天津大学赵瑾&侯信AFM：高强度热致变色水凝胶节能智能窗
文摘
2024-12-28 09:13
河北
转自EngineeringForLife
节能是当今世界最紧迫的问题之一，已成为制约全球发展的主要因素。随着人口和工业化进程的加快，不可再生能源的消耗急剧增加，温室气体的排放也加剧了气候变化。建筑能耗占总能耗的40%，其中大部分用于空调和供暖。窗户是建筑能耗最高的部件，其成本约占建筑能耗的60%。现有的建筑材料能源效率低，对外部刺激反应迟缓。由智能材料构成的新型智能窗能够根据外部环境智能地改变透光率，有助于调节太阳辐射和建筑节能，受到了人们的广泛关注。近期，天津大学赵瑾教授和侯信教授团队通过将酸性亲水单体丙烯酸（AAc）与具有聚醚侧链的疏水单体丙烯酸2-（2-乙氧基乙氧基）乙酯（EEEA）共聚，制备了聚（2-（2-乙氧基乙氧基）丙烯酸乙酯-丙烯酸）（PEA）水凝胶。开发了具有优异力学性能（抗拉强度≈0.45 MPa，伸长率≈440%，韧性≈0.96 MJ m−3），高可见光透过率Tlum（92.69%），高太阳光调制能力ΔTsol（82.15%），快转变速率（<4 s）和可宽泛调节τc（4~50 °C）的智能窗。此外，PEA水凝胶可以通过投影式光固化生物3D打印机（EFL-BP8601 Pro）打印和简单的水合过程获得，可以实现个性化设计和温度调节。同时，额外的离子交联可以赋予热致变色PEA水凝胶显著的传感性能，从而实现对智能窗状态和温度的实时监测。该研究以题为“Pure Physical-Crosslinked High-Strength Thermochromic Hydrogel for Smart Window and Energy Conservation”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。（1）高太阳光调制能力和可宽泛调节的τc：PEA水凝胶展现出优异的透明性（Tlum = 92.69%）和太阳光调制能力（ΔTsol = 82.15%）。独特的可调温度触发可逆相分离机制赋予了水凝胶可宽泛调节的τc，并且τc的调节不依赖于水凝胶组分的变而是依赖于不同温度下水凝胶的水合状况。
（2）优异的力学性能：合理设计的相分离结构以及紧密的氢键交联和缠结有效地增强了PEA水凝胶的力学性能（抗拉强度≈0.45 MPa，伸长率≈440%，韧性≈0.96 MJ m−3） 。同时水凝胶具有良好的粘附性，可以稳定地黏附在多种材料表面，这有利于水凝胶智能窗的生产和装配。
（3）可3D打印性：不同形状的PEA水凝胶可以通过单体溶液的DLP 3D打印水化过程制备，这赋予了智能窗个性化设计及温度调节的能力。
图1a示出了热致变色水凝胶的合成过程。团队采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）验证了PEA弹性体和水凝胶的化学结构（图1b）。图1 e描述了τc调节过程的细节，PEA水凝胶的水含量在不同的处理温度下是不同的，这取决于聚合物链与水之间的结合能，其可调性主要来源于物理交联的链段重排和H2O的排出或吸收。
研究团队使用UV-vis-NIR透过光谱表征PEA水凝胶在300-2500 nm波长范围内的透射率，水凝胶展现出出色的热致变色能力。PEA水凝胶在550 nm处的透射率在100个循环期间保持在其原始水平，证明了其耐久性和稳定性。 研究团队综合了原位变温的形貌学和谱学的表征方法，结果表明，温度诱导的可逆相分离是热致变色的本质。当环境温度超τc时，PEA水凝胶的聚醚侧链可逆地发生溶胀和相分离，这导致从透明到不透明的转变。随着温度的降低，聚醚侧链水合，相分离逐渐消失，导致PEA水凝胶的透光率增加。 研究团队通过单轴拉伸试验验证了PEA水凝胶具有良好的机械强度和韧性，以确保在日常应用中的稳定性和耐用（图4a）。同时，PEA水凝胶均具有高模量（> 0.15MPa）和伸长率（>200%）（图4 b），强的非共价交联和能量耗散使PEA水凝胶具有高韧性（> 0.4 MJ m−3）（图4c）。此外，得益于与界面的丰富相互作用（如氢键、配位、静电力和疏水相互作用），PEA水凝胶表现出优异的粘附能力（图4 e），PEA水凝胶的牢固粘附特性使其能够轻松粘附在基材上，有利于智能窗户的生产和包装（图4 h）。 室内和室外的模拟实验表明热致变色PEA水凝胶具有出色的太阳光调节和温度调节能力。此外，通过数字光处理（DLP）技术可以轻松获得各种形状的PEA智能窗，而不受玻璃形状和尺寸的限制，值得注意的是，3D打印的PEA-25水凝胶仍然表现出出色的热致变色能力，并且可以随着温度的升高从透明转变为不透明，这可以平衡智能窗户的热阻挡和可视化。
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为了赋予PEA水凝胶导电性和传感性能，团队引入Ca 2+，使得水凝胶智能窗的状态和温度能够被实时监控。如图6 i所示，热电偶测量的实际温度变化曲线与相对电阻变化（ΔR/R 0）拟合的曲线几乎相同，验证了PEA-25-Ca 2+水凝胶用于智能窗的潜力，可以真实的实时监测温度。 总结：这项工作制备了具有高强度、优异的太阳光调制能力、宽范围可调的相变温度、快速的相变速率、可3D打印性和实时监测能力的新型热致变色PEA智能窗，为热致变色智能窗提供了创新的材料和见解，在节约建筑能源、减少碳排放、提高建筑结构的资源效率方面具有很大的潜力。天津大学材料科学与工程学院的博士研究生高炜程为本工作的第一作者，赵瑾教授和侯信教授为通讯作者。上述工作得到了国家自然科学基金(52273145)项目的大力支持。 https://doi.org/10.1002/adfm.202418941
