CN115838485B - 一种基于改性聚乙烯醇凝胶材料的温度自适应水凝胶智能窗 - Google Patents
一种基于改性聚乙烯醇凝胶材料的温度自适应水凝胶智能窗 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于改性聚乙烯醇凝胶材料的温度自适应水凝胶智能窗，属于凝胶材料技术领域。将聚乙烯醇加入水中进行溶解，再加入醛类化合物，制得聚乙烯醇‑醛溶液，然后在15℃条件下加入有机酸反应，反应结束后添加氢氧化钠溶液终止反应，再通过旋蒸除去残留醛类化合物，即可得到所述改性聚乙烯醇凝胶材料，将制得的改性聚乙烯醇胶凝材料填充入透明凹槽中即得温度自适应水凝胶智能窗。采用本发明制得的改性聚乙烯醇凝胶材料低临界相转变温度接近室温，具备优异的可逆性，可以达到控制室内温度和减少室内制冷能耗的效果。此外，本发明操作简单，重现性高，可用于工业生产。
Description
技术领域
本发明属于凝胶材料技术领域，尤其涉及一种基于改性聚乙烯醇凝胶材料的温度自适应水凝胶智能窗。
背景技术
随着技术和经济的快速发展，人类活动增加、碳排放量增多、全球气候变暖，能源短缺已成为城市的关键问题，其中一个主要原因是建筑物的巨大能源消耗。建筑使用的能源超过工业和运输部门，占总能源消耗的40%。供暖、通风和空调（HVAC）应用约占总能耗的50%。因此，提高建筑物的能源效率非常重要。作为建筑物内部和外部之间热交换的主要桥梁，窗户占能源消耗的比例最大，被认为是建筑结构中能源效率最低的部分。
近年来，智能窗户在建筑节能领域具有巨大的潜力，受到了工业界和科学界的广泛关注。在各种类型的变色窗户中，智能窗一般可以分为三种：光致变色型、电致变色型和热致调光型。光致变色型智能窗的原理是化合物在受到特定波长的光照时，通过特定的化学反应生成结构和光谱性能不同的产物，从而调节透光度。电致变色型智能窗通过外加电场的作用，使智能窗材料的光学性能发生连续可逆变化，并表现为智能窗的颜色和透明度发生可逆变化。而热致调光型智能窗依靠环境温度变化而改变自身对入射光线的透过或吸收特性。电致变色和热致变色智能窗户是最有希望开发成具有可逆调节太阳辐射透射能力的智能窗户。对于电致变色智能窗户，它需要电源，电气设备和额外的操作电源以及昂贵的制造工艺，这些缺点限制了它们的大规模应用。相对而言，热致变色型智能窗外观的变化可以由环境温度触发，这是一个没有净能量输入的自主系统，相对便宜，易于制造。
目前，大多数的智能窗为液晶智能窗，但液晶材料价格昂贵、使用条件较为复杂，这使得智能窗的应用大大受限。相比较而言，水凝胶材料（如酰胺类水凝胶）成本低廉，使用条件简单，在光开关特性方面表现出很好的性能；而且柔软的水凝胶能做出曲面智能窗，这是液晶智能窗等无法做到的。因此，水凝胶基的智能窗已经成为一大发展趋势。
温敏性水凝胶作为水凝胶体系中的一大分支，主要是由N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）、聚乙二醇（PEG）和其他疏水性单元组成的两亲性嵌段共聚物，其水溶液在低温下呈现出溶胶态，当温度升高到某一点时，就会出现溶胶-凝胶的转变，但通常低临界相转变温度较高。此外，目前多数水凝胶的制备通过添加有机溶剂的方法，使反应制得的聚乙烯醇缩醛在反应过程中溶于均相体系，但分离产品、纯化产品、回收溶剂更为繁琐，成本较高，不适用于工业化。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于改性聚乙烯醇凝胶材料的温度自适应水凝胶智能窗，在低温条件下，将正丙醛添加到聚乙烯醇水溶液中，获得低修饰率的聚乙烯醇缩醛产品，并将其填充到透明凹槽中即可得到温度自适应水凝胶智能窗。该智能窗低临界相转变温度接近室温，具有较好的可逆性，可以达到控制室内温度和减少室内制冷能耗的效果，此外，本发明操作简单，重现性高，可用于工业生产。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明的技术方案之一：
一种改性聚乙烯醇凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：
a、制备聚乙烯醇-醛溶液：将聚乙烯醇溶于水，搅拌并升温，过滤得到聚乙烯醇水溶液，在聚乙烯醇水溶液中加入醛类化合物，搅拌均匀得到聚乙烯醇-醛溶液（PVA-Pr溶液）；
b、聚乙烯醇缩醛化过程：将步骤a制备的聚乙烯醇-醛溶液在搅拌条件下加入无机酸溶液中，反应得到聚乙烯醇-醛反应液（PVA-Pr反应液）；
c、后处理过程：向步骤b制备的聚乙烯醇-醛反应液中加入碱溶液，并调节pH，搅拌，旋蒸，得到所述改性聚乙烯醇凝胶材料（PVA-Pr水凝胶）；
所述醛类化合物为正丙醛，所述无机酸溶液为硫酸溶液，所述碱溶液为NaOH溶液。
进一步地，步骤a中，所述聚乙烯醇的醇解度为88%-99%，聚合度为1000-2400，优选聚乙烯醇的醇解度为97%-99%，聚合度为1400-2000。
进一步地，步骤a中，所述醛类化合物用量为聚乙烯醇中羟基物质的量的5%-40%，所述聚乙烯醇的质量与无机酸溶液的体积比为60g：（5.2-6）ml。
进一步地，步骤a中，所述聚乙烯醇与水的料液比为60g：1000ml。
进一步地，步骤a中，所述聚乙烯醇溶于水，保持120r/min的转速进行搅拌，在95-100℃下保温4h，并降温至30℃。
进一步地，步骤a中，所述聚乙烯醇水溶液在30℃下加入醛类化合物，并在100-150r/min的转速下搅拌1-4h。
进一步地，步骤b中，无机酸溶液加入聚乙烯醇-正丙醛溶液的转速为100-150r/min，温度为10-20℃。
进一步地，步骤b中，所述无机酸溶液的浓度为100mg/ml。
进一步地，步骤b中，所述反应的温度为15℃，时间为2-4h。
进一步地，步骤c中，加入碱溶液后的转速为120-150r/min，搅拌1h。
进一步地，步骤c中，调节pH为7-8。
进一步地，步骤c中，所述旋蒸的时间为5h。
本发明的技术方案之二：
一种所述的制备方法制备得到的改性聚乙烯醇凝胶材料。
本发明的技术方案之三：
一种温度自适应水凝胶智能窗，将所述的改性聚乙烯醇凝胶材料填充到透明凹槽中，即可得到温度自适应水凝胶智能窗。
本发明公开了以下技术效果：
利用本发明制备的改性聚乙烯醇凝胶材料得到的温度自适应水凝胶智能窗，在气温低时处于透明状态，阳光射入可以为房间取暖，在气温高于某一值时透明度降低，阳光射入减少，相比于普通玻璃可使室内温度降低16℃，大大节约空调的电力消耗，不仅保证了良好的室内采光和舒适的生活环境，而且不需要耗费任何额外的能量就能实现自适应调节而达到降低能耗的效果，具有真正意义上的智能调控作用。
此外，本发明使用的聚乙烯醇价格低廉，具有亲水性。反应不仅可通过有机相合成还可通过水相原位合成，所得产物直接使用，大大降低了反应成本，减少了清洗成本，操作简单，宜工业化。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例1中聚乙烯醇缩醛化、后处理过程流程图；
图2为本发明实施例1制备得到的PVA-Pr水凝胶的1HNMR光谱分析图；
图3为不同修饰率下PVA-Pr水凝胶样品的LCST图；
图4为不同温度下实施例1得到的20%修饰率的PVA-Pr水凝胶紫外-可见（UV）光谱图；
图5为20-60℃下实施例1制备的PVA-Pr水凝胶模量测试结果图；
图6为实施例1制备的PVA-Pr水凝胶的sol-gel图；
图7为实施例1制备的PVA-Pr水凝胶水下注射图；
图8为实施例1-4制备的不同浓度的PVA-Pr水凝胶和空白组在450nm处吸光度测定结果；
图9为实施例1制备得到的PVA-Pr水凝胶的光学性能图；
图10为实施例1制备得到的PVA-Pr水凝胶的全光谱图；
图11为实施例1制备得到的温度自适应水凝胶智能窗室内场景（箱内）模拟特征时间图；
图12为实施例1制备得到的温度自适应水凝胶智能窗室内场景（内表面）模拟特征时间图；
图13为实施例1制备得到的温度自适应水凝胶智能窗室内场景模拟平均功率图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明提出了一种改性聚乙烯醇凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：
a、制备聚乙烯醇-醛溶液：在溶解釜中，将聚乙烯醇溶于水，搅拌并升温，过滤得到聚乙烯醇水溶液，在聚乙烯醇水溶液中加入醛类化合物，搅拌均匀得到聚乙烯醇-醛溶液（PVA-Pr溶液）；
b、聚乙烯醇缩醛化过程：将步骤a制备的聚乙烯醇-醛溶液加入反应釜中，在搅拌条件下加入无机酸溶液，反应得到聚乙烯醇-醛反应液（PVA-Pr反应液）；
c、后处理过程：向步骤b制备的聚乙烯醇-醛反应液中加入碱溶液，并调节pH，搅拌，旋蒸，除去剩余丙醛，得到所述改性聚乙烯醇凝胶材料（PVA-Pr水凝胶）；
所述醛类化合物为正丙醛，所述无机酸溶液为硫酸溶液，所述碱溶液为NaOH溶液。
在本发明一些实施例中，所述聚乙烯醇的醇解度为88%-99%，聚合度为1000-2400，优选聚乙烯醇的醇解度为97%-99%，聚合度为1400-2000。
在本发明一些实施例中，步骤a为将60g聚乙烯醇溶于1000ml水中，得到聚乙烯醇溶液，在聚乙烯醇溶液中加入聚乙烯醇中羟基物质的量的5%-40%的醛类化合物。
在本发明一些实施例中，步骤a所述聚乙烯醇溶于水，保持120r/min的转速进行搅拌，在95-100℃下保温4h，并降温至30℃。
在本发明一些实施例中，步骤a所述聚乙烯醇水溶液在30℃下加入醛类化合物，并在100-150r/min的转速下搅拌1-4h。
在本发明一些实施例中，所述聚乙烯醇的质量与无机酸溶液的体积比为60g：（5.2-6）ml。
在本发明一些实施例中，步骤b无机酸溶液加入聚乙烯醇-正丙醛溶液的转速为100-150r/min，温度为10-20℃。
在本发明一些实施例中，步骤b所述无机酸溶液的浓度为10wt%。
在本发明一些实施例中，步骤b所述反应的温度为15℃，时间为2-4h。
在本发明一些实施例中，步骤c加入碱溶液后的转速为120-150r/min，搅拌1h。
在本发明一些实施例中，步骤c调节pH为7-8。
在本发明一些实施例中，步骤c所述旋蒸的时间为5h。
本发明实施例所用聚乙烯醇（PVA）为商业化聚乙烯醇，醇解度为99%，聚合度为2400。
本发明实施例所用正丙醛为分析纯级别，购自上海麦克林生物科技有限公司；所用硫酸为分析纯级别，购自广州化学试剂厂；所用NaOH为分析纯级别，购自天津大茂化学试剂厂。
以下通过实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1
a、制备聚乙烯醇-正丙醛溶液：在溶解釜中，按60g聚乙烯醇、1000ml水进行投料，保持120r/min的转速进行搅拌，升温至100℃保温4h，降温至30℃，进行过滤，获得聚乙烯醇溶液，在聚乙烯醇溶液中加入11.8ml的正丙醛，保持120r/min的转速搅拌3h，将正丙醛分散均匀，获得聚乙醇-正丙醛溶液（PVA-Pr溶液）；
b、聚乙烯醇缩醛化过程：将步骤a制得的1000ml的聚乙烯醇-正丙醛溶液加入反应釜中，调整转速为120r/min，在15℃条件下加入5.5ml浓度为100mg/ml的硫酸溶液，温度保持在15℃，反应3h，得到聚乙烯醇-正丙醛反应液（PVA-Pr反应液）；
c、后处理过程：往步骤b得到的聚乙烯醇-正丙醛反应液中加入适量2mol/L的NaOH溶液，使pH=7，保持130r/min的转速搅拌1h，再旋蒸5h，除去剩余丙醛，进一步旋蒸除水，获得修饰率为20%、浓度为100mg/ml改性聚乙烯醇凝胶材料（PVA-Pr水凝胶）；
d、将步骤c得到的改性聚乙烯醇凝胶材料（PVA-Pr水凝胶）填充到透明凹槽中，得到温度自适应水凝胶智能窗。
实施例1中聚乙烯醇缩醛化、后处理过程流程图见图1。
实施例2
a、制备聚乙烯醇-正丙醛溶液：在溶解釜中，按60g聚乙烯醇、1000ml水进行投料，保持120r/min的转速进行搅拌，升温至100℃保温4h，降温至30℃，进行过滤，获得聚乙烯醇溶液，在聚乙烯醇溶液中加入8.9ml的正丙醛，保持100r/min的转速搅拌2h，将正丙醛分散均匀，获得聚乙醇-正丙醛溶液（PVA-Pr溶液）；
b、聚乙烯醇缩醛化过程：将步骤a制得的1000ml的聚乙烯醇-正丙醛溶液加入反应釜中，调整转速为150r/min，在15℃条件下加5.2ml、浓度为100mg/ml的硫酸溶液，温度保持在15℃，反应2h，得到聚乙烯醇-正丙醛反应液（PVA-Pr反应液）；
c、后处理过程：往步骤b得到的聚乙烯醇-正丙醛反应液中加入 2mol/L的NaOH溶液，调节pH至7，保持120r/min的转速搅拌1h，再旋蒸5h，除去剩余丙醛，获得修饰率为15%、浓度为100mg/ml的改性聚乙烯醇凝胶材料（PVA-Pr水凝胶）；
d、将步骤c得到的改性聚乙烯醇凝胶材料（PVA-Pr水凝胶）填充到透明凹槽中，得到温度自适应水凝胶智能窗。
实施例3
a、制备聚乙烯醇-正丙醛溶液：在溶解釜中，按60g聚乙烯醇、1000ml水进行投料，保持120r/min的转速进行搅拌，升温至100℃保温4h，降温至30℃，进行过滤，获得聚乙烯醇溶液，在聚乙烯醇溶液中加入14.8ml的正丙醛，保持150r/min的转速搅拌1h，将正丙醛分散均匀，获得聚乙醇-正丙醛溶液（PVA-Pr溶液）；
b、聚乙烯醇缩醛化过程：将步骤a制得的1000ml的聚乙烯醇-正丙醛溶液加入反应釜中，调整转速为100r/min，在20℃条件下加入6.0ml、浓度为100mg/ml的硫酸溶液，温度保持在15℃，反应4h，得到聚乙烯醇-正丙醛反应液（PVA-Pr反应液）；
c、后处理过程：往步骤b得到的聚乙烯醇-正丙醛反应液中加入2mol/L的NaOH溶液，调节pH至7.5，保持150r/min的转速搅拌1h，再旋蒸5h，除去剩余丙醛，获得修饰率为25%、浓度为100mg/ml的改性聚乙烯醇凝胶材料（PVA-Pr水凝胶）；
d、将步骤c得到的改性聚乙烯醇凝胶材料（PVA-Pr水凝胶）填充到透明凹槽中，得到温度自适应水凝胶智能窗。
实施例4
a、制备聚乙烯醇-正丙醛溶液：在溶解釜中，按60g聚乙烯醇、1000ml水进行投料，保持120r/min的转速进行搅拌，升温至100℃保温4h，降温至30℃，进行过滤，获得聚乙烯醇溶液，在聚乙烯醇溶液中加入5.9ml的正丙醛，保持150r/min的转速搅拌3h，将正丙醛分散均匀，获得聚乙醇-正丙醛溶液（PVA-Pr溶液）；
b、聚乙烯醇缩醛化过程：将步骤a制得的1000ml的聚乙烯醇-正丙醛溶液加入反应釜中，调整转速为140r/min，在10℃条件下加入6ml、浓度为100mg/ml的硫酸溶液，温度保持在15℃，反应2h，得到聚乙烯醇-正丙醛反应液（PVA-Pr反应液）；
c、后处理过程：往步骤b得到的聚乙烯醇-正丙醛反应液中加入适量2mol/L的NaOH溶液，调节pH至7，保持120r/min的转速搅拌1h，再旋蒸5h，除去剩余丙醛，继续旋蒸除水，获得修饰率为10%、浓度为100mg/ml的改性聚乙烯醇凝胶材料（PVA-Pr水凝胶）；
d、将步骤c得到的改性聚乙烯醇凝胶材料（PVA-Pr水凝胶）填充到透明凹槽中，得到温度自适应水凝胶智能窗。
试验例
1、核磁
使用Bruker 400 MHz核磁仪上对实施例1制备得到的改性聚乙烯醇凝胶材料（PVA-Pr水凝胶）进行表征，以确信完成对PVA的后改性，即短烷烃接枝到聚乙烯醇上了，具体操作如下：使用D2O作为溶剂，加入6mg实施例1制备得到的PVA-Pr水凝胶，5℃下完成溶解，进行1HNMR光谱分析，结果如图2，PVA的后改性反应方程式如下：
。
修饰率DS（degree of substitution）通过1HNMR光谱的峰积分面积等价计算得出，即DS采用如下公式计算：
式中，分子2X2代表被侧链取代的羟基个数，分母X1+2X2代表聚乙烯醇总的羟基个数，修饰率DS为取代的羟基个数占总羟基个数的比例，A7指7号碳所含氢原子面积，为1，A2+4指2号碳和4号碳所含氢原子面积，为3，经过计算得DS为20%。进一步说明实施例1制备的PVA-Pr水凝胶具有接近室温低临界相转变温度的同时仍可以保持良好亲水性，而修饰率高于20%后样品开始疏水。
2、低临界相转变温度
使用紫外-可见分光光度计（PerkinElmer Lambda 950）对PVA-Pr水凝胶进行紫外-可见（UV）光谱的测试，波谱范围设置为250-800nm，测量光透射（Transmittance，T），在20-40℃下，比色皿厚度为1cm条件下测试，根据不同修饰率水凝胶样品，得到不同修饰率下PVA-Pr水凝胶样品的LCST图，见图3。从图3可看出，随着修饰率的增加，LCST逐渐降低，20%时LCST为26℃，水凝胶材料表现较低临界相转变温度，正是室内空调开启温度，正适用于智能窗领域。
进一步绘制20%修饰率PVA-Pr水凝胶的紫外-可见（UV）光谱曲线，见图4。从图4可清楚了解，20%修饰率PVA-Pr水凝胶显示出高透光，在20-26℃时透光率T>95%，此时环境温度适宜，高透光率保证外界热量输入。26℃时，样品透光率开始下降，水凝胶材料表现较低临界相转变温度，30℃时透光率则降至1%以下，正适用于环境温度较高时对室内的冷却作用。
3、低Tsol-gel和良好可逆性
采用配备CP-25mm控温系统的安东帕MCR301流变仪进行流变测试，间距为0.2mm，测量过程中，将少量低粘度硅油置于转子边缘以防止测量时实施例1制备的PVA-Pr水凝胶样品中的水分蒸发。首先，在角频率ω=100rad•s-1的情况下进行γ=0.01%-63%的应变扫描来确定线性黏弹区。然后，在固定应变γ的条件下进行角频率ω=0.01-100 rad•s-1的频率扫描。在应变γ=1%下，角频率在20rad•s-1，升温速率为1℃•min-1的条件下进行20℃-60℃的温度扫描，20-60℃下PVA-Pr水凝胶模量测试结果见图5，PVA-Pr水凝胶sol-gel图见图6。
从图5可以看出，实施例1制备的PVA-Pr水凝胶样品G′在33℃时高于G″，此时水凝胶发生sol-gel的转变，较低处的Tsol-gel，使得PVA-Pr水凝胶样品直接相转变为凝胶状，可防止自适应智能窗长期使用过程发生沉降，导致失效。此外，两次循环后，模量几乎没有发生变化，说明PVA-PR水凝胶样品具有较好恢复性、可逆性。同时从图6中可知，样品凝胶化后，可倒瓶不掉落，说明其凝胶效果较为稳定。
4、可注射性能
将实施例1制备的PVA-Pr水凝胶通过0.9mm*37mm（针管外直径0.9mm´长度37mm）针头注射到37℃去离子水中，见图7，从图7看出，PVA-Pr水凝胶注射后可直接成型，说明其可适用于癌细胞治疗，药物输送等领域，进一步扩大了该水凝胶材料的应用范围。
5、低细胞毒性
将钙黄素AM（0.5μl/ml）和碘化丙啶（0.5μl/ml）在DPBS中稀释成染色液，除去培养基后加入孔中。然后，细胞在37℃的黑暗环境下孵育30min，活细胞（绿色染色）和死细胞（红色染色）在培养第1、2和3天使用倒置荧光显微镜（观察者7，蔡司，德国）成像，WI-38细胞在96孔组织培养板（BD Biosciences）中以5000细胞/孔培养，将PVA-Pr水凝胶在37℃完全培养基中浸泡48h制备浸出培养基。通过MTT法定量测定WI-38细胞的增殖，在培养的第1、2、3天，用酶标仪在450nm处测定吸光度，结果见图8。
从图8可看出，实施例1-4制备的PVA-Pr水凝胶，用于细胞毒性测试，随着浓度增加，OD值变化不大，说明样品浓度对细胞影响不大。随着时间增加，空白组（Control）与实施例1-4的水凝胶的OD值几乎一致，故PVA-Pr水凝胶对细胞毒性几乎没有影响，说明用于PVA-Pr水凝胶材料在智能窗领域对人体伤害可以忽略。
6、光学性能
对实施例1制备得到的PVA-Pr水凝胶进行光学性能测试，太阳范围内的光谱（0.25至2.5μm）由配备150毫米积分球的紫外可见-近红外光谱仪（Lambda 950，珀金埃尔默）测量。波长范围（2.5至16μm）的光谱由傅里叶变换红外光谱仪（顶点70，布鲁克）和镀金积分球（PIKE技术）测量。
其中，T(λ)为光谱的透射率，φlum(λ)为380-780nm波长范围内光视觉的标准发光效率函数。φsol(λ)是空气质量为1.5的太阳辐照度谱（太阳位于地平线上37°，厚度为1.5atm，对应的太阳天顶角为48.2°），由此计算得到ΔTlum和ΔTsol的值，实施例1制备得到的PVA-Pr水凝胶的光学性能图见图9，全光谱图见图10。
由图9和图10可以看出，在20℃时，使用纯PNIPAm的三明治结构器件在可见光区透光率为79.95%，当温度升高到40℃时，所有样品都发生了透明到不透明的转变，PVA-Pr水凝胶材料在可见光区透光率下降至0.0677%，其ΔTlum保持在96.05%，ΔTsol则保持在79.84%，表现出较强的太阳光调制率。此外，在LWIR区，水凝胶样品发射率均大于80%，表现较高发射率，正适用于室内温度高于环境温度的应用场景。
7、智能窗室内场景模拟
模拟温暖季节室内建筑降温的场景来评估实施例1制备得到的温度自适应水凝胶智能窗室内温度调节能力。另外设置4个代表性窗户（普通玻璃窗、商业low-E窗、1cm充水玻璃板）作为对照，在12cm×12cm×15cm箱子的内部温度进行了监测。在2种不同的环境载荷（案例I-II）下：
案例I：模拟夏季室内不开空调，环境温度固定为30℃，使用功率为1000W/m2
的太阳模拟器照亮被测试的窗户，而对于夏夜，环境温度固定为28℃，不使用太阳照明，并分别测量内表面温度（位置A）及室内温度（位置B）。
案例II：为了量化节能性能，模拟了空调开和关的实际场景。为了考虑热导率和辐射贡献，记录了能耗变化。
为了评估辐射换热率，通过测量当受到光照的突然变化时，改变初始温度和最终温度之间总差的63.2%所需的时间，推导出不同情况下A和B位置的热时间常数t。
实施例1制备得到的温度自适应水凝胶智能窗室内场景（箱内）模拟特征时间图见图11，实施例1制备得到的温度自适应水凝胶智能窗室内场景（内表面）模拟特征时间图见图12；室内场景模拟平均功率图见图13。由图11-13可以看出，夏季白天，腔室温度呈先增后减趋势，这是由于水凝胶样品相变阻碍了太阳加热，且腔室温度保持在35℃以下；箱内夏季夜间，温度自适应水凝胶智能窗（PVA-Pr）达到特征温度所需特征时间为6min，与1cm充水玻璃板（水）相同，比普通玻璃窗（玻璃）、商业low-E窗（low-E）快，说明温度自适应水凝胶智能窗（PVA-Pr）散热性能较好。
夏季白天，内表面升温，温度自适应水凝胶智能窗（PVA-Pr）达到特征温度所需特征时间最长，传热率最低。内表面达到最高温度点为36.4℃，而其他玻璃、Low-E、水均在40℃以上。
夏季白天，温度自适应水凝胶智能窗（PVA-Pr）空调平均功率为6.9W，相对于普通玻璃可节能12.5W。夏季黑夜，温度自适应水凝胶智能窗（PVA-Pr）空调平均功率仅为3.9W，说明温度自适应水凝胶智能窗（PVA-Pr）具有较好节能效果。以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种温度自适应水凝胶智能窗，其特征在于，将改性聚乙烯醇凝胶材料填充到透明凹槽中，即可得到温度自适应水凝胶智能窗；所述温度自适应水凝胶智能窗在20-26℃时透光率T>95%，30℃时透光率T＜1%；
所述改性聚乙烯醇凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：
a、制备聚乙烯醇-醛溶液：将聚乙烯醇溶于水，搅拌，升温至95-100℃下保温4h，并降温至30℃，得到聚乙烯醇水溶液，在聚乙烯醇水溶液中加入醛类化合物，搅拌均匀得到聚乙烯醇-醛溶液；
b、聚乙烯醇缩醛化过程：将步骤a制备的聚乙烯醇-醛溶液在搅拌条件下加入无机酸溶液中，反应得到聚乙烯醇-醛反应液；
c、后处理过程：向步骤b制备的聚乙烯醇-醛反应液中加入碱溶液，并调节pH，搅拌，旋蒸，获得浓度为100mg/ml改性聚乙烯醇凝胶材料；
步骤b中，所述无机酸溶液的浓度为100mg/ml，所述反应的温度为15℃，时间为2-4h；
所述醛类化合物为正丙醛，所述无机酸溶液为硫酸溶液，所述碱溶液为NaOH溶液；
步骤a中，所述醛类化合物用量为聚乙烯醇中羟基物质的量的5%-40%，所述聚乙烯醇的质量与无机酸溶液的体积比为60g：（5.2-6）ml。
2.根据权利要求1所述的温度自适应水凝胶智能窗，其特征在于，步骤a中，所述聚乙烯醇的醇解度为88%-99%，聚合度为1000-2400。
3.根据权利要求1所述的温度自适应水凝胶智能窗，其特征在于，步骤a中，所述聚乙烯醇水溶液在30℃下加入醛类化合物，并在100-150r/min的转速下搅拌1-4h。
4.根据权利要求1所述的温度自适应水凝胶智能窗，其特征在于，步骤c中，调节pH为7-8。
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| 部分缩醛化聚乙烯醇温敏聚合物的合成及表征;许迎雪等;华东理工大学学报（自然科学版）;第34卷(第1期);第77-80页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115838485A (zh) | 2023-03-24 |
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