福大江献财、纺大叶德展 ACS AMI：具有高透光率和太阳光调制性能的热响应聚（N-异丙基丙烯酰胺）/羟丙基甲基纤维素水凝胶

2023-01-17 来源：高分子科技

热响应水凝胶是用于制备热致变色智能窗的极具前景的材料。然而，理想的热响应水凝胶材料应具有高透光率、高太阳光调制性能、低相变温度和优异的高温热稳定性，但上述性能难以同时实现。因此，制备能同时满足上述需求的具有优异综合性能的热响应水凝胶仍是一个巨大挑战。

图1. PNIPAM/HPMC智能窗的结构和性能示意图。

近期，福州大学江献财副教授和武汉纺织大学叶德展副教授团队在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了题为“Thermo-Responsive Poly(N-isopropylacrylamide)/Hydroxypropylmethyl Cellulose Hydrogel with High Luminous Transmittance and Solar Modulation for Smart Windows”的论文。本论文以聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）作为热响应水凝胶的基底，引入羟丙基甲基纤维素（HPMC）作为改性材料，通过氧化还原引发剂在冰水浴的低温环境引发聚合，制备得到热响应PNIPAM/HPMC水凝胶。该水凝胶材料具有高透光率（T_lum=90.82%）、高太阳光调制性能（?T_sol=81.52%）、低相变温度（LCST=~32 °C）和优异的高温热稳定性。

研究人员通过向N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）和HPMC溶液中加入氧化剂过硫酸铵（APS）和还原剂亚硫酸氢钠（NaHSO₃），并在冰水浴的低温环境引发聚合，制备得到热响应PNIPAM/HPMC水凝胶。选择HPMC作为改性材料的原因在于其分子链上同时具有亲水基团羟基（-OH）和疏水基团甲基（-CH₃），可以在提升水凝胶的机械性能和热稳定性能的同时不显著改变水凝胶的亲水性，从而保证水凝胶的相变温度不发生显著改变。此外，低温的聚合环境可以及时分散反应过程中放出的热量以防止由高温引起的单体析出和分子链收缩，从而提升水凝胶的透明性。基于上述策略成功制备得到具有高透光率、高太阳光调制性能、低相变温度和优异的高温热稳定性的理想热响应水凝胶材料PNIPAM/HPMC，且由该水凝胶材料组装而成的热致变色智能窗具有高透光率（T_380-760=86.27%），优异的光调制性能（?T₃₆₅=74.27%、?T_380-760=86.17%、?T₉₄₀=63.93%）、良好的室温调节能力和稳定性。这项工作为改性PNIPAM基水凝胶热致变色智能窗口提供了一个选择和方向。