CN107208450A - 用于智能窗户的具有超大太阳能调节和大热质的面板设计 - Google Patents

用于智能窗户的具有超大太阳能调节和大热质的面板设计 Download PDF

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Abstract

本发明一般涉及智能窗户。一方面，本发明公开了一种面板。面板包括(i)粘附在玻璃片、透明塑料或表面上的水凝胶袋；或(ii)布置在两片玻璃或透明塑料之间的水凝胶袋，其中两片玻璃或透明塑料彼此间隔开。水凝胶袋包括包封在透明塑料袋中的温度响应型水凝胶膜，其中透明塑料袋使温度响应型水凝胶中存在的水的蒸发损失最小化。水凝胶中水大的热质可用于调节室内温度，以确保在冬季升温而在夏季降温。水凝胶袋层压的玻璃面板增加了阻燃和安全功能。

Description

用于智能窗户的具有超大太阳能调节和大热质的面板设计
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年12月30日提交的新加坡专利申请号10201408804P的优先权权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明一般涉及智能窗户。特别地，本文公开了一种改进的窗户设计，其中将水凝胶袋应用到窗户，实现透明和不透明/半透明模式的自动和可逆切换，以降低能耗，所述水凝胶袋具有大热质并且包括包封在透明塑料袋中的温度响应型水凝胶膜或层。
背景技术
智能窗户是指在施加电压(电致变色)、光(光致变色)或热(热变色)的情况下自动控制透光性的窗户。
特别感兴趣的是依靠温度调节其光学性质的热敏系统。热变色材料可以用于无源和零能量输入的智能窗户，其能够通过温度刺激来调节太阳能透射以降低能耗。例如，当室外温度高于智能窗户的转变温度时，可以减少太阳光(250nm-2500nm)的透射，以使太阳能输入最小化，从而降低室内温度以切断空调的电能消耗。另一方面，如果室外温度下降到智能窗户的转变温度以下，则可以增加太阳光的透射，以确保最大化的太阳能输入。对于理想的智能窗户，在温度高于和低于转变温度(τc)时，太阳能透射的巨大差异对于良好的太阳能调节(ΔTsol)是所需的。同时，理想地应保持高的可见光(380nm-780nm)透过(Tlum)，优选大于70％，以确保良好的室内采光条件。此外，这种理想的智能窗户的τc应在25℃-35℃的范围。
目前，基于二氧化钒(VO2)的无机材料是智能窗户研究最广泛的候选者，尽管它们存在高转变温度(τc约68℃)和低Tlum以及低ΔTsol的问题。基于VO2的智能窗户的最佳报道结果是Tlum为约40％，ΔTsol为约20％。
因此，仍然需要提供克服或至少减轻上述缺点的智能窗户设计。
发明内容
根据本发明的第一个方面，提供了一种面板。该面板包括(i)粘附在玻璃片、透明塑料或表面上的水凝胶袋；或(ii)布置在两片玻璃或透明塑料之间的水凝胶袋，其中两片玻璃或透明塑料彼此间隔开。水凝胶袋包括包封在透明塑料袋中的温度响应型水凝胶膜，其中透明塑料袋使温度响应型水凝胶中存在的水的蒸发损失最小化。
具有这种面板设计的优点在于水凝胶袋中水的大热质，其中水凝胶中的主要组分是水，可以降低温度波动，因为水可以承受大量的热。已经证明，水凝胶具有与水相同的热质，因为水凝胶由90％以上的水组成。因此，水凝胶可以分别有助于在冬季使环境升温而在夏季使环境冷却。任何其他已知的节能窗户都没有实现这一点。水还可以用来延缓火势蔓延。厚的水凝胶层可以具有这两个功能。
另一个优点是，在两片玻璃之间插入或布置水凝胶袋可以提供安全功能，因为水凝胶袋可以用于阻止玻璃裂纹传播。
在一个实施例中，将0.8mm厚的温度响应型水凝胶膜包封在透明塑料袋(参见图1)中，与报道的最佳的无机VO2的结果相比，其提供了高四倍的ΔTsol(参见表1)。温度响应型水凝胶更容易生产，并且可以根据智能(和安全)窗户的特定使用条件轻松调整其低临界溶解温度(LCST)。
根据本发明的第二个方面，提供了一种水凝胶袋，其包括包封在透明塑料袋中的温度响应型水凝胶膜。透明塑料袋使温度响应型水凝胶中存在的水的蒸发损失最小化。
根据本发明的第三个方面，提供了一种形成根据第二个方面的水凝胶袋的方法。该方法包括：
(a)将温度响应型水凝胶的单体溶解在去离子水中；
(b)向(a)的溶液中加入聚合催化剂和聚合引发剂，以形成水凝胶溶液；
(c)将(b)的水凝胶溶液沉积在第一透明塑料片上以在其上形成水凝胶溶液膜；
(d)完成聚合反应以获得温度响应型水凝胶膜；
(e)将第二透明塑料片放置在温度响应型水凝胶膜上，使得温度响应型水凝胶膜被布置在第一和第二透明塑料片之间；和
(f)密封第一和第二透明塑料片的边缘，从而将温度响应型水凝胶膜包封在其间。
附图说明
在附图中，相同的附图标记在不同的视图中通常指代相同的部分。附图不一定按比例绘制，而是通常重点说明各个实施例的原理。在以下说明中，参考以下附图说明本发明的各个实施例。
图1示出了根据一个实施例的层压安全智能玻璃的示意图。将水凝胶袋层压在两片玻璃之间。在未示出的可替换的实施例中，可以将水凝胶袋粘附到玻璃片上，例如通过粘合剂粘附到玻璃片上。
图2示出了根据一个实施例层压在两片聚对苯二甲酸乙二醇酯之间的0.8mm聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶膜样品光学透明度的温度依赖性。
图3A示出了层压在玻璃片上的聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶袋的照片(左)，拍摄于上午9：30，室内，20℃；根据一个实施例的层压玻璃片的透明度(右)。
图3B示出了层压在玻璃片上的聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶袋的照片(左)，拍摄于下午3：30，室外，36℃；根据一个实施例的层压玻璃片的透明度(右)。
图3C示出了层压在玻璃片上的聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶袋的照片(左)，拍摄于下午8：30，室内，20℃；根据一个实施例的层压玻璃片的透明度(右)。
图4A示出了三座玻璃屋的温度变化。玻璃屋A是裸玻璃屋。玻璃屋B层压有包封0.8mm聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶的水凝胶袋。玻璃屋C层压有包封0.8mm聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶的水凝胶袋和2cm厚的水袋，水袋粘附在水凝胶袋上。
图4B示出了玻璃屋C、玻璃屋B和玻璃屋A在上午9：30，室内，温度25℃的照片(从左到右)。
图4C示出了玻璃屋C、玻璃屋B和玻璃屋A在下午1：30，室外，温度35℃的照片(从左到右)。
图5示出了用于寒冷天气测试的设置中的三个玻璃屋的照片。玻璃屋D是裸玻璃屋。玻璃屋E层压有1cm的水袋。玻璃屋F是层压有2cm的水袋。
图6示出了玻璃屋D、玻璃屋E和玻璃屋F寒冷天气测试的结果(温度相对于时间)。
图7显示了瓶1-4(从左到右)中含有的聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶的热耐久性测试：(a)加热瓶1(单体，0.8mol/100ml，无聚乙烯醇(PVA))、瓶2(单体，1.0mol/100ml，无PVA)、瓶3(单体，1.2mol/100ml，无PVA)和瓶4(单体，0.8mol/100ml，有PVA)前的水凝胶；(b)在加热板上以150℃加热时的水凝胶；(c)在150℃加热的水凝胶的特写照片；(d)在150℃加热3小时后的水凝胶；(e)热处理的水凝胶冷却后；和(f)瓶1和2中冷却的水凝胶的特写照片。在瓶4中，PVA提供了水从水凝胶的内部流到表面的通道。瓶1-3没有使用PVA，因为加热至100℃时PVA会引起水凝胶的收缩，使得与PVA混合的水凝胶不适合生产安全玻璃。
图8A示出了在火上燃烧纯聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜(左膜)和水凝胶层压的PET(右膜)。图8B示出了燃烧一段时间后的结果：纯PET膜在3秒钟后(左膜)烧出了孔，而水凝胶层压的PET在50秒后保持完整(右膜)。
图9示出了水凝胶袋层压的玻璃面板撞击后的结果。
具体实施方式
参考附图进行以下详细描述，通过说明的方式，可以实践本发明的具体细节和实施例。对这些实施例进行了详细描述，以使本领域技术人员能够实践本发明。在不脱离本发明范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以进行结构和材料的变化。各个实施例不一定是相互排斥的，因为一些实施例可以与一个或多个其他实施例组合以形成新的实施例。
如图1所示，根据本发明的第一方面，提供了一种面板(100)，其适用于窗户或将第一环境与第二环境分开的任何分隔结构，如建筑物外墙。
面板(100)包括两片(10，20)彼此间隔开的玻璃或透明塑料。在本文中，术语“透明的”(或相关术语如透明度)是指具有透过光的性质而没有明显的散射，从而可以清楚地看到远处的物体。在更广泛的解释中，本文所述的透明物品允许通过特定形式的辐射，例如红外(太阳)或紫外光。
参考图1，两片玻璃或透明塑料(10，20)显示为平的并且基本上彼此平行。应当理解，范围不限于此。例如，两片玻璃或透明塑料不一定是平的，例如两片都是凹的或凸的并且彼此平行。或者，第一片可以是凹的或凸的，而第二片可以是平的，因此彼此不平行。
在本文中，术语“片”是指足够薄的玻璃或透明塑料，使得整个面板结构是透明的，以使需要时光或其它辐射通过。类似地，两片玻璃或透明塑料之间的间隔足够小，以使需要时光或其它辐射通过。
在各个实施例中，面板的第一片和第二片都是玻璃。在可替换的实施例中，面板的第一片和第二片都是透明塑料。在其它实施例中，第一片可以是玻璃而第二片可以是透明塑料。
面板(100)还包括布置在两片玻璃或透明塑料(10，20)之间的水凝胶袋(40)。在本文中，将水凝胶袋(40)布置为使得其位于、定位或设置在两片材(10，20)之间以形成夹层结构。应当理解，水凝胶袋(40)可以布置为使其直接接触(例如层压)两片材(10，20)，或者间接接触(例如通过粘合剂层)两片材(10，20)。水凝胶袋(40)可以接触(无论直接还是间接)两片材(10，20)100％的表面或更少。换句话说，在两片材(10，20)之间可能存在空的空间或真空。
有利地，水凝胶袋(40)能够满足两片材(10，20)之间的间隔构型。例如，在图1所示的图示中，其中两片材(10，20)是平的且基本上彼此平行，水凝胶袋(40)可以具有相应的片状构型。水凝胶袋(40)也可以是其它构型。
水凝胶袋(40)包括包封在透明塑料袋中的温度响应型水凝胶膜(30)，其中透明塑料袋使温度响应型水凝胶中存在的水的蒸发损失最小化。
或者，除了两片面板设计，面板可以包括粘附在玻璃片、透明塑料或表面(如墙壁)(即，单面板设计)上的水凝胶袋。在需要适应太阳能反射的情况下，水凝胶袋可以粘附到不透明的表面，如墙壁，使得温度响应型水凝胶变得不透明(或白色)并反射光，从而降低墙壁的温度。
因此，水凝胶袋可以应用于任何表面，如窗户、墙壁和金属表面，以智能地调节太阳光。
在本文中，温度响应型水凝胶(30)是一种智能材料，通过利用太阳(热)能和感测环境温度变化，其经历均匀可逆的相变。特别地，温度敏感的水凝胶(30)在其低临界溶解温度(LCST)经历亲水至疏水转变。在一个所示的实施例中，选择聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAm)作为候选者，因为它是已知最典型的温度响应型水凝胶，其LCST(约32℃)在25-35℃的范围，使得其适合智能窗户的应用。通过调整水凝胶的厚度并设计合适的面板参数，可以在智能窗户应用中使用PNIPAm水凝胶可逆调节的透明度。例如，与报道的最佳的无机VO2结果相比，包封在聚对苯二甲酸乙二醇酯袋中0.8mm厚的PNIPAm水凝胶膜给出了高四倍的ΔTsol(见表1)。
在本文中，“包封在”、“包封”或相关术语是指水凝胶完全封闭在透明塑料袋内或完全被透明塑料袋包围。换句话说，避免了水凝胶(30)与外部环境(即除了透明塑料袋)的接触。提供这种包封的优点是避免水凝胶的泄漏问题。在这方面，包封水凝胶(30)的透明塑料袋由这样的材料形成，该材料使水凝胶(30)中存在的水的蒸发损失最小化。可以理解，使水凝胶(30)中存在的水的蒸发损失最小化将转化为水凝胶的最佳性能，因为如前文所述，本发明利用了水凝胶的温度依赖性相变特性以实现智能窗户的可行性和实用性。
在各个实施例中，温度响应型水凝胶的低临界溶解温度(LCST)在15℃-60℃范围之间，例如25℃-35℃。因此，合适的温度响应型水凝胶包括但不限于聚(乙烯基甲基醚)、聚(乙烯基己内酰胺)、羟丙基纤维素、聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAm)或其混合物。应当理解，透明塑料袋中可以包封多于一种类型的温度响应型水凝胶。
在一个实施例中，温度响应型水凝胶是聚(N-异丙基丙烯酰胺)。
如前文所述，透明塑料袋由使温度响应型水凝胶中存在的水的蒸发损失最小化的材料形成。因此，用于透明塑料袋的合适的材料包括但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、乙烯-乙酸乙烯酯聚合物、热塑性聚氨酯(TPU)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乳酸(PLA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、热塑性聚烯烃(TPO)、甲基丙烯酸酯-丁二烯-苯乙烯(MBS)、聚氯乙烯(PVC)及其混合物。
在一个实施例中，透明塑料袋是聚对苯二甲酸乙二醇酯。
在各个实施例中，温度响应型水凝胶膜的厚度为50μm-5cm。例如，厚度可以为0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm，最高达5cm，包括其间的任何值。在本文中，与温度响应型水凝胶膜的厚度相比，透明塑料袋的厚度可以忽略。换句话说，应当理解，提及温度响应型水凝胶膜的厚度类似于提及水凝胶袋的厚度，反之亦然。
在一个实施例中，温度响应型水凝胶膜的厚度为0.8mm。
在各个实施例中，水凝胶袋永久地粘附在两片玻璃或透明塑料中的至少一片。例如，水凝胶袋可以层压在两片玻璃或透明塑料中的至少一片上。
在可替代的实施例中，水凝胶袋可移除地布置在两片玻璃或透明塑料之间。例如，水凝胶袋可以作为能够进出夹层结构的自由件，以便于维护或更换。
在某些实施例中，除了水凝胶袋之外，分别地包括水袋可能是有利的，使得面板设计中水的总体厚度(或量)增加。具有这样的面板设计的优点在于，水凝胶袋中水的热质大，其中水凝胶中的主要成分是水，并且水袋中的水可以进一步减小温度波动，因为水可以承受大量的热。因此，它可以分别有助于在冬季使环境升温而在夏季使环境冷却(在下文的实例中给出)。任何其他已知的节能窗户都没有实现这一点。水也可以用来延缓火势蔓延。
水袋由包封在如上定义水凝胶袋的透明袋中的水组成。有利地，水袋比水凝胶袋厚。
图8A示出了在火上燃烧纯PET膜(左膜)和水凝胶层压的PET(右膜)。图8B示出了燃烧一段时间后的结果：纯PET膜(左膜)在3秒钟后烧出了孔，而水凝胶层压的PET(右膜)在50秒后保持完整。
另一个优点是，在玻璃之间插入或布置水凝胶袋可以提供安全功能，因为水凝胶袋可以用于阻止玻璃裂纹传播。
图9示出了水凝胶袋层压的玻璃面板撞击后的结果。
在本发明的第二个方面，公开了一种水凝胶袋，其包括包封在透明塑料袋中的温度响应型水凝胶膜。透明塑料袋使温度响应型水凝胶中存在的水的蒸发损失最小化。
水凝胶袋、温度敏感性水凝胶和透明塑料袋的性能、要求和材料已在前文中讨论过，为简明起见，下文不再重复。
根据本发明的第三个方面，公开了一种形成第二个方面的水凝胶袋的方法。该方法包括：
(a)将温度响应型水凝胶的单体溶解在去离子水中；
(b)向(a)的溶液中加入聚合催化剂和聚合引发剂，以形成水凝胶溶液；
(c)将(b)的水凝胶溶液沉积在第一透明塑料片上以在其上形成水凝胶溶液膜；
(d)完成聚合反应以获得温度响应型水凝胶膜；
(e)将第二透明塑料片放置在温度响应型水凝胶膜上，使得温度响应型水凝胶膜被布置在第一和第二透明塑料片之间；和
(f)密封第一和第二透明塑料片的边缘，从而将温度响应型水凝胶膜包封在其间。
为了容易理解本发明并将其付诸实践，现在通过以下非限制性实例来说明具体实施例。
实例
实验
材料
实例中使用的化学物质为N-异丙基丙烯酰胺(NIPAm，≥98％，Wako PureChemical Industries Ltd)、N，N'-亚甲基双(丙烯酰胺)(≥99％，交联剂，Sigma-Aldrich)、聚乙烯醇(PVA，Mw＝61000，Sigma-Aldrich)和N，N，N'，N'-四甲基乙二胺(TEMED，催化剂，99％，Sigma-Aldrich)、过硫酸铵(APS，引发剂，98％，Alfa Aesar)和多用途密封剂(Selleys All Clear)。整个实验中使用去离子(DI)水(18.2MΩ)。所有物质无需任何进一步纯化即可使用。
夹层水凝胶结构的制备
由去离子(DI)水中单体的原位聚合合成PNIPAm水凝胶。将11.3g(0.1mol)NIPAm和308mg(0.002mol)N，N'-亚甲基双(丙烯酰胺)溶于70℃的DI水中，制成均匀的100ml水溶液。获得均匀且透明的溶液后，将温度降至25℃，用氮气(N2)吹扫该溶液30分钟。将520.0μL该储备溶液移到1mL离心管中，然后在离心管中依次加入7.0μL TEMED(催化剂)和16.0μL APS(引发剂)并涡旋剧烈振动10秒。将溶液滴到聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)片的表面上，并覆盖另一片PET片，在室温24小时条件下完成聚合反应后，形成夹层结构。在两片PET的边缘施加密封剂以阻止与外部环境的质量交换。当水凝胶低于τc时，透明度允许太阳辐射的大量透过，而高于τc时，相分离诱导的散射中心部分地阻挡辐射，从而减少太阳辐射的透过。
特性
用UV-Vis-NIR分光光度计(Cary 5000，Agilent，美国)以正常情况方式收集250nm-2500nm波长范围内的透射光谱。分光光度计配有加热和冷却平台(PE120，Linkam，英国)。
通过使用等式1计算积分透光率Tlum(380nm-780nm)，IR透射率TIR(780nm-2500nm)和太阳透射率Tsol(250nm-2500nm)：
其中T(λ)表示光谱透射率，是380nm-780nm波长范围内的明视的标准发光效率函数，和是空气质量1.5的IR/太阳辐射光谱(对应于在地平线37°以上的太阳)。通过ΔTlum/IR/sol＝Tlum/IR/sol,20℃-Tlum/IR/sol,40℃得到ΔTlum/IR/sol。
这里首次报道了包封在透明塑料袋中的温度响应型水凝胶膜，与传统的无机VO2相比，它提供了高四倍的ΔTsol。PNIPAm水凝胶袋更容易制备成不同的厚度，且根据智能窗户的特定使用条件可以容易地调整其LCST。
结果与讨论
图2示出了层压在两片PET之间厚度为0.8mm的PNIPAm水凝胶膜的太阳光透射率(250nm-2500nm)曲线。根据图2，在约1430nm和1930nm波长处发生两次透射率降低，这是由于这两个波长处水的吸收。水在约1430nm处的吸收峰是由于水分子中O-H的伸缩，而在约1930nm处水具有独特的峰，由于O-H伸缩和H-O-H弯曲的组合。
对于0.8mm厚的PNIPAm水凝胶膜，其在低于LCST下保持透明度且在20℃的Tlum为88.5％。其在40℃变成乳白色，而Tlum显著下降为0.6％(图2，表1)。Tlum的急剧下降表明LCST发生在30-35℃之间。LCST附近的阻挡效应不仅在亮度范围内观察到，而且在红外区域也观察到，从而导致ΔTsol升高。因此，在高于LCST的温度，对IR和可见光两者有效的阻挡解释了PNIPAm水凝胶总的太阳能调节能力(40℃时为78％)，其比最佳报道的VO2样品高近四倍。
表1：0.8mm厚的PNIPAm水凝胶膜的热变色性质
为了证明水凝胶光学性质的可逆性，在新加坡大气温度为35℃的晴天，从上午10点到下午8点30分，对具有0.8mm PNIPAm水凝胶的水凝胶袋进行了户外测试。如图3A所示，当水凝胶袋处于室内约25℃的温度时，水凝胶袋清晰透明。当水凝胶袋移到室外超过35℃的温度时，其变得完全不透明(图3B)。当水凝胶袋随后在下午8:30左右移回室内时，透明度恢复(图3C)。该实验证明了温度响应型水凝胶随温度变化逆转其光学性质的能力。
测试了水凝胶袋对减小温度波动的影响。表2记录了玻璃屋的实际温度变化，并绘制在图4A中。玻璃屋A是裸玻璃屋。玻璃屋B层压有水凝胶袋，水凝胶袋包封有0.8mm聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶(水凝胶/PET)。玻璃屋C层压有水凝胶袋和2cm厚的水袋，水凝胶袋包封有0.8mm聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶，水袋粘附在水凝胶袋上。水袋比水凝胶袋厚，其粘附水凝胶袋上，而水凝胶袋粘附在玻璃上。玻璃屋A、B、C的实际照片如图4B和4C所示。由于水凝胶的组分90％以上是水，因此使用水来模拟水凝胶大的热质效应。可以看出，从上午10点到下午4：30分，与玻璃屋A相比，玻璃屋B和C的温度升高较小。对于玻璃屋B，平均降温约5℃，而对于玻璃屋C，由于水大的热质，平均降温可达10℃。但是，下午4：30以后，与玻璃屋A相比，玻璃屋C的温度略高了3-5℃，预计是由于水平缓了温度变化。作为有用和实际的应用，玻璃屋C中使用的设置可以在商业或办公环境中模拟，当办公楼使用最少或没有使用时，通常，例如在新加坡、具有四季的国家的下午5：30之后，以及日气温差异较大的国家，如中东地区。这清楚地证明了利用水大的热质有助于保持房间或建筑物中温度波动小的优点。
表2：三个玻璃屋一天内的温度记录。A是裸玻璃屋，B是具有0.8mm水凝胶/PET的玻璃屋，而C是具有0.8mm水凝胶/PET和2cm厚水袋的玻璃屋。
还对冬季条件下水凝胶袋的性能进行了模拟和评估。将三个玻璃屋放置在温度为-10℃的环境中。玻璃屋内100W灯泡用作热源。有三个设置，其中一个如图5所示：玻璃屋D是裸玻璃屋，玻璃屋E层压有1cm的水袋，而玻璃屋F层压有2cm的水袋。
在冬季条件下观察到变暖效应。裸玻璃箱(即玻璃屋D)的平均温度为24℃。对于玻璃屋E，平均气温上升到27℃。对于玻璃屋F，平均温度升高到30℃(图6)。由于水凝胶的组分超过90％是水，本试验表明，水凝胶袋在冬季有效地保持环境温暖。总之，本发明的水凝胶袋在具有四季的国家是有用的，其有助于在冬季保持环境温暖而在夏季保持凉爽。
表3：冬季条件测试中的温度变化。
除了作为智能窗户外，本发明的水凝胶袋的另一个优点是，面板设计还可用作安全玻璃。在安全玻璃应用中，水凝胶袋优选在约130℃条件下层压在两片玻璃之间。已经在高达150℃的条件下测试了PNIPAm水凝胶的热稳定性。图7示出了热耐久性测试的照片。具有不同组成的四种水凝胶，即瓶1(单体，0.8mol/100ml，无聚乙烯醇(PVA))、瓶2(单体，1.0mol/100ml，无PVA)、瓶3(单体，1.2mol/100ml，无PVA)、瓶4(单体，0.8mol/100ml，有PVA)如图7(a)所示，在室温下可以观察到每瓶中清澈透明的溶液。当在150℃的加热板上加热瓶时，所有四个瓶中的水凝胶立即呈乳白色(图7(b)和(c))。在150℃加热3小时后，瓶1和2中的水凝胶仍然保持均匀的乳白色，而对于瓶3和4，水开始从水凝胶中分离出来(图7(d))。令人鼓舞的是，在冷却四个瓶后，即使对瓶3和4中的水凝胶，也可以观察到室温时初始的透明度(即透明和不透明模式之间的可逆切换)。因此，通过调整如瓶1和2所示的水凝胶的组成，本发明的水凝胶袋可承受高达150℃的高温，并在高温下保持均匀的颜色和在光学性能方面良好的可逆性。本发明未使用先前用于合成PNIPAm水凝胶的PVA，因为在高温下，PVA为水提供了从水凝胶内部流到表面的通道。因此，与PVA混合的水凝胶不能承受高温(如瓶4中的水凝胶所证明)，并且不适于生产安全玻璃。
对比实例
与如表4所示的现有的市售产品相比，本发明公开的水凝胶袋设计具有许多优点。现有的市售产品如双层玻璃、安全玻璃和低辐射玻璃都不能调节透明度来自动响应温度，而本设计给出了约80％的ΔTsol，这意味着最大可能地节省空调消耗的能量。本设计也可以用作安全玻璃，因为它可以容易地层压在玻璃之间。厚的水凝胶层压进一步提供了大的储热性和耐火性，这可以导致在有四季和日温度变化大的国家的巨大能源节约。
表4：竞争对手分析
双层玻璃 层压的安全玻璃 低E玻玻 水凝胶玻璃
自动响应环境 无 无 无 有
水中储热 无 无 无 有
耐破碎性 无 有 无 有
耐火性 有 无 无 有
总之，与本面板设计和水凝胶袋相关的独特性和优点概括如下：
-在透明塑料袋中包封温度响应型水凝胶解决了水凝胶的泄露问题，并且提供了：“水袋”应用的灵活性，因为水凝胶的组成90％以上是水。如果将水凝胶简单层压或夹在两片玻璃或透明塑料之间，则水凝胶中的水容易蒸发，并且水凝胶的耐久性不长。将水凝胶包封的一个优点是水的损失最小化，并且水凝胶可以作为中间层以提供安全功能。包封的水凝胶可以作为智能窗户片，其可以层压在玻璃上或保持为可自由进出的自由件，以维护或更换。
-可以将包封的水凝胶作为安全玻璃中使用的叠层插入，其提供了智能和安全双功能玻璃。
-面板设计比最佳报道结果提供了高四倍的ΔTsol(78％)。
-包封0.8mm聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶的水凝胶袋可以降低约5℃的温度超过6小时，例如，这在新加坡使用非常好。
-水凝胶袋包封0.8mm聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶并粘附2cm厚的水袋，这可以降低约10℃的温度约5小时，并且使温度波动平缓。这样的面板可以应用于经历四季或日温度变化大的国家。例如在新加坡，这样的面板可以用在办公楼里，办公楼在下班后不需要空调。
-通过调节水凝胶组成，水凝胶的热稳定性可以在高达150℃持续3小时，这对安全玻璃应用很重要。
“包括”是指包括但不限于词“包括”之后的任何内容。因此，使用术语“包括”表示列出的元素是必需的或强制的，但是其它元素是任选的并且可以存在或不存在。
“由...组成”是指包括并限于跟随短语“由...组成”的任何内容。因此，短语“由...组成”表示列出的元素是必需的或强制的，而不存在其他元素。
本文中说明性描述的发明可以适当地在没有任何一个元件或多个元件、一个限制或多个限制的情况下实施，这里没有具体公开。因此，例如，术语“包括(comprising)”、“包括(including)”、“包含(containing)”等应以广泛且不受限制地阅读。此外，本文使用的术语和表达被用作说明性而不是限制性的术语，并且不意图使用这些术语和表达来排除所示出和描述的特征或其部分的任何等同物，而是理解为在所要求保护的本发明的范围内可以进行各种修改。因此，应当理解，尽管通过优选的实施例和任选的特征具体公开了本发明，但本文所公开的本发明的修改和变化可以由本领域技术人员参考，并且这些修改和变化被认为在本发明的范围内。
相对于给定的数值，例如温度和时间段，“约”是指包含指定值10％以内的数值。
本文已经广泛和一般地描述了本发明。属于概括公开内容的每个较窄的种类和子型组合也构成本发明的一部分。这包括本发明的一般描述，具有从该属移除任何主题的附带条件或负面限制，而不管该切除材料是否在本文中具体叙述。
其它实施例在所附权利要求和非限制性实施例中。此外，在本发明的特征或方面根据马库什组进行描述的情况下，本领域技术人员将认识到，本发明也由马库什组的任何成员或亚组成员来描述。
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Claims (23)

1.一种面板，包括：
(i)粘附在玻璃片、透明塑料片或表面上的水凝胶袋；或
(ii)布置在两片玻璃或透明塑料之间的水凝胶袋，其中所述两片玻璃或透明塑料彼此间隔开；
其中所述水凝胶袋包括包封在透明塑料袋中的温度响应型水凝胶膜，其中所述透明塑料袋使所述温度响应型水凝胶中存在的水的蒸发损失最小化。
2.根据权利要求1所述的面板，其中所述温度响应型水凝胶的低临界溶解温度为15℃-60℃。
3.根据权利要求1或2所述的面板，其中所述温度响应型水凝胶选自由聚(乙烯基甲基醚)、聚(乙烯基己内酰胺)、羟丙基纤维素、聚(N-异丙基丙烯酰胺)及其混合物组成的组。
4.根据权利要求3所述的面板，其中所述温度响应型水凝胶是聚(N-异丙基丙烯酰胺)。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的面板，其中所述透明塑料袋选自由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、乙烯-乙酸乙烯酯聚合物、热塑性聚氨酯(TPU)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乳酸(PLA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、热塑性聚烯烃(TPO)、甲基丙烯酸酯-丁二烯-苯乙烯(MBS)、聚氯乙烯(PVC)及其混合物组成的组。
6.根据权利要求5所述的面板，其中所述透明塑料袋是聚对苯二甲酸乙二醇酯。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的面板，其中所述水凝胶袋包括片状结构。
8.根据权利要求7所述的面板，其中所述温度响应型水凝胶膜的厚度为50μm-5cm。
9.根据权利要求8所述的面板，其中所述温度响应型水凝胶膜的厚度为0.8mm。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的面板，其中所述水凝胶袋永久地粘附在所述两片玻璃或透明塑料中的至少一片上。
11.根据权利要求1-9中任一项所述的面板，其中所述水凝胶袋可移除地布置在所述两片玻璃或透明塑料之间。
12.根据权利要求1-9中任一项所述的面板，其中所述水凝胶袋粘附到需要适应太阳反射的玻璃片、透明塑料或壁上。
13.根据权利要求12所述的面板，还包括粘附在所述水凝胶袋上的水袋，其中所述水袋比所述水凝胶袋厚。
14.一种水凝胶袋，包括包封在透明塑料袋中的温度响应型水凝胶膜，其中所述透明塑料袋使所述温度响应型水凝胶中存在的水的蒸发损失最小化。
15.根据权利要求14所述的水凝胶袋，其中所述温度响应型水凝胶的低临界溶解温度为15℃-60℃。
16.根据权利要求14或15所述的水凝胶袋，其中所述温度响应型水凝胶选自由聚(乙烯基甲基醚)、聚(乙烯基己内酰胺)、羟丙基纤维素、聚(N-异丙基丙烯酰胺)及其混合物组成的组。
17.根据权利要求16所述的水凝胶袋，其中所述温度响应型水凝胶是聚(N-异丙基丙烯酰胺)。
18.根据权利要求14-17中任一项所述的水凝胶袋，其中所述透明塑料袋选自由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、乙烯-乙酸乙烯酯聚合物、热塑性聚氨酯(TPU)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乳酸(PLA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、热塑性聚烯烃(TPO)、甲基丙烯酸酯-丁二烯-苯乙烯(MBS)、聚氯乙烯(PVC)及其混合物组成的组。
19.根据权利要求18所述的水凝胶袋，其中所述透明塑料袋是聚对苯二甲酸乙二醇酯。
20.根据权利要求14-19中任一项所述的水凝胶袋，其中所述水凝胶袋包括片状结构。
21.根据权利要求20所述的水凝胶袋，其中所述温度响应型水凝胶膜的厚度为50μm-5cm。
22.根据权利要求21所述的水凝胶袋，其中所述温度响应型水凝胶膜的厚度为0.8mm。
23.形成根据权利要求14所述的水凝胶袋的方法，所述方法包括：
(a)将温度响应型水凝胶的单体溶解在去离子水中；
(b)向(a)的溶液中加入聚合催化剂和聚合引发剂，以形成水凝胶溶液；
(c)将(b)的水凝胶溶液沉积在第一透明塑料片上以在其上形成水凝胶溶液膜；
(d)完成聚合反应以获得温度响应型水凝胶膜；
(e)将第二透明塑料片放置在所述温度响应型水凝胶膜上，使得所述温度响应型水凝胶膜布置在所述第一和第二透明塑料片之间；和
(f)密封所述第一和第二透明塑料片的边缘，从而将温度响应型水凝胶膜包封在其间。
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