PNIPAM温敏水凝胶的制备及其热致变色特性研究

发布时间：2020-11-01 18:04

　　 随着人类社会的高速发展,能源消耗提高,CO_2排放量上升,全球气候恶化。2017年全世界用于供暖、通风和制冷的一次能源消耗占比高达43%,建筑能耗问题已不容忽视。智能窗能够根据外界环境变化改变太阳光透过率,从而减少夏季制冷和冬季采暖能耗,有利于建筑节能。聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)是一种温敏性水凝胶,存在一个接近于室温的低临界相转变温度(LCST),在LCST附近透过率会发生突变,且其相变前后不需要消耗额外的能量,制备成本低,是一种理想的智能窗用材料。然而,基于PNIPAM的智能窗在应用上仍面临一些问题:响应速率慢、低温性能及循环特性评价欠缺、相变机理不成熟等。针对上述问题,本论文开展了以下研究:在不同交联剂用量条件下,采用无皂乳液聚合法制备了一系列不同的PNIPAM微凝胶,并将其应用于智能窗,制备的微凝胶型智能窗在5 s内即完成肉眼可见的明显变色,极大提高了响应速率;PNIPAM微凝胶相变前后无体积收缩现象发生,解决了普通PNIPAM凝胶的体积变化问题。分析了交联剂用量对微凝胶粒径、LCST、光学性能等的影响规律:交联剂用量增大,微凝胶粒径减小,LCST增加,相变前可见光透射比下降。制备了一系列不同厚度、不同PNIPAM含量的微凝胶夹层,测试了其透过率,探究了PNIPAM含量及夹层厚度对智能窗光学性能的影响。夹层厚度与PNIPAM含量对智能窗太阳光调制效率的影响趋势相同:一定范围内,夹层厚度或PNIPAM含量增大,太阳光调制效率增强。历经40次热循环后智能窗仍保持良好的太阳光调制效率;对其进行7次低温冷冻循环,发现低温冷冻对微凝胶智能窗的循环特性和太阳光调制效率没有影响,表现出良好的抗冻性。针对当前PNIPAM水凝胶相变机理仍不明确的问题,为了更好开发利用PNIPAM水凝胶,借助计算机模拟方法对其温敏机理进行深入研究。首先,构建了单体模型,对分子结构及电荷分布进行分析。然后,利用分子动力学模拟了单体单元在微溶液中相变前后的行为。最后,构建了PNIPAM高分子链,并模拟了相变前后分子链构象的转变,较好地解释了PNIPAM凝胶的相变机理。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TU58;TQ427.26
【部分图文】：

能窗简介能窗是在玻璃上镀制或往夹层结构填充可响应外界刺激的功能材性细调太阳光谱而达到节能目的的一类新型节能窗，根据功能材方式不同可以分为电致变色智能窗[5]、气致变色智能窗[6]、光致热致变色智能窗[8-13]。电致变色智能窗致变色智能窗是利用电致变色材料在充、放电状态下光学性能会的特性而制成的节能窗，通常由玻璃基底和功能性夹层构成，如璃基底上覆盖了透明导电膜，其上固定有一个或多个阴极电活性层电致变色层和一层电解质层、然后是离子储存层和互补阳极电另一个覆盖有透明导电薄膜的玻璃基底。当前对电致变色智能窗新型透明导电层（TC 层）的研制、现有电致变色材料掺杂改性及电解质的开发上。

典型 WO3型气致变色智能窗在着色和漂白状态的透变色智能窗的变色机理目前尚不完全明确，当应式可归纳如下[22]：WO3+2H2→WO3+4H→H2WO3+2H→WO2+H2O2WO2+O2→2WO3

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图 1-2 典型 WO3型气致变色智能窗在着色和漂白状态的透光率[2类气致变色智能窗的变色机理目前尚不完全明确，当前解，反应式可归纳如下[22]：WO3+2H2→WO3+4H→H2WO3+2H→WO2+H2O2WO2+O2→2WO3
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本文编号：2865897