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湖北大學張玉紅教授、陳朝霞副教授 Mater. Horiz.：具有可調節人體舒適溫度的雙向光學響應水凝膠智能窗制備的新策略

2023-11-20 來源：高分子科技

用于建筑消耗的能源總量的比例甚至高達 40%。在眾多減少建筑能耗的解決方案中，智能窗被認為是最具可行性的方案之一。考慮到智能窗戶主要用于人類居住環境以及不同地區的氣候溫度差異和用戶個人喜好，具有符合人體舒適溫度范圍可調節熱致變色轉變溫度(Tk)的智能窗材料在實際應用中具有很大的優勢。

近期，湖北大學化學化工學院張玉紅課題組將十二烷基硫酸鈉（SDS）/酒石酸鉀（PTH）復合膠束引入溫敏性聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）制備了一種基于溫度敏感策略的雙向智能光學水凝膠材料（BSW）。在0-50 °C之間，BSW展示出兩次光學性能的突變，即同時具有最高共溶溫度（UCST）和最低共溶溫度（LCST）。通過調控 PTH以及SDS 的用量，可以將 BSW的 UCST以及LCST在 9.5-25.5 °C和25.5-50 °C 之間精確調控，相比于傳統熱致變色智能窗，該BSW更為匹配人體的溫度舒適區域，在面向智能窗的應用中更符合人類對于建筑物溫度調節的實際需要，實現高溫下節能和低溫下隱私保護兩大需求。在隔熱性能測試中，BSW模型房達到比普通窗戶模型房低23.2 °C的降溫效果。BSW智能窗在透明狀態下可以阻擋大部分紅外輻射而不影響可見光透射率，在室溫下表現出高達 92.5%的高透明度高以及可見光透射比（T_lum=91.31%），而當溫度低于 UCST或高于LCST時，其透明度極低（< 1%）。該材料表現出了優秀的太陽光調制能力（ΔT_{sol, UCST}為 76.34%，ΔT_{sol, LCST}為 76.75%）。BSW獨特的光學響應模式、可單獨調節的響應溫度、高透明度和光學調制能力，使其在智能窗、信息加密、溫度監測、光學開關等領域具有較好的應用前景。

圖1. (a) BSW的制作過程示意圖；(b) BSW在不同溫度下的機理圖和實物照片；(c) BSW與常見熱致變色材料轉變溫度對比；(d) SDS、PTH、SDS/PTH、PNIPAM和BSW的FT-IR光譜。

圖2. (a)透明(25℃)和不透明(10℃和30℃)狀態下BSW的UV-Vis-NIR光譜(200-2500 nm)和(b) UV-Vis光譜(200-800 nm)；(c)BSW在UCST和LCST處的透射率調制(ΔT_lum (380-780 nm)、ΔT_IR (780-2500 nm)和ΔT_sol (300-2500 nm)；(d) BSW在 550?nm 波長下的透過率隨溫度的變化；不同溫度下BSW的粒徑分布(e) 4 ~ 20℃，(f) 24 ~ 30℃；(g) BSW在不同溫度下的數碼照片。

圖3. （a）智能窗隔熱測試裝置圖示意圖；（b）氙燈照射下普通窗戶、BSW的表面及內部溫度變化；（c）加密標簽結構示意圖；（d）基于 BSW的加密標簽在不同溫度下的照片; （e）基于 BSW 的溫度監視裝置在不同溫度下的數碼照片。

該工作以“Bidirectional optical response hydrogel with adjustable human comfort temperature for smart windows”為題發表在Material Horizons上（Mater. Horiz., 10.1039/D3MH01376F）。湖北大學化學化工學院碩士研究生于振坤為第一作者，張玉紅教授、陳朝霞副教授為共同通訊作者。

原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D3MH01376F

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（責任編輯：xu）

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