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天津大学赵瑾教授团队 AFM：高强度热致变色水凝胶用于智能窗和节能建筑

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2024-12-15 11:02

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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，对外部刺激反应迟钝。由智能材料构成的新型窗户能够根据外部环境智能地改变透光率，因其有助于调节太阳辐射和建筑节能而受到广泛关注。

近期， 天津大学赵瑾教授团队 通过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 T _lum （ 92.69% ），高太阳光调制能力 ΔT _sol （ 82.15% ），快转变速率（ <4 s ）和可宽泛调节τ _c （ 4~50 °C ）的智能窗。此外， PEA 水凝胶可以通过数字（ DLP ）光处理 3D 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，离子交联赋予热致变色 PEA 水凝胶显著的温度敏感性能，从而实现对智能窗温度的真实的实时监测。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。

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 ），通过流变学实验（图 1c 、 d ）表明 PEA 水凝胶是一种弹性固体，同时证实了 PEA 水凝胶的高强度。 PEA 水凝胶的 τ _c 可以通过简单地改变处理温度来调节，图 1 e 描述了 τ _c 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 H ₂ O 的排出或吸收。

图 1 水凝胶的制备及表征

研究团队采用 UV-vis-NIR 透过光谱表征 PEA-25 水凝胶在 300-2500 nm 波长范围内的透射率，结果表明，随着环境温度的升高，太阳辐射光谱范围内的透射率逐渐降低（图 2a ），在较高的处理温度下获得的水凝胶具有较高的τ _c （图 2b ），证明了 PEA 水凝胶的可调节性，具有不同τ _c 的水凝胶均表现出出色的热致变色能力（图 2d ），这扩大了其应用范围。 PEA-25 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（图 2f ）。

图 2 热致变色性能

研究团队综合了原位变温的形貌学和谱学的研究，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τ _c 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。

图 3 热致变色机理

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性。结果表明水凝胶优异的力学性能归因于聚合物链之间强的氢键交联和缠结，水含量的增加会削弱交联，因此 PEA 水凝胶的机械性能会随着处理温度的降低而降低（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 ）。

图 4 力学性能

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。如图 5 b 所示，在暴露于人造光源 15 分钟后，裸玻璃和智能窗的内部温度显著上升，裸玻璃记录到 49.3 °C 的急剧上升，而智能窗显示出 41.2 °C 的适度上升。与此同时，在相同的照明时间后，裸玻璃内的空气温度经历了 15.3 °C 的显著增加，而智能窗内的空气温度经历了 9.4 °C 的逐渐上升（图 5 b ）。这两个模型房屋之间的巨大温差（ 5.9 °C ）强调了 PEA 智能窗的高效温度调节和节能能力。此外，封装后的 PEA 智能窗在一个月后仍然保持其初始温度调节能力（图 5c ），显示其良好的稳定性和耐用性。

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（图 5g ），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（图 5i ）。

图 5 太阳能调制能力和可 3D 打印性

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。 PEA-25-Ca ²⁺ 水凝胶在不同应变（图 6 b ）和变形速率（图 6c ）下的传感性能，测试期间几乎没有观察到性能损失，这表明具有出色的稳定性和耐久性。优异的机械和粘附特性允许 PEA-25-Ca ²⁺ 水凝胶附着于皮肤并监测身体运动，例如手指弯曲（图 6 d ）、膝盖弯曲（图 6 e ）。团队将温度传感技术与热致变色技术相结合，实时监测 PEA 智能窗在热致变色过程中的温度变化，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。

图 6 智能窗的实时监测能力

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。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202418941

天津大学赵瑾教授团队 AFM：高强度热致变色水凝胶用于智能窗和节能建筑

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