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湖南大學:基于PμSL 3D打印的水凝膠用于柔性熱響應智能窗

閱讀:755      發(fā)布時間:2023-3-17
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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性響應而得到廣泛的研究。


 近年來,熱響應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),因其設計靈活、成本低、加工效率高等優(yōu)點,已經(jīng)應用于復雜結(jié)構(gòu)水凝膠的加工制備。然而,受限于刺激響應型單體,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3D打印水凝膠用于智能窗的設計,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制備了熱響應水凝膠。該水凝膠響應機理是通過可逆親水/疏水相變反應調(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:熱響應水凝膠設計的光學透明-不透明可切換窗口刺激響應變化的示意圖

 

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)量含量的水凝膠應力-應變曲線;d:不同PEDGA質(zhì)量含量的水凝膠應力-應變曲線;e:不同溫度下的水凝膠應力-應變曲線;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℃是完。全透明的,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。




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