[发明专利]一种PNIPAM/KCA水凝胶及其制备方法

说明书

本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种PNIPAM/KCA水凝胶及其制备方法。制备方法：以N‑异丙基丙烯酰胺(NIPAM)为聚合单体,N,N’‑亚甲基双丙烯酰胺(BIS)为交联剂,过硫酸铵(APS)为反应引发剂，在氮气环境中反应，制备生成PNIPAM水凝胶。接着向PNIPAM水凝胶中加入的是K型卡拉胶(K‑Carrageenan,KCA)，在40℃下混合搅拌生成PNIPAM/KCA水凝胶。本发明能达成PNIPAM凝胶微球的有效管控,实现PNIPAM聚合物在凝胶体系中的均匀分散,并能够抑制PNIPAM水凝胶内的凝胶微球团聚沉降行为,提高低温下的光透过率。

技术领域

本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种PNIPAM/KCA水凝胶及其制备方法。

背景技术

在我国, 建筑能源消耗占一次能源消耗的比重高达40%, 建筑设计中的节能技术的应用已然是能源决策和节能改进的重点。在众多建筑部件中, 窗体系统是建筑的保温性和密闭性方面最薄弱的环节,约60%的能量是通过窗户传导、对流和辐射流失的，优化提高窗户对室内光热的调节是提高能源利用率和舒适度的有效途径。

由于太阳辐射是室内热量的主要来源,其47%的能量分布在近红外波段(750−2500nm), 若有节能智能窗户能够自动感知周围环境温度并对近红外光进行智能调控, 那将有助于提升建筑物的节能降温效果。目前传统的响应材料通常透明度低, 太阳能透光率范围窄，而新型的热致变色水凝胶太阳光调制能力强, 适合应用于变色智能窗的研究, 在节能建筑和温室中具有良好的潜在应用前景。

聚N-异丙基丙烯酰胺 (PNIPAM)是常见的热致变色水凝胶，具有亲水性的酰胺基和疏水性的异丙基，传统的乳液聚合法制备的 PNIPAM水凝胶具有较强的扩散性, 优化了水凝胶型智能窗相变速率慢的特点, 但是降低了低温下透光率。为了提高现有的水凝胶材料的性能，本申请中涉及的合成方法利用KCA（卡拉胶）的多孔3D网络结构, 有效管控PNIPAM凝胶微球, 实现PNIPAM聚合物在凝胶体系中的均匀分散, 并能够抑制PNIPAM水凝胶内的凝胶微球团聚沉降行为,提高低温下的光透过率。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种PNIPAM/KCA热致变色水凝胶。该水凝胶中，KCA有着多孔3D网络结构，能有效管控PNIPAM微球，实现PNIPAM在凝胶体系中的均匀分散，促进水分子扩散特征响应时间短。同时，低温环境中PNIPAM/KCA水凝胶的光透过率比PNIPAM水凝胶的光透过率有明显提高。KCA/PNIPAM水凝胶太阳光调制能力优异、响应速度敏捷、性能稳定性优异，对于建筑节能有着深远的意义。

本发明的另一目的在于提供上述PNIPAM/KCA热致变色水凝胶的制备方法：制备生成PNIPAM水凝胶,聚合单体为N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM),交联剂为 N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(BIS), 反应引发剂为过硫酸铵(APS)。为避免聚合过程中氧与链自由基结合, 终止聚合, 反应过程在氮气环境中进行。之后，向PNIPAM水凝胶中加入的是K型卡拉胶(K-Carrageenan, KCA)，在40℃下混合搅拌生成凝胶。

一种PNIPAM/KCA水凝胶的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）配置含2.667 %的N-异丙基丙烯酰胺单体和0.467 %的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的水溶液,搅拌溶解后为第一单体溶液。配置含 12.281 %的N-异丙基丙烯酰胺单体和0.589 %的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的水溶液,搅拌溶解后为第二单体溶液。

（2）向四颈烧瓶中加入一定量的蒸馏水和第一单体溶液, 之后通入氮气吹出空气。在持续搅拌四颈烧瓶的同时, 加入一定量的4.156 %十二烷基硫酸钠(SDS)溶液。随后加入适量的10 %过硫酸铵(APS)水溶液,并连续搅拌一段时间,引发乳液聚合反应。

（3）在步骤（2）所得溶液中，用蠕动泵缓慢滴加第二单体,持续反应一定时间, 得到PNIPAM水凝胶。