[發明專利]基于溫敏聚合物水凝膠的智能調光膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201210328556.4
• 申請日: 2012-09-06
• 公開（公告）號: CN102816340A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 發明（設計）人: 王建全
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: C08J5/18
• 分類號: C08J5/18;C08F289/00;C08F283/04;C08F283/06;C08F220/56;C08F220/54;C08F220/06;C08F220/28;C08F222/38;C08F222/14
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技術領域

本發明涉及一種可以根據環境溫度變化能夠自動調節透光度的智能調光膜及其制備方法，可以應用于建筑物或交通工具的窗體、溫室暖棚或某些建筑場館的透明屋頂及太陽能集熱裝置。

背景技術

建筑物和交通工具等室內空間以及太陽能集熱裝置的有效采光是人類社會日常生活及發展綠色低碳經濟的要素之一。近年來，隨著世界各國對綠色能源及低碳經濟重視度的提高，太陽能的有效利用及節能環保材料的開發受到了人們的廣泛關注。對于建筑物和交通工具而言，合理的室內采光與窗體布局設計可以有效避免不必要的電力消耗（照明和取暖）；但產生的副作用卻是夏季太陽光的過多射入又會導致室內溫度過高，需要空調制冷進行降溫，這無疑又增加了電力消耗。對于太陽能集熱裝置而言，有時也不需要過高的溫度。近年來，研究者開發了“智能窗（Smart?Window）”，將智能調光材料涂覆于窗玻璃之上，或裝載于窗玻璃夾層之中。智能調光材料可根據室內環境自動調節透光度，以調控陽光的射入。譬如，冬季時，窗戶保持透明狀態，陽光的射入可以為房間取暖；夏季，當室內溫度高于某一值時，窗戶透明度降低以減少陽光射入，從而避免了室內溫度過熱。

智能窗材料的光學調控開關可以通過電場作用誘導液晶取向排列、懸浮顆粒分散或生色基團的氧化—還原轉變，以實現智能窗的透明—渾濁轉變；光致變色材料也被應用于智能窗，主要是通過紫外輻射導致的透光性變化；另一類重要的智能窗材料是熱致變色材料，利用環境溫度的變化來調節透光度，包括無機物如銀、汞、鎘、鈦、釩化合物和聚合物基材料。由于其低成本及易操作性，溫敏性聚合物水凝膠在智能窗領域顯示出廣闊的應用前景。其原理是當溫度高于某一臨界溫度時，聚合物與水的親和力急劇下降而發生相分離，表現出的宏觀現象便是體系由透明態向渾濁態的轉變，從而導致透光度的降低。溫敏型水溶性聚合物包括羥丙基纖維素（HPC）、羥丙基甲基纖維素（HPMC）、聚(N-異丙基丙烯酰胺)（PNIPA）、聚(甲基乙烯基醚)（PVME）、聚(N,N-乙基丙烯酰胺)（PDEAM）、聚(N-乙烯基己內酰胺)（PVCL）和聚(2-異丙基-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），這些聚合物在智能材料領域顯示出巨大的應用潛力。已見報道的溫敏型水溶性聚合物溶液或凝膠基智能窗包括：HPC或HPMC作為主材，加入添加劑配制成水溶液或凝膠體（Sol.Energ.Mat.Sol.Cells?1998,54:203-211；門窗2009,4:42-44；CN1621458A；CN1986630A），PVME基溶液或凝膠（新型建筑材料2007,34:32-34；US5404245），PNIPA基凝膠（Polym.Adv.Technol.2003,14:757–762）置于玻璃夾層中或作成膜。溫敏聚合物的一個重要特點是在臨界溫度LCST之上會發生相分離，由透明態轉變為渾濁態，有時可能會生成沉淀；但如果做成本體凝膠，其最大缺點是伴隨著透明度的變化還會發生明顯的體積收縮。應用于智能窗時，液態體系無法成膜，只能用作夾層填充材料，長期使用過程中易發生分層與絮凝；固態凝膠體系可以有效避免上述問題的發生，除用作夾層材料還可單獨以膜材料使用，但必須保證凝膠膜本身不發生體積相轉變和表皮起皺。因此，可考慮將溫敏聚合物均勻溶解于其它不會發生分相的水凝膠體系中。文獻[新型建筑材料2007,34:32-34]及專利（CN101608021B）將PVME或NIPA基聚合物互穿于交聯聚乙烯醇（PVA）基水凝膠體系，獲得了具有一定彈性和韌性的智能調光膜。專利CN1986630A則是在已有專利（CN1621458A）技術的基礎配方之上，又加入了一種凝膠劑如黃原膠、卡拉膠或結冷膠，獲得了常溫下的固態膜。文獻[Smart?Mater?Struct.2011,20:075005]則將溫敏性的聚氧化乙烯-聚氧化丙烯-聚氧化乙烯/辛基酚聚氧乙烯醚（PEO-PPO-PEO/TX-100）混合體系輔以其它添加劑嵌于瓊脂糖凝膠，制備了智能調光膜。上述已報道的作為溫敏聚合物載體的固態水凝膠雖然克服了液態聚合物溶液本身固有的缺點，但也存在一些不足：如PVA體系盡管可以賦予高彈性和韌性，但筆者已證實PVA大分子在低溫環境下特別是冬季易于結晶析出而導致膜不可逆渾濁；黃原膠、卡拉膠或結冷膠雖然能夠將溫敏聚合物溶液固態化，但其僅僅靠物理作用進行交聯，其機械性能難以達到作為膜單獨使用的要求；瓊脂糖水凝膠雖然具有一定的強度，但在制備過程中需要在高溫環境下將所有成膜原料混合均勻，轉入模具中冷卻成膜，由于高溫下溫敏聚合物發生聚集，需采用超聲震蕩保證其均勻分散，而且整個操作需要高溫下完成，這無疑增加了能源消耗與操作的繁瑣性。