一种自感应水凝胶透光智能玻璃及其制备方法与流程

1.本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种自感应水凝胶透光智能玻璃及其制备方法。


背景技术：

2.智能材料，也被称作intelligent material，它是近几十年间刚兴起的材料。与传统材料不同，智能材料仿佛具有生命一般，它可以感知如温度、光照、ph、电场、磁场等的周围环境，并对之做出结构或性质的相应变化。
3.玻璃，作为一种具有高透明度、强度和硬度的材料，被广泛应用在生产生活之中，其中，玻璃窗户是玻璃最常见的一种用途。而随着科技的发展和人类生活水平的进步，人们对于生活舒适度以及室内装饰的要求也越来越高，传统玻璃窗户的单一的采光和封闭功能已经不能满足人们的需求了，人们迫切需要一种智能玻璃窗户，该智能窗户可实现紫外、可见或红外区光透过率的可逆、动态调节，从而实现照明和太阳光辐射的人为控制，这将会大大降低建筑使用能耗。
4.如何实现玻璃的智能化，人们多是通过向玻璃空腔中灌注一些智能材料，如热致变色材料、电致变色材料等，即通过加热或者通电的方式使得材料的结构、性质发生改变，引起材料对太阳光折射率的变化，从而在宏观上表现出透明度的变化。但是据本发明发明人研究发现，当前的智能玻璃窗户很多都是在低温下保持透明，随着温度升高透光率逐渐降低，从而在寒冷时保证足够太阳辐射，炎热时减少太阳辐射。然而上述响应变化规律与实际生活是不符的，人们更多的需要是智能玻璃在白天时透明，保证采光，夜晚来临时不透明，保护隐私。此外，当前的智能玻璃还普遍存在着透光率不高(低于90％)，响应温度不可调或温度响应调节范围狭小，响应方式单一(仅支持一种响应方式)等的问题，上述问题的存在无疑大大限制了智能玻璃的广泛应用。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明意在提供一种自感应水凝胶透光智能玻璃，以解决当前智能玻璃透光性与实际生活不匹配、透光度不高、响应方式单一及响应温度不可调的问题；本发明的另一目的是提供其制备方法。
6.技术方案：为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：一种自感应水凝胶透光智能玻璃，包括平行叠放的玻璃，在所述的玻璃之间形成空腔，在所述的空腔中填充自感应水凝胶后进行密封；所述的自感应水凝胶包括聚合单体、表面活性剂、增强剂、引发剂、交联剂、盐溶液；所述聚合单体为丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺、二甲基丙烯酰胺、丙烯酸、明胶中的任意一种或多种的混合物。
7.进一步地，所述的玻璃为钢化玻璃、铯钾玻璃、微晶玻璃、硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃、浮法玻璃、着色玻璃、镀膜玻璃、压花玻璃、夹胶玻璃中的一种或多种的组合。
8.进一步地，所述的玻璃的厚度不超过6mm。
9.进一步地，所述的空腔之间通过间隔条，所述间隔条为浮法玻璃间隔条、钢化玻璃间隔条、不锈钢间隔条、铝间隔条、陶瓷间隔条、复合材料间隔条中的一种或多种的组合；所述的密封是采用密封胶，所述密封胶为普通或防水胶带、502胶水、玻璃胶、丁基密封胶、硅酮胶、水合硅酸钠、硅酸钾水合物中的一种或多种的组合。
10.进一步地，所述的水凝胶中各组分的比例为：表面活性剂与聚合单体的质量比为1:5
‑
3:1；增强剂与聚合单体的质量比为1:1
‑
1:10；交联剂与聚合单体的质量比为1:100
‑
1:1000；引发剂与聚合单体的质量比为1:10
‑
1:30；盐溶液中盐的质量与聚合单体的质量比为1:10
‑
10:1，盐溶液中盐的浓度为0.2mol/l
‑
2.0mol/l。
11.进一步地，所述的表面活性剂与聚合单体的质量比为4:3；增强剂与聚合单体的质量比为1:6；交联剂与聚合单体的质量比为1:500；引发剂与聚合单体的质量比为1:19。
12.进一步地，所述的水凝胶中还包括加速剂，所述的加速剂与聚合单体的质量比为1:100
‑
1:1000；所述加速剂为四甲基乙二胺。
13.进一步地，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、硫酸月桂酯、十六烷基三甲基溴化铵、二烷基磺基琥珀酸钠、聚乙二烯醇烷基芳基醚硫酸钠中的一种或多种混合物；所述增强剂为硬脂酸十二烷基酯、没食子酸十八烷基酯、甲基丙烯酸月桂酯、甲基丙烯酸十八烷基中的一种或多种混合物；所述交联剂为n,n'
‑
亚甲基双丙烯酰胺，n,n,n',n'
‑
四甲基乙二胺和二甲基丙烯酸乙二醇酯中一种或几种的混合物；所述的引发剂为过氧化酰、过氧化氢、过硫酸钠、过硫酰胺、乙二胺、五元环胺、亚硫酸氢钠、亚硫酸氢铵中一种或几种的混合物；所述盐溶液为铵、锂、钠、钾、钙、镁、锌、铁或铜的盐酸盐、硫酸盐或碳酸盐的水溶液。
14.进一步地，所述聚合单体为丙烯酰胺；所述的盐溶液选自氯化铵、氯化钠和氯化钾溶液；盐溶液中盐的质量与聚合单体的质量比为1:10
‑
10:1，盐溶液中盐的浓度为0.4mol/l
‑
0.8mol/l。
15.其中，最佳配比组分包括：聚合单体、表面活性剂、增强剂、相应的引发剂、交联剂、加速剂、盐溶液，最佳配比为：表面活性剂与聚合单体的质量比为4:3；增强剂与聚合单体的质量比为1:6；交联剂与聚合单体的质量比为1:500；引发剂与聚合单体的质量比为1:19；加速剂与聚合单体的质量比为1:100；对nh4cl水凝胶，盐溶液中盐(nh4cl)的质量与聚合单体的质量比为1:1.168，盐溶液中盐(nh4cl)的浓度为0.8mol/l；对nacl水凝胶，盐溶液中盐(nacl)的质量与聚合单体的质量比为1:1.07，盐溶液中盐(nacl)的浓度为0.8mol/l；对kcl水凝胶，盐溶液中盐(kcl)的质量与聚合单体的质量比为1:1.68，盐溶液中盐(kcl)的浓度为0.4mol/l；对licl水凝胶，盐溶液中盐(licl)的质量与聚合单体的质量比为1:2.95，盐溶液中盐(licl)的浓度为0.4mol/l。
16.进一步地，所述的一种自感应水凝胶透光智能玻璃及其制备方法，包括以下步骤：
17.(1)制作玻璃空腔，在两片玻璃中放置间隔条，并用密封胶涂覆接口处，仅保留一面不密封；
18.(2)灌注水凝胶，将水凝胶溶液从未密封的一端注入步骤(1)形成的空腔中，所述水凝胶灌注前为溶液形态，灌入密封腔后才开始凝胶；当水凝胶未包括加速剂，则将其置于50℃烘箱中加热2h以促进凝胶；
19.(3)封口，将尚未密封的一面用密封胶涂覆密封起来，即得自感应水凝胶透光智能
玻璃。
20.所述步骤(1)中，在制作玻璃空腔之前，要去除玻璃表面的杂质，包括污渍、印记、细小颗粒等；所述步骤(2)中，灌注水凝胶溶液后要进行振荡以排除溶液中的气泡，并及时补充水凝胶溶液，确保其填满玻璃空腔。
21.发明原理：本发明的水凝胶将表面活性剂引入到水凝胶网络中，水凝胶本身是透明的，而当温度较低时，表面活性剂会与盐溶液中的阳离子在凝胶网络中自发生成胶束，胶束数量逐渐增多并聚集，而胶束的存在会使得太阳光在凝胶中发生折射与散射，从而导致凝胶透光率急剧降低；当温度较高时，表面活性剂引发生成的胶束粒径减小，其对太阳光的折射与散射作用则会被大大削弱，凝胶透光率显著提高，宏观上凝胶呈现透明状态。而选择不同的无机盐溶液会改变凝胶的响应温度，其原因在于：不同的无机盐溶液的阳离子会与表面活性剂结合形成胶束，该胶束对于温度的敏感性不同，因此会显现出不同的临界响应温度。
22.有益效果：本发明提供的一种自感应水凝胶透光智能玻璃，包括平行叠放的玻璃，在玻璃之间形成空腔，在空腔中填充自感应水凝胶后进行密封；自感应水凝胶包括聚合单体、表面活性剂、增强剂、引发剂、交联剂、盐溶液；聚合单体为丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺、二甲基丙烯酰胺、丙烯酸、明胶中的任意一种或多种的混合物；获得的自感应水凝胶具有高透光度的特点，高于临界温度时，透光度可达95％以上。此外，本发明的自感应水凝胶，多响应，凝胶可以对温度、电场、ph等三种刺激条件发生响应；凝胶响应温度可调节，调节温度范围区间宽广(24.5
‑
48℃)，可根据使用地区和使用场所进行定制具有特定响应温度的智能玻璃，且响应温度调节准确度在
±
0.5℃之内；凝胶循环稳定性好，200次冷却
‑
加热透光度依然高达90％以上。本发明的制备方法简单，具备实用性。
附图说明
23.图1为四种水凝胶的临界响应温度及透明状态紫外
‑
可见光区域透光度图；
24.图2为nacl水凝胶随nacl浓度变化时透明状态下紫外
‑
可见光区域透光度图；
25.图3为智能玻璃的白色不透明和无色透明两种状态图；
26.图4为柔性“玻璃”的白色不透明和无色透明两种状态图；
27.图5为彩色水凝胶的彩色不透明和彩色透明两种状态图；
28.图6为智能玻璃通电前后白色不透明和无色透明两种状态图；
29.图7为智能玻璃受热前后白色不透明和无色透明两种状态图。
具体实施方式
30.下面的实例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实例。
31.一种自感应水凝胶透光智能玻璃，包括平行叠放的玻璃，在玻璃之间形成空腔，在空腔中填充水凝胶后进行密封。
32.玻璃为钢化玻璃、铯钾玻璃、微晶玻璃、硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃、浮法玻璃、着色玻璃、镀膜玻璃、压花玻璃、夹胶玻璃中的一种或多种的组合。
33.玻璃的厚度不超过6mm。
34.空腔之间通过间隔条，间隔条为浮法玻璃间隔条、钢化玻璃间隔条、不锈钢间隔条、铝间隔条、陶瓷间隔条、复合材料间隔条中的一种，其厚度不超过1cm；密封是采用密封胶，密封胶为普通或防水胶带或502胶水、玻璃胶、丁基密封胶、硅酮胶、水合硅酸钠、硅酸钾水合物中的一种或多种。
35.水凝胶为掺入了离子表面活性剂和增强剂的丙烯酰胺类水凝胶、聚丙烯酸类水凝胶、明胶类水凝胶类中的一种或多种。
36.水凝胶包括聚合单体、表面活性剂、增强剂、相应的引发剂、交联剂、(加速剂)、盐溶液；聚合单体为丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺、二甲基丙烯酰胺、丙烯酸、明胶中的任意一种或多种的混合物。
37.水凝胶中各组分的比例为：表面活性剂与聚合单体的质量比为1:5
‑
3:1；增强剂与聚合单体的质量比为1:1
‑
1:10；交联剂与聚合单体的质量比为1:100
‑
1:1000；引发剂与聚合单体的质量比为1:10
‑
1:30；加速剂与聚合单体的质量比为1:100
‑
1:1000(也可不添加加速剂，置于50℃烘箱中加热2h也可促进凝胶的形成)；盐溶液中盐的质量与聚合单体的质量比为1:10
‑
10:1，盐溶液中盐的浓度为0.2mol/l
‑
2.0mol/l。
38.水凝胶中还包括加速剂，加速剂与聚合单体的质量比为1:100
‑
1:1000；加速剂为四甲基乙二胺。
39.表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、硫酸月桂酯、十六烷基三甲基溴化铵、二烷基磺基琥珀酸钠、聚乙二烯醇烷基芳基醚硫酸钠中的一种或多种混合物；增强剂为硬脂酸十二烷基酯、没食子酸十八烷基酯、甲基丙烯酸月桂酯、甲基丙烯酸十八烷基中的一种或多种混合物；交联剂为n,n'
‑
亚甲基双丙烯酰胺，n,n,n',n'
‑
四甲基乙二胺和二甲基丙烯酸乙二醇酯中一种或几种的混合物；引发剂为过氧化酰、过氧化氢、过硫酸钠、过硫酰胺、乙二胺、五元环胺、亚硫酸氢钠、亚硫酸氢铵中一种或几种的混合物；盐溶液为铵、锂、钠、钾、钙、镁、锌、铁或铜的盐酸盐、硫酸盐或碳酸盐的水溶液。
40.一种自感应水凝胶透光智能玻璃及其制备方法，包括以下步骤：
41.(1)制作玻璃空腔，在两片玻璃中放置间隔条，并用密封胶涂覆接口处，仅保留一面不密封；
42.(2)灌注水凝胶，将水凝胶溶液从未密封的一端注入步骤(1)形成的空腔中，水凝胶灌注前为溶液形态，灌入密封腔后才开始凝胶；当水凝胶未包括加速剂，则将其置于50℃烘箱中加热2h以促进凝胶；
43.(3)封口，将尚未密封的一面用密封胶涂覆密封起来，即得自感应水凝胶透光智能玻璃。
44.步骤(1)中，在制作玻璃空腔之前，要去除玻璃表面的杂质，包括污渍、印记、细小颗粒等；步骤(2)中，灌注水凝胶溶液后要进行振荡以排除溶液中的气泡，并及时补充水凝胶溶液，确保其填满玻璃空腔。
45.图1为nh4cl(0.8mol/l)、nacl(0.8mol/l)、kcl(0.4mol/l)、licl(0.4mol/l)水凝胶的临界响应温度(依次为24.5℃、28℃、44℃、48℃)及透明状态紫外
‑
可见光区域透光度(加热温度分别为25℃、30℃、45℃、50℃)；图2为nacl水凝胶(0.4mol/l、0.6mol/l、0.8mol/l、1.0mol/l、1.2mol/l、1.5mol/l)透明状态时紫外
‑
可见光区域透光度。
46.图3(a)和图3(b)分别为智能玻璃(水凝胶选用的是nacl(0.8mol/l)水凝胶)白色
不透明和无色透明两种状态，玻璃选用的是普通平板玻璃，厚度为3mm，隔条选用的是1mm的玻璃隔条，密封用的密封胶为502胶。夹层玻璃制备好后，将0.8mol/l nacl水凝胶溶液灌入玻璃中即可；图4(a)和图4(b)分别为柔性“玻璃”(水凝胶选用的是nacl(0.8mol/l)水凝胶)白色不透明和无色透明两种状态，其制备方法同上智能玻璃，不同之处在于将普通平板玻璃置换为1mm厚的高透明pva板；图5(a)和图5(b)分别为彩色水凝胶(水凝胶选用的是nacl(0.8mol/l)水凝胶)彩色不透明和彩色透明两种状态，图5(a)从左到右依次为红色、橙色、蓝色，添加的染色剂为刚果红(1mg)、甲基橙(1mg)、亚甲基蓝(1mg)；图6(a)和图6(b)分别为智能玻璃(水凝胶选用的是nacl(0.8mol/l)水凝胶)通电前后白色不透明和无色透明两种状态。其制备方法同上智能玻璃，不同之处在于，两片玻璃之间的空腔的左右两侧分别插入一片锌片(用作通电夹持的电极使用，尺寸为25mm
×
1mm
×
0.5mm)；图7(a)和图7(b)分别为智能玻璃(水凝胶选用的是nacl(0.8mol/l)水凝胶)的白色不透明和无色透明两种状态。
47.一种自感应水凝胶透光智能玻璃及其制备方法，包括以下步骤：
48.1)将聚合单体、表面活性剂、增强剂、交联剂、引发剂、(加速剂)在盐溶液中搅拌均匀，形成混合溶液；
49.2)将混合溶液注入到夹层玻璃中；
50.3)在一定温度下(低于20℃)溶液发生凝胶，并逐渐转变为白色，从而制备出自感应水凝胶透光智能玻璃。
51.注：也可不添加加速剂，将(2)中混合溶液注入夹层玻璃后，将其置于50℃烘箱中加热2h以促进凝胶，后取出，在一定温度下(低于20℃)凝胶逐渐转为白色，自感应水凝胶透光智能玻璃同样可制得。
52.实施例1：
53.将2.0g十二烷基硫酸钠倒入50℃中氯化铵溶液中(30ml，摩尔浓度为0.8mol/l)，待十二烷基硫酸钠完全溶解后加入0.25g甲基丙烯酸十八烷基酯，50℃下继续搅拌1h；加入1.5g丙烯酰胺单体，并通入氩气气体30min；加入0.003g n,n
‑
亚甲基双丙烯酰胺、0.08g过硫酸铵、10μl四甲基乙二胺，同时提高转速，继续搅拌10s；将混合溶液倒入夹层玻璃中并密封，控制外界温度低于20℃，1h后即可凝胶，并逐渐转变为白色不透明状态。该自感应水凝胶临界响应温度为24.5℃，25℃下时透光率可达98.61％(550nm处)。
54.实施例2：
55.将2.0g十二烷基硫酸钠倒入50℃中氯化钠溶液中(30ml，摩尔浓度为0.8mol/l)，待十二烷基硫酸钠完全溶解后加入0.25g甲基丙烯酸十八烷基酯，50℃下继续搅拌1h；加入1.5g丙烯酰胺单体，并通入氩气气体30min；加入0.003g n,n
‑
亚甲基双丙烯酰胺、0.08g过硫酸铵、10μl四甲基乙二胺，同时提高转速，继续搅拌10s；将混合溶液倒入夹层玻璃中并密封，控制外界温度低于20℃，1h后即可凝胶，并逐渐转变为白色不透明状态。该自感应水凝胶临界响应温度为28℃，30℃下透光率可达98.59％(550nm处)。
56.实施例3：
57.将2.0g十二烷基硫酸钠倒入50℃中氯化钠溶液中(30ml，摩尔浓度为0.8mol/l)，待十二烷基硫酸钠完全溶解后加入0.25g甲基丙烯酸十八烷基酯，50℃下继续搅拌1h；加入1.5g丙烯酰胺单体，并通入氩气气体30min；加入0.008g n,n
‑
亚甲基双丙烯酰胺、0.5g过硫酸铵、，同时提高转速，继续搅拌10s；将混合溶液倒入夹层玻璃中并密封，置于50℃烘箱中
加热2h以促进凝胶。凝胶后取出，等待1h后逐渐转变为白色不透明状态。该自感应水凝胶临界响应温度为28℃，30℃下透光率可达95.47％(550nm处)。
58.实施例4：
59.将2.0g十二烷基硫酸钠倒入50℃中氯化钾溶液中(30ml，摩尔浓度为0.4mol/l)，待十二烷基硫酸钠完全溶解后加入0.25g甲基丙烯酸十八烷基酯，50℃下继续搅拌1h；加入1.5g丙烯酰胺单体，并通入氩气气体30min；加入0.003g n,n
‑
亚甲基双丙烯酰胺、0.08g过硫酸铵、10μl四甲基乙二胺，同时提高转速，继续搅拌10s；将混合溶液倒入夹层玻璃中并密封，控制外界温度低于20℃，1h后即可凝胶，并逐渐转变为白色不透明状态。该自感应水凝胶临界响应温度为44℃，45℃下透光率可达98.66％(550nm处)。
60.实施例5：
61.将2.0g十二烷基硫酸钠倒入50℃中氯化锂溶液中(30ml，摩尔浓度为0.4mol/l)，待十二烷基硫酸钠完全溶解后加入0.25g甲基丙烯酸十八烷基酯，50℃下继续搅拌1h；加入1.5g丙烯酰胺单体，并通入氩气气体30min；加入0.003g n,n
‑
亚甲基双丙烯酰胺、0.08g过硫酸铵、10μl四甲基乙二胺，同时提高转速，继续搅拌10s；将混合溶液倒入夹层玻璃中，并密封，控制外界温度低于20℃，1h后即可凝胶，并逐渐转变为白色不透明状态。该自感应水凝胶临界响应温度为48℃，50℃下透光率可达43.80％(550nm处)。
62.因实施例过多，故将所有实施案例以表格形式列出，见表1。本发明中，聚合单体为丙烯酰胺；盐溶液选自氯化铵、氯化钠和氯化钾溶液；盐溶液中盐的质量与聚合单体的质量比为1:10
‑
10:1，盐溶液中盐的浓度为0.4mol/l
‑
0.8mol/l；此时透光度可达95％以上。
63.表1实施案例汇总
64.序号sds(g)c18(g)盐种类及浓度mbaa(g)aps(g)temed(μl)aam(g)实施例12.0g0.25nacl
‑
0.4mol/l0.0030.08151.5实施例22.0g0.25nacl
‑
0.6mol/l0.0030.08151.5实施例31.0g0.25nacl
‑
0.8mol/l0.0030.08151.5实施例42.0g0.25nacl
‑
0.8mol/l0.0030.08151.5实施例52.00.25nacl
‑
0.8mol/l0.0080.50/热引发1.5实施例63.0g0.25nacl
‑
0.8mol/l0.0030.08151.5实施例72.0g0nacl
‑
0.8mol/l0.0030.08151.5实施例82.0g0.25nacl
‑
1.0mol/l0.0030.08151.5实施例92.0g0.25nacl
‑
1.20mol/l0.0030.08151.5实施例102.0g0.25nacl
‑
1.5mol/l0.0030.08151.5实施例112.0g0.25nh4cl
‑
0.4mol/l0.0030.08151.5实施例122.0g0.25nh4cl
‑
0.8mol/l0.0030.08151.5实施例132.0g0.25nh4cl
‑
0.8mol/l0.0080.50/热引发1.5实施例142.0g0.25nh4cl
‑
1.2mol/l0.0030.08151.5实施例152.0g0.25kcl
‑
0.2mol/l0.0030.08151.5实施例162.0g0.25kcl
‑
0.4mol/l0.0030.08151.5实施例172.0g0.25kcl
‑
0.4mol/l0.0080.50/热引发1.5实施例182.0g0.25kcl
‑
0.6mol/l0.0030.08151.5
实施例192.0g0.25licl
‑
0.2mol/l0.0030.08151.5实施例202.0g0.25licl
‑
0.4mol/l0.0030.08151.5实施例212.0g0.25licl
‑
0.4mol/l0.0080.50/热引发1.5实施例222.0g0.25licl
‑
0.6mol/l0.0030.08151.5
65.对上述实施例中的结果进行汇总，见表2。
66.表2实施例凝胶状况及透明度测试
[0067][0068]