本发明涉及tpu膜，具体涉及一种光致变色tpu膜及其制备方法。
背景技术：
1、近年来，为实现节能减排目标，智能窗技术在光学调节和热量管理领域展现出重要的应用前景，受到广泛关注。在智能窗技术中，光致变色和热致变色材料因其被动调节太阳辐射的能力成为研究重点。其中，二氧化钒作为一种典型的热致变色材料，依赖其独特的金属-绝缘体相变特性，可在68℃附近通过相变由高透光状态切换至高反射状态，从而实现太阳辐射的智能调控。然而，二氧化钒在实际应用中仍存在多种技术瓶颈，包括较高的相变温度、不理想的颜色表现(通常为暗黄色)、化学稳定性不足，以及在透明度与太阳能调控能力(δtsol)之间难以实现平衡。此外，基于钙钛矿的tc材料虽然具有较高的光热响应效率，但其环境稳定性差、δtsol不足，严重限制了其实际应用。相比之下，光致变色材料如三氧化钨因其光响应速度快、可逆性好及高对比度的光学调节能力，在智能窗研究中备受青睐。然而，三氧化钨材料的实际应用受到诸多问题的制约，包括光散射导致透明度下降、制备成本高昂及长期稳定性不足等。例如，三氧化钨基薄膜通常需要昂贵的磁控溅射设备进行涂层制备，且大多数pc器件需依赖液态电解质，这会因液体泄漏问题而降低长期使用稳定性。尽管使用聚合物粘合剂封装三氧化钨可以部分缓解稳定性问题，但由于三氧化钨与聚合物基质之间的折射率差异较大，复合薄膜在光通过时易产生光散射，导致透明度下降和雾度增加。
2、与三氧化钨和二氧化钒相比，五氧化二铌作为一种宽带隙的过渡金属氧化物，具有优异的化学稳定性和光致变色性能。通过各种金属离子掺杂(如铁)，五氧化二铌的光响应能力和电子迁移效率显著提升，但在实际应用中仍面临纳米颗粒易团聚、薄膜透明性和机械柔性不足等问题。此外，高分子基体的选择对于优化材料性能同样至关重要，传统的pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)尽管具有较高的透明度，但在热稳定性和耐久性方面存在不足，难以满足智能窗的长期应用需求。相比之下，tpu(热塑性聚氨酯弹性体)因其优异的弹性、机械强度及耐化学性，成为替代传统高分子材料的理想选择。基于此，本发明提出了一种光致变色tpu膜及其制备方法，通过在tpu中原位生长高度分散的小尺寸金属元素掺杂的五氧化二铌纳米颗粒，制备具有高透明度、优异机械性能和对阳光自控制能力的全柔性光致变色薄膜，为智能窗及其他光学调控领域提供了一种高效、可行的解决方案。
技术实现思路
1、本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种光致变色tpu膜及其制备方法和应用。
2、本发明的目的通过下述技术方案予以实现：本发明提供一种光致变色tpu膜，包括热塑性聚氨酯弹性体和光致变色材料；所述光致变色材料是由掺杂金属离子和nb5+以摩尔比为20-120mol％混合而成，其中，所述掺杂金属离子为cr3+、mn2+、fe3+、co2+、ni2+、cu2+或zn2+。
3、在本发明中，通过加入相应的金属盐(如cr3+、mn2+、fe3+、co2+、ni2+、cu2+或zn2+)，控制掺杂的金属(cr3+、mn2+、fe3+、co2+、ni2+、cu2+或zn2+)与nb的摩尔比为20-120mol％，以优化掺杂金属及颗粒分布浓度，且采用具有优异的弹性、机械强度及耐化学性的tpu(热塑性聚氨酯)，提高了薄膜的光致变色性能以及力学性能，确保了薄膜具有较高的太阳能透射率调控能力(δtsol)，能够在不同光照条件下实现高效的智能调控，制备出具有高透明度、优异机械性能和对阳光自控制能力的全柔性光致变色薄膜。
4、进一步的，所述光致变色材料是由掺杂金属离子和nb5+以摩尔比为20mol％、40mol％、60mol％、80mol％、100mol％或120mol％混合而成。
5、进一步的，所述光致变色tpu膜的厚度为40-60μm。
6、本发明还提供一种光致变色tpu膜的制备方法，包括如下步骤：
7、s1、将铌盐溶液溶解于3-5ml的n-甲基吡咯烷酮中，随后加入相应的掺杂金属盐，使得掺杂金属离子和nb5+摩尔比为20-120mol％，并在室温下搅拌2-5小时，得到溶液a；
8、s2、在50-70℃下，将热塑性聚氨酯弹性体溶解于6-10ml n-甲基吡咯烷酮中，冷却至室温后，再转移至6-10ml二氯乙烷中搅拌8-10小时，得到溶液b；
9、s3、在室温下，将溶液a与溶液b以体积比为1：3-5混合均匀，搅拌1-3小时，得到前驱体溶液；
10、s4、使用间隙为200-300μm的涂覆装置将前驱体溶液涂覆在玻璃基板上，涂覆完成后，将基板置于70-80℃的热板上加热20-30分钟，以蒸发溶剂，最后将干燥后的涂层从玻璃基板上剥离，得到光致变色tpu薄膜。
11、本发明采用金属原位生长技术简化了制备工艺，通过在tpu中原位生长高度分散的小尺寸金属元素掺杂的五氧化二铌纳米颗粒，制备出具有高透明度、优异机械性能和对阳光自控制能力的全柔性光致变色薄膜，避免了高能耗和复杂制备手段(如水热合成和球磨)的依赖，大幅降低了生产成本，具备良好的规模化生产潜力。
12、进一步的，在步骤s1中，所述铌盐溶液溶加入量为0.6-1g，所述铌盐溶液溶为五氯化铌。
13、进一步的，在步骤s1中，所述掺杂金属盐为crcl3、mncl2、fecl3、cocl2、nicl2、cucl2或zncl2。
14、进一步的，在步骤s2中，所述热塑性聚氨酯弹性体加入量为3-5g。
15、进一步的，在步骤s4中，在涂覆过程中，涂覆装置移动速度为100-200mm/s，玻璃基板温度为70-80℃。
16、本发明还提供一种光致变色tpu膜的应用，所述光致变色tpu膜应用于太阳能热和日光控制。
17、具体地，光致变色tpu膜广泛适用于建筑智能窗、汽车窗和光学显示设备等领域。在建筑领域，该薄膜可作为智能窗涂层，通过调节光照实现室内采光和温度的智能控制，降低能源消耗；在汽车行业，可用于车窗材料，实现遮阳降温和隐私保护，提升驾乘舒适性；在光学显示设备中，可用于调节光学特性，为智能化、节能型显示技术提供支持。
18、本发明的有益效果在于：本发明的光致变色tpu膜通过加入相应的金属盐，控制掺杂的金属与nb的摩尔比，以优化掺杂金属及颗粒分布浓度，且采用具有优异的弹性、机械强度及耐化学性的tpu，提高了薄膜的光致变色性能以及力学性能，确保了薄膜具有较高的太阳能透射率调控能力，能够在不同光照条件下实现高效的智能调控，制备出具有高透明度、优异机械性能和对阳光自控制能力的全柔性光致变色薄膜；且本发明的光致变色tpu膜可应用于太阳能热和日光控制相关的领域，适用范围广。
19、本发明光致变色tpu膜的制备方法，操作简单，控制方便，生产效率高，生产成本低，通过在tpu中原位生长高度分散的小尺寸金属元素掺杂的五氧化二铌纳米颗粒，制备出具有高透明度、优异机械性能和对阳光自控制能力的全柔性光致变色薄膜，避免了高能耗和复杂制备手段的依赖，大幅降低了生产成本，具备良好的规模化生产潜力。