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福大江獻財、紡大葉德展 ACS AMI：具有高透光率和太陽光調(diào)制性能的熱響應(yīng)聚（N-異丙基丙烯酰胺）/羥丙基甲基纖維素水凝膠
2023-01-17  來源：高分子科技

  熱響應(yīng)水凝膠是用于制備熱致變色智能窗的極具前景的材料。然而，理想的熱響應(yīng)水凝膠材料應(yīng)具有高透光率、高太陽光調(diào)制性能、低相變溫度和優(yōu)異的高溫?zé)岱(wěn)定性，但上述性能難以同時實現(xiàn)。因此，制備能同時滿足上述需求的具有優(yōu)異綜合性能的熱響應(yīng)水凝膠仍是一個巨大挑戰(zhàn)。


圖1. PNIPAM/HPMC智能窗的結(jié)構(gòu)和性能示意圖。


  近期，福州大學(xué)江獻財副教授和武漢紡織大學(xué)葉德展副教授團隊在ACS Applied Materials & Interfaces上發(fā)表了題為“Thermo-Responsive Poly(N-isopropylacrylamide)/Hydroxypropylmethyl Cellulose Hydrogel with High Luminous Transmittance and Solar Modulation for Smart Windows”的論文。本論文以聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）作為熱響應(yīng)水凝膠的基底，引入羥丙基甲基纖維素（HPMC）作為改性材料，通過氧化還原引發(fā)劑在冰水浴的低溫環(huán)境引發(fā)聚合，制備得到熱響應(yīng)PNIPAM/HPMC水凝膠。該水凝膠材料具有高透光率（Tlum=90.82%）、高太陽光調(diào)制性能（?Tsol=81.52%）、低相變溫度（LCST=~32 °C）和優(yōu)異的高溫?zé)岱(wěn)定性。


  研究人員通過向N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）和HPMC溶液中加入氧化劑過硫酸銨（APS）和還原劑亞硫酸氫鈉（NaHSO3），并在冰水浴的低溫環(huán)境引發(fā)聚合，制備得到熱響應(yīng)PNIPAM/HPMC水凝膠。選擇HPMC作為改性材料的原因在于其分子鏈上同時具有親水基團羥基（-OH）和疏水基團甲基（-CH3），可以在提升水凝膠的機械性能和熱穩(wěn)定性能的同時不顯著改變水凝膠的親水性，從而保證水凝膠的相變溫度不發(fā)生顯著改變。此外，低溫的聚合環(huán)境可以及時分散反應(yīng)過程中放出的熱量以防止由高溫引起的單體析出和分子鏈?zhǔn)湛s，從而提升水凝膠的透明性。基于上述策略成功制備得到具有高透光率、高太陽光調(diào)制性能、低相變溫度和優(yōu)異的高溫?zé)岱(wěn)定性的理想熱響應(yīng)水凝膠材料PNIPAM/HPMC，且由該水凝膠材料組裝而成的熱致變色智能窗具有高透光率（T380-760=86.27%），優(yōu)異的光調(diào)制性能（?T365=74.27%、?T380-760=86.17%、?T940=63.93%）、良好的室溫調(diào)節(jié)能力和穩(wěn)定性。這項工作為改性PNIPAM基水凝膠熱致變色智能窗口提供了一個選擇和方向。 


圖2. PNIPAM/HPMC水凝膠的制備流程和機理圖。 


圖3. PNIPAM/HPMC水凝膠的制備表征。
 

圖4. PNIPAM/HPMC水凝膠的熱學(xué)性能表征。
 

圖5. PNIPAM/HPMC水凝膠的力學(xué)性能表征。
 

圖6. PNIPAM/HPMC水凝膠的光學(xué)性能表征。
 

圖7. PNIPAM/HPMC水凝膠智能窗的室溫調(diào)節(jié)能力表征。

  福州大學(xué)研究生王凱為論文的第一作者，福州大學(xué)江獻財副教授、武漢紡織大學(xué)葉德展副教授為論文的通訊作者。本研究工作得到了福建省自然科學(xué)基金（No. 2020J01516）以及高分子材料工程國家重點實驗室開放課題基金（四川大學(xué)）（Sklpme 2019-4-25）的經(jīng)費資助。


  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.2c15367

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