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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