专利名称：包含具有热感应自组装性质的非离子表面活性剂的组合物及其在智能玻璃技术中的应用的制作方法
技术领域：
本发明主题大体上涉及具有热感应自组装性质的表面活性剂在改变含有该表面活性剂的组合物的透明度或不透明度中的用途。在这方面，代表性的表面活性剂包括含有聚乙氧基的那些表面活性剂，如三嵌段聚合物聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(ΡΕ0-ΡΡ0-ΡΕ0 或EPE)
γΜ崎
CH3·
或4-辛基酚聚氧乙烯醚(ΤΧ-100 ):
O
背景技术：
智能窗户是可以感觉到外部刺激(如光、热、或电)并对这些刺激产生响应的系统。其能控制光的通过，具有可逆控制室内光和温度的优点，有望用在下一代家庭或工业窗户上。多年以来，已对各种各样的系统进行了测试。智能液体和水凝胶已带动新型材料的发展，这些新型材料已被用在光学和材料科学等多种领域中。(见 Y. D. Ling, M. G. Lu, Journal of Polymer Research 2009, 16, 29; G.Mascij C. Camettij Journal of Physical Chemistry B 2009, 113, 11421;J. Zhang,L.Y. Chuj Y. K. Li, Y. M. Lee，Polymer 2007，48，1718; S. F. Yanj J. B. Yin, Y. Yuj K. Luoj X.
S.Chen,Polymer International 2009，58，1246;J.R. Moon, J. H. KimjMacromolecularResearch 2008，16，489;J.P.Chen,T. H. Cheng, Polymer 2009，50，107;D.Chacon,Y.L. Hsieh，M. J. Kurth，J. M. Krochtaj Po lymer 2000，41，8257 ; B. Tasdelen，N.Kayaman-Apohanj0. GuvenjB.M.Baysalj Polymers for Advanced Technologies2004，15，528 ; D. Schmaljohann，D. Beyerlein，M. Nitschke，S. Zschoche，C.Werner,Abstracts of Papers of the American Chemical Society 2003，225，U709;N.MorimotojT. OhkijK. KuritajK. AkiyoshijMacromolecular Rapid Communications2008, 29, 672; Y. Y. Lang, S. M. Li, W. S. Pan, L. Y. Zheng, Journal of Drug Delivery Scienceand Technology 2006，16，65; H. Yang，Y. B. Tan，Y. X. Wang，Soft Matter2009，5，3511)。这些材料通常可以划分为三类电致变色材料、热致变色材料和光致变色材料。例如，电致变色窗户通常是由液晶夹在两个涂覆有氧化铟锡(ΙΤ0，一种透明导电材料)的玻璃或塑料面板之间的结构构成的。当向ITO施加电压时，液晶分子的取向改变，从而能够允许或防止光通过所述窗户。同样，热致变色智能窗户通常利用二氧化钒(VO2)类的材料，此类材料在临界温度Tc下从半导体结构转变为金属结构。该转变伴随光学性质的突变，从透明转变为不透明。目前人们正在考虑将这些热致变色材料用在热调节智能窗户、智能屋顶、用在信息和交通工程上的大面积显示屏以及在医学技术上的温度感应应用中(见A. Seebothj J. Kriwanekj R. Vetter, Journal of Materials Chemistry 1999，9，2277 ; W.Y. Chung, S. M. Lee, S. M. Kooj D. H. Suhj Journal of Applied Polymer Science2004，91，890 ;K. C. Labropoulosj D. E. Nieszj S. C. Danforthj P. G. Kevrekidisj Carbohydr.Polym. 2002，50，393)。所谓智能液体和水凝胶的应用是以随着温度或电场变化而产生的不透明-透明可逆性质为基础的，利用该性质能控制光的通过。在过去的几十年里，人们已经广泛研究了对外部温度敏感的可逆热致变色液体和水凝胶，但是除聚(N-异丙基丙烯酰胺) (PNIPAAm)水凝胶之外的热致变色水凝胶很少被研究。PNIPAAm水凝胶是已知的对温度最敏感的聚合物网络，基于此衍生出多种水凝胶。(见Y. D. Ling, et al. ;G. Masci, et al. ;J.Zhang, et al. ; S. F. Yan, et al. ; J. R. Moon, et al. ; J. P. Chen, et al. ; D. Chacon, et al.)所有这些水凝胶都具有当温度或pH改变时体积相转变的性质。(见B. Tasdelen, et al. ;D.Schmaljohann, et al. ; N. Morimoto, et al. ; Y. Y. Lang, et al.)最近，Ling 等人手艮道了在 1 水中制备的一种PNIPAAm水凝胶，它能随着NaCl的浓度增大而发生透明到不透明的转变。然而，这种在高浓度NaCl中的水凝胶由于其弱的强度和/或其特定的体积相转变而容易破碎。Yang等人研究了一种由葫芦[6]脲和4-甲基苯磺酸丁基_1_铵组成的热响应超分子水凝胶，它能随着温度变化产生凝胶(不透明)_溶液(透明)的转变。Seeboth等人和Chung等人研发了若干类型的水凝胶，其中染料嵌入在聚乙烯醇/硼砂/表面活性剂凝胶网络中，这些水凝胶随着温度改变能产生可逆的颜色转变。总之，很多目前已知的热感应水凝胶具有很多优点，如不需要有机溶剂、不易燃烧、能降解、并且具有高透明度，但材料的高成本限制了它们的实际应用，特别是在大面积智能窗户、屋顶领域中的应用。相比之下，本发明描述的稳定、易调节、无害、能生物降解的液体和水凝胶可由诸如具有热感应自组装性质的表面活性剂和水凝胶基底(如琼脂糖)之类的便宜易得的工业原料制成的。
发明内容
本发明涉及一种包括热感应非离子表面活性剂的液体或水凝胶组合物，该组合物以可逆方式对温度进行响应。优选的是，通过提高温度，该组合物能获得混浊的外观。混浊出现时的温度称为浊点或不透明-透明转化温度(0TTT)。当温度降低时，这种现象可逆。在一个实施方案中，本发明涉及这样一种液体或水凝胶组合物，其包含具有热感应自组装性质的表面活性剂；添加剂；液体载体；和任选的水凝胶基材，其中在不透明-透明转变温度(OTTT)或更高温度下，所述组合物会变得不透明。在另一个实施方案中，本发明涉及这样一种液体或水凝胶组合物，其中所述具有热感应自组装性质的表面活性剂为含有聚乙氧基的非离子表面活性剂。在又另一个实施方案中，本发明涉及这样一种液体或水凝胶组合物，其中所述非离子表面活性剂选自由聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯、4-辛基酚聚氧乙烯醚以及他们的混合物所组成的组。在还另一个实施方案中，本发明涉及这样一种液体或水凝胶组合物，其中所述添加剂选自由氯化钠(NaCl)、十二烷基硫酸钠、硫酸钠(Na2S04)、硫酸镁(MgS04)、氯化镁(MgCl2)、硫酸钙(CaS04)、氯化钙(CaCl2)、氯化铁(FeCl3)、聚丙烯酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇及其混合物所组成的组。在另一个实施方案中，本发明涉及这样一种液体或水凝胶组合物，其中当所述表面活性剂是EPE时，添加剂为NaCl、十二烷基硫酸钠或它们的混合物。在又一个实施方案中，本发明涉及这样一种液体或水凝胶组合物，其中当所述表面活性剂是TX-100时，添加剂是硫酸钠。
在另一个实施方案中，本发明涉及这样一种液体或水凝胶组合物，其中所述液体载体是水。在还另一个实施方案中，本发明涉及这样一种液体或水凝胶组合物，其中所述组合物为液体的形式。在又另一个实施方案中，本发明涉及这样一种液体或水凝胶组合物，其中所述组合物为水凝胶的形式。在另一个实施方案中，本发明涉及这样一种液体或水凝胶组合物，其中所述组合物包含水凝胶基材。在还另一个实施方案中，本发明涉及这样一种液体或水凝胶组合物，其中所述水凝胶基材选自由多糖、多肽、丙烯酸衍生物以及它们的混合物所组成的组。丙烯酸衍生物包括聚丙烯酸及其衍生物、聚甲基丙烯酸及其衍生物、聚丙烯酰胺及其衍生物、以及含有丙烯酸和/或甲基丙烯酸单体的聚合物。在又一个实施方案中，本发明涉及这样一种液体或水凝胶组合物，其中所述水凝胶基材是琼脂糖。在另一个实施方案中，本发明涉及一种装置，包括至少两个透明面板，该面板被布置为中间形成有空隙；所述液体或水凝胶组合物设置在所述至少两个面板之间的空隙中；其中在不透明-透明转变温度(OTTT)或更高温度下，所述组合物会变得不透明。在还另一个实施方案中，本发明涉及这样一种装置，其中所述透明面板选自由玻璃、聚合物膜以及氧化铟锡(ITO)玻璃面板所组成的组。在又另一个实施方案中，本发明涉及这样一种装置，其中所述面板具有嵌入其中的铜线。在又一个实施方案中，本发明涉及这样一种装置，其中施加电场以加热所述铜线，继而加热所述空隙之间的液体或水凝胶组合物。在另一个实施方案中，本发明涉及一种控制窗户、墙壁或屋顶的透明度的方法，包括制备含有液体或水凝胶组合物的装置，并通过控制所述组合物中所含添加剂的量来调节所述液体或水凝胶组合物变为不透明时的温度。
下面将参照附图对各种实施方案进行详细说明。
图I (a)示出未加热情况下分散在水中的EPE分子；(b)示出温度升高导致胶束的生成；并且(C)示出温度进一步升高导致胶束聚集从而形成团簇。图2 (a)和(b)为证明粒子大小与光透射的关系的示意图；(c)_ (f)为在不同温度下检测到的荧光点。图3 (a)为示出在600nm下测定的SDS浓度对EPE水溶液透光率影响的曲线图，并且(b)为示出SDS浓度对半透明温度的影响的曲线图。图4 (a)为示出对未添加SDS的lw/V/oEPE水溶液在400nm到800nm波长范围内测得的透明度的曲线图，(b)为对添加有O. 5w/v%SDS的lw/V/oEPE水溶液在400nm到800nm波长范围内测得的透明度的曲线图；(c)_ (e)分别示出通过将EPE液体夹在两块ITO涂覆的玻璃面板之间而制作的智能窗户，其中图(c)在室温下工作，图(d)通过施加电压而在43°C下工作，图(e)在45°C下工作。图5是热感水凝胶的可能形成机理。(a)含有琼脂糖、表面活性剂和罗丹明B的初始水凝胶的制备工艺，(b) 25°C下的含罗丹明B的水凝胶，(c) 55°C下的含罗丹明B的水凝胶，Cd)在25°C下检测的荧光点，Ce)在55°C下检测的荧光点。图6为示出在200nm-1IOOnm范围内对如下水凝胶测得的透明度曲线图(a) Iw/v%EPE>0. 5w/v% 琼脂糖水凝胶，(b) lw/v%EPE>0. 6w/v%SDS>0. 5w/v% 琼脂糖水凝胶，(c) 2w/ν%ΤΧ-100、0· 5w/v% 琼脂糖水凝胶，(d) 2%ΤΧ-100、0· 2Μ Na2S04、0. 5w/v% 琼脂糖水凝胶。插图中为不同温度下的处于玻璃管中的水凝胶照片。
图7为示出在350nm、700nm和IlOOnm的不同波长下测定的(a) SDS浓度对EPE水凝胶透光率的影响曲线图，以及(b) Na2SO4 (SS)浓度对TX-100水凝胶透光率的影响曲线图。图8为示出在350nm、700nm和IlOOnm下测定的添加剂(SDS、Na2SO4)浓度对水凝胶的不透明温度的影响的曲线图。图9为示出水凝胶的热传导的曲线图，Ca)为在不同加热时间下的温度随距离变化的曲线图，(b)为在不同位置处的温度随加热时间变化的曲线图。图10示出不同温度下的智能水凝胶膜，水凝胶膜处于(a)25°C，(b)52°C，(c)55°C的水中；水凝胶膜处于(d) 25°C, Ce) 52°C, (f) 55°C的空气中；水凝胶膜处于(g) 25°C (插图示出一片水凝胶膜，其OTTT为41 °C )，( h ) 39 °C，( i ) 41 °C的温室模型中。
具体实施例方式提供下述定义是为了理解本发明并且用于解释所附的权利要求书。应当注意的是，本说明书和所附权利要求书中，单数形式“一种”、“该”、“所述”包括所指对象多于一个的情况，除非所述内容明确表示为其它含义。“不透明-透明转变温度”是指透明组合物变得混浊或不透明时的温度。“浊点”是指所溶解的固体不再全部溶解时的温度，其作为第二相沉淀使得流体呈现混浊外观。“会溶温度”是指在该温度下对所有组成而言热运动克服相分离的倾向。“琼脂糖”是由琼脂二糖的重复糖单元构成的线性聚合物
权利要求
1.一种液体或水凝胶组合物，包含 a.具有热感应自组装性质的表面活性剂； b.添加剂； c.液体载体；以及 d.可任选的水凝胶基材， 其中在不透明-透明转变温度(OTTT)或更高温度下，所述组合物会变得不透明。
2.根据权利要求I所述的组合物，其中所述具有热感应自组装性质的表面活性剂是含有聚乙氧基的非离子表面活性剂。
3.根据权利要求2所述的组合物，其中所述非离子表面活性剂选自由聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯、4-辛基酚聚氧乙烯醚及其混合物组成的组。
4.根据权利要求I所述的组合物，其中所述添加剂选择由氯化钠、十二烷基硫酸钠、硫酸钠、硫酸镁、氯化镁、硫酸钙、氯化钙、氯化铁、聚丙烯酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、以及它们的混合物组成的组。
5.根据权利要求3所述的组合物，其中当所述表面活性剂为EPE时，所述添加剂为氯化纳、十~■烧基硫酸纳或其混合物。
6.根据权利要求3所述的组合物，其中当所述表面活性剂为TX-100时，所述添加剂为硫酸钠。
7.根据权利要求I所述的组合物，其中所述液体载体为水。
8.根据权利要求I所述的组合物，其中所述组合物为液体形式。
9.根据权利要求I所述的组合物，其中所述组合物为水凝胶形式。
10.根据权利要求9所述的组合物，其中所述组合物包含水凝胶基材。
11.根据权利要求10所述的组合物，其中所述水凝胶基材选自由多糖、多肽、丙烯酸衍生物及其混合物组成的组。
12.根据权利要求11所述的组合物，其中所述水凝胶基材为琼脂糖。
13.一种装置，包括 a.至少两片透明的面板，其被设置为在所述面板之间形成空隙；以及 b.权利要求I所述的液体或水凝胶组合物，其被设置在所述至少两片面板之间的空隙中； 其中在不透明-透明转变温度(OTTT)或更高温度下，所述组合物会变得不透明。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述透明面板选自由玻璃、聚合物膜以及氧化铟锡(ITO)玻璃面板组成的组。
15.根据权利要求13所述的装置，其中所述面板具有嵌入其中的铜线。
16.根据权利要求15所述的装置，其中施加电场以加热所述铜线，继而加热容纳在所述空隙中的所述液体或水凝胶组合物。
17.—种控制窗户、墙壁或屋顶的透明度的方法，包括制备根据权利要求13所述的装置，并通过控制所述组合物中所含的添加剂的量来调节所述液体或水凝胶组合物变为不透明时的温度。
全文摘要
本发明大体上涉及具有热感应自组装性质的表面活性剂在改变含有该表面活性剂的组合物的透明度或不透明度方面的应用，其中所述表面活性剂为诸如聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯或4-辛基酚聚氧乙烯醚之类的表面活性剂。本发明的组合物可用于智能窗户技术中。
文档编号B32B17/06GK102892834SQ201080054658
公开日2013年1月23日 申请日期2010年11月30日 优先权日2009年12月1日
发明者温维佳, 沈平, 李家星, 龚秀清 申请人:香港科技大学