一种用于智能控温的水凝胶的制备方法及应用方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于智能控温的水凝胶的制备方法，包括以下过程：将N-异丙基丙烯酰胺溶于蒸馏水中，然后加入交联剂和引发剂，交联剂和引发剂溶解后，再加入引发剂催化剂，在15℃—25℃的恒温条件下反应，制得水凝胶。该制备方法简单，且制备出的水凝胶具有良好的散热性和可循环性，可实现以环保节能、可循环利用的方式对待温控物体进行温度控制。同时，还公开了该水凝胶的应用方法，将水凝胶置于待温控物体的表面，水凝胶对待温控物体的温度进行调节。
【专利说明】ー种用于智能控温的水凝胶的制备方法及应用方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及高分子技术材料领域，具体来说，涉及一种用于智能控温的水凝胶的制备方法及应用方法。
[0003]
【背景技术】
[0004]高分子水凝胶材料是ー类能迅速吸收水分而又不溶于水的交联材料，具有高分子电解质特性，是ー类能够融吸水、保水、缓释于一体迅速发展的功能高分子材料。高分子材料本身的特殊性能吸引了越来越多的探究与关注，其应用已经渗入到药物缓释，冷却控温，沙漠防治，节能环保等各个领域。高分子水凝胶材料种类较多，其中智能材料占据重要地位。所谓的智能材料是ー种能感应周围环境变化，并且对环境的变化做出相应响应的ー种材料。这种材料在环境变化的情况下，如在光，热，PH，生物大分子等刺激下，自身的某些物理或者化学性质如相态、表面能、反应速率等会发生相应变化。
[0005]目前，大量人口聚居在城市地区，然而城市建筑物的冷却过程耗能巨大，这迫切需要ー种既廉价又具有良好降温特性且能循环利用的材料对建筑物控温冷却。近期我国投入大量人力物力来提高能源利用率，寻找节能环保能源，特别是对太阳能的利用，并且独立开发研究了诸多的エ业的和民用的设施。但是利用太阳能调整控制周围环境的温度却鲜有报道。
[0006]众所周知，水是最好的降温工具，每蒸发一公斤水，就能带走2兆焦耳的热量，在屋顶放置5毫米厚的水层就能保持房间的清凉。近年来，新型可持续冷却材料相继诞生:介孔材料常被用来储存和释放水、通过激发水蒸发以实现温度冷却或利用红外反射涂层以降低热量的吸收。这些材料的不足之处在于它们不能适应环境的迅速变化。
[0007]
【发明内容】
[0008]技术问题:本发明所要解决的技术问题是:提供一种用于智能控温的水凝胶的制备方法，该制备方法简单，且制备出的水凝胶具有良好的散热性和可循环性，可实现以环保节能、可循环利用的方式对待温控物体进行温度控制。同时，本发明还提供了水凝胶的应用方法，将其应用于物体的温控，尤其是建筑物的温控，具有可持续性，且节能环保。
技术方案:为解决上述技术问题，本发明可采用以下技术方案实现:
一种用于智能控温的水凝胶的制备方法，该制备方法包括以下过程:将N-异丙基丙烯酰胺溶于蒸馏水中，然后加入交联剂和引发剂，交联剂和引发剂溶解后，再加入引发剂催化剂，在15°C~25°C的恒温条件下反应，制得水凝胶。
[0009]进ー步，所述的恒温条件下反应:T4h，且在反应结束后，用蒸馏水冲洗，然后在25°C和40°C相转变三次，制得水凝胶。
[0010]进ー步，所述的交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺。
[0011]进ー步，所述的引发剂为过硫酸铵或者过氧化苯甲酰，引发剂催化剂为N，N，N’，N’_四甲基二こ胺。
[0012]进ー步，所述的交联剂与N-异丙基丙烯酰胺的质量比为1: 20— 50。
[0013]进ー步，所述的引发剂与N-异丙基丙烯酰胺的质量比为1:50—100。
[0014]进ー步，所述的引发剂催化剂与引发剂的质量比为1:1一 2。
[0015]进ー步，所述的蒸馏水与N-异丙基丙烯酰胺的质量比为3 — 4:1。
一种水凝胶的应用方法，将水凝胶置于待温控物体的表面，水凝胶对待温控物体的温度进行调节。
[0016]有益效果:与现有技术相比，本发明具有以下优点:
1.本发明的制备方法制备的水凝胶具有良好的智能温控功能。聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶具有特殊的温度敏感性。当温度高于32°C时，凝胶体积发生不连续的收缩现象，温度升高，导致分子与水分子间的氢键破坏，由于聚N-异丙基丙烯酰胺的疏水相互作用，水凝胶从亲水态膨胀后转化为疏水态，从而使体积缩小释放水份，带走部分热量，保持体系温度稳定。不同的合成温度对聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶性能具有很大的影响:在低温下合成，水凝胶呈现透明态；在高温下合成，水凝胶则呈现乳白色性状。该变色发汗水凝胶为层状固态水凝胶，由于发汗特性，表面一直保持湿润，不结売，使用方便，具有良好的温控功效。`
[0017]2.可循环利用，且散热性能卓越。相比于一般的水凝胶，多次循环后，本发明制备的水凝胶不会结壳，高温下，水分的挥发不会受到影响。而一般的水凝胶几次循环以后在凝胶表面就会使凝胶组分聚集在表面形成一层凝胶売，阻止水分挥发。本发明制备的水凝胶循环利用性能较好，能多次循环利用。同时，本发明制备的水凝胶具有卓越的散热性能，能快速散热，維持房屋在35°C左右。
[0018]3.本发明的制备方法简单，生产成本低，节能环保。
[0019]
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明制备的水凝胶实现智能控温的示意图。
[0021]图2为本发明实施例制备的水凝胶与传统水凝胶对模拟房顶散热的温度曲线图，其中，B线表示空白对照温度曲线，C线表示现有水凝胶散热温度曲线，D线表示实施例1制备的水凝胶的散热温度曲线，E线表示实施例4制备的水凝胶的散热温度曲线，F线表示实施例8制备的水凝胶散热温度曲线；在图2中，五个线条的最右端，从上向下，依次为B、C、F、E、D0
[0022]图3为放置本发明实施例4制备的水凝胶和没有放置水凝胶的情况下，房顶在模拟光照下循环第1次、第75次、第100次的温度曲线图，其中，B线表示实施例4的循环曲线，C线表示空白循环测试曲线。
[0023]【具体实施方式】
[0024]下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
[0025]本发明的一种用于智能控温的水凝胶的制备方法，该制备方法包括以下过程:将N-异丙基丙烯酰胺単体、交联剂、蒸馏水加入烧杯，超声5分钟，以便溶解完全，加入引发剂和引发剂催化剂，超声5分钟后迅速倒入模具中，将温度控制在在15°C~25°C的恒温条件下，反应2至5小吋，就形成了具有交联网状的水凝胶。交联剂与N-异丙基丙烯酰胺的质量比为1: 20— 50。弓丨发剂与N-异丙基丙烯酰胺的质量比为1:50—100。引发剂催化剂与引发剂的质量比为1:1一2。蒸馏水与N-异丙基丙烯酰胺的质量比为3 — 4:1。
作为优选方法，交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺。引发剂为过硫酸盐或者过氧化苯甲酰。引发剂催化剂为N，N，N’，N’-四甲基二こ胺。
[0026]进ー步，所述的恒温条件下反应:T4h，且在反应结束后，用蒸馏水冲洗，然后在25°C和40°C相转变三次。制得水凝胶。冲洗并且相转变三次可消除水凝胶中不利影响，确保相转变完全
ー种上述制备方法制备的水凝胶的应用方法，将水凝胶置于待温控物体的表面，水凝胶对待温控物体的温度进行调节。该待温控物体优选为建筑物或者车辆。
[0027]在应用中，将水凝胶置于透明有机板上，如PC板、PVC板等。在水凝胶表面铺ー层透水介孔薄膜，防止智能水凝胶的磨损。
[0028]本发明制备的水凝胶具有良好的智能温控功能。具体的智能温控原理为:水凝胶的最低相变温度记为LCST，当待温控物体的温度低于LCST吋，水凝胶为亲水膨胀态，且为无色透明的凝胶，阳光照射到待温控物体，待温控物体温度升高；当待温控物体的温度高于LCST时，水凝胶由无色透明变成白色不透光的凝胶，阻止阳光照射待温控物体，同时，水凝胶由亲水膨胀态变成疏水收缩态，水凝``胶渗出的水分，水分挥发，带走待温控物体的热量，降低待温控物体的温度，从而实现水凝胶对待温控物体的温度控制。聚N-异丙基丙烯酰胺(文中简称=PNIPAM)水凝胶具有特殊的温度敏感性。当温度高于32°C (即LCST为32°C)时，凝胶体积发生不连续的收缩现象，温度升高，导致分子与水分子间的氢键破坏，由于聚N-异丙基丙烯酰胺的疏水相互作用，水凝胶从亲水态膨胀后转化为疏水态，从而使体积缩小释放水份，带走部分热量，保持体系温度稳定。不同的合成温度对聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶性能具有很大的影响:在低温下合成，水凝胶呈现透明态；在高温下合成，水凝胶则呈现乳白色性状。
[0029]也就是说，如图1所示，本发明的智能控温水凝胶，当表面温度达到或超过LCST时，它发生“变色”，由无色透明变成白色不透光的凝胶，同时，水凝胶有亲水膨胀态变成疏水收缩态，表观上表现为水凝胶收缩并且表面出现水滴的聚集，如同“流汗”，然后通过渗出的水分的挥发来带走大量的热量，从而实现快速控温降温的目的。利用LSCT作为阳光透过的“开关”来控制阳光的照射与否，以达到的控温降温的目的。
[0030]在阳光照射下，传统水凝胶的表面很容易干燥结壳，阻止水分进ー步的蒸发，无法起到持续降温的作用。而本发明的水凝胶，当温度较高，水凝胶变色，阻止阳光进入房间；当温度较低，水凝胶透明，允许阳光进入室内升高室温。随着一年四季温度的变化，本发明制备的水凝胶可自行调节自身顔色的变化，进而进行控温。这ー智能水凝胶在城市建筑物方面的应用可以大大降低能量损耗。[0031]下面例举实施例和对比例，来说明本发明制备的水凝胶所具有的良好的智能控温功效。
[0032]实施例中所用仪器:
红外线加热灯，功率1000W，购于上海奥悦电子有限公司；
机械搅拌器，功率160W，购于南京以马内利有限公司； 真空干燥箱，购于南京以马内利有限公司。
[0033]本发明实施例中所用试剂:
NIPAM (即N-异丙基双丙烯酰胺)，化学纯，北京百灵威科技有限公司制作；
HEMA，化学纯，阿拉丁试剂有限公司制作；
过硫酸铵，分析纯，阿拉丁试剂有限公司制作；
MBA，分析纯，阿拉丁试剂有限公司制作；
TEMED,分析纯，阿拉丁试剂有限公司制作；
PC透明板和介孔薄膜(孔径0.45微米)均购于苏州迪迈塑胶有限公司。
[0034]实施例1
称取NIPAM 5.0 g，N，N-亚甲基双丙烯酰胺0.lg，蒸馏水20 ml，加入烧杯中溶解完全，加入过硫酸铵0.0625 g溶解完全，加入N，N，N’，N’-四甲基二こ胺0.031 25g，30秒内将溶液加入模具中反应四小时，反应结束后，蒸馏水冲洗三次，在25で和40で相转变三次，制成水凝胶。
[0035]水凝胶的透光性能测试。测试过程:将蓝色塑料针头置于制备好的弧状智能水凝胶下，观察水凝胶透光性；40°C加热水凝胶，十分钟后将蓝色针头置于水凝胶下方，观察水凝胶透光性。测试结果如图2所示。图2中纵坐标表示温度，横坐标表示时间。测试结果为图2中的D表示的线条。从图2中可以看出:空白PC板房顶温度为62 °C左右，本实施例的PNIPAM水凝胶能将模拟房顶控制在35°C左右，传统水凝胶仅仅能将温度降低在52°C左右。PNIPAM水凝胶体现出卓越的控温降温能力，并且能够持续控温三个小时以上。
[0036]水凝胶的散热性能进行测试:制备模拟屋顶，将该PNIPAM水凝胶放置在PC板(支架)上，水凝胶表面铺一次尼龙透水薄膜(孔径0.45微米)，将制备好的模拟房地置于红外灯下15 cm处，光照3小时，每隔10秒记录温度变化。待循环一次后，在20°C下，让水凝胶充分吸水后重复进行散热性能测试，循环测试100次。測量结果如表1所示。
[0037]测试该水凝胶含水率、厚度变化。测试含水率的方法:用滤纸将水凝胶表面水清除，称取其重量，測量厚度，然后干燥箱干燥12小吋，即得干凝胶，測量干凝胶厚度和重量。測量结果如表1所示。
[0038]本实施例的水凝胶表现为可透光并且可循环利用大于ー百次。
[0039]实施例2
称取NIPAM 5.0 g，N，N-亚甲基双丙烯酰胺0.15 g，蒸馏水17.5ml，加入烧杯中溶解完全，加入过硫酸铵0.0625 g溶解完全，加入N，N，N’，N’-四甲基二こ胺0.03125 g，30秒内将溶液加入模具中，反应三小时，反应结束后，用蒸馏水冲洗三次，在25で和40で相转变三次，制成水凝胶。
[0040]测试该水凝胶透光性能、含水率。測量方法如实施例1所示。測量结果如表1所示。本实施例的水凝胶表现为可透光并且可循环利用大于ー百次。[0041]实施例3
称取NIPAM 5.0 g，N，N-亚甲基双丙烯酰胺0.2g，蒸馏水17.5ml，加入烧杯中溶解完全，随后加入过硫酸铵0.0625 g溶解完全，加入N，N，N’，N’ -四甲基二こ胺0.03125g, 30秒内将溶液加入8X8 cm的模具中反应四小时，反应结束后，用蒸馏水冲洗三次，在25で和40 V相转变三次，制成水凝胶。
[0042]测试该水凝胶透光性能、含水率。測量方法如实施例1所示。測量结果如表1所示。本实施例的水凝胶表现为可透光并且可循环利用大于ー百次。
[0043]实施例4
称取NIPAM 5.0 g，N，N-亚甲基双丙烯酰胺0.25 g，蒸馏水15 ml，加入烧杯中溶解完全，加入过氧化苯甲酰0.0625 g溶解完全，加入N，N，N’，N’-四甲基二こ胺0.03125 g，30秒内将溶液加入模具中反应四小时，反应结束后，用蒸馏水冲洗三次，在25で和40で相转变三次，制成水凝胶。
[0044]测试该水凝胶透光性能、散热性能、含水率。測量方法如实施例1所示。測量结果如表1所示。本实施例的水凝胶表现为可透光并且可循环利用大于ー百次。
[0045]透光性能测试结果为:当温度低于32°C时候，可以观察到本实施例制得的PNIPAM水凝胶下的蓝色针头；当将智能水凝胶温度升高超过32°C时，水凝胶迅速变白，无法观察到蓝色针头。
[0046]散热性能测试结果如图2所示。从图2可以看出:空白PC板房顶温度为62°C左右，PNIPAM水凝胶能将模拟房顶控制在34°C左右，传统水凝胶仅仅能将温度降低在52°C左右。本实施例的PNIPAM水凝胶`体现出卓越的控温降温能力，并且能够持续控温三个小时以上。
[0047]循环测试结果如图3所示。图3中横坐标表示时间，纵坐标表示温度。从图3中可知:第一次循环，PNIPAM水凝胶能将平均温度为62°C的普通房顶控制在35°C，第75次循环测试可以将60°C普通房顶控温在34°C左右，在第一百次循环测试可以将63°C普通房顶控制在37°C左右。循环测试和散热测试证实了本发明制备的水凝胶具有很好的循环性，可以循环多次使用。测试结果如表一所示。
[0048]实施例5
称取NIPAM5.0g, N，N-亚甲基双丙烯酰胺0.25g，蒸馏水15ml，加入烧杯中溶解完全，加入过硫酸铵0.05g溶解完全，加入N，N，N’，N’ -四甲基二こ胺0.025g, 30秒内将溶液加入模具中反应四小时，反应结束后，用蒸馏水冲洗三次，在25°C和40°C相转变三次，制成水凝胶。
[0049]测试该水凝胶透光性能、含水率。測量方法如实施例1所示。測量结果如表1所示。本实施例的水凝胶表现为可透光并且可循环利用大于ー百次。
[0050]实施例6
称取NIPAM5.0g, N，N-亚甲基双丙烯酰胺0.25g，蒸馏水15ml，加入烧杯中溶解完全，加入过硫酸铵0.1g溶解完全，加入N，N，N’，N’ -四甲基二こ胺0.0625g, 30秒内将溶液加入模具中反应四小时，反应结束后，用蒸馏水冲洗三次，在25°C和40°C相转变三次，制成水凝胶。
[0051]测试该水凝胶透光性能、含水率。測量方法如实施例1所示。測量结果如表1所示。本实施例的水凝胶表现为可透光并且可循环利用大于ー百次。
[0052]实施例7
称取NIPAM 5.0g, N，N-亚甲基双丙烯酰胺0.25g，蒸馏水15ml，加入烧杯中溶解完全，加入过氧化苯甲酰0.05g溶解完全，加入N，N，N’，N’ -四甲基二こ胺0.05g，30秒内将溶液加入模具中反应3.5小吋，反应结束后，用蒸馏水冲洗三次，在25°C和40°C相转变三次，制成水凝胶。[0053]测试该水凝胶透光性能、含水率。測量方法如实施例1所示。測量结果如表1所示。本实施例的水凝胶表现为可透光并且可循环利用大于ー百次。
[0054]实施例8
称取NIPAM5.0g，交联剂N，N-亚甲基丙烯酰胺0.25g，蒸馏水15ml，加入烧杯中溶解完全，加入过硫酸铵0.1Og溶解完全，加入N，N，N’，N’_四甲基二こ胺0.lg，30秒内将溶液加入模具中反应四小时，反应结束后，用蒸馏水冲洗三次，在25°C和40°C相转变三次，制成水凝胶。
[0055]测试该水凝胶透光性能、散热性能、含水率。測量方法如实施例1所示。
[0056]散热性能测试结果如图2所示。从图2可以看出:空白PC板房顶温度为62°C左右，本实施例的PNIPAM水凝胶能将模拟房顶控制在37°C左右，传统水凝胶仅仅能将温度降低在52°C左右。本实施例的PNIPAM水凝胶体现出卓越的控温降温能力，并且能够持续控温三个小时以上。
[0057]透光性能测试结果如表1所示。本实施例的水凝胶表现为可透光并且可循环利用大于ー百次。
[0058]表1
【权利要求】
1.一种用于智能控温的水凝胶的制备方法，其特征在干，该制备方法包括以下过程:将N-异丙基丙烯酰胺溶于蒸馏水中，然后加入交联剂和引发剂，交联剂和引发剂溶解后，再加入引发剂催化剂，在15°C~25°C的恒温条件下反应，制得水凝胶。
2.按照权利要求1所述的用于智能控温的水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的恒温条件下反应3~4h，且在反应结束后，用蒸馏水冲洗，然后在25°C和40°C相转变三次，制得水凝胶。
3.按照权利要求1所述的用于智能控温的水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺。
4.按照权利要求1所述的用于智能控温的水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的引发剂为过硫酸铵或者过氧化苯甲酰，引发剂催化剂为N，N，N’，N’ -四甲基二こ胺。
5.按照权利要求1所述的用于智能控温的水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的交联剂与N-异丙基丙烯酰胺的质量比为1: 20— 50。
6.按照权利要求1所述的用于智能控温的水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的引发剂与N-异丙基丙烯酰胺的质量比为1:50—100。
7.按照权利要求1所述的用于智能控温的水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的引发剂催化剂与引发剂的质量比为1:1一2。
8.按照权利要求1所述的用于智能控温的水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的蒸馏水与N-异丙基丙烯酰胺的质量比为3 — 4:1。
9.一种权利要求1所述的制备方法制备的水凝胶的应用方法，其特征在于，将水凝胶置于待温控物体的表面，水凝胶对待温控物体的温度进行调节。`
10.按照权利要求9所述的制备方法制备的水凝胶的应用方法，其特征在于，所述的待温控物体为建筑物或者车辆。
【文档编号】C08F220/54GK103554356SQ201310511123
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2013年10月25日
【发明者】姜勇, 朱明露, 田艳芝 申请人:东南大学