CN115503307A - 一种光热双响应智能窗及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光热双响应智能窗，包括三块由相互间隔设置的窗户面板(1)、夹在两相邻窗户面板间的第一水凝胶层(2)和第二水凝胶层(3)，窗户面板的周边密封而成；所述第一水凝胶层为温敏性酰胺类水凝胶，所述第二水凝胶层为添加并均匀分散了吸光纳米粒子或吸光染料的固态水凝胶，所述窗户面板为太阳光可以通过的透明玻璃或塑料。本发明通过设置的第二水凝胶层加快了在太阳光刺激下的响应速度和光热转换能力，从而加速第一水凝胶层中温敏性酰胺类水凝胶的热致变色，光致热、热致变色双响应速度快，第一水凝胶层与第二水凝胶层相互响应实现光的调节，使窗口表面温度得以控制从而维持室内舒适温度。

Description

一种光热双响应智能窗及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑节能窗技术领域，具体涉及一种光致热致变色的光热双响应智能窗及其制备方法。
背景技术
建筑能耗占全球总能耗的40％，而窗户作为室内外能量交换的桥梁被认为是建筑围护中不节能的一部分。近年来，智能窗的研发引起了人们的关注，智能窗是在外界因素(电、光、热、机械)的刺激下，窗户的透过率等光学性能发生转变，实现对太阳光的调节和室内温度的调节。
智能窗分为电致变色智能窗和热致变色智能窗。电致变色智能窗如专利CN113896908A公开了一种复合水凝胶及制备方法和热电双驱动复合水凝胶智能窗及制备方法，是将复合水凝胶与酸溶液混合后作为电致变色器件的电解液，将其注入两片导电玻璃组成的液槽中，并在其中一片玻璃内部涂覆三氧化钨纳米薄膜作为电致变色层，密封后连接外电路，得到热电双驱动复合水凝胶智能窗，但此类智能窗需要电源、电气设备以及制造成本高。热致变色是根据环境温度刺激响应是一个没有净能力输入的自主系统且易于制造。近年来，人们研究了热致变色材料如基于二氧化钒(VO2)的热致变色材料，但因其高的转变温度(Tc≈68℃)和低可见光透过率以及低的太阳调制受到了限制，相比而言，水溶态水凝胶因不需要消耗额外能量能够调节室内温度且柔软性好易于制造出任意曲面形状的智能窗，但是单纯的水凝胶基智能窗响应速度慢，在较为寒冷的地区，即使阳光强烈也会失去调节能力；也有学者研究了光热双响应的智能窗，但因纳米粒子不能长期稳定地分散在水凝胶基体中使其光致热效率逐渐变低，同时也会影响智能窗窗口的光(可见光)的透过率影响人们的视觉，更重要的是纳米粒子持续的吸光导致窗户面板温度持续升高，热量通过热对流或热传导传递到室内使室内温度升高，影响了智能窗的节能效果，此外，现有的节能智能窗仅考虑热致变色材料对太阳辐射的调节，却忽视了窗户面板能量交换带来的热效应的节能方式。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的不足，提供了一种光致热致变色双响应速度快、光致热稳定性高，通过第二水凝胶层快速光热转换加速第一水凝胶层热致变色阻止太阳光传输从而维持室内舒适温度的光热双响应智能窗及其制备方法。
本发明采取的技术方案如下：
一种光热双响应智能窗，包括三块由相互间隔设置的窗户面板、夹在两相邻窗户面板间的第一水凝胶层和第二水凝胶层，窗户面板的周边密封而成；所述第一水凝胶层为温敏性酰胺类水凝胶，所述第二水凝胶层为添加并均匀分散了吸光纳米粒子或吸光染料的固态水凝胶，所述窗户面板为太阳光可以通过的透明玻璃或塑料。
进一步地，所述温敏性酰胺类水凝胶的低临界溶解温度为20℃-60℃。
进一步地，所述第一水凝胶层、第二水凝胶层的厚度均为0.01-20mm。
进一步地，所述温敏性酰胺类水凝胶为自由聚(N-异丙基丙烯酰胺)、纤维素醚类、柱[6]芳烃、聚(乙烯基己内酰胺)、聚(乙烯基甲基醚)一种或几种混合物。
进一步地，所述固态水凝胶为将吸光纳米粒子或吸光染料均匀地分散在基体中制成混合水凝胶，然后注入到第二水凝胶层中原位聚合形成的固态水凝胶，所述基体为聚丙烯酰胺或聚二甲基硅氧烷或聚乙烯醇。
进一步地，所述吸光纳米粒子为氧化石墨烯、石墨烯、氧化锡锑、铯钨青铜、金纳米粒子、MXene、银纳米线中的一种或几种混合物；所述吸光染料为溴甲酚绿、刚果红、亚甲基蓝、丙烯类的一种或几种混合物。
进一步地，所述透明玻璃为钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃、铅晶质玻璃、微晶玻璃、钢化玻璃、高硼硅玻璃的一种，所述塑料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚碳酸酯、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚氯乙烯的一种。
一种光热双响应智能窗的制备方法，包括如下步骤：
(1)先将三块窗户面板按照第一水凝胶层、第二水凝胶层的厚度间隔设置，分别在第一水凝胶层、第二水凝胶层留有水凝胶的注入口外将三块窗户面板的四周密封；
(2)将所述温敏性酰胺类水凝胶从第一水凝胶层注入口注入并密闭注入口；
(3)将所述混合水凝胶从第二水凝胶层注入口注入并密闭注入口得到光热双响应智能窗。
进一步地，所述温敏性酰胺类水凝胶的制备方法：将温敏性酰胺类单体和交联剂溶解在去离子水中，加入表面活性剂和引发剂在80℃水浴、氮气氛围下搅拌1小时制成温敏性酰胺类水凝胶。
进一步地，所述固态水凝胶的制备方法：在去离子水中分别加入基体、交联剂和引发剂超声波处理溶解，加入纳米粒子或染料的分散液，再加入催化剂搅拌均匀得到混合水凝胶，将混合水凝胶快速注入第二水凝胶层，混合水凝胶原位聚合形成固态水凝胶，所述基体与纳米粒子或染料的质量比200～20000:1。
本发明的有益效果：
1、本发明通过设置的第二水凝胶层，固态水凝胶中添加了纳米粒子或吸光染料加快了固态水凝胶在太阳光刺激下的响应速度和光热转换能力，能够快速的将光转化为热以加速第一水凝胶层中温敏性酰胺类水凝胶的热致变色，光致热、热致变色双响应速度快；通过设置第一水凝胶层，温敏性酰胺类水凝胶的低临界溶解温度为20℃-60℃，常温时高度透明不影响人们的视觉，当温度达到其临界温度时响应热致变色阻止太阳光的传输，反过来阻止了第二水凝胶层中固态水凝胶的光吸收，第一水凝胶层与第二水凝胶层光致热、热致变色相互响应实现光的调节，窗口表面温度得以控制从而维持室内舒适温度。
2、在第二水凝胶层中的采用固态水凝胶，使纳米粒子长期稳定地分散在其中，保持固态水凝胶光致热效率的稳定性，保障了第一水凝胶层长期快速稳定响应。
3、第一层水凝胶变色更加均匀，不会出现层状纹路，特别是变色玻璃如果遭到物理损坏，仍然能够稳定变色。
4、第一层中的温敏性酰胺类水凝胶水凝胶、第二层中的固态水凝胶均增加了智能窗的阻燃功能，防止火灾的发生。
附图说明
图1为是本发明的结构示意图；
图2是本发明实施例1制备的固态水凝胶透光效果图；
图3是本发明实施例1制备的温敏性酰胺类水凝胶的切换光学透明度曲线图；
图4a是本发明实施例1智能窗在常温透光时的状态图；
图4b是本发明实施例1的智能窗在高温不透光时的状态图；
图5是本发明智能窗与普通玻璃窗及热致变色智能窗使用性能的户外模拟图；
图6是图5户外模拟演示对应的温度-时间变化曲线图；
图7是图5户外模拟演示中对应的模拟窗的响应效果对比图；
图8是户外模拟演示使用过程中对应的模拟窗稳定性对比图。
具体实施方式
下面结合附图具体实施例对本发明作进一步详细说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
术语“透明的”是指可以透过该物体清楚的看到远处的物体，具有较高的可见光透明度，所述透明物体允许紫外或红外光的透过。术语“光致热致变色”或“光热转换性能”是指纳米粒子或染料具有强的吸热能力，将纳米粒子引入水凝胶后，本身具备热响应的水凝胶又具备了高的光的吸收和光热转换效率。
如图1所示，一种光热双响应智能窗，包括三块由相互间隔设置的窗户面板1、夹在两相邻窗户面板间的第一水凝胶层2和第二水凝胶层3，所述第一水凝胶层、第二水凝胶层的厚度均为0.01-20mm，窗户面板的周边密封而成；窗户面板不一定是平的，凹的或者凸的各种形状的曲面。
所述第一水凝胶层为温敏性酰胺类水凝胶，温敏性酰胺类水凝胶的低临界溶解温度为20℃-60℃。所述第二水凝胶层为添加并均匀分散了吸光纳米粒子或吸光染料的固态水凝胶，所述温敏性酰胺类水凝胶为自由聚(N-异丙基丙烯酰胺)、纤维素醚类、柱[6]芳烃、聚(乙烯基己内酰胺)、聚(乙烯基甲基醚)的一种或几种混合物；所述窗户面板为太阳光可以通过的透明玻璃或塑料。所述吸光纳米粒子为氧化石墨烯、石墨烯、氧化锡锑、铯钨青铜、金纳米粒子、MXene、银纳米线中的一种或几种混合物；所述吸光染料为溴甲酚绿、刚果红、亚甲基蓝、丙烯类的一种或几种混合物。所述透明玻璃为钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃、铅晶质玻璃、微晶玻璃、钢化玻璃、高硼硅玻璃的一种，所述塑料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚碳酸酯、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚氯乙烯的一种。
一种光热双响应智能窗的制备方法，包括如下步骤：
(1)先将三块窗户面板按照第一水凝胶层、第二水凝胶层的厚度间隔设置，分别在第一水凝胶层、第二水凝胶层留有水凝胶的注入口外将三块窗户面板的四周密封；
(2)将所述温敏性酰胺类水凝胶从第一水凝胶层注入口注入并密闭注入口；
(3)将所述固态水凝胶原位聚合前的混合水凝胶从第二水凝胶层注入口注入并密闭注入口得到光热双响应智能窗。
实施例1
温敏性酰胺类水凝胶的制备：将2800mL的去离子水在反应容器内加热到80℃，加入35g单体NIPAm和3g AM，0.5g SDS和0.8g APS，在氮气氛围下以960rpm/min剧烈搅拌1小时得到的温敏性PNIPAm水凝胶，该水凝胶呈白色不透明，冷却至室温后清澈透明，如图3所示，常温下可见光透过率为90％。
固态水凝胶的制备：将20g AM单体、10mg BIS和0.1g KPS加入80mL的去离子水中超声波处理成混合物，加入以上混合物质量0.05％的MXene分散液，加入0.5mL TEMED制得聚丙烯酰胺基-MXene混合水凝胶，该混合水凝胶光学透过率为70％，将混合水凝胶快速(1-2分钟)注入第二水凝胶层中，混合水凝胶原位聚合形成固态水凝胶，如图2所示，固态水凝胶智能窗窗口高透明视觉效果好，将第二水凝胶注入口密封得到本发明的光热双响应智能窗。
光热双响应智能窗的制备方法，包括如下步骤：
(1)先将三块钠钙玻璃按照第一水凝胶层厚度为1mm、第二水凝胶层的厚度5mm间隔设置，分别在第一水凝胶层、第二水凝胶层留有水凝胶的注入口外将三块钠钙玻璃的四周采用防水胶是玻璃胶密封；
(2)将所述温敏性PNIPAm水凝胶从第一水凝胶层注入口注入并密闭注入口；
(3)将所述聚丙烯酰胺基-MXene混合水凝胶从第二水凝胶层注入口注入并密闭注入口，得到光热双响应智能窗。如图3所示，当温度高于温敏性PNIPAm水凝胶临界温度32℃，太阳光透过率为1％，屏蔽了99％的太阳光。本实施例制备的智能窗在常温下，可以清晰看到窗外的景色，如图4a所示；在40℃窗外的景色变得不可见，如图4b所示。
实施例2
先将三块钠钙玻璃按照第一水凝胶层厚度为0.5mm、第二水凝胶层的厚度5mm间隔设置，分别在第一水凝胶层、第二水凝胶层留有水凝胶的注入口外将三块钠钙玻璃的四周采用防水胶是玻璃胶密封；其它方法及步骤同实施例1。结果表明，第一水凝胶层响应前的可见光透过率为91％，响应后呈半透明状态，太阳光透过率为30％，屏蔽了60％的太阳光。
实施例3
将固体水凝胶中的纳米粒子改为石墨烯，添加量为基体混合物质量的0.025％。
先将三块钠钙玻璃按照第一水凝胶层厚度为0.1mm、第二水凝胶层的厚度0.1mm间隔设置，分别在第一水凝胶层、第二水凝胶层留有水凝胶的注入口外将三块钠钙玻璃的四周采用防水胶是玻璃胶密封；分别在第一水凝胶层、第二水凝胶层留有水凝胶的注入口外将三块钠钙玻璃的四周采用防水胶是玻璃胶密封；其它方法及步骤同实施例1。结果表明，第一水凝胶层响应前的可见光透过率为92％，响应后呈半透明状态，太阳光透过率为60％，屏蔽了20％的太阳光。
对比例1
将实施例1制备的温敏性酰胺类水凝胶直接注入水凝胶层厚度为1mm的两块四周采用防水胶是玻璃胶密封的钠钙玻璃制成智能窗得到普通的热变色智能窗。
为了测试本发明光热双响应智能窗的性能，如图5所示，平行设置三个模拟屋，测试系统包括温度测试系统和环境测试系统。
检测结果：风和太阳辐射流量波动较大，温度曲线波动较大，但总体规律不变。如图6所示，太阳辐射峰值显示为1230W·m-2。此时，普通玻璃窗、对比例1的热致变色智能窗和本发明实施例1的光热双响应智能窗室内空气温度分别为50℃，43℃和40℃，本发明的智能窗比普通玻璃窗室内温度降低了10℃，比热致变色智能窗室内温度降低了3℃，节能效果明显。从响应时间上，本发明的智能窗比热致变色智能窗提前5-30分钟响应。如图7所示，虽然热致变色智能窗和本发明的智能窗均能响应，但热致变色智能窗表面变色不均匀从而影响了太阳光的屏蔽效果、视觉效果；从热响应稳定性上，置于临界温度的环境温度下模拟使用45天后如图8所示，热致变色智能窗中温敏水凝胶出现变色不均匀，稳定性下降，本发明的智能窗中第一水凝胶层几乎没有变化，本发明通过设置第一层和第二层提高了水凝胶热响应的稳定性。
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种光热双响应智能窗，其特征在于，包括三块由相互间隔设置的窗户面板(1)、夹在两相邻窗户面板间的第一水凝胶层(2)和第二水凝胶层(3)，窗户面板的周边密封而成；所述第一水凝胶层为温敏性酰胺类水凝胶，所述第二水凝胶层为添加并均匀分散了吸光纳米粒子或吸光染料的固态水凝胶，所述窗户面板为太阳光可以通过的透明玻璃或塑料。
2.如权利要求1所述一种光热双响应智能窗，其特征在于，所述温敏性酰胺类水凝胶的低临界溶解温度为20℃-60℃。
3.如权利要求1或2所述一种光热双响应智能窗，其特征在于，所述第一水凝胶层、第二水凝胶层的厚度均为0.01-20mm。
4.如权利要求2所述一种光热双响应智能窗，其特征在于，所述温敏性酰胺类水凝胶为聚(N-异丙基丙烯酰胺)、纤维素醚类、柱[6]芳烃、聚(乙烯基己内酰胺)、聚(乙烯基甲基醚)的一种或几种混合物。
5.如权利要求1所述一种光热双响应智能窗，其特征在于，所述固态水凝胶为将吸光纳米粒子或吸光染料均匀地分散在基体中制成混合水凝胶，然后注入到第二水凝胶层中原位聚合形成的固态水凝胶，所述基体为聚丙烯酰胺或聚二甲基硅氧烷或聚乙烯醇。
6.如权利要求1所述一种光热双响应智能窗，其特征在于，所述吸光纳米粒子为氧化石墨烯、石墨烯、氧化锡锑、铯钨青铜、金纳米粒子、MXene、银纳米线中的一种或几种混合物；所述吸光染料为溴甲酚绿、刚果红、亚甲基蓝、丙烯类的一种或几种混合物。
7.如权利要求1所述一种光热双响应智能窗，其特征在于，所述透明玻璃为钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃、铅晶质玻璃、微晶玻璃、钢化玻璃、高硼硅玻璃的一种，所述塑料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚碳酸酯、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚氯乙烯的一种。
8.如权利要求1～7任一项所述一种光热双响应智能窗的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)先将三块窗户面板按照第一水凝胶层、第二水凝胶层的厚度间隔设置，分别在第一水凝胶层、第二水凝胶层留有水凝胶的注入口外将三块窗户面板的四周密封；
(2)将所述温敏性酰胺类水凝胶从第一水凝胶层注入口注入并密闭注入口；
(3)将所述固态水凝胶原位聚合前的混合水凝胶从第二水凝胶层注入口注入并密闭注入口得到光热双响应智能窗。
9.如权利要求8所述一种光热双响应智能窗的制备方法，其特征在于，所述温敏性酰胺类水凝胶的制备方法：将温敏性酰胺类单体和交联剂溶解在去离子水中，加入表面活性剂和引发剂在80℃水浴、氮气氛围下搅拌1小时制成温敏性酰胺类水凝胶。
10.如权利要求8所述一种光热双响应智能窗的制备方法，其特征在于，所述固态水凝胶的制备方法：在去离子水中分别加入基体、交联剂和引发剂超声波处理溶解，加入纳米粒子或染料的分散液，再加入催化剂搅拌均匀得到混合水凝胶，将混合水凝胶快速注入第二水凝胶层，混合水凝胶原位聚合形成固态水凝胶，所述基体与纳米粒子或染料的质量比为200～20000:1。
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