智能遮阳聚合物水凝胶的研制

新型建筑材料 2007.1 0 前 言 近年来，由建筑能耗所引起的能源紧张越来越制约着社 会经济的发展。尤其在夏季，热辐射光线无遮蔽直接进入室内 而增加的制冷能耗占室内制冷能耗的50%以上[1]。因此，在建 筑采光处增加适当的遮阳等节能手段十分必要。与传统的遮 阳手段（如窗帘、百叶窗等）不同，智能遮阳窗户不需要人为施 加外力，就可以随环境温度变化自动调节进入室内的光热强 度，从而达到遮阳、调节光线以及降低制冷能耗的目的。 能用于智能遮阳窗户的材料种类很多，如水凝胶、液晶材 料、聚合物共混物、相变材料等。其中，聚合物水凝胶在智能遮 阳窗户上的应用研究报道较多。所使用的聚合物水凝胶主要由 含水的透明聚合物基体以及具有临界溶解温度（LCST）特性的 热响应功能组分所组成。当日照强烈时，随着环境温度升至 LCST以上，功能组分会与基体中的水相发生可逆相分离，使 聚合物水凝胶出现透明至浑浊的转变，从而使入射光线的透 光率下降（见图1）。浑浊态透光率显示了水凝胶的遮阳效果； 透明-浑浊转变前后透光率的变化幅度（对比度），体现了水 凝胶的光线调节能力。目前，德国[2]、日本[3]及匈牙利[4-6]等国在 智能遮阳水凝胶材料方面的研究较为领先，并且有产品陆续 实现了商品化（如SUNTEK公司的Cloud GelTM[7]等）。 图1 热响应聚合物水凝胶的智能遮阳机理 本文以聚乙烯醇（PVA）为基体，聚甲基乙烯基醚（PVME） 为热响应功能组分，研究了具有智能遮阳功能的PVME/PVA 水凝胶（以下简称水凝胶）的制备配比， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了各组分含量以 及胶膜厚度对水凝胶的遮阳及调光性能的影响。 智能遮阳聚合物水凝胶的研制 冯刚,文雯,王跃川 （四川大学高分子科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，四川 成都 610065） 摘要:基于热响应聚合物水凝胶的智能遮阳窗户或幕墙，可以随环境温度变化自动调节进入室内的光热强度。初步研究 了具有智能遮阳功能的聚甲基乙烯基醚/聚乙烯醇（PVME/PVA）水凝胶的制备配比，分析了各组分含量以及胶膜厚度对水凝 胶的遮阳及调光性能的影响。 关键词:热响应；遮阳；调光；水凝胶 中图分类号:TU113.4 文献标识码:A 文章编号:1001-702X(2007)01-0032-03 Development ofintelligent sunshadepolymer hydrogel FENGGang,WENWen,WANGYuechuan (CollegeofPolymerScienceandEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,Sichuan,China) Abstract:Intelligent sunshade window or curtain wall can self-adjust light and heat intensity into house along with changes of ambient temperature based on thermal response of polymeric hydrogel. Preliminary study was made on the pro- portioning of preparing polymethyl vinyl ether/polyvinyl alcohol (PVME/PVA) hydrogel with function of intelligent sunshade and analyzed influence of content of each component and the film thickness on sunshade and light-adjusting of hydrogel. Key words:thermal response;sunshade;light-adjusting;hydrogel 收稿日期:2006-05-20 作者简介:冯刚，男，1981年生，重庆铜梁人，硕士研究生。 全国中文核心期刊 新型建筑材料 32· · NEWBUILDINGMATERIALS 1 实验部分 1.1 主要原材料与实验仪器 （1）原材料 聚乙烯醇（PVA），分析纯，平均聚合度1799±50、戊二醛 溶液（GDA），分析纯，浓度50%，成都科龙化工试剂厂；聚甲 基乙烯基醚溶液（PVME），分析纯，浓度50%，德国阿德里奇 公司；硫酸：分析纯，浓度95%～98%，汕头市西陇化工厂。 （2）仪器 TU-1810紫外可见分光光度计：北京普析通用仪器有限 责任公司；HX-2050恒温循环器：北京博医康实验仪器有限 公司；FY系列旋片式真空泵：温岭市飞跃机电有限公司。 1.2 不同GDA用量水凝胶的制备 在洁净的单口烧瓶中，按配比依次加入5%的PVA溶液、 50%的PVME溶液以及50%的GDA溶液，机械搅拌均匀，然 后滴加5%的硫酸，调节pH值至1.5～2.0。将混合溶液真空脱 泡后转入玻璃模具中，用生料带密封，室温反应6h。按上述 方法，分别制备了不同GDA用量的水凝胶，并考察它们的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 观性质。 1.3 PVME含量-透光率曲线的测定 在10mm×10mm的751型比色皿中，制备不同PVME 含量的水凝胶。分别测定这些水凝胶在室温初始透明态时 680nm处的透光率。然后将这些水凝胶在40℃恒温20min， 再分别测定它们浑浊态时680nm处的透光率。 1.4 水凝胶胶膜厚度-吸光度曲线的测定 在75mm×25mm的自制玻璃模具中，制备PVME浓度 为0.15%，厚度分别为1、2、4、6、8和10mm的水凝胶胶膜。 先测定不同厚度胶膜在室温初始透明态时680nm处的吸光 度，然后将这些胶膜在40℃恒温20min，再分别测定它们在 浑浊态时680nm处的吸光度。 2 结果与讨论 2.1 GDA用量对水凝胶透明态表观性能的影响 透明聚合物基体通常需要经过物理或化学交联形成凝 胶态，以束缚住体系中的功能组分，避免其在热响应过程中 可能出现的迁移或沉降。实验采用 GDA在酸性环境下对 PVA水溶液进行化学交联反应[8]。当 GDA用量大于 0.04% （m[—CHO]∶m[—OH]=0.26∶100）时，PVA开始形成凝胶态；当 GDA用量超过0.68%（m[—CHO]∶m[—OH]=8.1∶100）时，水凝 胶透明度逐渐下降，并且逐渐开始有水析出；而当GDA用量 大于2%（m[—CHO]∶m[—OH]=25∶100）时，理论上羟基完全被 醛基消耗，此时交联达到饱和，水凝胶透明度急剧下降，并且 体积收缩趋于缓和。考虑到日照不是很强烈、环境温度低于 LCST情况下的室内采光需求，此时处于非工作状态（透明态） 的水凝胶需要有较高的透光率（≥85%）[9]，故GDA的交联作 用不应降低水凝胶的透明态透光率。实验表明，GDA的用量 宜控制在0.68%以下。此时得到的水凝胶透明、保水性好，并 有一定的弹性和韧性，适合作为基体使用。 2.2 PVME含量对水凝胶遮阳性能及 调光性能的影响 具有LCST特性的PVME（LCST=35.1℃）是智能遮阳聚 合物水凝胶的核心组分，其含量直接影响到水凝胶的遮阳以 及调光性能。PVME含量对水凝胶遮阳及调光性能的影响见 图2。 图2 PVME含量对水凝胶遮阳及调光性能的影响 由图2可以看出，水凝胶膜厚度10mm时，水凝胶浑浊 态透光率随PVME含量的增加急剧下降（即遮阳性能逐渐增 强），并趋于平缓；其调光性能则随PVME含量的增加先升高 后降低，中间存在一个调光性能的最佳区域。另外，水凝胶透 明态透光率也随PVME含量的增加缓慢降低，其原因还有待 探讨。考虑到水凝胶需要有高的透明态透光率（≥85%）和低 的浑浊态透光率（≤15%）[9]，PVME含量以控制在0.15%左右 为宜。此时，水凝胶浑浊态透光率为92%、透光率对比度（浑 浊态与透明态透光率之差）为89%，遮阳及调光效果俱佳。 2.3 胶膜厚度、PVME含量以及遮阳性能 三者的关系 实际应用中，智能遮阳水凝胶的胶膜厚度是一个必然要 考虑的因素。实验测定了不同胶膜厚度的水凝胶在透明态及 浑浊态时的吸光度（见图3）。 冯刚,等:智能遮阳聚合物水凝胶的研制 33· · 新型建筑材料 2007.1 图3 不同胶膜厚度水凝胶的吸光度 从图3可以看出，水凝胶浑浊态与透明态的吸光度均与 胶膜厚度成线性关系。水凝胶浑浊态的吸收则既与相分离 PVME微粒的光散射作用有关，又与水凝胶自身因素（自身的 吸收以及交联的非均匀性）有关。后者的影响恰好表现在水 凝胶透明态吸光度上，因为透明态时入射光损失全部来自于 水凝胶的自身特性。由于不同胶膜厚度的水凝胶透明态吸光 度均小于0.08，故水凝胶自身因素对浑浊态吸收的贡献可以 忽略不计，即水凝胶浑浊态吸收只与PVME的含量以及胶膜 厚度有关。 由Lambert-Beer定律以及线性拟合可得式（1）： A=2.73·c·l （1） 式中：A———浑浊态吸光度； c———PVME含量，%； l———水凝胶厚度，mm。 由A=-lgT可得浑浊态透光率T： T=10-2.73·c·l （2） 即水凝胶的遮阳性能与PVME含量、胶膜厚度近似呈指 数关系。根据式（2）可以估算出在某一胶膜厚度下达到遮阳 要求（浑浊态透光率不大于15%）时所需要的PVME含量，这 对智能遮阳聚合物水凝胶的实际生产具有一定的帮助。 3 结 语 （1）以PVA为基料、GDA为交联剂、PVME为LCST功能 组分，制备了具有智能遮阳功能的热响应PVME/PVA水凝 胶。GDA用量在0.45%以内、PVME含量为0.15%左右时，水 凝胶具有良好的表观性质，并且遮阳性能及调光性能均较好。 （2）水凝胶的遮阳性能与水凝胶厚度、PVME浓度间存在 一定的关系：T=10-2.73·c·l，该关系对PVME/PVA智能遮阳水凝 胶的实际生产将有一定的指导意义。 参考文献: [1] 班广生.建筑节能窗的功能化发展趋势[J].新型建筑材料，2004 （5）：57-61. [2] SchneiderJ，SeebothA.Naturalthermotropicmaterialsforsolar switchingglazing[J].Mat.-wiss.u.Werkstofftech，2001，32： 231-237. [3] WatanabeH.Intelligentwindowusingahydrogellayerforenergy efficiency[J].SolEnergyMaterSolCells，1998，54：203-211. [4] ZrínyiM，SzilágyiA，FilipcseiG，etal.Smartgel-glassbased ontheresponsivepropertiesofpolymergels[J].Polym Adv Technol，2001，12：501-505. [5]GyenesT，SzilágyiA，LohonyaiT，etal.Electricallyadjustable thermotropicwindowsbasedonpolymerGels[J].Polym Adv Technol,2003，14：757-762. [6] SzilágyiA，GyenesT，FilipcseiG，etal.thermotropicpolymergels: SmartGelGlass[J].MacromolSymp，2005，227：357-366. [7]ChahroudiD.Transparentthermalinsulatingsystem[P].USpatent 3，953，110. [8]FinchCA.Polyvinylalcohol：propertiesandapplications[M].1st Edn.London：JohnWiley&SonsLtd，1973：189-202. [9] SeebothA，SchneiderJ，PatzakA.Materialsforintelligentsun protectingglazing[J].SolEnergyMaterSolCells，2000，60： 263-277. ! 冯刚,等:智能遮阳聚合物水凝胶的研制 德国瓦克公司对聚合物再分散粉末 进行重新命名和产品价格上调 德国瓦克公司总部正在对它的聚合物再分散粉末 （Vinapas）进行重新命名。早先使用的RE/RI（再分散）前 缀正在取消。产品等级将按其特性分成中性级（N）、触 变级（T）、流平级（L）、流动级（F）和憎水级（H）等5个级 别。这些级别的后缀将复合4位阿拉伯数字以显示每个 产品的聚合物基和它的柔性。瓦克公司建筑聚合物副总 裁PeterSummo说：“我们已认识到，建立一个统一的全 球通行的产品命名将能使用户更快更好地得到所需产 品的信息。”瓦克聚合物再分散粉末的新命名将于2007 年1月起实施。 此外，瓦克公司还公告：它的聚合物分散液和聚合物 再分散粉末将在全球上调价格，上调幅度在8%～10%， 视产品级别而异。价格上涨的原因是原料、能源和运输 成本的大幅上涨。有关产品价格将自2007年1月起始 上调。 （忻秀卿译自 http：//www.drymix.info/News.2006-12-12） 34· ·