智能窗口用熱響應(yīng)聚(N-異丙基丙烯酰胺)水凝膠的研究進展

陳冠樺，程欣瑤，翟 迅，段文皓，王潤東，于環(huán)洋

(吉林建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118)

聚合物水凝膠是由固體和液體成分組成的交聯(lián)親水網(wǎng)絡(luò)。在外界刺激下，水凝膠可以通過排出或吸收水而發(fā)生較大的體積變化，進而使得聚合物網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)、滲透性和機械強度等性質(zhì)發(fā)生變化[1]。其中，基于熱響應(yīng)的聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)水凝膠已經(jīng)成為聚合物基智能材料家族的主要成員[2-5]。1986年，Pelton 等人[6]首次報道了基于PNIPAM 的熱響應(yīng)微凝膠的制備。PNIPAM 具有獨特的熱響應(yīng)性能，能以一種動態(tài)和可逆的方式調(diào)節(jié)陽光進入建筑的傳輸通道，可根據(jù)天氣和個人偏好，提供可變的太陽能加熱和視覺需求[7-9]，節(jié)省了大量的能源，因此是智能窗戶最重要的材料。

1 聚(N-異丙基丙烯酰胺)水凝膠的熱響應(yīng)機理

PNIPAM 單體結(jié)構(gòu)中包含了酰胺和異丙基兩部分，在水介質(zhì)中具有較低的臨界溶液溫度（LCST，約32℃）。通過交聯(lián)PNIPAM 基智能水凝膠或形成衍生物，在LCST 附近，水凝膠通過膨脹/收縮，會表現(xiàn)出劇烈和可逆的體積相變[10]，同時還伴隨親水性[11]、透明性[12-13]、表觀靜電介電常數(shù)[14]等其他性質(zhì)的變化。溫度低于PNIPAM 的LCST 時，親水酰胺基團與水分子之間的氫鍵抵消了異丙基之間的疏水相互作用，會在酰胺基團周圍形成高度組織的水分子層，降低了系統(tǒng)的熵，ΔGmix是負的[15]。PNIPAM 溶解在水溶液中時，其中的聚合物鏈顯示出靈活和膨脹的隨機線圈構(gòu)象。

隨著溫度升高并高于LCST 時，氫鍵減弱，異丙基之間的疏水相互作用變強，導(dǎo)致熵對自由能的貢獻更不利，ΔGmix就會變?yōu)檎l(fā)生熵驅(qū)動的相分離，其中PNIPAM 鏈被脫水并聚集成緊密排列的球狀構(gòu)象[16]。……