[发明专利]一种感温变色水凝胶型智能视窗及其制备方法、产品与应用

说明书

本发明涉及一种感温变色水凝胶型智能视窗及其制备方法、产品与应用，属于智能材料领域。本发明的水凝胶具有适宜的相转变过程和隔热降温效果，相变温度范围可在20℃～70℃内。本发明主要以马来酸酐修饰的壳聚糖与N‑异丙基丙烯酰胺(NIPAM)和不同价态的阳离子制备温敏变色水凝胶。马来酰化壳聚糖在壳聚糖分子链上引入双键，不仅作为第一网络结构，而且在后期单体聚合过程中使双网络结构牢固，具有交联作用，提高凝胶拉伸性能，且增加壳聚糖的水溶性。本发明的智能温敏视窗可以感知窗外温度，由窗外温度控制凝胶的透光度，以减少阳光射入，从而起到降低室内温度的作用。

技术领域

本发明属于智能材料领域，具体涉及一种感温变色水凝胶型智能视窗的制备方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

智能视窗(Smart window)主要是指由变色材料为主要材料所构建的可以动态调节透光率的应答式窗户。发达国家所使用的建筑能量占总能耗的30～40％，甚至超过了工业或交通运输的能耗量，而在这其中供暖，通风和空调系统贡献了约50％的建筑服务能源。然而近年来，越来越严重的夏季热浪使全球变暖这一紧迫问题成为全世界关注的问题。尽管将室内空间保持在舒适温度很重要，但大量使用大功率控温系统可能会增加化石能源的消耗，从而加剧全球变暖。为了解决这一矛盾，智能视窗在现代建筑当中受到越来越多的关注，通过明智的设计，可以实现透光率的灵活调节，通过控制照入室内的太阳辐射进而帮助调节室内温度并且减少室内温度控制系统的能耗，因此智能视窗被认为是具有发展前途的节省建筑能耗的有效技术。通过外界环境条件的改变或加一外部刺激，智能视窗材料的物理或化学性质(例如表面粗糙度，润湿性，透光率等)可以做出改变来响应外部的刺激，其中透光率响应型的智能材料尤为受到关注。而根据引起透光性响应的外部刺激类型不同，智能视窗材料可以分为热致变色(Thermochromic，TC)，光致变色(Photochromic，PC)，电致变色(Electrochromic，EC)，机械变色(Mechanochromic,MC)等不同类型。

热致变色(TC)窗户是采用热响应材料作为主要材料，既可以将其作为固体玻璃涂覆在玻璃表面上，也可以适当地封装在两块玻璃之间。基于热响应智能视窗可以根据温度更改其透明度，响应动态环境温度来自适应地调制光，因此这种机制通常被认为是光调制的被动方式。这种被动的调节机制没有额外能量输入，使得这种窗户成为节约建筑能源的理想选择。另外，TC智能窗口是纯材料驱动的，不需要附加的控制系统，其相对较小的构建难度为其另一大优势。

热致变色水凝胶(温敏性水凝胶)是一种特殊的水凝胶，作为节能型智能视窗应用的候选者已引起了广泛的关注。目前被广泛研究的热致变色水凝胶主要包括聚两性电解质水凝胶(PAH)，聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)，和羟丙基纤维素(HPC)等。温敏性水凝胶在对温度变化做出响应的过程中会经历亲水性到疏水性的体积相转变。一旦温度升高到LCST以上，聚合物与水分子间氢键就会断裂，聚合物链坍塌卷曲，导致水凝胶的相分离和聚合物聚集。高度聚集后的聚合物簇通过对入射光进行散射而降低了水凝胶的透明度。

近年来，越来越严重全球变暖问题引起了全世界的关注。为了调节室内温度而大范围使用空调等控温设备无疑会增加石油能耗，形成恶性循环。智能窗户作为一种可以动态调节透光率的应答式窗户，可以很好的协助室内温度调节，减少电力消耗。由热响应水凝胶(TRH)制成的智能窗是最受欢迎的策略之一，可以根据温度控制光热辐射的透射率。作为一种典型的温敏性水凝胶PNIPAM水凝胶在其低临界溶解温度(LCST)下经历可逆的亲水/疏水相变，当温度低于LCST时为透明状态，当温度高于LCST时为不透明状态。因此，已被广泛研究并用于构建功能材料。但是，发明人发现：原始的基于PNIPAM的水凝胶在到达LCST时仅迅速变成不透明，这种快速而彻底的响应特性在实际应用中可能会导致光线和温度的突变，同时影响室内正常采光，这是智能窗户中的一个潜在问题。

发明内容