自适应太阳能响应的复合水凝胶材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种自适应太阳能响应的复合水凝胶材料及其制备方法与应用，复合水凝胶材料包括光热材料与热响应相变材料，光热材料为金属基纳米材料复合二维层状纳米材料形成的纳米复合材料，热响应相变材料是由热致变色材料与含羟基和羧基的高分子材料共聚而成的水凝胶；含羟基和羧基的高分子材料可提供氢键，提高储热容量，同时有助于提高复合水凝胶的太阳能调制能力。本发明专利技术利用少量的纳米复合材料作为光捕获纳米加热器，产生协同增强的光热效应，刺激水凝胶的热响应；该复合水凝胶材料应用于智能窗户或可穿戴材料时，具有优异的光吸收性能、光热转换性能以及高的太阳能调制幅度，在自适应太阳能调制方面具有调温的效果，对于节能具有重要意义。对于节能具有重要意义。对于节能具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
自适应太阳能响应的复合水凝胶材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及光热材料合成
，尤其涉及一种自适应太阳能响应的复合水凝胶材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]随着社会的快速发展和能源的缺乏，节能变得越来越重要。据统计，全球每年的建筑能耗约占40％，且建筑物需要具有冷却或加热的功能来满足现代生活质量的要求，这会产生较大的能源消耗。窗户以透明成分的建筑外壳作为室内外环境热量交换的主要媒介，成为节约能源的关键；传统的窗户由于对环境变化不敏感，容易使室内产生热集中现象，所以，通常被认为是造成能源消耗和浪费的重要原因。因此，为了提高了节能效果，智能窗户成为领域内研究和发展的重点目标，开发具有自响应调节的智能窗口具有重要意义。
[0003]目前常见的智能窗口包括热致变色、气致变色、电致变色智能窗口等。智能窗口对于合理的刺激(如太阳能、湿气和电力)，具有自发和动态响应的功能，不仅可以实现室内温度的调节，而且实现了视觉舒适调节的功能性应用；其作为建筑物用品具有节能的效果。专利技术专利(申请号为CN202110449661.2)公开了一种PNIPAm/PPy复合水凝胶及其制备方法与应用，该水凝胶将热致变色水凝胶(PNIPAm)与光热转化材料聚吡咯(PPy)相结合，克服PNIPAm水凝胶响应速度慢的弊端；将其应用于智能窗口可在夏季减少近红外光透过，降低室内的热辐射，冬季减少室内热损失，从而起到冬暖夏凉的效果。但是，该水凝胶材料的光热转化材料负载量大，成本相对较高；且得到的PNIPAm/PPy复合水凝胶虽然可以调节太阳光的透过率，但是太阳光调制幅度比较低。
[0004]有鉴于此，有必要设计一种改进的自适应太阳能响应的复合水凝胶材料及其制备方法与应用，以解决上述问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种自适应太阳能响应的复合水凝胶材料及其制备方法与应用，利用纳米复合材料作为光捕获纳米加热器，刺激复合水凝胶的热响应行为，使复合水凝胶材料具有优异的光吸收性能、光热转换性能以及高的太阳能调制幅度，应用于智能窗户或穿戴材料时，具有自适应太阳能调制及其调节室内温度的效果。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供了一种自适应太阳能响应的复合水凝胶材料，所述复合水凝胶材料包括光热材料与热响应相变材料，所述光热材料为金属基纳米材料复合二维层状纳米材料形成的纳米复合材料，所述金属基纳米材料为纳米片状结构；所述热响应相变材料是由热致变色材料与高分子材料共聚而成的复合水凝胶，所述高分子材料含有羟基和羧基。
[0007]作为本专利技术的进一步改进，所述光热材料为金属基纳米材料，所述金属基纳米材料包括具有纳米片结构的Au、Ag、Cu基纳米材料，优选为AuNPRs(金纳米片)；所述AuNPRs复合二维层状纳米材料MXene形成AuNPR@MXene纳米复合材料。
[0008]作为本专利技术的进一步改进，所述高分子材料包括透明质酸(HA)、含羧基的壳聚糖衍生物、果胶中的一种，优选为透明质酸；所述的热致变色材料包括聚(N
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异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)、氧化钒、羟丙基纤维素，相变液晶材料，优选为聚(N
‑
异丙基丙烯酰胺)；所述透明质酸与所述聚(N
‑
异丙基丙烯酰胺)共聚形成透明质酸/聚(N
‑
异丙基丙烯酰胺)(HA/PNIPAM)复合水凝胶。
[0009]作为本专利技术的进一步改进，二维层状纳米材料MXene为钛碳化铝(Ti3C2T
x
)，与AuNPRs复合形成金纳米片@层状钛碳化铝(AuNPR@MXene)纳米复合材料。
[0010]本专利技术还提供了一种自适应太阳能响应的复合水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：
[0011]S1、将金属基纳米材料进行改性，增加其表面电荷，并将改性的金属基纳米材料均匀分散于二维层状纳米材料的悬浮液中，混合搅拌40～80min，得到纳米复合材料溶液；
[0012]S2、将含羟基和羧基的高分子材料的水溶液、N
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异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、N,N
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亚甲基双丙烯酰胺以及去离子水混合，并在70℃和连续的N2气氛下搅拌20～40min后，加入引发剂过硫酸钾，反应3.5～5h，得到复合水凝胶；其中，高分子材料的水溶液中的高分子材料浓度为2wt％～5wt％；
[0013]S3、将步骤S1制备的所述纳米复合材料溶液滴加至步骤S2制备的所述复合水凝胶中，混合25～40min，即得自适应太阳能响应的复合水凝胶材料；所述复合水凝胶材料中，所述金属基纳米材料的负载量不超过0.9wt％，所述二维层状纳米材料MXene的负载量不超过0.98vol％。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，在步骤S2中，所述N
‑
异丙基丙烯酰胺与N,N
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亚甲基双丙烯酰胺的质量比为1000:1；所述引发剂过硫酸钾的浓度为0.01～0.02g/mL。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，在步骤S1中，所述金属基纳米材料为AuNPRs，改性的方法为聚电解质层改性，包括以下步骤：
[0016]SS1、制备AuNPRs悬浮液，制备聚(苯乙烯磺酸盐)(PSS)溶液与氯化钠溶液的电负性混合液，超声处理20～40min后，将所述AuNPRs悬浮液滴加至所述电负性混合液中，搅拌2.5～3.5h，进行离心、水洗和再分散处理，得到溶液Ⅰ；
[0017]SS2、制备聚(烯丙胺盐酸盐)(PAH)溶液与氯化钠溶液的正电介质溶液，超声处理20～40min，将步骤SS1的所述溶液Ⅰ加入其中，搅拌2.5～3.5h，进行离心、水洗，得到正电性增强改性的AuNPRs。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，金属基纳米材料AuNPRs的制备方法：将碘化钾溶液注入十六烷基三甲基氯化铵溶液中混合，再依次加入氯金酸溶液、氢氧化钠溶液，混合后加入抗坏血酸溶液，最后加入氢氧化钠溶液，振荡后得到紫色或蓝色溶液，静置后离心并洗涤，得到所述金属基纳米材料AuNPRs。
[0019]作为本专利技术的进一步改进，在步骤SS1和步骤SS2中，所述聚(苯乙烯磺酸盐)溶液与所述聚(烯丙胺盐酸盐)溶液的浓度、体积均相同，所述电负性混合液与正电介质溶液中的氯化钠溶液的浓度和质量份相同。
[0020]作为本专利技术的进一步改进，所述碘化钾溶液的浓度为0.01～0.02M，所述十六烷基三甲基氯化铵溶液的浓度为0.13～0.18M，所述氯金酸溶液的浓度为24～28mM，所述氢氧化钠溶液的浓度为0.08～0.12M，所述抗坏血酸溶液的浓度为0.06～0.07mM，所述氢氧化钠溶
液的浓度为0.08～0.12M。
[0021]本专利技术还提供了一种自适应太阳能响应的复合水凝胶材料的应用，所述自适应太阳能响应的复合水凝胶材料作为夹层材料应用于智能窗户，或作为响应材料应用于智能穿戴领域。
[0022]本专利技术的有益效果是：
[0023]1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自适应太阳能响应的复合水凝胶材料，其特征在于，所述复合水凝胶材料包括光热材料与热响应相变材料，所述光热材料为金属基纳米材料复合二维层状纳米材料形成的纳米复合材料，所述金属基纳米材料为纳米片状结构；所述热响应相变材料是由热致变色材料与高分子材料共聚而成的复合水凝胶，所述高分子材料含有羟基和羧基。2.根据权利要求1所述的自适应太阳能响应的复合水凝胶材料，其特征在于，所述光热材料为金属基纳米材料，所述金属基纳米材料包括具有纳米片结构的Au、Ag、Cu基纳米材料，优选为AuNPRs；所述AuNPRs复合二维层状纳米材料MXene形成AuNPR@MXene纳米复合材料。3.根据权利要求2所述的自适应太阳能响应的复合水凝胶材料，其特征在于，所述高分子材料包括透明质酸、含羧基的壳聚糖衍生物、果胶中的一种，优选为透明质酸；所述的热致变色材料包括聚(N
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异丙基丙烯酰胺)、氧化钒、羟丙基纤维素，相变液晶材料，优选为聚(N
‑
异丙基丙烯酰胺)。4.一种由权利要求1～3中任一项所述的自适应太阳能响应的复合水凝胶材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将金属基纳米材料进行改性，增加其表面电荷，并将改性的金属基纳米材料均匀分散于二维层状纳米材料的悬浮液中，混合搅拌40～80min，得到纳米复合材料溶液；S2、将含羟基和羧基的高分子材料的水溶液、N
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异丙基丙烯酰胺、N,N
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亚甲基双丙烯酰胺以及去离子水混合，并在70℃和连续的N2气氛下搅拌20～40min后，加入引发剂过硫酸钾，反应3.5～5h，得到复合水凝胶；其中，高分子材料的水溶液中的高分子材料浓度为2wt％～5wt％；S3、将步骤S1制备的所述纳米复合材料溶液滴加至步骤S2制备的所述复合水凝胶中，混合25～40min，即得自适应太阳能响应的复合水凝胶材料；所述复合水凝胶材料中，所述金属基纳米材料的负载量不超过0.9wt％，所述二维层状纳米材料MXene的负载量不超过0.98vol％。5.根据权利要求4所述的自适应太阳能响应的复合水凝胶材料的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述N
‑
异丙基丙烯酰胺与...

【专利技术属性】
技术研发人员：李颖颖，王栋，王艳秋，王雯雯，
申请(专利权)人：武汉纺织大学，
类型：发明
国别省市：