^於 ^儀的儀器設計

WpfAppColorSensor.exe.config

<?xml version="1.0" encoding="utf-8" ?>

<configuration>

<startup>

<supportedRuntime version="v4.0"

sku=".NETFramework,Version=v4.8" />

</startup>

</configuration>

(40)

147.8

60 68.6

143.4

40.2

51.2 143.8

42.2

52 142.2

31.2 48.4 43

19

6.6

51.8

40.2

11.4 100

69.8

12.2 86.8

56.4

4 42

9.8

4.4

41 7.8

5.6 41.4

13

6.6 45

10.4

6.2

7 0.2 0.8

27.8

4.8 30.2 3.2

4.8 3.2

4.8 0.4 1.6

0 20 40 60 80 100 120 140 160

R G B

各色階數值

墨水樹色階

墨水樹在水相中不同溫度及加熱時間的萃取色素RGB數值比較

常溫1分鐘常溫2分鐘常溫3分鐘常溫4分鐘 40℃1分鐘 40℃2分鐘 40℃3分鐘 40℃4分鐘 60℃1分鐘 60℃2分鐘 60℃3分鐘 60℃4分鐘 80℃1分鐘 80℃2分鐘 80℃3分鐘 80℃4分鐘

79.6

9.2 6.4

95.4

20.6 118

35

1 105

39.4

1.4 107

20.2

5.8 118

22.2 1.4

114 111

33.4

2.2 73.4

15.6 10.2

63.6

6.2 5

72

12.2 8.4 9.8

23.2

17.2 18.4

0 20 40 60 80 100 120 140

各色階數值

墨水樹萃取液的酸鹼性中RGB色變比較

墨水樹萃取液加10滴pH1 加10滴pH2 加10滴pH3 加10滴pH4 加10滴pH5 加10滴pH6 加10滴pH8 加10滴pH9 加10滴pH10 加10滴pH11 加10滴pH12 加10滴pH13

著墨於儀 ^著 ^墨 ^於 ^儀的實驗數據討論

(41)

著墨於儀 ^著 ^墨 ^於 ^儀的儀器設計

墨水樹萃取液原汁稀釋10倍為10x=0.1 墨水樹

汁稀釋液

0.1x 0.08 ^0.06 ^0.04 ^0.02 0

墨水樹汁 10x

10 8 6 4 2 0mL 第一代單

色白光燈源吸光度儀照射水在不同電壓下光敏電阻照光強度與串接2K歐姆偵測電壓

第一代單色光單燈吸光儀模型製作圖示流程

第一代單色光單燈吸光儀實測數據結果分析

(42)

著墨於儀 ^著 ^墨 ^於 ^儀的儀器設計

第二代多色光單燈吸光儀模型製作圖示流程

第二代多色光單燈吸光儀實測數據結果分析

第二代多色燈罩吸光度儀照射不同濃度墨水樹汁在6V電壓下光敏電阻照光強度與串接5K歐姆偵測電壓的關係

(43)

著墨於儀 ^著 ^墨 ^於 ^儀的儀器設計

第三代多燈多色光吸光儀模型製作圖示流程

第三代多燈多色光吸光儀實測數據結果分析

(44)

著墨於儀 ^著 ^墨 ^於 ^儀的儀器設計

第四代燈條多色光吸光儀模型製作圖示流程

第四代燈條多色光吸光儀實測數據結果分析

(45)

著墨於儀

y = 15.503x + 1.2731 R² = 0.9748

y = 8.8649x + 0.6459 R² = 0.9837

y = 5.6747x + 0.4341 R² = 0.993

y = 3.9449x + 0.3271 R² = 0.9828

0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12

串接2K歐姆偵測電壓的倒數大小

墨水樹汁濃度比例

第四代多色光9V LED燈條單燈源吸光度儀紅光照射不同濃度墨水樹汁在不同電壓下光敏電阻照光強度與串接2K歐姆偵測電壓的關係圖

1/ 3 v源偵測電壓

1/ 6 v源偵測電壓

1/ 9 v源偵測電壓

1/ 12 v源偵測電壓

方程式為ax+b=y 我們已經透過實驗知道a 和b 那我們把電壓(y)帶入此方程式便可算出我們的x

不同濃度墨水樹汁 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1 光敏電阻串接2K歐姆總電

壓6V 3.56 2.85 2.34 2.29 2.06 1.98 1.82 1.92 1.89 1.86 光敏電阻串接2K歐姆總電

壓12V 6.98 5.57 4.61 4.35 4.18 3.99 3.61 3.84 3.76 3.57

中華民國第 61 屆中小學科學展覽會 作品說明書