一种全紫外屏蔽温敏变色智能玻璃及其制备方法和应用

本发明涉及智能建筑材料，具体涉及一种全紫外屏蔽温敏变色智能玻璃及其制备方法和应用。

背景技术：

1、目前全国建筑与房屋建造相关的碳排放总量已达41.5亿吨co2，占全国能源相关碳排放的39.1%，其中建筑运行阶段的能耗占比尤为突出。在建筑运行能耗中，暖通空调系统的能耗占据主导地位，而窗户作为建筑围护结构中热交换最活跃的构件，其热损失占建筑总能耗的30-50%。传统建筑玻璃虽然采光性能良好，但其隔热和调光能力有限，导致夏季太阳辐射大量进入室内，增加空调制冷负荷；冬季室内热量通过玻璃向外散失，加剧供暖能耗。因此，开发具有自适应太阳能调控能力的节能玻璃已成为建筑领域的研究热点。

2、温敏变色智能玻璃是一种能够根据环境温度变化自动调节光学透过性能的新型功能玻璃。其核心原理是利用温敏性材料（如聚n-异丙基丙烯酰胺型水凝胶）的低临界溶解温度（lcst）特性：当温度低于lcst时，材料呈透明态，允许可见光和部分近红外光透过，保持室内采光；当温度高于lcst时，材料发生相转变，变为不透明或散射态，有效阻挡近红外光，从而减少太阳热量的进入。这种自适应的太阳能调制能力，可显著降低建筑空调和供暖系统的能耗，实现节能与舒适的平衡。

3、然而，现有温敏变色智能玻璃多采用单一水凝胶体系作为功能层，虽然具备一定的温敏调光性能，但普遍缺乏有效的紫外屏蔽功能。太阳光谱中的紫外线（200-380nm）虽然仅占太阳总能量的约5%，但其光子能量高、穿透能力强，长期照射不仅会对人体皮肤造成损伤，如穿透角质层、损伤真皮层，引发光老化、晒伤甚至皮肤癌，还会加速玻璃内部有机材料（如水凝胶、密封胶、垫片等）的老化降解，导致材料变黄、力学性能下降、使用寿命缩短。此外，紫外线的累积效应还会影响温敏变色材料的响应稳定性和循环可逆性，降低智能玻璃的长期服役性能。

4、为解决紫外屏蔽问题，现有技术通常采用添加有机紫外吸收剂或直接共混无机紫外屏蔽纳米颗粒的方案。其中有机紫外吸收剂虽初期屏蔽效果较好，但存在自身易光老化、长期使用易析出迁移、环境友好性差等缺陷，难以满足建筑玻璃长寿命的使用要求；而zno、tio2等无机金属氧化物纳米颗粒虽具备紫外屏蔽效率高、稳定性好、无毒环保等优势，但其表面能高，与水凝胶高分子基质的相容性较差，在水凝胶体系中易发生团聚，不仅会造成玻璃可见光透过率下降、雾度升高，影响建筑采光性能，还会干扰水凝胶的温敏相转变过程，导致温敏响应性能劣化，难以同时实现全波段紫外高效屏蔽、高可见光透过率与稳定温敏变色性能的协同统一。

5、综上所述，现有技术中缺乏一种能够同时满足全紫外波段屏蔽、高可见光透过、自适应太阳能调制及长期稳定服役的智能玻璃解决方案。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明创新性地开发了一种全紫外屏蔽温敏变色智能玻璃及其制备方法和应用，解决了传统材料兼容性差、紫外屏蔽不全面、节能效果有限的问题，实现全波段紫外屏蔽、自适应太阳能调制与建筑节能的协同优化。

2、为实现上述目的，本发明通过下述技术方案实现：

3、第一方面，本发明提供一种全紫外屏蔽温敏变色智能玻璃，包括两片透明基板、紫外屏蔽粘结层、温敏变色功能层和环形密封垫片；所述两片透明基板平行相对设置，所述环形密封垫片环绕设置于两片透明基板的边缘之间，与两片透明基板共同围合形成密闭的密封空腔；所述紫外屏蔽粘结层分别涂覆于两片透明基板朝向密封空腔的内表面，所述温敏变色功能层填充于密封空腔内且与两侧的紫外屏蔽粘结层紧密结合；所述紫外屏蔽粘结层为表面改性的无机金属氧化物纳米颗粒涂层；所述温敏变色功能层为温敏性水凝胶层。

4、作为本发明的进一步优化方案，所述无机金属氧化物纳米颗粒为六方晶型结构的zno纳米颗粒，粒径为5-10nm。

5、作为本发明的进一步优化方案，所述温敏性水凝胶为基于n-异丙基丙烯酰胺的均聚水凝胶，或基于n-异丙基丙烯酰胺与丙烯酰胺的共聚水凝胶p(nipam-co-am)。

6、其中，p(nipam-co-am)水凝胶作为温敏基质，利用nipam的低临界溶解温度（lcst）特性，在温度低于lcst（约32℃）时保持透明状态，允许可见光和部分近红外光透过；温度高于lcst时，水凝胶发生相转变，变为不透明状态，有效阻挡近红外光，实现太阳能调制。改性zno纳米颗粒则通过自身的晶体结构和光学特性，对200-380nm全波段紫外光进行高效屏蔽，同时与水凝胶基质形成稳定结合，不影响温敏变色性能。

7、作为本发明的进一步优化方案，所述表面改性采用氨基硅烷偶联剂改性，选自γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。其中，zno纳米颗粒为六方晶型，经氨基硅烷偶联剂表面修饰后，能增加亲水性，避免团聚现象并显著提高紫外屏蔽效果。

8、作为本发明的进一步优化方案，所述智能玻璃在25℃环境下，380-780nm可见光波段的透过率≥80%；在40℃环境下，780-2500nm近红外光波段的屏蔽率≥60%；在200-380nm全紫外波段的屏蔽率≥98%。

9、第二方面，本发明提供一种所述的全紫外屏蔽温敏变色智能玻璃的制备方法，包括以下步骤：

10、透明基板预处理：对两片透明基板进行等离子体清洗处理；

11、紫外屏蔽粘结层制备：将无机金属氧化物纳米颗粒分散于去离子水中，加入氨基硅烷偶联剂进行表面接枝改性，超声分散均匀后得到改性无机金属氧化物分散液；将分散液涂覆于预处理后的透明基板表面，干燥后得到带有紫外屏蔽粘结层的透明基板；

12、温敏性水凝胶前驱液配制：将n-异丙基丙烯酰胺单体、丙烯酰胺单体、交联剂和引发剂溶于去离子水中，磁力搅拌至完全溶解，然后加入促进剂，混合均匀得到水凝胶前驱液；

13、原位聚合封装：在两片带有紫外屏蔽粘结层的透明基板之间设置密封垫片形成空腔，将所述水凝胶前驱液注入空腔内，密封后在室温环境下静置聚合固化，得到全紫外屏蔽温敏变色智能玻璃。

14、作为本发明的进一步优化方案，所述紫外屏蔽粘结层制备中，无机金属氧化物纳米颗粒占去离子水的质量分数为1.3-2.4%；氨基硅烷偶联剂的添加量为无机金属氧化物纳米颗粒质量的20-25%；涂覆工艺为旋涂工艺，旋涂转速为3000-5000rpm，旋涂时间为30-60s，干燥温度为70-90℃，干燥时间为1-2h。

15、其中，zno的添加量经过优化，在1.3-2.4%（水中的比例）范围内可实现紫外屏蔽与透光性的平衡。过低的zno纳米颗粒（<1.3%）无法形成连续、致密的紫外屏蔽层，导致200-380nm全紫外波段屏蔽能力大幅削弱。过多的zno纳米颗粒（>2.4%）会增加光散射和吸收，导致玻璃发白、雾度升高，影响室内自然采光。

16、在3000-5000 rpm范围内，涂层厚度随转速增加而减小，转速过低（<3000）离心力不足以将多余分散液充分甩离基板边缘，导致中心区域与边缘区域厚度差异显著，易出现边缘厚、中间薄的现象，局部过厚的涂层在干燥过程中易产生裂纹，甚至出现橘皮状表面形貌，增加光散射中心，显著降低可见光透过率。转速过高（>5000）大部分分散液被甩出，残留涂层厚度过薄，zno层无法有效吸收或散射紫外线，导致紫外屏蔽率下降，因此，转速优选3000-5000 rpm。

17、作为本发明的进一步优化方案，所述温敏性水凝胶前驱液配制中，n-异丙基丙烯酰胺单体（nipam）、丙烯酰胺单体（am）、交联剂和引发剂的质量比为1:（0-0.004）:（0.001-0.015）:（0.01-0.022）；所述交联剂为n,n’-亚甲基双丙烯酰胺，所述引发剂为过硫酸铵，所述促进剂为四甲基乙二胺。本发明通过精确控制各组分比例、反应温度和聚合条件，确保功能层性能稳定均一。其中，交联剂为n,n’-亚甲基双丙烯酰胺（mba），引发剂为过硫酸铵（aps），nipam与am的质量比控制在1:（0-0.004），保证水凝胶的温敏响应灵敏度和机械稳定性。

18、作为本发明的进一步优化方案，所述原位聚合封装中，密封垫片选自硅橡胶垫片、丁基橡胶垫片、三元乙丙橡胶垫片中的任意一种；聚合固化的温度为20-30℃，时间为12-24h。

19、第三方面，本发明提供一种所述的全紫外屏蔽温敏变色智能玻璃在建筑门窗或交通工具玻璃中的应用。

20、与现有技术相比，本发明取得的有益效果如下：

21、1.本发明采用氨基硅烷偶联剂表面改性的六方晶型zno纳米颗粒制备紫外屏蔽粘结层，依托zno纳米颗粒的本征半导体光学特性，实现200-380nm全紫外波段≥98%的屏蔽效率，既可有效阻挡紫外线进入室内，避免人体皮肤受紫外辐照造成损伤，又能隔绝紫外线对水凝胶功能层的直接辐照，抑制高分子链光降解与交联结构破坏，显著延长智能玻璃的使用寿命。通过纳米颗粒表面亲水化改性与独立涂层化设计，本发明解决了传统共混体系中纳米颗粒团聚导致的雾度升高、透光率下降的行业痛点，在实现全紫外屏蔽的同时，保障常温下380-780nm可见光波段≥80%的高透过率，充分满足建筑日常采光需求，达成紫外屏蔽性能与可见光透光性能的高效平衡。

22、2.本发明以n-异丙基丙烯酰胺或与丙烯酰胺共聚形成的水凝胶作为温敏变色功能层，利用水凝胶的低临界溶解温度（lcst）相转变特性，实现太阳辐射的自适应被动调控：环境温度低于lcst时，水凝胶呈均一透明状态，允许可见光与太阳辐射充分透过，可利用自然光采暖降低冬季供暖能耗；环境温度高于lcst时，水凝胶分子链发生疏水聚集与相转变，快速切换为高遮蔽状态，有效阻挡780-2500nm近红外热辐射，40℃环境下近红外屏蔽率≥60%，大幅削减夏季太阳辐射带来的室内冷负荷。经建筑能耗模拟软件验证，本发明智能玻璃年总节能率≥40%，远优于传统无紫外屏蔽的温变水凝胶玻璃，可显著降低建筑空调与采暖系统的运行能耗，对建筑领域双碳目标落地具备重要支撑作用。

23、3.本发明创新性地将紫外屏蔽材料制备为独立粘结层涂覆于透明玻璃板表面，而非直接共混掺杂于水凝胶基体中，从结构根源上避免了纳米颗粒在水凝胶内部团聚对温敏相转变过程的干扰，保障温敏响应性能的稳定。同时，zno纳米颗粒经氨基硅烷偶联剂表面接枝改性后，表面引入活性氨基基团，既能够与经等离子体预处理的透明玻璃板形成牢固的化学键合，提升涂层附着力与耐摩擦、耐水性能；又能够与水凝胶高分子基体形成良好的界面结合力，保障功能层与粘结层的紧密贴合，避免长期使用出现界面剥离、脱层等缺陷。经10次冷热温度循环测试验证，本发明产品可见光透过率性能保持率可达96%以上，显著优于传统产品的性能，具备优异的长期运行稳定性与耐候性。

24、4.本发明通过精准调控n-异丙基丙烯酰胺与丙烯酰胺单体的添加比例，可对水凝胶的低临界溶解温度（lcst）进行连续、精准调控，调控精度可达±0.5℃，能够根据不同气候区域、不同应用场景的实际温度需求定制化设计响应阈值。该特性既适用于夏热冬暖地区建筑门窗的隔热需求，也可适配寒冷地区的被动采暖需求，同时可推广应用于汽车、高铁等交通工具的车窗玻璃，具备广泛的场景适配性与应用价值。

25、5.本发明采用基板预处理-粘结层旋涂-前驱液配制-原位聚合封装的制备工艺，整体流程简便可控，水凝胶聚合固化可在室温环境下完成，无需高温高压等复杂设备与严苛反应条件，生产能耗低。其中旋涂工艺可精准控制紫外屏蔽粘结层的厚度与均匀性，原位聚合方式保障了水凝胶功能层的结构均一性与完整性，产品良率高、生产成本较低，具备良好的产业化推广基础。