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武漢紡織大學(xué)楊永生教授和香港中文大學(xué)龍祎教授 AFM：快速響應(yīng)、抗凍抗干燥纏繞鏈智能水凝膠及智能窗戶應(yīng)用
2023-03-31  來源：高分子科技

  熱致變色智能窗不需要額外的能源損耗且可隨著環(huán)境溫度變化變色（天氣寒冷時玻璃透明，天氣炎熱時玻璃變色），是最為適合用于制備節(jié)能器件的智能窗之一。近年來，PNIPAm熱致變色智能窗，因其簡單的制備方法及優(yōu)越的光學(xué)性能而引起研究者們的廣泛重視。之前這個領(lǐng)域主要專注于PNIPAm熱致變色性能，而在實際應(yīng)用過程中存在一些問題，比如楊氏模量、韌性、響應(yīng)速度及防凍/抗干燥性差。因此，開發(fā)一種既能提高智能水凝膠的楊氏模量和韌性，又可以防凍/抗干燥的智能水凝膠，是亟需解決的難題。


  近期，武漢紡織大學(xué)化工學(xué)院楊永生教授、香港中文大學(xué)龍祎教授和南洋理工大學(xué)王善成博士合作報道了一種簡單而通用的物理鏈纏結(jié)的方法來提高智能水凝膠的楊氏模量和韌性，同時通過引入氫鍵來保持其智能功能。在這種方法中通過將羥丙基纖維素（HPC）與熱響應(yīng)性聚-N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAm）復(fù)合，純的PNIPAm智能水凝膠聚合物網(wǎng)絡(luò)是通過交聯(lián)劑相互連接（圖1左），而復(fù)合智能水凝膠是HPC鏈與PNIPAm鏈之間通過物理鏈纏結(jié)和弱氫鍵（圖1右）連接。結(jié)果表明，由于鏈纏結(jié)和氫鍵并不阻礙聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的運動使得PNIPAm-HPC復(fù)合水凝膠的智能功能得到了提高、循環(huán)穩(wěn)定性更好、響應(yīng)速度更快、抗干燥/防凍能力增強的同時還具有節(jié)約能源的性能（圖2）。此外，課題組進一步研究了這種物理鏈纏結(jié)方法的普遍適用性。與PNIPAm-HPC體系類似，PNIPAm-聚乙烯醇（PVA）-HPC體系在機械性、循環(huán)穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和抗干燥/抗凍能力方面均有顯著提高（圖3）。該智能水凝膠整體性能的提升將不僅僅局限于智能窗，還可以應(yīng)用于人造皮膚、建筑圍護結(jié)構(gòu)和軟機器人。相關(guān)工作以“Entanglement in Smart Hydrogels: Fast Response Time, Anti-Freezing and Anti-Drying”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上（2023，2211027）。文章第一作者是武漢紡織大學(xué)碩士研究生馮宇琴。


 圖1 傳統(tǒng)智能水凝膠（左）和采用HPC鏈纏結(jié)/氫鍵連接的智能水凝膠（右）的結(jié)構(gòu)


 圖2 PNIPAm-HPC復(fù)合水凝膠的多功能性：防凍、防干燥、智能功能、響應(yīng)時間、和耐久性分析


 圖3 鏈纏結(jié)方法在PNIPAm-PVA-HPC水凝膠體系中的適用性


  楊永生教授團隊長期從事熱致變色智能高分子材料的合成及應(yīng)用研究，該項工作是課題組近期在熱致變色智能窗戶領(lǐng)域研究的最新進展之一，也是前期研究工作W摻雜VO2改性PNIPAm-HPC熱致變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的延續(xù)。該工作為智能節(jié)能建筑圍護結(jié)構(gòu)，尤其是智能節(jié)能玻璃的開發(fā)提供了新的視野。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202211027

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