基于琼脂膜和水凝胶的压力响应智能玻璃及其制备方法和应用与流程

本发明涉及智能玻璃技术领域，具体涉及一种基于琼脂膜和水凝胶的压力响应智能玻璃及其制备方法和应用。

背景技术：

可切换透明度的智能窗口在现实生活中越来越多的应用于办公、家庭和部分公共场所，所谓的可切换透明度的智能窗户是指通过施加外部刺激，从而引起透明度的改变。近年来，为了实现这种透明度的变化，各种各样的刺激响应性材料应用于智能玻璃的构造。以前报道的智能玻璃主要通过改变电压，温度或者设计复杂的表面结构来实现对于外加刺激的响应。但是这些智能玻璃大多存在制备工艺复杂、成本昂贵以及使用环境要求很高等缺陷，从而限制了它们的广泛应用，所以急需一种通过简单易得的刺激来实现这种透明度变化的智能玻璃。因此，通过简单的机械力改变透明度的智能玻璃引起人们的广泛关注。

在以往的通过机械力改变透明度的研究中，研究者通常是制备可调谐的复杂的薄膜表面结构，通过释放和施加拉力产生表面褶皱或是其他纳米尺度表面结构的变化进而引起透明度的变化。这种通过响应外部机械力刺激来获得动态调整表面几何形状的智能玻璃，所使用的力量加载方式都是拉力。

现有技术的缺点：制备可调谐的复杂的薄膜表面结构需要经过复杂的设计，繁琐的制备工艺，昂贵的制造成本，以及无法实现大规模的生产应用于生活中；在人们的日常生活中拉力比之于压力施力方式更为复杂。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于琼脂膜和水凝胶的压力响应智能玻璃，该智能玻璃可以通过压力的改变，来实现在透明和不透明之间的切换。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于琼脂膜和水凝胶的压力响应智能玻璃，包括两片玻璃板以及分别贴附于所述两片玻璃板相对的侧面上的琼脂膜和聚丙烯酸钠水凝胶；

当不施加压力时，琼脂膜和聚丙烯酸钠水凝胶相互不接触，所述玻璃板处于不透明状态；当对两片玻璃板施加压力时，琼脂膜和聚丙烯酸钠水凝胶相互接触发生反应，所述玻璃板由不透明状态变成透明状态。

进一步地，所述琼脂膜的表面具有凹凸不平的微观结构。

进一步地，所述聚丙烯酸钠水凝胶的含水量为82％-90％。更进一步地，所述聚丙烯酸钠水凝胶的含水量为87％。

本发明另一方面提供了上述基于琼脂膜和水凝胶的压力响应智能玻璃的制备方法，包括：

提供琼脂溶液，滴加于玻璃板上，待溶剂挥发后得到琼脂膜；

将丙烯酸钠单体、交联剂和引发剂溶于水中，在保护气体气氛下，将得到的溶液滴加在硅烷浸泡过的玻璃板上，再滴加四甲基乙撑二胺，发生反应，得到聚丙烯酸钠水凝胶。

进一步地，所述琼脂溶液的配置方法为：取琼脂粉加入水中，加热搅拌至琼脂粉完全溶解，得到所述琼脂溶液。

进一步地，所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺，所述引发剂为过二硫酸钾。

进一步地，所述保护气体为惰性气体或氮气。

此外，发明还提供了上述的智能玻璃在建筑玻璃、汽车玻璃上的应用。

本发明的有益效果：

1.本发明的智能玻璃使用非常方便，只需要很小的压力就可以实现透明度的改变，且重复性好，有望在以后的生活中实现大规模的应用。

2.本发明的智能玻璃制备方法简单，不需要繁琐的制备工艺，可以实现大规模的制备和使用。

附图说明

图1是琼脂膜的制备过程示意图；

图2是水凝胶的制备过程示意图；

图3是施加压力前智能玻璃的状态图；

图4是琼脂膜表面的SEM图(左)、AFM图(中)和漫反射示意图(右)；

图5是施加压力后智能玻璃的状态图；

图6是琼脂膜、水凝胶在接触前和接触后的红外光谱图；

图7是施加压力前后智能玻璃的透过率变化图；

图8是智能玻璃的施压-撤压重复测试图；

图9是智能玻璃的透过率与水凝胶含水量的关系图；

图10是两片玻璃板的贴合程度与施加压力大小的关系图，其中，纵坐标为贴合面积的比例；

图11是由智能玻璃制成的窗户施加压力前后透明度变化实景图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

以下实施例中，丙烯酸钠(C3H3NaO2)购自萨恩化学技术(上海)有限公司，N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)、四甲基乙撑二胺(C6H16N2)均购自SIGAM 公司。过二硫酸钾(K2S2O8)购自江苏强盛功能化学股份有限公司。琼脂 (C12H18O9)n购自上海源叶生物科技有限公司。

实施例1

制备琼脂膜：

0.15g琼脂粉加入到水中，加热搅拌48小时，直到琼脂完全溶解，将溶液滴加在玻璃板上，置于阴凉处自然蒸发成膜。

制备水凝胶：

将丙烯酸钠，N,N-亚甲基双丙烯酰胺，过二硫酸钾加入到3ml水中，超声 30分钟直到完全溶解成澄清溶液。将溶液滴加分散在玻璃上，氮气环境下加入四甲基乙撑二胺，溶液很快聚合成聚丙烯酸钠水凝胶覆盖在玻璃板表面，表现为高度透明性。

参见图3-4，不施加压力时，水凝胶与琼脂膜是不接触的，琼脂膜的凹凸不平的表面对于光有漫反射作用，从而阻挡了光的透过，表现为不透明的状态。

参见图5，当对两片玻璃板施加压力使其靠近，使琼脂膜与水凝胶相互接触，此时玻璃板变成透明态。图7的透过率变化图也进一步证明了，施加压力后，玻璃板的透明度大大提高，可达70％以上。

发明人经研究发现，智能玻璃的原理是：接触后水凝胶和琼脂的表面发生超分子相互作用，产生氢键，使琼脂膜与水凝胶紧密贴合在一起，施加压力的作用使水凝胶发生了微小的形变，补偿琼脂膜表面的凹陷和突起，当可见光入射时，水凝胶是高透过的，补偿后不会发生漫反射和折射作用，表现为透明。

图6是琼脂膜、水凝胶在接触前和接触后的红外光谱图，从图中可以看出，琼脂膜和水凝胶接触反应后，红外谱图中1406cm^-1处出现了氢键的吸收峰，证明了琼脂膜和水凝胶发生反应，产生了氢键。

重复性对于智能玻璃是至关重要的。图8是本实施例的智能玻璃的重复测试图，从图中可以看出，本实施例的智能玻璃在施压-撤压测试50次之后，仍然保持很好的透明-不透明切换性，并且没有显示出丝毫衰减的迹象。这表明本实施例的智能玻璃重复性好，有望实现产业化应用。

不同含水量的水凝胶的柔软度是不同的，当施加压力后，其透明度的改变也不相同。图9是智能玻璃的透明度与水凝胶含水量的关系图，从图中可以看出，在可见光的范围内，水凝胶的含水量为87％时，智能玻璃的透过率更好。

玻璃板贴合程度对于透过率也有重要的影响，因此，我们探究了施加不同大小的压力对于2cm×2cm玻璃板贴合程度的影响。参见图10，玻璃板的贴合程度整体上随着压力的增加而增加，最终实现完全贴合。

本实施例的智能玻璃，施加压力后组合玻璃变透明，撤去压力后琼脂膜和水凝胶分离，组合玻璃表现为不透明。使用十分方便，透明与不透明的切换较为简单，有望在以后的生活中实现大规模的应用。

本发明的智能玻璃能够应用于建筑玻璃、汽车玻璃上，图8是其应用于窗户玻璃的一实施例。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。