基于温敏聚合物水凝胶的智能调光膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种智能调光膜及其制备方法，通过将温敏聚合物和各种助剂溶解于不具有温敏效应的聚合物水凝胶主体之中，获得了具有一定机械强度的温度敏感性良好的智能调光膜。将温敏聚合物、各种助剂、水溶性单体、交联剂等配制成水溶液，加入引发剂使上述溶液发生聚合，制得智能调光膜。本发明专利技术的智能调光膜制备方法操作简便，成本低廉，且能够在室温下进行；所获得的智能调光膜具有一定的强度，温度敏感性良好。

【技术实现步骤摘要】
基于温敏聚合物水凝胶的智能调光膜及其制备方法
本专利技术涉及一种可以根据环境温度变化能够自动调节透光度的智能调光膜及其制备方法，可以应用于建筑物或交通工具的窗体、温室暖棚或某些建筑场馆的透明屋顶及太阳能集热装置。
技术介绍
建筑物和交通工具等室内空间以及太阳能集热装置的有效采光是人类社会日常生活及发展绿色低碳经济的要素之一。近年来，随着世界各国对绿色能源及低碳经济重视度的提高，太阳能的有效利用及节能环保材料的开发受到了人们的广泛关注。对于建筑物和交通工具而言，合理的室内采光与窗体布局设计可以有效避免不必要的电力消耗（照明和取暖）；但产生的副作用却是夏季太阳光的过多射入又会导致室内温度过高，需要空调制冷进行降温，这无疑又增加了电力消耗。对于太阳能集热装置而言，有时也不需要过高的温度。近年来，研究者开发了“智能窗（SmartWindow）”，将智能调光材料涂覆于窗玻璃之上，或装载于窗玻璃夹层之中。智能调光材料可根据室内环境自动调节透光度，以调控阳光的射入。譬如，冬季时，窗户保持透明状态，阳光的射入可以为房间取暖；夏季，当室内温度高于某一值时，窗户透明度降低以减少阳光射入，从而避免了室内温度过热。智能窗材料的光学调控开关可以通过电场作用诱导液晶取向排列、悬浮颗粒分散或生色基团的氧化—还原转变，以实现智能窗的透明—浑浊转变；光致变色材料也被应用于智能窗，主要是通过紫外辐射导致的透光性变化；另一类重要的智能窗材料是热致变色材料，利用环境温度的变化来调节透光度，包括无机物如银、汞、镉、钛、钒化合物和聚合物基材料。由于其低成本及易操作性，温敏性聚合物水凝胶在智能窗领域显示出广阔的应用前景。其原理是当温度高于某一临界温度时，聚合物与水的亲和力急剧下降而发生相分离，表现出的宏观现象便是体系由透明态向浑浊态的转变，从而导致透光度的降低。温敏型水溶性聚合物包括羟丙基纤维素（HPC）、羟丙基甲基纤维素（HPMC）、聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPA）、聚(甲基乙烯基醚)（PVME）、聚(N,N-乙基丙烯酰胺)（PDEAM）、聚(N-乙烯基己内酰胺)（PVCL）和聚(2-异丙基-2-噁唑啉)（PIPO）、聚氧化乙烯-聚氧化丙烯-聚氧化乙烯三嵌段共聚物（PEO-PPO-PEO，Pluronic），这些聚合物在智能材料领域显示出巨大的应用潜力。已见报道的温敏型水溶性聚合物溶液或凝胶基智能窗包括：HPC或HPMC作为主材，加入添加剂配制成水溶液或凝胶体（Sol.Energ.Mat.Sol.Cells1998,54:203-211；门窗2009,4:42-44；CN1621458A；CN1986630A），PVME基溶液或凝胶（新型建筑材料2007,34:32-34；US5404245），PNIPA基凝胶（Polym.Adv.Technol.2003,14:757–762）置于玻璃夹层中或作成膜。温敏聚合物的一个重要特点是在临界温度LCST之上会发生相分离，由透明态转变为浑浊态，有时可能会生成沉淀；但如果做成本体凝胶，其最大缺点是伴随着透明度的变化还会发生明显的体积收缩。应用于智能窗时，液态体系无法成膜，只能用作夹层填充材料，长期使用过程中易发生分层与絮凝；固态凝胶体系可以有效避免上述问题的发生，除用作夹层材料还可单独以膜材料使用，但必须保证凝胶膜本身不发生体积相转变和表皮起皱。因此，可考虑将温敏聚合物均匀溶解于其它不会发生分相的水凝胶体系中。文献[新型建筑材料2007,34:32-34]及专利（CN101608021B）将PVME或NIPA基聚合物互穿于交联聚乙烯醇（PVA）基水凝胶体系，获得了具有一定弹性和韧性的智能调光膜。专利CN1986630A则是在已有专利（CN1621458A）技术的基础配方之上，又加入了一种凝胶剂如黄原胶、卡拉胶或结冷胶，获得了常温下的固态膜。文献[SmartMaterStruct.2011,20:075005]则将温敏性的聚氧化乙烯-聚氧化丙烯-聚氧化乙烯/辛基酚聚氧乙烯醚（PEO-PPO-PEO/TX-100）混合体系辅以其它添加剂嵌于琼脂糖凝胶，制备了智能调光膜。上述已报道的作为温敏聚合物载体的固态水凝胶虽然克服了液态聚合物溶液本身固有的缺点，但也存在一些不足：如PVA体系尽管可以赋予高弹性和韧性，但笔者已证实PVA大分子在低温环境下特别是冬季易于结晶析出而导致膜不可逆浑浊；黄原胶、卡拉胶或结冷胶虽然能够将温敏聚合物溶液固态化，但其仅仅靠物理作用进行交联，其机械性能难以达到作为膜单独使用的要求；琼脂糖水凝胶虽然具有一定的强度，但在制备过程中需要在高温环境下将所有成膜原料混合均匀，转入模具中冷却成膜，由于高温下温敏聚合物发生聚集，需采用超声震荡保证其均匀分散，而且整个操作需要高温下完成，这无疑增加了能源消耗与操作的繁琐性。
技术实现思路
针对目前智能窗用温敏水凝胶调光材料存在的一些不足，本专利技术旨在提供一种具有一定机械性能、含有温敏聚合物的水凝胶基智能调光膜及其制备方法。为达到本专利技术的上述目的，可以通过以下的技术方案加以实现：本专利技术提供一种智能调光膜的制备方法，该方法包括以下步骤：将温敏聚合物溶解于不具有温敏效应的聚合物水凝胶主体之中，其中所述聚合物水凝胶主体通过水溶性单体在交联剂存在下进行自由基聚合，先将温敏聚合物0.25-5wt%；水溶性单体2-30wt%；交联剂0.1-5wt%；转变温度调节剂0-5wt%；和增强剂0-5wt%在搅拌作用下，溶解于50-97.65wt%的水中，所有组分总量为100wt%，混合均匀后，必要时通氮除氧，加入引发剂，再转入模具，静置聚合，即得所述智能调光膜。为了使智能调光材料具有高透明度及一定的机械强度，而且保证在使用温度范围内不发生明显的体积收缩或膨胀，需要将温敏聚合物（如HPC、HPMC、PVME和PNIPA等）溶解于具有良好透明性及机械强度，且在使用温度范围内体积稳定的主体水凝胶体系中。为了使聚合物在主体凝胶体系中溶解均匀，需要先将温敏聚合物与水溶性单体在水溶液中溶解均匀，然后对体系进行交联使其凝胶化，以获得智能调光膜材料。本专利技术采用无相变水凝胶作为温敏聚合物的载体即主体凝胶。首先将温敏聚合物HPC、HPMC、PNIPA或PVME、水溶性单体、交联剂和其它添加剂如临界转变温度调节剂和/或增强剂溶解于水溶液中，得到均匀透明的溶液。然后加入自由基聚合引发剂，并将聚合体系倒入成膜模具中，密闭条件下于室温（≤30℃）引发聚合，即可获得随温度变化而发生透明态←→浑浊态可逆转变的智能调光材料。水溶性单体包括丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、丙烯酸及其盐、（甲基）丙烯酸羟乙酯等。交联剂的特征是单个分子上含有两个或更多的双键，包括但N,N-亚甲基双丙烯酰胺、双(甲基)丙烯酸乙二醇酯、聚乙二醇双(甲基)丙烯酸酯等水溶性多官能团单体。本专利技术所选用的单体和交联剂都是本领域科研人员熟悉且常用的物质。为了调节相变温度以适应不同的应用环境，有时需要添加转变温度调节剂如无机盐和/或表面活性剂。所选无机盐包括锂、钠、钾、钙、镁、铵等离子的氯化物、硫酸盐、硝酸盐、硫氰酸盐等中的一种或几种。表面活性剂包括阴离子型表面活性剂如长链烷基硫酸盐、磺酸盐或苯磺酸盐，阳离子表面活性剂如长链烷基三甲基或三本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种智能调光膜制备方法，所述方法包括：将温敏聚合物溶解于不具有温敏效应的聚合物水凝胶主体之中，其中所述聚合物水凝胶主体通过水溶性单体在交联剂存在下进行自由基聚合，先将温敏聚合物0.25？5wt%；水溶性单体2？30wt%；交联剂0.1？5wt%；转变温度调节剂0？5wt%；和增强剂0？5wt%在搅拌作用下，溶解于50？97.65wt%的水中，所有组分总量为100wt%，体系混合均匀后，必要时通氮除氧，加入引发剂，再转入模具，静置聚合，即得所述智能调光膜。

【技术特征摘要】
1.一种智能调光膜制备方法，所述方法包括：将温敏聚合物溶解于不具有温敏效应的聚合物水凝胶主体之中，其中所述聚合物水凝胶主体通过水溶性单体在交联剂存在下进行自由基聚合，先将温敏聚合物PNIPA1.0wt％；丙烯酰胺AM10wt％；N,N’-亚甲基双丙烯酰胺BIS0.4wt％；纳米级粘土1.0wt％...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建全，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：