一種用於智能控溫的水凝膠的製備方法及應用方法

2023-05-14 12:12:56 5

一種用於智能控溫的水凝膠的製備方法及應用方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於智能控溫的水凝膠的製備方法，包括以下過程：將N-異丙基丙烯醯胺溶於蒸餾水中，然後加入交聯劑和引發劑，交聯劑和引發劑溶解後，再加入引發劑催化劑，在15℃—25℃的恆溫條件下反應，製得水凝膠。該製備方法簡單，且製備出的水凝膠具有良好的散熱性和可循環性，可實現以環保節能、可循環利用的方式對待溫控物體進行溫度控制。同時，還公開了該水凝膠的應用方法，將水凝膠置於待溫控物體的表面，水凝膠對待溫控物體的溫度進行調節。
【專利說明】ー種用於智能控溫的水凝膠的製備方法及應用方法
[0001]
【技術領域】
[0002]本發明涉及高分子技術材料領域，具體來說，涉及一種用於智能控溫的水凝膠的製備方法及應用方法。
[0003]
【背景技術】
[0004]高分子水凝膠材料是ー類能迅速吸收水分而又不溶於水的交聯材料，具有高分子電解質特性，是ー類能夠融吸水、保水、緩釋於一體迅速發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來越多的探究與關注，其應用已經滲入到藥物緩釋，冷卻控溫，沙漠防治，節能環保等各個領域。高分子水凝膠材料種類較多，其中智能材料佔據重要地位。所謂的智能材料是ー種能感應周圍環境變化，並且對環境的變化做出相應響應的ー種材料。這種材料在環境變化的情況下，如在光，熱，PH，生物大分子等刺激下，自身的某些物理或者化學性質如相態、表面能、反應速率等會發生相應變化。
[0005]目前，大量人口聚居在城市地區，然而城市建築物的冷卻過程耗能巨大，這迫切需要ー種既廉價又具有良好降溫特性且能循環利用的材料對建築物控溫冷卻。近期我國投入大量人力物力來提高能源利用率，尋找節能環保能源，特別是對太陽能的利用，並且獨立開發研究了諸多的エ業的和民用的設施。但是利用太陽能調整控制周圍環境的溫度卻鮮有報導。
[0006]眾所周知，水是最好的降溫工具，每蒸發一公斤水，就能帶走2兆焦耳的熱量，在屋頂放置5毫米厚的水層就能保持房間的清涼。近年來，新型可持續冷卻材料相繼誕生:介孔材料常被用來儲存和釋放水、通過激發水蒸發以實現溫度冷卻或利用紅外反射塗層以降低熱量的吸收。這些材料的不足之處在於它們不能適應環境的迅速變化。
[0007]

【發明內容】

[0008]技術問題:本發明所要解決的技術問題是:提供一種用於智能控溫的水凝膠的製備方法，該製備方法簡單，且製備出的水凝膠具有良好的散熱性和可循環性，可實現以環保節能、可循環利用的方式對待溫控物體進行溫度控制。同時，本發明還提供了水凝膠的應用方法，將其應用於物體的溫控，尤其是建築物的溫控，具有可持續性，且節能環保。
技術方案:為解決上述技術問題，本發明可採用以下技術方案實現:
一種用於智能控溫的水凝膠的製備方法，該製備方法包括以下過程:將N-異丙基丙烯醯胺溶於蒸餾水中，然後加入交聯劑和引發劑，交聯劑和引發劑溶解後，再加入引發劑催化劑，在15°C~25°C的恆溫條件下反應，製得水凝膠。
[0009]進ー步，所述的恆溫條件下反應:T4h，且在反應結束後，用蒸餾水衝洗，然後在25°C和40°C相轉變三次，製得水凝膠。
[0010]進ー步，所述的交聯劑為N，N-亞甲基雙丙烯醯胺。
[0011]進ー步，所述的引發劑為過硫酸銨或者過氧化苯甲醯，引發劑催化劑為N，N，N』，N』_四甲基二こ胺。
[0012]進ー步，所述的交聯劑與N-異丙基丙烯醯胺的質量比為1: 20— 50。
[0013]進ー步，所述的引發劑與N-異丙基丙烯醯胺的質量比為1:50—100。
[0014]進ー步，所述的引發劑催化劑與引發劑的質量比為1:1一 2。
[0015]進ー步，所述的蒸餾水與N-異丙基丙烯醯胺的質量比為3 — 4:1。
一種水凝膠的應用方法，將水凝膠置於待溫控物體的表面，水凝膠對待溫控物體的溫度進行調節。
[0016]有益效果:與現有技術相比，本發明具有以下優點:
1.本發明的製備方法製備的水凝膠具有良好的智能溫控功能。聚N-異丙基丙烯醯胺水凝膠具有特殊的溫度敏感性。當溫度高於32°C時，凝膠體積發生不連續的收縮現象，溫度升高，導致分子與水分子間的氫鍵破壞，由於聚N-異丙基丙烯醯胺的疏水相互作用，水凝膠從親水態膨脹後轉化為疏水態，從而使體積縮小釋放水份，帶走部分熱量，保持體系溫度穩定。不同的合成溫度對聚N-異丙基丙烯醯胺水凝膠性能具有很大的影響:在低溫下合成，水凝膠呈現透明態；在高溫下合成，水凝膠則呈現乳白色性狀。該變色發汗水凝膠為層狀固態水凝膠，由於發汗特性，表面一直保持溼潤，不結売，使用方便，具有良好的溫控功效。`
[0017]2.可循環利用，且散熱性能卓越。相比於一般的水凝膠，多次循環後，本發明製備的水凝膠不會結殼，高溫下，水分的揮發不會受到影響。而一般的水凝膠幾次循環以後在凝膠表面就會使凝膠組分聚集在表面形成一層凝膠売，阻止水分揮發。本發明製備的水凝膠循環利用性能較好，能多次循環利用。同時，本發明製備的水凝膠具有卓越的散熱性能，能快速散熱，維持房屋在35°C左右。
[0018]3.本發明的製備方法簡單，生產成本低，節能環保。
[0019]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發明製備的水凝膠實現智能控溫的示意圖。
[0021]圖2為本發明實施例製備的水凝膠與傳統水凝膠對模擬房頂散熱的溫度曲線圖，其中，B線表示空白對照溫度曲線，C線表示現有水凝膠散熱溫度曲線，D線表示實施例1製備的水凝膠的散熱溫度曲線，E線表示實施例4製備的水凝膠的散熱溫度曲線，F線表示實施例8製備的水凝膠散熱溫度曲線；在圖2中，五個線條的最右端，從上向下，依次為B、C、F、E、D0
[0022]圖3為放置本發明實施例4製備的水凝膠和沒有放置水凝膠的情況下，房頂在模擬光照下循環第1次、第75次、第100次的溫度曲線圖，其中，B線表示實施例4的循環曲線，C線表示空白循環測試曲線。
[0023]【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細的說明。
[0025]本發明的一種用於智能控溫的水凝膠的製備方法，該製備方法包括以下過程:將N-異丙基丙烯醯胺単體、交聯劑、蒸餾水加入燒杯，超聲5分鐘，以便溶解完全，加入引發劑和引發劑催化劑，超聲5分鐘後迅速倒入模具中，將溫度控制在在15°C~25°C的恆溫條件下，反應2至5小吋，就形成了具有交聯網狀的水凝膠。交聯劑與N-異丙基丙烯醯胺的質量比為1: 20— 50。弓丨發劑與N-異丙基丙烯醯胺的質量比為1:50—100。引發劑催化劑與引發劑的質量比為1:1一2。蒸餾水與N-異丙基丙烯醯胺的質量比為3 — 4:1。
作為優選方法，交聯劑為N，N-亞甲基雙丙烯醯胺。引發劑為過硫酸鹽或者過氧化苯甲醯。引發劑催化劑為N，N，N』，N』-四甲基二こ胺。
[0026]進ー步，所述的恆溫條件下反應:T4h，且在反應結束後，用蒸餾水衝洗，然後在25°C和40°C相轉變三次。製得水凝膠。衝洗並且相轉變三次可消除水凝膠中不利影響，確保相轉變完全
ー種上述製備方法製備的水凝膠的應用方法，將水凝膠置於待溫控物體的表面，水凝膠對待溫控物體的溫度進行調節。該待溫控物體優選為建築物或者車輛。
[0027]在應用中，將水凝膠置於透明有機板上，如PC板、PVC板等。在水凝膠表面鋪ー層透水介孔薄膜，防止智能水凝膠的磨損。
[0028]本發明製備的水凝膠具有良好的智能溫控功能。具體的智能溫控原理為:水凝膠的最低相變溫度記為LCST，當待溫控物體的溫度低於LCST吋，水凝膠為親水膨脹態，且為無色透明的凝膠，陽光照射到待溫控物體，待溫控物體溫度升高；當待溫控物體的溫度高於LCST時，水凝膠由無色透明變成白色不透光的凝膠，阻止陽光照射待溫控物體，同時，水凝膠由親水膨脹態變成疏水收縮態，水凝``膠滲出的水分，水分揮發，帶走待溫控物體的熱量，降低待溫控物體的溫度，從而實現水凝膠對待溫控物體的溫度控制。聚N-異丙基丙烯醯胺(文中簡稱=PNIPAM)水凝膠具有特殊的溫度敏感性。當溫度高於32°C (即LCST為32°C)時，凝膠體積發生不連續的收縮現象，溫度升高，導致分子與水分子間的氫鍵破壞，由於聚N-異丙基丙烯醯胺的疏水相互作用，水凝膠從親水態膨脹後轉化為疏水態，從而使體積縮小釋放水份，帶走部分熱量，保持體系溫度穩定。不同的合成溫度對聚N-異丙基丙烯醯胺水凝膠性能具有很大的影響:在低溫下合成，水凝膠呈現透明態；在高溫下合成，水凝膠則呈現乳白色性狀。
[0029]也就是說，如圖1所示，本發明的智能控溫水凝膠，當表面溫度達到或超過LCST時，它發生「變色」，由無色透明變成白色不透光的凝膠，同時，水凝膠有親水膨脹態變成疏水收縮態，表觀上表現為水凝膠收縮並且表面出現水滴的聚集，如同「流汗」，然後通過滲出的水分的揮發來帶走大量的熱量，從而實現快速控溫降溫的目的。利用LSCT作為陽光透過的「開關」來控制陽光的照射與否，以達到的控溫降溫的目的。
[0030]在陽光照射下，傳統水凝膠的表面很容易乾燥結殼，阻止水分進ー步的蒸發，無法起到持續降溫的作用。而本發明的水凝膠，當溫度較高，水凝膠變色，阻止陽光進入房間；當溫度較低，水凝膠透明，允許陽光進入室內升高室溫。隨著一年四季溫度的變化，本發明製備的水凝膠可自行調節自身顔色的變化，進而進行控溫。這ー智能水凝膠在城市建築物方面的應用可以大大降低能量損耗。[0031]下面例舉實施例和對比例，來說明本發明製備的水凝膠所具有的良好的智能控溫功效。
[0032]實施例中所用儀器:
紅外線加熱燈，功率1000W，購於上海奧悅電子有限公司；
機械攪拌器，功率160W，購於南京以馬內利有限公司； 真空乾燥箱，購於南京以馬內利有限公司。
[0033]本發明實施例中所用試劑:
NIPAM (即N-異丙基雙丙烯醯胺)，化學純，北京百靈威科技有限公司製作；
HEMA，化學純，阿拉丁試劑有限公司製作；
過硫酸銨，分析純，阿拉丁試劑有限公司製作；
MBA，分析純，阿拉丁試劑有限公司製作；
TEMED,分析純，阿拉丁試劑有限公司製作；
PC透明板和介孔薄膜(孔徑0.45微米)均購於蘇州迪邁塑膠有限公司。
[0034]實施例1
稱取NIPAM 5.0 g，N，N-亞甲基雙丙烯醯胺0.lg，蒸餾水20 ml，加入燒杯中溶解完全，加入過硫酸銨0.0625 g溶解完全，加入N，N，N』，N』-四甲基二こ胺0.031 25g，30秒內將溶液加入模具中反應四小時，反應結束後，蒸餾水衝洗三次，在25で和40で相轉變三次，製成水凝膠。
[0035]水凝膠的透光性能測試。測試過程:將藍色塑料針頭置於製備好的弧狀智能水凝膠下，觀察水凝膠透光性；40°C加熱水凝膠，十分鐘後將藍色針頭置於水凝膠下方，觀察水凝膠透光性。測試結果如圖2所示。圖2中縱坐標表示溫度，橫坐標表示時間。測試結果為圖2中的D表示的線條。從圖2中可以看出:空白PC板房頂溫度為62 °C左右，本實施例的PNIPAM水凝膠能將模擬房頂控制在35°C左右，傳統水凝膠僅僅能將溫度降低在52°C左右。PNIPAM水凝膠體現出卓越的控溫降溫能力，並且能夠持續控溫三個小時以上。
[0036]水凝膠的散熱性能進行測試:製備模擬屋頂，將該PNIPAM水凝膠放置在PC板(支架)上，水凝膠表面鋪一次尼龍透水薄膜(孔徑0.45微米)，將製備好的模擬房地置於紅外燈下15 cm處，光照3小時，每隔10秒記錄溫度變化。待循環一次後，在20°C下，讓水凝膠充分吸水後重複進行散熱性能測試，循環測試100次。測量結果如表1所示。
[0037]測試該水凝膠含水率、厚度變化。測試含水率的方法:用濾紙將水凝膠表面水清除，稱取其重量，測量厚度，然後乾燥箱乾燥12小吋，即得幹凝膠，測量幹凝膠厚度和重量。測量結果如表1所示。
[0038]本實施例的水凝膠表現為可透光並且可循環利用大於ー百次。
[0039]實施例2
稱取NIPAM 5.0 g，N，N-亞甲基雙丙烯醯胺0.15 g，蒸餾水17.5ml，加入燒杯中溶解完全，加入過硫酸銨0.0625 g溶解完全，加入N，N，N』，N』-四甲基二こ胺0.03125 g，30秒內將溶液加入模具中，反應三小時，反應結束後，用蒸餾水衝洗三次，在25で和40で相轉變三次，製成水凝膠。
[0040]測試該水凝膠透光性能、含水率。測量方法如實施例1所示。測量結果如表1所示。本實施例的水凝膠表現為可透光並且可循環利用大於ー百次。[0041]實施例3
稱取NIPAM 5.0 g，N，N-亞甲基雙丙烯醯胺0.2g，蒸餾水17.5ml，加入燒杯中溶解完全，隨後加入過硫酸銨0.0625 g溶解完全，加入N，N，N』，N』 -四甲基二こ胺0.03125g, 30秒內將溶液加入8X8 cm的模具中反應四小時，反應結束後，用蒸餾水衝洗三次，在25で和40 V相轉變三次，製成水凝膠。
[0042]測試該水凝膠透光性能、含水率。測量方法如實施例1所示。測量結果如表1所示。本實施例的水凝膠表現為可透光並且可循環利用大於ー百次。
[0043]實施例4
稱取NIPAM 5.0 g，N，N-亞甲基雙丙烯醯胺0.25 g，蒸餾水15 ml，加入燒杯中溶解完全，加入過氧化苯甲醯0.0625 g溶解完全，加入N，N，N』，N』-四甲基二こ胺0.03125 g，30秒內將溶液加入模具中反應四小時，反應結束後，用蒸餾水衝洗三次，在25で和40で相轉變三次，製成水凝膠。
[0044]測試該水凝膠透光性能、散熱性能、含水率。測量方法如實施例1所示。測量結果如表1所示。本實施例的水凝膠表現為可透光並且可循環利用大於ー百次。
[0045]透光性能測試結果為:當溫度低於32°C時候，可以觀察到本實施例製得的PNIPAM水凝膠下的藍色針頭；當將智能水凝膠溫度升高超過32°C時，水凝膠迅速變白，無法觀察到藍色針頭。
[0046]散熱性能測試結果如圖2所示。從圖2可以看出:空白PC板房頂溫度為62°C左右，PNIPAM水凝膠能將模擬房頂控制在34°C左右，傳統水凝膠僅僅能將溫度降低在52°C左右。本實施例的PNIPAM水凝膠`體現出卓越的控溫降溫能力，並且能夠持續控溫三個小時以上。
[0047]循環測試結果如圖3所示。圖3中橫坐標表示時間，縱坐標表示溫度。從圖3中可知:第一次循環，PNIPAM水凝膠能將平均溫度為62°C的普通房頂控制在35°C，第75次循環測試可以將60°C普通房頂控溫在34°C左右，在第一百次循環測試可以將63°C普通房頂控制在37°C左右。循環測試和散熱測試證實了本發明製備的水凝膠具有很好的循環性，可以循環多次使用。測試結果如表一所示。
[0048]實施例5
稱取NIPAM5.0g, N，N-亞甲基雙丙烯醯胺0.25g，蒸餾水15ml，加入燒杯中溶解完全，加入過硫酸銨0.05g溶解完全，加入N，N，N』，N』 -四甲基二こ胺0.025g, 30秒內將溶液加入模具中反應四小時，反應結束後，用蒸餾水衝洗三次，在25°C和40°C相轉變三次，製成水凝膠。
[0049]測試該水凝膠透光性能、含水率。測量方法如實施例1所示。測量結果如表1所示。本實施例的水凝膠表現為可透光並且可循環利用大於ー百次。
[0050]實施例6
稱取NIPAM5.0g, N，N-亞甲基雙丙烯醯胺0.25g，蒸餾水15ml，加入燒杯中溶解完全，加入過硫酸銨0.1g溶解完全，加入N，N，N』，N』 -四甲基二こ胺0.0625g, 30秒內將溶液加入模具中反應四小時，反應結束後，用蒸餾水衝洗三次，在25°C和40°C相轉變三次，製成水凝膠。
[0051]測試該水凝膠透光性能、含水率。測量方法如實施例1所示。測量結果如表1所示。本實施例的水凝膠表現為可透光並且可循環利用大於ー百次。
[0052]實施例7
稱取NIPAM 5.0g, N，N-亞甲基雙丙烯醯胺0.25g，蒸餾水15ml，加入燒杯中溶解完全，加入過氧化苯甲醯0.05g溶解完全，加入N，N，N』，N』 -四甲基二こ胺0.05g，30秒內將溶液加入模具中反應3.5小吋，反應結束後，用蒸餾水衝洗三次，在25°C和40°C相轉變三次，製成水凝膠。[0053]測試該水凝膠透光性能、含水率。測量方法如實施例1所示。測量結果如表1所示。本實施例的水凝膠表現為可透光並且可循環利用大於ー百次。
[0054]實施例8
稱取NIPAM5.0g，交聯劑N，N-亞甲基丙烯醯胺0.25g，蒸餾水15ml，加入燒杯中溶解完全，加入過硫酸銨0.1Og溶解完全，加入N，N，N』，N』_四甲基二こ胺0.lg，30秒內將溶液加入模具中反應四小時，反應結束後，用蒸餾水衝洗三次，在25°C和40°C相轉變三次，製成水凝膠。
[0055]測試該水凝膠透光性能、散熱性能、含水率。測量方法如實施例1所示。
[0056]散熱性能測試結果如圖2所示。從圖2可以看出:空白PC板房頂溫度為62°C左右，本實施例的PNIPAM水凝膠能將模擬房頂控制在37°C左右，傳統水凝膠僅僅能將溫度降低在52°C左右。本實施例的PNIPAM水凝膠體現出卓越的控溫降溫能力，並且能夠持續控溫三個小時以上。
[0057]透光性能測試結果如表1所示。本實施例的水凝膠表現為可透光並且可循環利用大於ー百次。
[0058]表1
【權利要求】
1.一種用於智能控溫的水凝膠的製備方法，其特徵在幹，該製備方法包括以下過程:將N-異丙基丙烯醯胺溶於蒸餾水中，然後加入交聯劑和引發劑，交聯劑和引發劑溶解後，再加入引發劑催化劑，在15°C~25°C的恆溫條件下反應，製得水凝膠。
2.按照權利要求1所述的用於智能控溫的水凝膠的製備方法，其特徵在於，所述的恆溫條件下反應3~4h，且在反應結束後，用蒸餾水衝洗，然後在25°C和40°C相轉變三次，製得水凝膠。
3.按照權利要求1所述的用於智能控溫的水凝膠的製備方法，其特徵在於，所述的交聯劑為N，N-亞甲基雙丙烯醯胺。
4.按照權利要求1所述的用於智能控溫的水凝膠的製備方法，其特徵在於，所述的引發劑為過硫酸銨或者過氧化苯甲醯，引發劑催化劑為N，N，N』，N』 -四甲基二こ胺。
5.按照權利要求1所述的用於智能控溫的水凝膠的製備方法，其特徵在於，所述的交聯劑與N-異丙基丙烯醯胺的質量比為1: 20— 50。
6.按照權利要求1所述的用於智能控溫的水凝膠的製備方法，其特徵在於，所述的引發劑與N-異丙基丙烯醯胺的質量比為1:50—100。
7.按照權利要求1所述的用於智能控溫的水凝膠的製備方法，其特徵在於，所述的引發劑催化劑與引發劑的質量比為1:1一2。
8.按照權利要求1所述的用於智能控溫的水凝膠的製備方法，其特徵在於，所述的蒸餾水與N-異丙基丙烯醯胺的質量比為3 — 4:1。
9.一種權利要求1所述的製備方法製備的水凝膠的應用方法，其特徵在於，將水凝膠置於待溫控物體的表面，水凝膠對待溫控物體的溫度進行調節。`
10.按照權利要求9所述的製備方法製備的水凝膠的應用方法，其特徵在於，所述的待溫控物體為建築物或者車輛。
【文檔編號】C08F220/54GK103554356SQ201310511123
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月25日 優先權日:2013年10月25日
【發明者】姜勇, 朱明露, 田豔芝 申請人:東南大學