[发明专利]基于温敏聚合物水凝胶的智能调光膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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（Smart Window）”，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.Cells 1998,54:203-211；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[Smart Mater Struct.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。