武汉纺织大学杨永生教授和香港中文大学龙祎教授 AFM：快速响应、抗冻抗干燥缠绕链智能水凝胶及智能窗户应用

2023-03-31 来源：高分子科技

热致变色智能窗不需要额外的能源损耗且可随着环境温度变化变色（天气寒冷时玻璃透明，天气炎热时玻璃变色），是最为适合用于制备节能器件的智能窗之一。近年来，PNIPAm热致变色智能窗，因其简单的制备方法及优越的光学性能而引起研究者们的广泛重视。之前这个领域主要专注于PNIPAm热致变色性能，而在实际应用过程中存在一些问题，比如杨氏模量、韧性、响应速度及防冻/抗干燥性差。因此，开发一种既能提高智能水凝胶的杨氏模量和韧性，又可以防冻/抗干燥的智能水凝胶，是亟需解决的难题。

近期，武汉纺织大学化工学院杨永生教授、香港中文大学龙祎教授和南洋理工大学王善成博士合作报道了一种简单而通用的物理链缠结的方法来提高智能水凝胶的杨氏模量和韧性，同时通过引入氢键来保持其智能功能。在这种方法中通过将羟丙基纤维素（HPC）与热响应性聚-N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAm）复合，纯的PNIPAm智能水凝胶聚合物网络是通过交联剂相互连接（图1左），而复合智能水凝胶是HPC链与PNIPAm链之间通过物理链缠结和弱氢键（图1右）连接。结果表明，由于链缠结和氢键并不阻碍聚合物网络结构的运动使得PNIPAm-HPC复合水凝胶的智能功能得到了提高、循环稳定性更好、响应速度更快、抗干燥/防冻能力增强的同时还具有节约能源的性能（图2）。此外，课题组进一步研究了这种物理链缠结方法的普遍适用性。与PNIPAm-HPC体系类似，PNIPAm-聚乙烯醇（PVA）-HPC体系在机械性、循环稳定性、响应速度和抗干燥/抗冻能力方面均有显著提高（图3）。该智能水凝胶整体性能的提升将不仅仅局限于智能窗，还可以应用于人造皮肤、建筑围护结构和软机器人。相关工作以“Entanglement in Smart Hydrogels: Fast Response Time, Anti-Freezing and Anti-Drying”为题发表在《Advanced Functional Materials》上（2023，2211027）。文章第一作者是武汉纺织大学硕士研究生冯宇琴。

图1 传统智能水凝胶（左）和采用HPC链缠结/氢键连接的智能水凝胶（右）的结构

图2 PNIPAm-HPC复合水凝胶的多功能性：防冻、防干燥、智能功能、响应时间、和耐久性分析

图3 链缠结方法在PNIPAm-PVA-HPC水凝胶体系中的适用性

杨永生教授团队长期从事热致变色智能高分子材料的合成及应用研究，该项工作是课题组近期在热致变色智能窗户领域研究的最新进展之一，也是前期研究工作W掺杂VO₂改性PNIPAm-HPC热致变色高分子智能窗工作“Phase-Changing Polymer Film for Smart Windows with Highly Adaptive Solar Modulation”ACS Applied Materials & Interfaces,2023, 15, 5836-5844的延续。该工作为智能节能建筑围护结构，尤其是智能节能玻璃的开发提供了新的视野。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202211027

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（责任编辑：xu）

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