基於PμSL 3D打(da)印的(de)水(shui)凝膠(jiao)用(yong)於柔性(xing)熱響應(ying)智能(neng)窗(chuang)

通風(feng)、空調(tiao)、照(zhao)明、供(gong)暖等(deng)能(neng)耗占建(jian)築(zhu)總能(neng)耗的(de)40%以(yi)上，同(tong)時(shi)溫(wen)室(shi)氣體排(pai)放(fang)和全(quan)球(qiu)人口(kou)持(chi)續增(zeng)加(jia)，極(ji)大(da)加(jia)劇(ju)了全(quan)球(qiu)氣候變(bian)暖。因此(ci)，基於外界環境(jing)條件調(tiao)節(jie)太(tai)陽(yang)輻射的智能(neng)窗(chuang)受到(dao)了極(ji)大(da)的(de)關註。該智能(neng)窗(chuang)可(ke)通過感(gan)知外部(bu)刺(ci)激(ji)(如光、熱、電(dian)等(deng))而(er)產(chan)生(sheng)相(xiang)應(ying)的光學(xue)性(xing)質變(bian)化(hua)，從(cong)而(er)選擇(ze)性(xing)地吸(xi)收(shou)或反(fan)射(she)太(tai)陽(yang)輻射，達到改善室(shi)內(nei)光強、溫(wen)度的目(mu)的。根據制(zhi)備(bei)材(cai)料常分(fen)為(wei)熱致(zhi)變(bian)色智能(neng)窗(chuang)、光(guang)致(zhi)變(bian)色智能(neng)窗(chuang)、機(ji)械(xie)致(zhi)變(bian)色智能(neng)窗(chuang)以(yi)及(ji)電(dian)致(zhi)變(bian)色智能(neng)窗(chuang)。其(qi)中，熱致(zhi)變(bian)色智能(neng)窗(chuang)因其(qi)對(dui)天(tian)氣和溫(wen)度的適應(ying)性(xing)響應(ying)而(er)得(de)到廣泛的研(yan)究(jiu)。

近(jin)年(nian)來，熱(re)響應(ying)水(shui)凝膠(jiao)在(zai)超過低臨(lin)界溶(rong)解(jie)溫(wen)度(LCST)時，可(ke)快速(su)完成(cheng)從(cong)透明狀態(tai)到(dao)不透明狀態(tai)的(de)可逆轉變(bian)，可作為(wei)壹種新(xin)型熱致(zhi)變(bian)色智能(neng)窗(chuang)的(de)材(cai)料。熱響應(ying)水(shui)凝膠(jiao)智能(neng)窗(chuang)可(ke)以(yi)在(zai)無需額外能(neng)量輸(shu)入(ru)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，最大(da)限度地利用太(tai)陽(yang)光(guang)的熱(re)量，對(dui)能(neng)耗的(de)降(jiang)低具(ju)有(you)重(zhong)要(yao)作用。聚(N-異丙(bing)基丙(bing)烯酰(xian)胺）(PNIPAM) 是(shi)最.常用(yong)的(de)熱響應(ying)材(cai)料，其LCST大(da)約(yue)是(shi)32℃。PNIPAM水(shui)凝膠(jiao)在(zai)可逆相(xiang)變(bian)過程(cheng)中表(biao)現(xian)出高太(tai)陽(yang)光(guang)調(tiao)制能(neng)力，而(er)且在(zai)室(shi)溫(wen)下(xia)具有(you)高(gao)透光率，可(ke)以保(bao)證(zheng)良(liang)好(hao)的室(shi)內(nei)能(neng)見度。然(ran)而(er)，純PNIPAM水(shui)凝膠(jiao)柔(rou)韌(ren)性(xing)較差，難以(yi)通過傳(chuan)統的(de)制(zhi)備(bei)技術(shu)制(zhi)造(zao)復(fu)雜的結(jie)構(gou)。因此(ci)，需要開(kai)發壹種具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的機(ji)械(xie)性(xing)能(neng)、高(gao)太(tai)陽(yang)光(guang)調(tiao)制能(neng)力以及(ji)高(gao)透光率的(de)新(xin)型水(shui)凝膠(jiao)用(yong)於智能(neng)窗(chuang)的(de)制(zhi)備(bei)。

3D打(da)印技(ji)術(shu)作為(wei)壹種新(xin)型的材(cai)料加工(gong)技術(shu)，因其(qi)設計靈活、成本(ben)低、加(jia)工(gong)效率高(gao)等優(you)點，已(yi)經(jing)應(ying)用於復雜結構(gou)水(shui)凝膠(jiao)的(de)加(jia)工(gong)制備(bei)。然(ran)而(er)，受限於刺(ci)激(ji)響應(ying)型單體，通過3D打(da)印技(ji)術(shu)制(zhi)備(bei)高分(fen)辨率結(jie)構的(de)水(shui)凝膠(jiao)智能(neng)窗(chuang)仍(reng)極(ji).具挑(tiao)戰性(xing)。

近日，湖南(nan)大(da)學(xue)王(wang)兆(zhao)龍(long)課(ke)題組(zu)開(kai)發了壹種新(xin)型的熱(re)響應(ying)3D打(da)印水(shui)凝膠(jiao)用(yong)於智能(neng)窗(chuang)的(de)設計，基於面投(tou)影(ying)微立(li)體光刻(ke)(PμSL) 3D打(da)印技(ji)術(shu)，水(shui)凝膠(jiao)結(jie)構(gou)的(de)分辨率高(gao)達40μm。研(yan)究(jiu)者(zhe)基於N-異丙(bing)基丙(bing)烯酰(xian)胺(NIPAM)與(yu)親水(shui)性(xing)的4-丙(bing)烯酰(xian)嗎(ma)啉(ACMO)乙(yi)烯基單體的共(gong)聚反應(ying)制備(bei)了熱(re)響應(ying)水(shui)凝膠(jiao)。該水(shui)凝膠(jiao)響應(ying)機(ji)理(li)是(shi)通過可(ke)逆親水(shui)/疏(shu)水(shui)相(xiang)變(bian)反應(ying)調(tiao)節(jie)NIPAM-ACMO共(gong)聚物對(dui)光(guang)的(de)散射(she)行(xing)為(wei)：當溫(wen)度低於LCST時，NIPAM-ACMO共(gong)聚物同(tong)水(shui)之(zhi)間(jian)形成分(fen)子間(jian)氫鍵(jian)，入(ru)射(she)光(guang)可(ke)以透過；壹旦溫(wen)度超過LCST，疏(shu)水(shui)締(di)合(he)物主(zhu)導(dao)太(tai)陽(yang)光(guang)的傳(chuan)輸(shu)，導(dao)致(zhi)入(ru)射(she)光(guang)發生(sheng)散射(she)，水(shui)凝膠(jiao)由(you)透明狀態(tai)轉(zhuan)變(bian)為(wei)不透明狀態(tai)，阻(zu)擋太(tai)陽(yang)光(guang)的照(zhao)射(圖(tu)1)。采(cai)用PμSL (nanoArch S140, 摩(mo)方精密(mi))在(zai)玻璃(li)襯底(di)上打(da)印水(shui)凝膠(jiao)圖(tu)案(an)，最高(gao)分辨率可(ke)達40μm。水(shui)凝膠(jiao)圖(tu)案(an)在(zai)20℃是透明的(de)；然(ran)而(er)，當溫(wen)度升(sheng)高至(zhi)40℃時，圖(tu)案(an)化(hua)的水(shui)凝膠(jiao)選擇(ze)性(xing)地由透明狀態(tai)轉(zhuan)變(bian)為(wei)不透明狀態(tai)(圖(tu)2)。而(er)且，3D打(da)印水(shui)凝膠(jiao)從(cong)透明狀態(tai)到(dao)不透明狀態(tai)的(de)轉變(bian)是可(ke)逆的。

圖(tu)1.a：熱(re)響應(ying)水(shui)凝膠(jiao)設計的光(guang)學(xue)透明-不透明可(ke)切(qie)換窗口(kou)刺(ci)激(ji)響應(ying)變(bian)化(hua)的示(shi)意(yi)圖(tu)

圖(tu)2.基於PμSL3D打(da)印技(ji)術(shu)制(zhi)備(bei)的水(shui)凝膠(jiao)圖(tu)案(an)。a：光固(gu)化(hua)樹脂的(de)組(zu)成成(cheng)分；b：打(da)印水(shui)凝膠(jiao)的(de)拉(la)曼光(guang)譜(pu)；c：PμSL 3D打(da)印技(ji)術(shu)原(yuan)理(li)示(shi)意(yi)圖(tu)；d：3D打(da)印高(gao)分辨率水(shui)凝膠(jiao)圖(tu)案(an)，標尺(chi)是(shi)100μm；e：圖(tu)案(an)化(hua)水(shui)凝膠(jiao)選擇(ze)性(xing)透明-不透明轉(zhuan)變(bian)的圖(tu)片(pian)，標尺(chi)是(shi)5mm

圖(tu)3. 柔(rou)性(xing)熱響應(ying)水(shui)凝膠(jiao)器件的性(xing)能(neng)。a：透明水(shui)凝膠(jiao)承受變(bian)形的(de)照(zhao)片(20℃)，比(bi)例尺(chi)是(shi)10mm；b：不透明水(shui)凝膠(jiao)承受變(bian)形的(de)照(zhao)片(40℃)，比(bi)例尺(chi)是(shi)10mm；c：不同(tong)ACMO質(zhi)量含(han)量的(de)水(shui)凝膠(jiao)應(ying)力-應(ying)變(bian)曲線(xian)；d：不同(tong)PEDGA質(zhi)量含(han)量的(de)水(shui)凝膠(jiao)應(ying)力-應(ying)變(bian)曲線(xian)；e：不同(tong)溫(wen)度下(xia)的水(shui)凝膠(jiao)應(ying)力-應(ying)變(bian)曲線(xian)；f：PDMS襯底(di)上水(shui)凝膠(jiao)的(de)透射光(guang)譜(pu)；g：PC襯底(di)上水(shui)凝膠(jiao)的(de)透射光(guang)譜(pu)；h：水(shui)凝膠(jiao)智能(neng)窗(chuang)與(yu)已(yi)有(you)文獻報(bao)道的(de)性(xing)能(neng)比(bi)較(jiao)

同(tong)純PNIPAM水(shui)凝膠(jiao)智能(neng)窗(chuang)相(xiang)比(bi)，熱響應(ying)ACMO單體賦予(yu)新(xin)型水(shui)凝膠(jiao)極(ji).好(hao)的柔(rou)韌性(xing)和超高的(de)拉(la)伸(shen)性(xing)。其可(ke)以承受很大(da)的(de)變(bian)形，例如彎(wan)曲、拉(la)伸(shen)、扭轉(zhuan)；單軸(zhou)拉(la)伸(shen)試(shi)驗表(biao)明(ming)水(shui)凝膠(jiao)拉(la)伸(shen)性(xing)能(neng)最(zui)大(da)值為(wei)1500%。采用(yong)3D打(da)印水(shui)凝膠(jiao)制(zhi)作的柔(rou)性(xing)熱響應(ying)智能(neng)窗(chuang)表(biao)現(xian)出優異的太(tai)陽(yang)光(guang)調(tiao)制能(neng)力。智能(neng)窗(chuang)在(zai)20℃是*透明的(de)，透光率(Tlum )高(gao)達85.847%；當環境(jing)溫(wen)度超過LCST時(shi)，智能(neng)窗(chuang)能(neng)通過超快的(de)透明狀態(tai)-不透明狀態(tai)的(de)轉變(bian)調(tiao)節(jie)太(tai)陽(yang)光(guang)的傳(chuan)輸(shu)，太(tai)陽(yang)光(guang)調(tiao)制率(∆Tsol)高(gao)達79.332%。相(xiang)比(bi)於其他文獻報(bao)道的(de)熱致變(bian)色智能(neng)窗(chuang)，該工(gong)作中制備(bei)的柔(rou)性(xing)水(shui)凝膠(jiao)智能(neng)窗(chuang)表(biao)現(xian)出超高的(de)透光率和(he)太陽(yang)光(guang)調(tiao)制率。此(ci)研(yan)究(jiu)在(zai)新(xin)壹代理(li)想(xiang)智能(neng)窗(chuang)的(de)節(jie)能(neng)方面具(ju)有(you)巨(ju)大(da)的(de)應(ying)用潛力。該研(yan)究(jiu)成(cheng)果(guo)，以(yi)“3D printed hydrogel for soft thermo-responsive smart window"為(wei)題發表(biao)在(zai)International Journal of  Extreme Manufacturing上。