湖(hu)南(nan)大學：基於PμSL 3D打印(yin)的水(shui)凝(ning)膠(jiao)用(yong)於柔(rou)性熱響(xiang)應智(zhi)能(neng)窗

通風、空(kong)調(tiao)、照(zhao)明、供暖(nuan)等(deng)能(neng)耗占(zhan)建(jian)築總(zong)能(neng)耗的40%以(yi)上，同時溫室氣體排放(fang)和全球人口(kou)持(chi)續(xu)增(zeng)加，極大(da)加劇了(le)全球氣候(hou)變(bian)暖(nuan)。因此，基於外界環(huan)境(jing)條件(jian)調(tiao)節太陽輻(fu)射的智能(neng)窗受(shou)到了(le)極大的關(guan)註。該(gai)智(zhi)能(neng)窗可(ke)通過感(gan)知外部(bu)刺(ci)激(如(ru)光、熱、電等(deng))而(er)產生相應的光學性質(zhi)變(bian)化，從(cong)而(er)選擇性地(di)吸收或反(fan)射太陽輻(fu)射，達(da)到改(gai)善(shan)室內(nei)光強、溫度(du)的目的。根(gen)據(ju)制備材料常分為熱致(zhi)變(bian)色(se)智(zhi)能(neng)窗、光致(zhi)變(bian)色(se)智(zhi)能(neng)窗、機械(xie)致(zhi)變(bian)色(se)智(zhi)能(neng)窗以(yi)及(ji)電致(zhi)變(bian)色(se)智(zhi)能(neng)窗。其(qi)中(zhong)，熱致(zhi)變(bian)色(se)智(zhi)能(neng)窗因其(qi)對天氣(qi)和溫度(du)的適應性響應而(er)得到廣泛(fan)的研究。

 近年來(lai)，熱響(xiang)應水(shui)凝(ning)膠(jiao)在超(chao)過低臨(lin)界溶解(jie)溫度(du)(LCST)時，可(ke)快速完(wan)成(cheng)從(cong)透明狀(zhuang)態到不透明狀(zhuang)態的可(ke)逆轉(zhuan)變(bian)，可(ke)作(zuo)為壹種新(xin)型熱(re)致(zhi)變(bian)色(se)智(zhi)能(neng)窗的材料。熱響應水(shui)凝(ning)膠(jiao)智(zhi)能(neng)窗可(ke)以(yi)在無(wu)需(xu)額(e)外能(neng)量輸(shu)入的情況(kuang)下，最大限(xian)度(du)地(di)利(li)用(yong)太陽光的熱量，對能(neng)耗的降低具有(you)重要作(zuo)用(yong)。聚(ju)(N-異丙(bing)基丙(bing)烯酰胺）(PNIPAM) 是最。常。用(yong)的熱響應材料，其(qi)LCST大約(yue)是32℃。PNIPAM水(shui)凝(ning)膠(jiao)在可(ke)逆相變(bian)過程中(zhong)表現出高(gao)太陽光調(tiao)制能(neng)力(li)，而(er)且(qie)在室(shi)溫(wen)下(xia)具有(you)高(gao)透光率，可(ke)以(yi)保(bao)證良(liang)好的室內能(neng)見度(du)。然而(er)，純PNIPAM水(shui)凝(ning)膠(jiao)柔(rou)韌(ren)性較差(cha)，難(nan)以(yi)通過傳(chuan)統(tong)的制備技術制造(zao)復雜(za)的結構。因此，需(xu)要開發壹種具有(you)良(liang)好的機械(xie)性能(neng)、高(gao)太陽光調(tiao)制能(neng)力(li)以(yi)及(ji)高(gao)透光率的新(xin)型水(shui)凝(ning)膠(jiao)用(yong)於智(zhi)能(neng)窗的制備。

3D打印(yin)技(ji)術作(zuo)為壹種新(xin)型的材料加工(gong)技(ji)術，因其(qi)設計(ji)靈(ling)活、成(cheng)本(ben)低、加工(gong)效率高(gao)等(deng)優(you)點(dian)，已(yi)經(jing)應用(yong)於復雜(za)結(jie)構水(shui)凝(ning)膠(jiao)的加工(gong)制備。然而(er)，受(shou)限於刺(ci)激響應型(xing)單(dan)體，通過3D打印(yin)技(ji)術制備高(gao)分辨率結構的水(shui)凝(ning)膠(jiao)智(zhi)能(neng)窗仍(reng)極。具挑(tiao)戰(zhan)性。

近日(ri)，湖(hu)南(nan)大學王兆(zhao)龍課(ke)題組(zu)開發了(le)壹種新(xin)型的熱響應3D打印(yin)水(shui)凝(ning)膠(jiao)用(yong)於智(zhi)能(neng)窗的設計，基於面(mian)投(tou)影微立(li)體光刻(PμSL) 3D打印(yin)技(ji)術，水(shui)凝(ning)膠(jiao)結(jie)構(gou)的分辨率高(gao)達(da)40μm。研究(jiu)者基於N-異丙(bing)基丙(bing)烯酰胺(NIPAM)與(yu)親水(shui)性的4-丙(bing)烯酰嗎(ma)啉(lin)(ACMO)乙烯(xi)基單體的共(gong)聚(ju)反(fan)應制備了(le)熱響應水(shui)凝(ning)膠(jiao)。該(gai)水(shui)凝(ning)膠(jiao)響(xiang)應機理(li)是通過可(ke)逆親水(shui)/疏(shu)水(shui)相變(bian)反(fan)應調(tiao)節NIPAM-ACMO共(gong)聚(ju)物(wu)對光的散(san)射行(xing)為：當溫度(du)低於(yu)LCST時，NIPAM-ACMO共(gong)聚(ju)物(wu)同(tong)水(shui)之間形(xing)成(cheng)分子(zi)間氫(qing)鍵，入射光可(ke)以(yi)透過；壹(yi)旦(dan)溫度(du)超過LCST，疏(shu)水(shui)締合(he)物主(zhu)導太陽光的傳(chuan)輸(shu)，導致(zhi)入射光發生散(san)射，水(shui)凝(ning)膠(jiao)由(you)透明狀(zhuang)態轉(zhuan)變(bian)為不透明狀(zhuang)態，阻(zu)擋(dang)太陽光的照(zhao)射(圖(tu)1)。采(cai)用(yong)PμSL (nanoArch S140, 摩(mo)方(fang)精密)在玻(bo)璃襯(chen)底上(shang)打印(yin)水(shui)凝(ning)膠(jiao)圖(tu)案，最高(gao)分辨率可(ke)達(da)40μm。水(shui)凝(ning)膠(jiao)圖(tu)案在20℃是透明的；然而(er)，當溫(wen)度(du)升(sheng)高(gao)至(zhi)40℃時，圖(tu)案化的水(shui)凝(ning)膠(jiao)選(xuan)擇性地(di)由(you)透明狀(zhuang)態轉(zhuan)變(bian)為不透明狀(zhuang)態(圖(tu)2)。而(er)且(qie)，3D打印(yin)水(shui)凝(ning)膠(jiao)從(cong)透明狀(zhuang)態到不透明狀(zhuang)態的轉(zhuan)變(bian)是可(ke)逆的。

圖(tu)1.a：熱(re)響應水(shui)凝(ning)膠(jiao)設(she)計(ji)的光學透明-不透明可(ke)切換(huan)窗口(kou)刺(ci)激響應變(bian)化的示意圖(tu)

圖(tu)2.基於PμSL3D打印(yin)技(ji)術制備的水(shui)凝(ning)膠(jiao)圖(tu)案。a：光固化樹脂(zhi)的組成(cheng)成(cheng)分；b：打印(yin)水(shui)凝(ning)膠(jiao)的拉曼光譜(pu)；c：PμSL 3D打印(yin)技(ji)術原理示意圖(tu)；d：3D打印(yin)高(gao)分辨率水(shui)凝(ning)膠(jiao)圖(tu)案，標(biao)尺是100μm；e：圖(tu)案化水(shui)凝(ning)膠(jiao)選(xuan)擇性透明-不透明轉(zhuan)變(bian)的圖(tu)片，標(biao)尺是5mm

圖(tu)3. 柔(rou)性熱響(xiang)應水(shui)凝(ning)膠(jiao)器(qi)件(jian)的性能(neng)。a：透明水(shui)凝(ning)膠(jiao)承(cheng)受(shou)變(bian)形(xing)的照(zhao)片(20℃)，比(bi)例(li)尺是10mm；b：不(bu)透明水(shui)凝(ning)膠(jiao)承(cheng)受(shou)變(bian)形(xing)的照(zhao)片(40℃)，比(bi)例(li)尺是10mm；c：不(bu)同(tong)ACMO質(zhi)量含量的水(shui)凝(ning)膠(jiao)應力(li)-應變(bian)曲線；d：不(bu)同(tong)PEDGA質(zhi)量含量的水(shui)凝(ning)膠(jiao)應力(li)-應變(bian)曲線；e：不(bu)同(tong)溫度(du)下的水(shui)凝(ning)膠(jiao)應力(li)-應變(bian)曲線；f：PDMS襯(chen)底上(shang)水(shui)凝(ning)膠(jiao)的透射光譜(pu)；g：PC襯(chen)底上(shang)水(shui)凝(ning)膠(jiao)的透射光譜(pu)；h：水(shui)凝(ning)膠(jiao)智(zhi)能(neng)窗與(yu)已(yi)有(you)文(wen)獻(xian)報(bao)道的性能(neng)比較(jiao)

同純PNIPAM水(shui)凝(ning)膠(jiao)智(zhi)能(neng)窗相比，熱響(xiang)應ACMO單(dan)體賦予(yu)新(xin)型水(shui)凝(ning)膠(jiao)極(ji)。好的柔(rou)韌(ren)性和超(chao)高(gao)的拉伸(shen)性。其(qi)可(ke)以(yi)承受(shou)很大的變(bian)形(xing)，例(li)如(ru)彎(wan)曲、拉伸(shen)、扭轉(zhuan)；單軸拉伸(shen)試驗(yan)表(biao)明水(shui)凝(ning)膠(jiao)拉伸(shen)性能(neng)最大值為1500%。采用(yong)3D打印(yin)水(shui)凝(ning)膠(jiao)制作(zuo)的柔(rou)性熱響(xiang)應智(zhi)能(neng)窗表(biao)現出(chu)優(you)異的太陽光調(tiao)制能(neng)力(li)。智能(neng)窗在20℃是完(wan)。全透明的，透光率(Tlum )高(gao)達(da)85.847%；當環(huan)境(jing)溫度(du)超過LCST時，智能(neng)窗能(neng)通過超(chao)快的透明狀(zhuang)態-不透明狀(zhuang)態的轉(zhuan)變(bian)調(tiao)節太陽光的傳(chuan)輸(shu)，太陽光調(tiao)制率(∆Tsol)高(gao)達(da)79.332%。相比於其(qi)他(ta)文獻報道(dao)的熱致(zhi)變(bian)色(se)智(zhi)能(neng)窗，該(gai)工(gong)作(zuo)中(zhong)制備的柔(rou)性水(shui)凝(ning)膠(jiao)智(zhi)能(neng)窗表(biao)現出(chu)超高(gao)的透光率和太陽光調(tiao)制率。此研究在新(xin)壹代(dai)理想智(zhi)能(neng)窗的節能(neng)方面(mian)具有(you)巨(ju)大(da)的應用(yong)潛力(li)。該研(yan)究成(cheng)果，以(yi)“3D printed hydrogel for soft thermo-responsive smart window"為題發(fa)表(biao)在International Journal of  Extreme Manufacturing上(shang)。