热响应性离子凝胶的制备及应用探究

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温度致透过率变化的响应材料由于其在智能窗口,柔性电子器件等方面的应用前景,尤其受到了人们的广泛关注。已有的温度致透过率变化的响应材料,如VO2类无机过渡金属氧化物,可通过不同温度下内部晶型结构的差异化,实现光透过率的可逆转变,但热响应温度过高(68℃)且热力学稳定性差,因而很难在现实场景中应用。以代表性温敏单体NIPAM做聚合物骨架制备的温度响应型水凝胶,虽然有着明显的温度刺激响应行为,但水凝胶对环境的耐受性低的问题导致该类材料的耐用性很差。液晶等材料,虽然也有着不错的性能,然而其高昂的制造设计成本,限制了其在实际应用中的发展。且以上这些材料温度响应类型多为LCST型(高温不透明,低温透明),对于实际应用场景的适应不足,例如在智能窗口领域UCST(高温透明,低温不透明)型温度响应离子凝胶在夜间具有较低透明度,可以保护隐私,高温时可以满足阳光射入,这些特性对于智能窗口以及柔性智能材料的制备都是非常有利的。在这种情况下,制备一种稳定性好,易于调节的UCST型透过率可逆变化的材料是非常必要的。离子凝胶是由共聚物和离子液体(ILs)组成的复合材料,继承了离子液体的许多优良特性,例如设计自由度高、环境耐受性高、导电性好以及电化学窗口宽等等。相较于广为研究的水凝胶材料,显然离子凝胶在制备环境稳定性高的温度响应性材料上更具优势,但由于离子凝胶的研究历史较短,针对离子凝胶开发的温度响应型材料相当有限。另外,优异的温度响应性材料需要具有响应温度适当、透着率变化差异大、响应速度快以及循环响应性高等基本性能,而能够充分满足以上这些响应性能条件的离子凝胶更是屈指可数。如何通过简单方法制备温度响应性离子凝胶,且离子凝胶的响应温度以及响应性能能够与可应用场景相匹配仍然是一种挑战。因此,我们致力于通过简单的一步自由基聚合方式制备一种UCST型、具有明显透过率变化以及优异稳定性的温度响应性离子凝胶,进而探索其用于智能调温窗户的应用可行性。本文将疏水性单体和亲水性单体以一定比例溶解在疏水性离子液体和水中,形成均匀溶液,通过一步光引发自由基聚合,制备了一种具有良好柔性,透明度可逆的UCST型温度响应性离子凝胶。利用紫外-可见光谱、流变、红外光谱、SEM、TG、万能实验机,分别对离子凝胶的温度响应行为、凝胶模量、化学结构、表观形貌,热稳定性、以及机械性能等进行了分析表征。具体探索了液相总占比、水份含量、亲疏水单体比例等因素对温度响应过程的影响,深入挖掘了凝胶温度响应行为与凝胶亲疏水结构变化的关系。并通过对于不用温度条件下凝胶的流变性能的测试,分析了温度影响下凝胶内部结构的变化,以及其对离子凝胶理化性能的影响。最后制备了基于该材料的模拟智能窗户,探究了温度响应性离子凝胶在实际应用中的可能性。实验结果表明:(1)使用一步法光引发自由基聚合成功制备了UCST型温度响应型离子凝胶,离子凝胶透过率对比可以达到75%,对于可见光的调制Tlum=34%。(2)通过对于骨架结构亲疏水性能的调整实现了对于凝胶温度响应性能的调控。(3)所制备的离子凝胶具有良好机械性能,其中HEA:EA=1:12时凝胶的断裂伸长率可以达到142%。(4)凝胶具有很好的稳定性,在10次透过率转变循环后,凝胶仍然保持着良好的温度响应性能。且凝胶的分解温度可以达到300℃以上,具有高热力学稳定性。(5)设计制备的模拟智能窗口具有良好的温度调节性能,相比于普通玻璃窗口,在模拟日光条件下,两个房间内温度差距可以达到3.2℃。
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