一种热响应液体智能窗及其制备方法

1.本发明涉及建筑节能领域，具体涉及一种热响应液体智能窗及其制备方法。


背景技术：

2.根据中国建筑节能协会2021年发布的报告，2018年中国建筑能耗占全国能源总量的46.5％。窗户是建筑物设计中的关键组成部分，但它们也是能源效率最低的部分。由于热量可以很容易地通过玻璃传递，窗户对建筑物的供暖和制冷成本有重大影响。在全球能源短缺的大环境下，建筑能耗的增加已经成为制约中国经济发展的软肋。因此，能够根据环境变化动态吸收太阳光谱的新型动态调控智能窗引起了人们的广泛关注。智能窗可以动态调控太阳光谱的透过与屏蔽，从而大幅度减少室温温度调节所消耗的能量，这不仅仅可以缓解全球能源危机，还能为构建可持续发展的和谐社会做出较大的贡献。
3.智能窗可按照不同的刺激响应类型进行分类，包括电致变色、光致变色和热致变色智能窗。其中，热致响应智能窗因其成本低、结构简单、无需额外能量输入等特点更有利于未来的大规模应用，更符合建筑节能对智能窗的要求。热响应智能窗的制作普遍是通过将热致变色材料封装在玻璃夹层中或者将热致变色材料制成薄膜涂覆到玻璃上。目前已经研究发现的热致变色材料种类很多，可简单分为无机和有机两类。其中，无机材料以单斜相vo2和部分钙钛矿结构化合物研究得最为广泛。vo2在不同温度下可进行单斜态和金红石态的相变，从而调节透过光率，但vo2薄膜的可见光透过率低，且相变温度高，不适于实际应用。热致变色钙钛矿的稳定性差是该材料在智能窗领域面临的问题，且钙钛矿含重金属，可能会对人体产生危害。由于无机材料存在以上缺点，近年来以温敏性水凝胶为首的有机热致变色材料受到了人们的广泛关注，如聚n-异丙基丙烯酰胺(pnipam)羟丙基纤维素(hpc)及其衍生物等。温敏性水凝胶的作用机制是能对温度产生响应及相应相态或者构象发生可逆变化。但是温敏性水凝胶通常是有机聚合物，对人体的健康存在一定的威胁，不符合对现代绿色环保智能窗的要求。最重要的是，由于水凝胶受热收缩产生形变，会导致窗户的不均匀，导致对光的调制能力下降。


技术实现要素：

4.本发明基于智能窗领域现有技术的不足，提供了一种热响应液体智能窗及其制备方法。以绿色环保、无毒无害的温敏环糊精为原料制作与人类生活息息相关的窗户，避免了对人体的伤害以及对环境的污染。其次，智能窗夹层是热响应液体，具有极强的均匀性，不会和水凝胶等材料一样因受热发生收缩形变，导致对光的遮蔽能力下降。
5.为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
6.一种热响应液体智能窗，包括：热响应液体和双层窗户面板夹层；所述热响应液体包括溶质部分和溶剂部分；所述溶质部分包括温敏环糊精；所述溶剂部分包括水和甘油；所述双层窗户面板夹层用于容纳所述热响应液体。
7.可选地，所述热响应液体智能窗的透光率随温度的升高而降低。
8.可选地，在温度小于第一温度的情况下，所述热响应液体智能窗的透光率可以大于第一透光率。其中，所述第一温度可以为10℃至23℃。所述第一透光率可以不小于75％；优选地，所述第一透光率可以不小于80％。
9.可选地，在温度大于第二温度的情况下，所述热响应液体智能窗的透光率可以小于第二透光率。其中，所述第二温度可以为28℃至40℃。所述第二透光率可以不大于30％；优选地，所述第二透光率可以不大于20％。
10.可选地，在温度小于20℃的情况下，所述热响应液体智能窗的透光率可以大于80％；在温度大于30℃的情况下，所述热响应液体智能窗的透光率可以小于20％。
11.可选地，所述温敏环糊精的低临界溶解温度为20℃-80℃，优选为30℃-50℃，更优选为35℃-45℃。
12.可选地，所述水和甘油的体积比为10％∶90％-90％∶10％，优选为40％∶60％-70％∶30％，更优选为50％∶50％-60％∶40％。
13.可选地，所述双层窗户面板夹层的厚度为0.1nm-30mm，优选为1nm-5nm，更优选为2nm-4nm。
14.可选地，所述双层窗户面板夹层的材质为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃和铝酸盐玻璃、聚乙烯塑料、聚丙烯塑料、聚苯乙烯塑料、聚氯乙烯塑料的一种或多种的组合。
15.可选地，所述热响应液体的浓度为1mg/ml-500mg/ml，优选为10mg/ml-50mg/ml，更优选为30mg/ml-40mg/ml。
16.可选地，所述温敏环糊精由式1表示：
[0017][0018]
其中，在式1中，x为正整数，y为正整数，且x+y为6、7或8；r1选自于下述结构中的一种：
[0019][0020]
＊表示与相邻原子的结合位。
[0021]
一种热响应液体智能窗的制备方法，包括：以温敏环糊精为溶质，以水和甘油为溶
剂制备得到热响应液体，注入双层窗户面板夹层中，得到所述热响应液体智能窗。
[0022]
本发明的显著优点在于：
[0023]
本发明以安全无毒、环境友好的温敏环糊精通过简单可行的制备工艺得到一种热响应液体智能窗。
[0024]
本发明所制得的热响应液体智能窗十分均匀，不会像传统水凝胶类智能窗因受热而收缩，导致智能窗的有效面积减小，对太阳光的调制能力降低。
[0025]
本发明所制得的热响应液体体系中含有甘油，因此具备显著的抗冻能力，适用于更广泛的场景。
[0026]
本发明所制得的热响应液体智能窗在冷态下透明度高，受热后响应速度快，迅速变成不透明态，能够有效调制太阳光透过率。
附图说明
[0027]
为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]
图1为实施例1所得热响应液体智能窗的光透过率示意图。
[0029]
图2为实施例1所得热响应液体智能窗在不同温度条件下的透射谱图。
[0030]
图3为实施例1所得热响应液体智能窗在逐渐升温过程中的透明度变化演示图。
具体实施方式
[0031]
为使本说明书一个或多个实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本说明书具体实施例及相应的附图对本说明书一个或多个实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本说明书的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本说明书一个或多个实施例保护的范围。
[0032]
一种热响应液体智能窗的制备包括以下步骤：
[0033]
以温敏环糊精为溶质，以水和甘油为溶剂制备得到热响应液体，注入双层窗户面板夹层中，得到所述热响应液体智能窗。
[0034]
其中，所述温敏环糊精的低临界溶解温度为20℃-80℃。所述低临界溶解温度，是指使溶质在溶剂中的溶解度急剧下降的最低温度。所述水和甘油的体积比为10％∶90％-90％∶10％。所述双层窗户面板夹层的厚度为0.1nm-30mm。所述双层窗户面板夹层的材质为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃和铝酸盐玻璃、聚乙烯塑料、聚丙烯塑料、聚苯乙烯塑料、聚氯乙烯塑料的一种。所述热响应液体的浓度为1mg/ml-500mg/ml。
[0035]
智能窗的透过率测试如下：将智能窗置于紫外-可见-近红外分光光度计的样品槽中，在透过率模式下选择波长范围为250nm-2500nm进行测试。
[0036]
下面结合附图具体实施例对本发明作进一步详细说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
[0037]
实施例1
[0038]
一种热响应液体智能窗的制备包括如下步骤：
[0039]
取20mg温敏环糊精为溶质，所选温敏环糊精的结构如式2所示，取10ml水和甘油体积比为50％：50％的溶剂，将溶质溶于溶剂形成热响应液体体系，将其注入夹层厚度为5mm的硅酸盐玻璃中，密闭注入口，得到热响应液体智能窗。
[0040]
式2如下：
[0041][0042]
将智能窗置于紫外-可见-近红外分光光度计的样品槽中，在透过率模式下选择波长范围为250nm-2500nm进行测试。
[0043]
经检测，所得智能窗在15℃时的透光率为80％，在32℃时的透光率为15％，符合实际使用需求。
[0044]
图1为所得热响应液体智能窗的实拍图。由图中可见，制备得到的智能窗展现出高的透光率。
[0045]
图2为所得热响应液体智能窗在不同温度条件下的透射谱图。各透光率曲线由下至上依次对应于35℃、32℃、30℃以及25℃/20℃/15℃，其中，25℃、20℃、15℃三个温度对应的曲线重叠。由图中可见，其对太阳光透过率具有良好的调制能力。
[0046]
图3为所得热响应液体智能窗的透光率随温度升高的变化演示光学图片。由图中可见，随着环境温度的逐渐提升，智能窗逐渐由高透明转变为不透明。
[0047]
实施例2
[0048]
一种热响应液体智能窗的制备包括如下步骤：
[0049]
取50mg温敏环糊精为溶质，所选温敏环糊精的结构如式2所示，取2ml水和甘油体积比为70％：30％的溶剂，将溶质溶于溶剂形成热响应液体体系，将其注入夹层为3mm的硅酸盐玻璃中，密闭注入口，得到热响应液体智能窗。将智能窗置于紫外-可见-近红外分光光度计的样品槽中，在透过率模式下选择波长范围为250nm-2500nm进行测试。
[0050]
经检测，所得智能窗在10℃的透光率为82％，在35℃的透光率为10％，符合实际使用需求。
[0051]
实施例3
[0052]
一种热响应液体智能窗的制备包括如下步骤：
[0053]
取30mg温敏环糊精为溶质，所选温敏环糊精的结构如式2所示，取10ml水和甘油体积比为60％：40％的溶剂，将溶质溶于溶剂形成热响应液体体系，将其注入夹层为5mm的硅酸盐玻璃中，密闭注入口，得到热响应液体智能窗。将智能窗置于紫外-可见-近红外分光光度计的样品槽中，在透过率模式下选择波长范围为250nm-2500nm进行测试。
[0054]
经检测，所得智能窗在12℃的透光率为81％，在34℃的透光率为12％，符合实际使用需求。
[0055]
综上，结合上述多个实施例可以看出，本发明制备的热响应液体智能窗对太阳光具有良好的调制能力，为建筑节能提供了新思路。
[0056]
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
[0057]
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种热响应液体智能窗，其特征在于，所述热响应液体智能窗包括：热响应液体；所述热响应液体包括溶质部分和溶剂部分；所述溶质部分包括温敏环糊精；所述溶剂部分包括水和甘油；容纳所述热响应液体的双层窗户面板夹层。2.如权利要求1所述的热响应液体智能窗，其特征在于，所述热响应液体智能窗的透光率随温度的升高而降低。3.如权利要求2所述的热响应液体智能窗，其特征在于，在温度小于第一温度的情况下，所述热响应液体智能窗的透光率大于第一透光率；所述第一温度为10℃至23℃；所述第一透光率不小于75％；在温度大于第二温度的情况下，所述热响应液体智能窗的透光率小于第二透光率；所述第二温度为28℃至40℃；所述第二透光率不大于30％。4.如权利要求1所述的热响应液体智能窗，其特征在于，所述温敏环糊精的低临界溶解温度为20℃-80℃。5.如权利要求1所述的热响应液体智能窗，其特征在于，所述温敏环糊精由式1表示：其中，在式1中，x为正整数，y为正整数，且x+y为6、7或8；r1选自于下述结构中的一种：r1选自于下述结构中的一种：＊表示与相邻原子的结合位。6.如权利要求1所述的热响应液体智能窗，其特征在于，所述水和甘油的体积比为10％∶90％-90％∶10％。
7.如权利要求1所述的热响应液体智能窗，其特征在于，所述热响应液体的浓度为1mg/ml-500mg/ml。8.如权利要求1所述的热响应液体智能窗，其特征在于，所述双层窗户面板夹层的材质为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃和铝酸盐玻璃、聚乙烯塑料、聚丙烯塑料、聚苯乙烯塑料、聚氯乙烯塑料的一种或多种的组合。9.如权利要求1所述的热响应液体智能窗，其特征在于，所述双层窗户面板夹层的厚度为0.1nm-30mm。10.一种热响应液体智能窗的制备方法，其特征在于，以温敏环糊精为溶质，以水和甘油为溶剂制备得到热响应液体；将所述热响应液体注入双层窗户面板夹层中，得到所述热响应液体智能窗。

技术总结
本发明公开了一种热响应智能窗及其制备方法。方法包括：以温敏环糊精为溶质，以水和甘油为溶剂，制得热响应液体体系，将该体系注入双层窗户面板夹层中，得到一种热响应液体智能窗。本发明秉持绿色环保理念，以安全无毒、环境友好的原料通过简单可行的制备方法得到一种热响应液体智能窗。所制得的智能窗由于其液体特性十分均匀，因含有甘油而抗冻能力显著，且在冷态下透明度高，受热后响应速度快，迅速变成不透明态，能够有效调制太阳光透过率。能够有效调制太阳光透过率。能够有效调制太阳光透过率。


技术研发人员：王勇 胡思雨 肖殷 陈宇
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/7/22