基於 PμSL 3D打(da)印的水(shui)凝(ning)膠用於柔性(xing)熱(re)響應(ying)智能窗(chuang)

通(tong)風(feng)、空(kong)調(tiao)、照(zhao)明、供暖(nuan)等(deng)能耗(hao)占(zhan)建築總(zong)能耗(hao)的40%以上(shang)，同時溫室氣體(ti)排放和(he)全(quan)球(qiu)人(ren)口持續(xu)增(zeng)加，極(ji)大加劇(ju)了全(quan)球(qiu)氣候變(bian)暖。因(yin)此，基於外(wai)界(jie)環境條件(jian)調節(jie)太陽(yang)輻射(she)的智能窗(chuang)受(shou)到了(le)極(ji)大的關註(zhu)。該(gai)智能窗(chuang)可通(tong)過(guo)感(gan)知(zhi)外(wai)部(bu)刺激(ji)(如(ru)光、熱(re)、電等(deng))而產生(sheng)相(xiang)應的光學(xue)性(xing)質變化，從(cong)而(er)選擇(ze)性(xing)地(di)吸收或(huo)反射(she)太(tai)陽(yang)輻射(she)，達(da)到改善室內光強、溫度(du)的目的。根據制(zhi)備材料(liao)常分(fen)為(wei)熱(re)致變(bian)色(se)智能窗(chuang)、光(guang)致變(bian)色(se)智能窗(chuang)、機(ji)械致變(bian)色(se)智能窗(chuang)以及電(dian)致變(bian)色(se)智能窗(chuang)。其(qi)中，熱(re)致變(bian)色(se)智能窗(chuang)因(yin)其(qi)對(dui)天氣和溫度(du)的適應(ying)性(xing)響應而(er)得(de)到廣(guang)泛的研究(jiu)。

 近年(nian)來(lai)，熱(re)響應(ying)水(shui)凝(ning)膠在(zai)超(chao)過低臨(lin)界溶(rong)解溫度(du)(LCST)時(shi)，可快(kuai)速完成(cheng)從(cong)透明狀態(tai)到(dao)不(bu)透明狀態(tai)的可逆(ni)轉變，可作(zuo)為壹(yi)種新(xin)型(xing)熱(re)致變(bian)色(se)智能窗(chuang)的材料(liao)。熱(re)響應(ying)水(shui)凝(ning)膠智能窗(chuang)可以在(zai)無(wu)需(xu)額外(wai)能量(liang)輸入的情況(kuang)下(xia)，最大限(xian)度(du)地利(li)用太(tai)陽(yang)光(guang)的熱(re)量(liang)，對(dui)能耗(hao)的降低具有(you)重(zhong)要作用。聚(N-異(yi)丙(bing)基丙烯酰胺(an)）(PNIPAM) 是最(zui)。常。用的熱(re)響應(ying)材料(liao)，其(qi)LCST大約(yue)是(shi)32℃。PNIPAM水(shui)凝(ning)膠在(zai)可逆(ni)相(xiang)變過(guo)程中表(biao)現(xian)出(chu)高(gao)太(tai)陽(yang)光(guang)調制(zhi)能力(li)，而(er)且(qie)在(zai)室溫下(xia)具有(you)高(gao)透光(guang)率(lv)，可以保證良好的室內能見(jian)度(du)。然(ran)而(er)，純(chun)PNIPAM水(shui)凝(ning)膠柔韌(ren)性(xing)較差(cha)，難(nan)以通(tong)過(guo)傳(chuan)統(tong)的制(zhi)備技術制(zhi)造復(fu)雜(za)的結(jie)構(gou)。因(yin)此，需(xu)要開(kai)發(fa)壹(yi)種具(ju)有(you)良(liang)好的機械性能、高(gao)太(tai)陽(yang)光(guang)調制(zhi)能力(li)以及高(gao)透光(guang)率(lv)的新型(xing)水(shui)凝(ning)膠用於智能窗(chuang)的制(zhi)備。

3D打(da)印技術作(zuo)為壹(yi)種新(xin)型(xing)的材料(liao)加工(gong)技術，因(yin)其(qi)設(she)計靈(ling)活、成(cheng)本低、加工(gong)效(xiao)率(lv)高(gao)等(deng)優(you)點，已(yi)經(jing)應用於復雜(za)結(jie)構(gou)水(shui)凝(ning)膠的加工(gong)制(zhi)備。然(ran)而(er)，受(shou)限於刺激(ji)響(xiang)應(ying)型單(dan)體(ti)，通(tong)過(guo)3D打(da)印技術制(zhi)備高(gao)分(fen)辨率(lv)結(jie)構(gou)的水(shui)凝(ning)膠智能窗(chuang)仍極(ji)。具挑(tiao)戰(zhan)性(xing)。

近日(ri)，湖(hu)南(nan)大學(xue)王(wang)兆龍(long)課(ke)題組開(kai)發(fa)了壹(yi)種新(xin)型(xing)的熱(re)響應(ying)3D打(da)印水(shui)凝(ning)膠用於智能窗(chuang)的設計(ji)，基於面投影(ying)微立體(ti)光刻(ke)(PμSL) 3D打(da)印技術，水(shui)凝(ning)膠結(jie)構(gou)的分(fen)辨率(lv)高(gao)達(da)40μm。研究(jiu)者基於N-異(yi)丙(bing)基丙烯酰胺(an)(NIPAM)與親水(shui)性(xing)的4-丙烯酰嗎(ma)啉(ACMO)乙(yi)烯基單體(ti)的共聚反應制(zhi)備了(le)熱(re)響應(ying)水(shui)凝(ning)膠。該水(shui)凝(ning)膠響應(ying)機(ji)理(li)是通(tong)過(guo)可逆(ni)親(qin)水(shui)/疏(shu)水(shui)相(xiang)變反(fan)應(ying)調(tiao)節(jie)NIPAM-ACMO共聚物對(dui)光的散(san)射(she)行(xing)為(wei)：當溫度(du)低(di)於LCST時，NIPAM-ACMO共聚物同水(shui)之(zhi)間形成(cheng)分(fen)子(zi)間氫鍵，入(ru)射(she)光(guang)可以透過(guo)；壹(yi)旦(dan)溫度(du)超(chao)過LCST，疏(shu)水(shui)締合(he)物(wu)主導(dao)太(tai)陽(yang)光(guang)的傳輸(shu)，導(dao)致(zhi)入射(she)光(guang)發(fa)生(sheng)散(san)射(she)，水(shui)凝(ning)膠由透明狀態(tai)轉變為(wei)不(bu)透明狀態(tai)，阻(zu)擋太(tai)陽(yang)光(guang)的照(zhao)射(she)(圖1)。采(cai)用PμSL (nanoArch S140, 摩方(fang)精(jing)密)在(zai)玻(bo)璃襯(chen)底(di)上(shang)打(da)印水(shui)凝(ning)膠圖案(an)，最(zui)高(gao)分(fen)辨率(lv)可達(da)40μm。水(shui)凝(ning)膠圖案(an)在(zai)20℃是(shi)透明的；然(ran)而(er)，當溫度(du)升(sheng)高(gao)至(zhi)40℃時(shi)，圖案(an)化的水(shui)凝(ning)膠選擇(ze)性(xing)地(di)由透明狀態(tai)轉變為(wei)不(bu)透明狀態(tai)(圖2)。而(er)且(qie)，3D打(da)印水(shui)凝(ning)膠從(cong)透明狀態(tai)到(dao)不(bu)透明狀態(tai)的轉變是(shi)可逆(ni)的。

圖1.a：熱(re)響應(ying)水(shui)凝(ning)膠設計(ji)的光學(xue)透明-不(bu)透明可切換(huan)窗口刺激(ji)響(xiang)應(ying)變化的示(shi)意圖

圖2.基於PμSL3D打(da)印技術制(zhi)備的水(shui)凝(ning)膠圖案(an)。a：光(guang)固(gu)化樹(shu)脂的組成(cheng)成(cheng)分(fen)；b：打(da)印水(shui)凝(ning)膠的拉(la)曼(man)光譜(pu)；c：PμSL 3D打(da)印技術原理示(shi)意圖；d：3D打(da)印高(gao)分(fen)辨率(lv)水(shui)凝(ning)膠圖案(an)，標(biao)尺(chi)是(shi)100μm；e：圖案(an)化水(shui)凝(ning)膠選擇(ze)性(xing)透明-不(bu)透明轉變的圖片(pian)，標(biao)尺(chi)是(shi)5mm

圖3. 柔(rou)性(xing)熱(re)響應(ying)水(shui)凝(ning)膠器件(jian)的性能。a：透明水(shui)凝(ning)膠承受(shou)變形的照(zhao)片(20℃)，比(bi)例尺(chi)是(shi)10mm；b：不(bu)透明水(shui)凝(ning)膠承受(shou)變形的照(zhao)片(40℃)，比(bi)例尺(chi)是(shi)10mm；c：不(bu)同ACMO質量(liang)含(han)量(liang)的水(shui)凝(ning)膠應力(li)-應(ying)變(bian)曲線(xian)；d：不(bu)同PEDGA質量(liang)含(han)量(liang)的水(shui)凝(ning)膠應力(li)-應(ying)變(bian)曲線(xian)；e：不(bu)同溫度(du)下(xia)的水(shui)凝(ning)膠應力(li)-應(ying)變(bian)曲線(xian)；f：PDMS襯(chen)底(di)上(shang)水(shui)凝(ning)膠的透射(she)光(guang)譜(pu)；g：PC襯(chen)底(di)上(shang)水(shui)凝(ning)膠的透射(she)光(guang)譜(pu)；h：水(shui)凝(ning)膠智能窗(chuang)與已(yi)有(you)文(wen)獻(xian)報(bao)道(dao)的性能比(bi)較(jiao)

同純PNIPAM水(shui)凝(ning)膠智能窗(chuang)相(xiang)比，熱(re)響應(ying)ACMO單體(ti)賦予(yu)新(xin)型水(shui)凝(ning)膠極(ji)。好的柔韌(ren)性(xing)和超高(gao)的拉(la)伸性(xing)。其(qi)可以承受(shou)很大的變形，例如(ru)彎曲、拉(la)伸、扭(niu)轉；單軸(zhou)拉(la)伸試(shi)驗表(biao)明水(shui)凝(ning)膠拉(la)伸性(xing)能最(zui)大值(zhi)為(wei)1500%。采(cai)用3D打(da)印水(shui)凝(ning)膠制(zhi)作的柔性(xing)熱(re)響應(ying)智能窗(chuang)表(biao)現(xian)出(chu)優(you)異(yi)的太陽(yang)光(guang)調制(zhi)能力(li)。智(zhi)能窗(chuang)在(zai)20℃是(shi)完。全(quan)透明的，透光(guang)率(lv)(T_lum )高(gao)達(da)85.847%；當環(huan)境溫度(du)超(chao)過LCST時(shi)，智能窗(chuang)能通(tong)過(guo)超(chao)快(kuai)的透明狀態(tai)-不(bu)透明狀態(tai)的轉變調(tiao)節(jie)太陽(yang)光(guang)的傳輸(shu)，太(tai)陽(yang)光(guang)調制(zhi)率(lv)(∆T_sol)高(gao)達(da)79.332%。相(xiang)比於其(qi)他文獻(xian)報(bao)道(dao)的熱(re)致變(bian)色(se)智能窗(chuang)，該(gai)工(gong)作(zuo)中制(zhi)備的柔性(xing)水(shui)凝(ning)膠智能窗(chuang)表(biao)現(xian)出(chu)超(chao)高(gao)的透光(guang)率(lv)和太(tai)陽(yang)光(guang)調制(zhi)率(lv)。此研(yan)究(jiu)在(zai)新(xin)壹(yi)代(dai)理想(xiang)智能窗(chuang)的節(jie)能方(fang)面具有(you)巨(ju)大的應用(yong)潛(qian)力(li)。該(gai)研(yan)究(jiu)成(cheng)果(guo)，以“3D printed hydrogel for soft thermo-responsive smart window"為題發表(biao)在(zai)International Journal of  Extreme Manufacturing上(shang)。