具有储热放热性能的有机智能玻璃及其制备方法

摘要

本发明公开了一种具有储热放热性能的有机智能玻璃及其制备方法，其中有机智能玻璃是以聚甲基丙烯酸甲酯为基体材料，聚乙二醇为智能储放热材料，其中聚乙二醇的添加量为基体材料质量的10-30％；其制备方法是首先将聚乙二醇、甲基丙烯酸甲酯单体和引发剂混合，高温热引发预聚，再经过灌模，聚合和脱模即得成品。本发明制备方法简单，添加的储热材料聚乙二醇无毒无害，不会给环境造成污染，且生产工艺已经成熟，易于生产合成并大规模的使用。本发明在可应用于调温织物以及建筑材料中。

权利要求

1.一种具有储热放热性能的有机智能玻璃的制备方法，其特征在于：首先将聚乙二醇、甲基丙烯酸甲酯单体和引发剂混合，高温热引发预聚，再经过灌模，聚合和脱模即得成品；所述引发剂为偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰；所述高温为70-90℃；

所述有机智能玻璃是以聚甲基丙烯酸甲酯为基体材料，聚乙二醇为智能储放热材料，其中聚乙二醇的添加量为基体材料质量的10-30%；所述聚乙二醇的数均分子量为

600-20000；

具体按以下步骤操作：

将聚乙二醇、甲基丙烯酸甲酯和引发剂混合，密封后于70-90℃水浴加热预聚合，当溶液体系粘度达到0.8-1.0Pa·s，停止加热并冷却至室温即得预聚体；将所述预聚体倒入模具中，密封后于35-45℃固化反应24-30小时，随后在95-105℃热处理1-2小时，冷却至室温后脱模即得具有智能储放热的有机玻璃材料；

所述引发剂的添加量为基体材料质量的0.01-0.1%。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：固化温度为40℃，热处理温度为

100℃。

说明书

具有储热放热性能的有机智能玻璃及其制备方法

一、技术领域

[0001] 本发明涉及一种高效节能降耗的建筑材料及其制备方法，具体地说是一种具有储热放热性能的有机智能玻璃及其制备方法。二、背景技术

[0002] 据统计，我国建筑能耗在社会总能耗中已达30％，随着我国城市化规模的扩大、城镇建设的推进，以及人民生活水平的提高，建筑能耗将会逐年递增。1996年我国建筑年消耗3.3亿吨标准煤，占能源消耗总量的24％，到2001年已达3.76亿吨，占总量消耗的27.6％，年增长率为千分之五。根据预测，我国在未来较短的时间内，建筑能耗将攀升至35％以上。
国内目前能源紧缺的局面将面临严峻的挑战。近几年华南及华北地区频繁的拉闸限电已给我们敲响了警钟。当前，建筑节能已成为世界各国共同关注的重大课题，是经济社会可持续发展特别是我国经济的高速增长的重要保障。

[0003] 窗户的节能问题是建筑节能中首先必须考虑的问题。在建筑的十大围护部件中(门窗、墙体、屋面及地面)，门窗的能耗约为墙体的4倍，屋面的5倍，地面的20多倍，约占建筑围护结构能耗的50％以上。

[0004] 西方发达国家自20世纪70年代起开展建筑节能工作，至今已取得了十分突出的成效。窗户的节能技术也获得了长足的进展，节能窗呈现出多功能、高技术化的发展趋势。人们对窗的功能要求从简单的透光、挡风、挡雨到节能、舒适、灵活调整采光量等，在技术上从使用普通的平板玻璃到使用中空隔热技术(中空玻璃)和各种高性能的绝热制膜技术(热反射玻璃等)。目前，发达国家已开始研制下一代具有“智能化”的节能玻璃窗，简称智能窗，这种智能窗能根据环境条件或人的意志来改变透入室内的日照量，实现最大限度的节能。就目前的总的情况来看，节能窗在我国还没有得到推广应用。一是我国的建筑节能工作起步较晚，相应法规还不够完备，全民节能意识也不够强烈；二是我国节能窗技术不够完善，成本较高，市场难于接受。但就发达国家和地区的经验来看，节能窗的应用是建筑节能的重要环节，迟早都会得到广泛采用。根据美国国家门窗评定委员会(NFRC)初步统计，节能窗的使用年间可节省30％的取暖和制冷费用。目前在欧美，90％以上的建筑采用了中空玻璃，建筑中40％的玻璃已经开始使用Low-E中空玻璃。

[0005] 然而，在实际情况中人们对日照辐射的需求，随着气候与季节，甚至同一天的不同时间而发生变化。天气较热时，我们希望尽量少的太阳热能辐射进入室内；天气转凉时，我们希望尽量多的太阳热能辐射进入室内。当然，采用机械类的遮阳系统可达到目的。但如果从玻璃本身着手，使玻璃的可以随温度而自动调节，应该是一种更先进合理的办法，这就是所谓的智能型节能窗，简称智能窗。智能化特点将是下一代节能窗的一个重要标志。智能窗的出现，标志着人们对建筑节能的进一步的深入和推进。智能窗的实现可有多种方式。这些智能窗主要依靠沉积在窗玻璃上的薄膜，在某些物理因素(如光、电或热)激发下使薄膜的光学性质发生改变，从而实现对太阳能辐照的调节。这些变色机理的智能窗均可实现对太阳光不同程度的调节，但各有利弊。譬如，电致变色可从高透过率连续地变化至低透过率，开关效率较高，但制作工艺复杂且需要电源供压，系统成本较高，目前只小规模应用在高档汽车玻璃上；光致变色可简单地通过光照来改变光学性能(如太阳镜)，但目前还不能适用于浮法玻璃生产工艺，如果起变色作用的是有机塑料层，材料的耐久性又是个问题；气致变色节能窗是当前研究的一个热点，这种节能窗可通过氢气氢气混合气体来实现变色，最大利点是它可与太阳能制氢技术结合；另一种方法则是在窗玻璃中添加相变储热材料，吸收白天中过剩的热能并于夜间需要时释放出来，从而可以缓解能量供需在时间-空间上的矛盾，因此在当前突出能源和环境问题的社会中，相变材料备受关注。

[0006] 相变储热材料包括无机物和有机物两大类。绝大多数无机相变材料具有腐蚀性，而且在相变过程中具有过冷和相分离的缺点，影响其使用。而有机相变材料在使用中就没有上述缺点，而且化学性质稳定，价格便宜，因此实际应用最多的是有机相变材料。聚乙二醇作为一种常见的智能有机相变储热材料，具有无毒、无刺激性并与许多有机物组份有良好的相溶性的优点。同时，不同分子量的聚乙二醇具有不同的相变温度且储放热能量较大，可以很好的用于建筑节能领域。因此，把聚乙二醇这种智能储放热材料与PMMA这种高强度、高透明材料复合在一起从而作为现有建筑中窗户玻璃的替代品是目前建筑节能的一种新选择。三、发明内容

[0007] 本发明旨在提供一种具有储热放热性能的有机智能玻璃及其制备方法，以达到节能的目的。需要解决的技术问题是找到一种相变储热材料使其与基体材料具有很好的相容性。

[0008] 本发明解决技术问题采用如下技术方案：

[0009] 本发明具有储热放热性能的有机智能玻璃的特点在于：所述有机智能玻璃是以聚甲基丙烯酸甲酯为基体材料，聚乙二醇为智能储放热材料，其中聚乙二醇的添加量为基体材料质量的10-30％。

[0010] 本发明具有储热放热性能的有机智能玻璃的特点也在于：所述聚乙二醇的数均分子量为600-20000。

[0011] 本发明具有储热放热性能的有机智能玻璃的制备方法的特点在于：首先将聚乙二醇、甲基丙烯酸甲酯单体和引发剂混合，高温热引发预聚，再经过灌模，聚合和脱模即得成品；所述引发剂为偶氮二异丁氰或过氧化苯甲酰。

[0012] 本发明具有储热放热性能的有机智能玻璃的制备方法的特点在于按以下步骤操作：

[0013] 将聚乙二醇、甲基丙烯酸甲酯和引发剂混合，密封后于70-90℃水浴加热预聚合，当溶液体系粘度达到0.8-1.0Pa·s，停止加热并冷却至室温即得预聚体；将所述预聚体倒入模具中，密封后于35-45℃固化反应24-30小时，随后在95-105℃热处理1-2小时，冷却至室温后脱模即得具有智能储放热的有机玻璃材料；

[0014] 所述引发剂的添加量为基体材料质量的0.01-0.1％。

[0015] 本发明具有储热放热性能的有机智能玻璃的制备方法的特点也在于：固化温度为40℃，热处理温度为100℃。

[0016] 作为一种新型的建筑节能材料，本方法具有制备简单，易于生产成本低等优点。窗户玻璃的厚度可以通过调整单体的总量，储热性能则可以通过调整单体与储热材料之间配比加以调整。

[0017] 与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

[0018] 1、本发明在聚甲基丙烯酸甲酯的中均匀分布中储热材料聚乙二醇，从而赋予建筑玻璃材料智能储热的特点，即当室内温度较高时，有机玻璃所掺杂的聚乙二醇会将多余的热量吸收并储存起来，一旦室内温度过低就可以把储存的能量释放出了，从而大大降低能源的消耗。

[0019] 2、本发明有机智能玻璃的控热性能能够通过调节聚乙二醇的分子量以及与聚合物单体配比加以控制。即控热材料的控热性能是可以控制的，因此，可以通过优化反应条件得到适合的建筑玻璃材料。

[0020] 3、本发明还可以作为保暖材料用于食品包装，织物等领域。

[0021] 4、本发明制备方法简单，添加的储热材料聚乙二醇无毒无害，不会给环境造成污染，且生产工艺已经成熟，易于生产合成并大规模的使用。四、附图说明

[0022] 图1是本发明制备的有机智能玻璃的光学照片。

[0023] 图2是本发明制备的不同聚乙二醇20000添加量的有机智能玻璃的光学照片。

[0024] 图3是本发明制备的添加不同分子量的聚乙二醇的有机智能玻璃的光学照片。

[0025] 图4是本发明制备的不同聚乙二醇2000添加量的有机智能玻璃的储放热性能图。

[0026] 图5是本发明制备的添加不同分子量的聚乙二醇的有机智能玻璃的储放热性能图。

[0027] 图6是本发明制备的有机智能玻璃的XRD谱图。五、具体实施方式

[0028] 实施例1：

[0029] 本实施例中具有储热放热性能的有机智能玻璃是以聚甲基丙烯酸甲酯为基体材料，聚乙二醇为智能储放热材料，其中聚乙二醇的数均分子量为2000，相变温度为41-46℃。

[0030] 本实施例中具有储热放热性能的有机智能玻璃是按以下方法制备得到的：

[0031] 将新蒸馏的甲基丙烯酸甲酯25g、聚乙二醇2.5g和引发剂过氧化苯甲酰25mg加入锥形瓶内，为防止预聚时水汽进入锥形瓶内，摇匀后在瓶口包上一层保鲜膜，再用橡皮圈扎紧，密封后于70-90℃水浴加热预聚合，当溶液体系粘度达到0.8-1.0Pa·s，立即停止加热并冷却至室温，以终止聚合反应得到预聚体；将所得预聚体倒入模具中，灌模时要小心，不使预聚物中间形成气泡，且不要全灌满，稍留一段空间，以免预聚物受热膨胀而溢出，然后用保鲜膜将模具封住，使预聚物与空气隔绝，密封后于40℃固化反应24-30小时，随后在100℃热处理1-2小时，冷却至室温后脱模即得具有智能储放热的有机玻璃材料。

[0032] 实施例2：

[0033] 本实施例中具有储热放热性能的有机智能玻璃是以聚甲基丙烯酸甲酯为基体材料，聚乙二醇为智能储放热材料，其中聚乙二醇的数均分子量为2000，相变温度为41-46℃。

[0034] 本实施例中具有储热放热性能的有机智能玻璃是按以下方法制备得到的：

[0035] 将新蒸馏的甲基丙烯酸甲酯25g、聚乙二醇5g和引发剂过氧化苯甲酰5mg加入锥形瓶内，为防止预聚时水汽进入锥形瓶内，摇匀后在瓶口包上一层保鲜膜，再用橡皮圈扎紧，密封后于70-90℃水浴加热预聚合，当溶液体系粘度达到0.8-1.0Pa·s，立即停止加热并冷却至室温，以终止聚合反应得到预聚体；将所得预聚体倒入模具中，灌模时要小心，不使预聚物中间形成气泡，且不要全灌满，稍留一段空间，以免预聚物受热膨胀而溢出，然后用保鲜膜将模具封住，使预聚物与空气隔绝，密封后于45℃固化反应24-30小时，随后在105℃热处理1-2小时，冷却至室温后脱模即得具有智能储放热的有机玻璃材料。

[0036] 实施例3：

[0037] 本实施例中具有储热放热性能的有机智能玻璃是以聚甲基丙烯酸甲酯为基体材料，聚乙二醇为智能储放热材料，其中聚乙二醇的数均分子量为2000，相变温度为41-46℃。

[0038] 本实施例中具有储热放热性能的有机智能玻璃是按以下方法制备得到的：

[0039] 将新蒸馏的甲基丙烯酸甲酯25g、聚乙二醇7.5g和引发剂过氧化苯甲酰10mg加入锥形瓶内，为防止预聚时水汽进入锥形瓶内，摇匀后在瓶口包上一层保鲜膜，再用橡皮圈扎紧，密封后于70-90℃水浴加热预聚合，当溶液体系粘度达到0.8-1.0Pa·s，立即停止加热并冷却至室温，以终止聚合反应得到预聚体；将所得预聚体倒入模具中，灌模时要小心，不使预聚物中间形成气泡，且不要全灌满，稍留一段空间，以免预聚物受热膨胀而溢出，然后用保鲜膜将模具封住，使预聚物与空气隔绝，密封后于35℃固化反应24-30小时，随后在95℃热处理1-2小时，冷却至室温后脱模即得具有智能储放热的有机玻璃材料。

[0040] 实施例4：

[0041] 本实施例中具有储热放热性能的有机智能玻璃是以聚甲基丙烯酸甲酯为基体材料，聚乙二醇为智能储放热材料，其中聚乙二醇的数均分子量为2000，相变温度为41-46℃。

[0042] 本实施例中具有储热放热性能的有机智能玻璃的制备方法同实施例1，不同的是聚乙二醇的添加量为6.0g，添加的引发剂为偶氮二异丁氰，添加量为15mg。

[0043] 实施例5：

[0044] 本实施例中具有储热放热性能的有机智能玻璃是以聚甲基丙烯酸甲酯为基体材料，聚乙二醇为智能储放热材料，其中聚乙二醇的数均分子量为600，相变温度为18-22℃。

[0045] 本实施例中具有储热放热性能的有机智能玻璃的制备方法同实施例1，不同的是聚乙二醇的添加量为5.0g，添加的引发剂为偶氮二异丁氰，添加量为20mg。

[0046] 实施例6：

[0047] 本实施例中具有储热放热性能的有机智能玻璃是以聚甲基丙烯酸甲酯为基体材料，聚乙二醇为智能储放热材料，其中聚乙二醇的数均分子量为20000，相变温度为60-62℃。

[0048] 本实施例中具有储热放热性能的有机智能玻璃的制备方法同实施例1，不同的是聚乙二醇的添加量为5.0g，添加的引发剂为偶氮二异丁氰，添加量为2.5mg。

[0049] 图1是本发明制备的有机智能玻璃的光学照片。从图1可以看出，本发明制备的智能储热玻璃在可见光区透明度较高，与普通的有机玻璃相比，其透明度没有太大的变化，说明当掺杂量一定时，智能储热玻璃的透明度变化不大，后续实验发现当聚乙二醇掺杂分数高达20％时，智能储热玻璃的透明度依然较好。

[0050] 图2是本发明制备的不同聚乙二醇添加量的有机智能玻璃的光学照片。从图2可以看出，随着掺杂聚乙二醇量的增加，智能玻璃的透明度有所下降，逐渐由透明变为不透明。说明随着掺杂量的增加，聚乙二醇在聚甲基丙烯酸甲脂的分散性有所下降，团聚形象增加。

[0051] 图3是本发明制备的添加不同分子量的聚乙二醇的有机智能玻璃的光学照片。从图3可以看出，随着掺杂聚乙二醇分子量的增加，智能玻璃的透明度也有所下降，这也说明了聚乙二醇的分散性也由一定下降，发生了团聚现象。

[0052] 图4和图5说明了掺杂了聚乙二醇的有机玻璃在相应的温度区间具有很好的储放热性能。图4是不同聚乙二醇2000添加量的有机智能玻璃的储放热性能图，随着聚乙二醇2000的添加量从10％增至30％，有机玻璃的储放热性能随之上升。图4表明了通过改变有机玻璃中掺杂的聚乙二醇分子的量可以调控有机玻璃中的储放热能力。图5是不同的聚乙二醇数均分子量的有机智能玻璃的储放热性能图，随着聚乙二醇数均分子量从600增至
20000，有机玻璃的储放热温度也随之改变，如掺杂聚乙二醇600的有机玻璃吸热储热温度约为18～22℃、掺杂聚乙二醇2000的有机玻璃吸热储热温度约为41～46℃、掺杂聚乙二醇20000的有机玻璃吸热储热温度约为60～62℃。图5表明了通过改变有机玻璃中掺杂的聚乙二醇分子量可以调控有机玻璃中的储放热时发生相变的温度。

[0053] 图6是本发明制备的有机智能玻璃中聚乙二醇的XRD图谱，表征了相变材料的晶型、结晶度。图6说明了智能有机玻璃中聚乙二醇在低温时是以固体形式存在的，随着温度升高相应的XRD峰消失，智能有机玻璃中聚乙二醇为固液相变。