基于PμSL 3D打印的水凝膠用于柔性熱響應(yīng)智能窗

通風、空調(diào)、照明、供暖等能耗占建筑總能耗的40%以上，同時溫室氣體排放和全球人口持續(xù)增加，極大加劇了全球氣候變暖。因此，基于外界環(huán)境條件調(diào)節(jié)太陽輻射的智能窗受到了極大的關(guān)注。該智能窗可通過感知外部刺激(如光、熱、電等)而產(chǎn)生相應(yīng)的光學性質(zhì)變化，從而選擇性地吸收或反射太陽輻射，達到改善室內(nèi)光強、溫度的目的。根據(jù)制備材料常分為熱致變色智能窗、光致變色智能窗、機械致變色智能窗以及電致變色智能窗。其中，熱致變色智能窗因其對天氣和溫度的適應(yīng)性響應(yīng)而得到廣泛的研究。

近年來，熱響應(yīng)水凝膠在超過低臨界溶解溫度(LCST)時，可快速完成從透明狀態(tài)到不透明狀態(tài)的可逆轉(zhuǎn)變，可作為一種新型熱致變色智能窗的材料。熱響應(yīng)水凝膠智能窗可以在無需額外能量輸入的情況下，最大限度地利用太陽光的熱量，對能耗的降低具有重要作用。聚(N-異丙基丙烯酰胺）(PNIPAM) 是最.常用的熱響應(yīng)材料，其LCST大約是32℃。PNIPAM水凝膠在可逆相變過程中表現(xiàn)出高太陽光調(diào)制能力，而且在室溫下具有高透光率，可以保證良好的室內(nèi)能見度。然而，純PNIPAM水凝膠柔韌性較差，難以通過傳統(tǒng)的制備技術(shù)制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。因此，需要開發(fā)一種具有良好的機械性能、高太陽光調(diào)制能力以及高透光率的新型水凝膠用于智能窗的制備。

3D打印技術(shù)作為一種新型的材料加工技術(shù)，因其設(shè)計靈活、成本低、加工效率高等優(yōu)點，已經(jīng)應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)水凝膠的加工制備。然而，受限于刺激響應(yīng)型單體，通過3D打印技術(shù)制備高分辨率結(jié)構(gòu)的水凝膠智能窗仍極.具挑戰(zhàn)性。

近日，湖南大學王兆龍課題組開發(fā)了一種新型的熱響應(yīng)3D打印水凝膠用于智能窗的設(shè)計，基于面投影微立體光刻(PμSL) 3D打印技術(shù)，水凝膠結(jié)構(gòu)的分辨率高達40μm。研究者基于N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)與親水性的4-丙烯酰嗎啉(ACMO)乙烯基單體的共聚反應(yīng)制備了熱響應(yīng)水凝膠。該水凝膠響應(yīng)機理是通過可逆親水/疏水相變反應(yīng)調(diào)節(jié)NIPAM-ACMO共聚物對光的散射行為：當溫度低于LCST時，NIPAM-ACMO共聚物同水之間形成分子間氫鍵，入射光可以透過；一旦溫度超過LCST，疏水締合物主導太陽光的傳輸，導致入射光發(fā)生散射，水凝膠由透明狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌该鳡顟B(tài)，阻擋太陽光的照射(圖1)。采用PμSL (nanoArch S140, 摩方精密)在玻璃襯底上打印水凝膠圖案，最高分辨率可達40μm。水凝膠圖案在20℃是透明的；然而，當溫度升高至40℃時，圖案化的水凝膠選擇性地由透明狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌该鳡顟B(tài)(圖2)。而且，3D打印水凝膠從透明狀態(tài)到不透明狀態(tài)的轉(zhuǎn)變是可逆的。

圖1.a：熱響應(yīng)水凝膠設(shè)計的光學透明-不透明可切換窗口刺激響應(yīng)變化的示意圖

圖2.基于PμSL3D打印技術(shù)制備的水凝膠圖案。a：光固化樹脂的組成成分；b：打印水凝膠的拉曼光譜；c：PμSL 3D打印技術(shù)原理示意圖；d：3D打印高分辨率水凝膠圖案，標尺是100μm；e：圖案化水凝膠選擇性透明-不透明轉(zhuǎn)變的圖片，標尺是5mm

圖3. 柔性熱響應(yīng)水凝膠器件的性能。a：透明水凝膠承受變形的照片(20℃)，比例尺是10mm；b：不透明水凝膠承受變形的照片(40℃)，比例尺是10mm；c：不同ACMO質(zhì)量含量的水凝膠應(yīng)力-應(yīng)變曲線；d：不同PEDGA質(zhì)量含量的水凝膠應(yīng)力-應(yīng)變曲線；e：不同溫度下的水凝膠應(yīng)力-應(yīng)變曲線；f：PDMS襯底上水凝膠的透射光譜；g：PC襯底上水凝膠的透射光譜；h：水凝膠智能窗與已有文獻報道的性能比較

同純PNIPAM水凝膠智能窗相比，熱響應(yīng)ACMO單體賦予新型水凝膠極.好的柔韌性和超高的拉伸性。其可以承受很大的變形，例如彎曲、拉伸、扭轉(zhuǎn)；單軸拉伸試驗表明水凝膠拉伸性能最大值為1500%。采用3D打印水凝膠制作的柔性熱響應(yīng)智能窗表現(xiàn)出優(yōu)異的太陽光調(diào)制能力。智能窗在20℃是*透明的，透光率(Tlum )高達85.847%；當環(huán)境溫度超過LCST時，智能窗能通過超快的透明狀態(tài)-不透明狀態(tài)的轉(zhuǎn)變調(diào)節(jié)太陽光的傳輸，太陽光調(diào)制率(?Tsol)高達79.332%。相比于其他文獻報道的熱致變色智能窗，該工作中制備的柔性水凝膠智能窗表現(xiàn)出超高的透光率和太陽光調(diào)制率。此研究在新一代理想智能窗的節(jié)能方面具有巨大的應(yīng)用潛力。該研究成果，以“3D printed hydrogel for soft thermo-responsive smart window"為題發(fā)表在International Journal of  Extreme Manufacturing上。