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福大江獻財、紡大葉德展 ACS AMI：具有高透光率和太陽光調制性能的熱響應聚（N-異丙基丙烯酰胺）/羥丙基甲基纖維素水凝膠

2023-01-17 來源：高分子科技

熱響應水凝膠是用于制備熱致變色智能窗的極具前景的材料。然而，理想的熱響應水凝膠材料應具有高透光率、高太陽光調制性能、低相變溫度和優異的高溫熱穩定性，但上述性能難以同時實現。因此，制備能同時滿足上述需求的具有優異綜合性能的熱響應水凝膠仍是一個巨大挑戰。

圖1. PNIPAM/HPMC智能窗的結構和性能示意圖。

近期，福州大學江獻財副教授和武漢紡織大學葉德展副教授團隊在ACS Applied Materials & Interfaces上發表了題為“Thermo-Responsive Poly(N-isopropylacrylamide)/Hydroxypropylmethyl Cellulose Hydrogel with High Luminous Transmittance and Solar Modulation for Smart Windows”的論文。本論文以聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）作為熱響應水凝膠的基底，引入羥丙基甲基纖維素（HPMC）作為改性材料，通過氧化還原引發劑在冰水浴的低溫環境引發聚合，制備得到熱響應PNIPAM/HPMC水凝膠。該水凝膠材料具有高透光率（T_lum=90.82%）、高太陽光調制性能（?T_sol=81.52%）、低相變溫度（LCST=~32 °C）和優異的高溫熱穩定性。

研究人員通過向N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）和HPMC溶液中加入氧化劑過硫酸銨（APS）和還原劑亞硫酸氫鈉（NaHSO₃），并在冰水浴的低溫環境引發聚合，制備得到熱響應PNIPAM/HPMC水凝膠。選擇HPMC作為改性材料的原因在于其分子鏈上同時具有親水基團羥基（-OH）和疏水基團甲基（-CH₃），可以在提升水凝膠的機械性能和熱穩定性能的同時不顯著改變水凝膠的親水性，從而保證水凝膠的相變溫度不發生顯著改變。此外，低溫的聚合環境可以及時分散反應過程中放出的熱量以防止由高溫引起的單體析出和分子鏈收縮，從而提升水凝膠的透明性。基于上述策略成功制備得到具有高透光率、高太陽光調制性能、低相變溫度和優異的高溫熱穩定性的理想熱響應水凝膠材料PNIPAM/HPMC，且由該水凝膠材料組裝而成的熱致變色智能窗具有高透光率（T_380-760=86.27%），優異的光調制性能（?T₃₆₅=74.27%、?T_380-760=86.17%、?T₉₄₀=63.93%）、良好的室溫調節能力和穩定性。這項工作為改性PNIPAM基水凝膠熱致變色智能窗口提供了一個選擇和方向。