一种用于智能窗的热致变色复合材料
阅读说明：本技术 一种用于智能窗的热致变色复合材料 (Thermochromic composite material for intelligent window ) 是由 李建国 刘洋 苗庆显 陈礼辉 黄六莲 于 2021-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于智能窗的热致变色复合材料及其制备方法,把水溶性的CMC引入到PNIPAM或HPC的水分散液中,利用CMC的亲水性,降低PNIPAM或HPC的相变温度；利用CMC在水中形成的分子骨架,增加PNIPAM或HPC的散射中心数量,提升太阳能调制能力,增强热致变色材料的热稳定性。方法简单有效,应用前景广阔。(The invention discloses a thermochromic composite material for an intelligent window and a preparation method thereof, wherein water-soluble CMC is introduced into a PNIPAM or HPC aqueous dispersion, and the hydrophilicity of the CMC is utilized to reduce the phase transition temperature of the PNIPAM or HPC; the molecular skeleton formed by CMC in water is utilized to increase the number of scattering centers of PNIPAM or HPC, improve the solar energy modulation capability and enhance the thermal stability of the thermochromic material. The method is simple and effective, and has wide application prospect.)
技术领域
本发明属于智能材料及响应型聚合物技术领域，具体涉及一种用于智能窗的热致变色复合材料及其制备方法。
背景技术
全球能源的过度消耗被认为是人类发展和进步的重要挑战，而建筑约占全球能源消耗的40%~50%。值得注意的是，在建筑中，窗户占总能耗的40%左右，是建筑物中能耗最严重的部分。具体地说，具有能量的阳光穿过建筑物的窗户，进入室内转化为热能，从而导致建筑物内部升温。特别是在炎热的季节，充足的阳光辐射会导致室内温度快速上升。由于室内较高的温度，空调将会消耗较多的电能来维持相对较低的、舒适的室内温度。为了阻挡太阳辐射穿过窗户直接加热室内导致的高能耗问题，智能窗诞生并发展至今。
智能窗能够根据需要，改变自身的透明状态，以此来调控太阳光进入室内的多少。在透明状态下，太阳光可以像穿过普通玻璃那样穿过智能窗，用于采光和加热室内温度。在半透明或不透明状态下，可以阻挡部分甚至是全部光线，以此来阻止室内获得热量，达到抑制室内温度上升的效果，从而降低因制冷需要造成的能耗。常见的智能窗有热致变色窗、电致变色窗和光致变色窗。其中光致变色窗价格较为昂贵，电致变色窗需要配外配置设备且消耗电能，热致变色窗制造简单，成本低廉，遮光效果也相对优异。
聚异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）和羟丙基纤维素（HPC）是两种低廉的热致变色材料，能够分别在32℃和42℃附近发生相转变，使其水分散液由透明状态变为乳白色，可对太阳辐射形成有效阻挡。PNIPAM对环境友好，医学中常用于药物传送。HPC无毒无害，在食品行业中常用于稳定剂和增稠剂。尽管对PNIPAM和HPC的研究已经颇为广泛，但仍存在一些问题，如PNIPAM和HPC热致变色窗相变温度较高，太阳能调制能力不佳，稳定性较差。因为单一的PNIPAM和HPC水分散液相变温度较高，不能够及时发生相变对太阳辐射形成及时有效的阻挡。在高温状态下，PNIPAM或HPC形成的凝胶微球会发生团聚现象，导致产品散射中心数量下降，故其太阳能调制能力较差。另外，PNIPAM和HPC水分散液体系不稳定，一方面，两者富含水分，水分容易挥发；另一方面PNIPAM和HPC长时间处于高温状态会发生沉降，造成遮光性能降低。因此寻找一种绿色又经济的手段，解决PNIPAM和HPC相变温度高、水分散液不稳定的问题，这对PNIPAM和HPC基热致变色窗的实际应用有重要意义。
羧甲基纤维素钠（CMC）是一种由天然纤维素经羧甲基化得到的一种纤维素，其水溶液具有增稠、保水和悬浮等作用，常用是食品药品行业，是一种色素廉价的产品。CMC丰富的羟基和羧基具有极强的亲水作用力，静态的CMC溶液具有三维网络骨架，能够起到支撑悬浮物，保证溶液中分散物分散性稳定的作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于智能窗的热致变色复合材料及其制备方法，通过在热致变色材料体系中引入CMC，既降低相变温度，提升太阳能调制能力，又增加体系的稳定性，从而延长使用寿命。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种热致变色复合材料的制备方法：将热致变色材料分散液和羧甲基纤维素钠溶液混合均匀，即得所述的热致变色复合材料。
所述的热致变色材料分散液是质量浓度质量分数为0.1%~5%的聚异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）分散液或0.5%~1.5%羟丙基纤维素（HPC）分散液，溶剂为水。
所述的热致变色复合材料中羧甲基纤维素钠（CMC）的取代度为0.5~1.5。
所述的热致变色复合材料中羧甲基纤维素钠的摩尔质量为90,000~1000,000 g/mol。
所述的热致变色复合材料中羧甲基纤维素钠的质量分数为0.005%~3%。
一种如上所述的方法制得的热致变色复合材料在智能窗上的应用：将热致变色复合材料填充入夹层玻璃，密封，制得热致变色智能窗。玻璃夹层的厚度为0.5mm~5mm。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种纤维素强化的热致变色窗的制备方法，能显著降低PNIPAM和HPC基热致变色窗的相变温度，使智能窗的太阳能调制能力效果更加显著；CMC分子骨架的支撑作用，既提升了PNIPAM和HPC散射中心的数量，又改善了PNIPAM和HPC基热致变色窗的热稳定性，使之能够长期稳定地发挥作用，大大延长了PNIPAM和HPC基热致变色窗的使用寿命。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
实施例1：制备纤维素强化的PNIPAM基热致变色窗
（1）以N,N＇-双丙基丙烯酰胺为交联剂，以过硫酸铵为催化剂，利用无皂乳液聚合法合成PNIPAM；配制成PNIPAM水分散液；
（2）配制0.04 g/mL的取代度为0.5、分子量为90,000 g/mol的CMC溶液；
（3）将PNIPAM水分散液、CMC溶液和水混合，得到CMC质量分数为0.005%、PNIPAM质量分数为0.1%的CMC/PNIPAM热致变色复合材料。
（4）将CMC/PNIPAM热致变色复合材料注射进夹层厚度为0.5mm的双层玻璃之间，密封，即得热致变色窗。
利用示差扫描量热仪测得CMC/PNIPAM的相变温度为32.3℃，在32.3℃时，利用紫外/可见光/近红外分光光度计测得并计算出热致变色窗太阳能调制能力约为53%；用恒温加热法，观察到CMC/PNIPAM在60℃的环境中放置7天后分散稳定性轻微下降。
实施例2：制备纤维素强化的PNIPAM基热致变色窗
（1）以N,N＇-双丙基丙烯酰胺为交联剂，以过硫酸铵为催化剂，利用无皂乳液聚合法合成PNIPAM；配制成PNIPAM水分散液；
（2）配制0.04 g/mL的取代度为1、分子量为100,000 g/mol的CMC溶液；
（3）将PNIPAM水分散液、CMC溶液和水混合，得到CMC质量分数为1.5%、PNIPAM质量分数为2.5%的CMC/PNIPAM热致变色复合材料。
（4）将CMC/PNIPAM热致变色复合材料注射进夹层厚度为4.5 mm的双层玻璃之间，密封，即得热致变色窗。
利用示差扫描量热仪测得CMC/PNIPAM的相变温度为30.8℃，在30.8℃时，利用紫外/可见光/近红外分光光度计测得并计算出热致变色窗太阳能调制能力约为60%；用恒温加热法，观察到CMC/PNIPAM在60℃的环境中放置7天后依然可以保持分散稳定性。
实施例3：制备纤维素强化的PNIPAM基热致变色窗
（1）以N,N＇-双丙基丙烯酰胺为交联剂，以过硫酸铵为催化剂，利用无皂乳液聚合法合成PNIPAM；配制成PNIPAM水分散液；
（2）配制0.04 g/mL的取代度为1.5、分子量为1000,000 g/mol的CMC溶液；
（3）将PNIPAM水分散液、CMC溶液和水混合，得到CMC质量分数为3%、PNIPAM质量分数为5%的CMC/PNIPAM热致变色复合材料。
（4）将CMC/PNIPAM热致变色复合材料注射进夹层厚度为3mm的双层玻璃之间，密封，即得热致变色窗。
利用示差扫描量热仪测得CMC/PNIPAM的相变温度为30℃，在30℃时，利用紫外/可见光/近红外分光光度计测得并计算出热致变色窗太阳能调制能力约为80%；用恒温加热法，观察到CMC/PNIPAM在60℃的环境中放置7天后依然可以保持分散稳定性。
实施例4：制备纤维素强化的HPC基热致变色窗
（1）将HPC配制成水分散液；
（2）配制0.04 g/mL的取代度为1、分子量为90,000 g/mol的CMC溶液；
（3）将HPC水分散液、CMC溶液和水混合，得到CMC质量分数为0.005%、HPC质量分数为0.5%的CMC/HPC热致变色复合材料。
（4）将CMC/HPC热致变色复合材料注射进夹层厚度为0.9mm的双层玻璃之间，密封，即得热致变色窗。
利用热电偶测得CMC/HPC的相变温度为39℃，在39℃时，利用紫外/可见光/近红外分光光度计测得并计算出热致变色窗太阳能调制能力为41%；用恒温加热法，观察到CMC/PNIPAM在60℃的环境中放置7天后分散稳定性轻微下降。
实施例5：制备纤维素强化的HPC基热致变色窗
（1）将HPC配制成水分散液；
（2）配制0.04 g/mL的取代度为0.8、分子量为100,000 g/mol的CMC溶液；
（3）将HPC水分散液、CMC溶液和水混合，得到CMC质量分数为1.5%、HPC质量分数为1%的CMC/HPC热致变色复合材料。
（4）将CMC/HPC热致变色复合材料注射进夹层厚度为2mm的双层玻璃之间，密封，即得热致变色窗。
利用热电偶测得CMC/HPC的相变温度为37℃，在33℃时，利用紫外/可见光/近红外分光光度计测得并计算出热致变色窗太阳能调制能力约为52%；用恒温加热法，观察到CMC/PNIPAM在60℃的环境中放置7天后依然可以保持分散稳定性。
实施例6：制备纤维素强化的HPC基热致变色窗
（1）将HPC配制成水分散液；
（2）配制0.04 g/mL的取代度为1.5、分子量为1000,000 g/mol的CMC溶液；
（3）将HPC水分散液、CMC溶液和水混合，得到CMC质量分数为3%、HPC质量分数为1.5%的CMC/HPC热致变色复合材料。
（4）将CMC/HPC热致变色复合材料注射进夹层厚度为5mm的双层玻璃之间，密封，即得热致变色窗。
利用热电偶测得CMC/HPC的相变温度为33℃，在33℃时，利用紫外/可见光/近红外分光光度计测得并计算出热致变色窗太阳能调制能力约为57%；用恒温加热法，观察到CMC/PNIPAM在60℃的环境中放置7天后依然可以保持分散稳定性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
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