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武漢紡織大學楊永生教授和香港中文大學龍祎教授 AFM：快速響應、抗凍抗干燥纏繞鏈智能水凝膠及智能窗戶應用

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越的光學性能而引起研究者們的廣泛重視。之前這個領域主要專注于PNIPAm熱致變色性能，而在實際應用過程中存在一些問題，比如楊氏模量、韌性、響應速度及防凍/抗干燥性差。因此，開發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，武漢紡織大學化工學院楊永生教授、香港中文大學龍祎教授和南洋理工大學王善成博士合作報道了一種簡單而通用的物理鏈纏結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）與熱響應性聚-N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAm）復合，純的PNIPAm智能水凝膠聚合物網絡是通過交聯劑相互連接（圖1左），而復合智能水凝膠是HPC鏈與PNIPAm鏈之間通過物理鏈纏結和弱氫鍵（圖1右）連接。結果表明，由于鏈纏結和氫鍵并不阻礙聚合物網絡結構的運動使得PNIPAm-HPC復合水凝膠的智能功能得到了提高、循環穩定性更好、響應速度更快、抗干燥/防凍能力增強的同時還具有節約能源的性能（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、循環穩定性、響應速度和抗干燥/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，還可以應用于人造皮膚、建筑圍護結構和軟機器人。相關工作以“Entanglement in Smart Hydrogels: Fast Response Time, Anti-Freezing and Anti-Drying”為題發表在《Advanced Functional Materials》上（2023，2211027）。文章第一作者是武漢紡織大學碩士研究生馮宇琴。

圖1 傳統智能水凝膠（左）和采用HPC鏈纏結/氫鍵連接的智能水凝膠（右）的結構

圖2 PNIPAm-HPC復合水凝膠的多功能性：防凍、防干燥、智能功能、響應時間、和耐久性分析

圖3 鏈纏結方法在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用研究，該項工作是課題組近期在熱致變色智能窗戶領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。該工作為智能節能建筑圍護結構，尤其是智能節能玻璃的開發提供了新的視野。

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

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（責任編輯：xu）

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