Công nghệ vật liệu mới về cửa sổ thông minh dựa trên nền dung dịch polymer nhạy nhiệt (thermochromic)

TS. Giang Ngọc Hà – Bộ môn Công nghệ Vật liệu

1.Giới thiệu

Mặc dù cửa sổ kính là cần thiết cho hầu hết các tòa nhà và nhà ở, độ trong suốt của vật liệu cửa sổ có thể góp phần làm tăng tiêu thụ năng lượng. Việc truyền nhiệt qua các cửa sổ truyền thống diễn ra theo hướng không thuận lợi về mặt năng lượng. Trong mùa đông, các cửa sổ trong suốt có thể gây thất thoát năng lượng lên đến 30%, trong khi nhiều điện năng có thể được tiêu thụ cho mục đích làm mát trong những ngày nóng. Cửa sổ thông minh (Smart windows - SWs) được coi là một trong những phương pháp tiềm năng để giảm tiêu thụ năng lượng bằng cách giảm hoặc tăng lượng ánh sáng mặt trời vào phòng trong mùa hè hoặc mùa đông tương ứng.

2. Mô tả

Kỹ thuật này bao gồm việc thay đổi độ truyền ánh sáng của vật liệu cửa sổ dưới các điều kiện khác nhau như điện áp, ánh sáng hoặc độ ẩm. Nhờ tính linh hoạt của nó, các SW dựa trên vật liệu nhạy nhiệt (thermochromic) đã thu hút sự chú ý lớn từ nhiều nhóm nghiên cứu. Công nghệ này dựa trên việc phát triển một vật liệu trong suốt có khả năng chặn ánh sáng mặt trời trong các điều kiện nhiệt độ cao. Vật liệu này phải có khả năng chuyển đổi trở lại trạng thái trong suốt trong thời tiết mát mẻ.

Các nghiên cứu gần đây tập trung vào các polymer thermochromic khác nhau, bao gồm polyampholyte (PAH), poly(N-isopropyl acrylamide) (PNIPAm) và hydroxypropyl cellulose (HPC) cho SWs.

Cơ chế hình thành phản ứng thermochromic của dung dịch polymer liên quan đến nhiệt độ dung dịch tới hạn dưới (Lower critical solution temperature hay LCST). Dưới LCST, polymer có thể hòa tan nhờ hiện tượng hòa tan dựa trên tương tác với các phân tử nước. Khi nhiệt độ tăng, tính tan thường được cải thiện do sự gia tăng lực hòa tan. Trên LCST, do tương tác kỵ nước giữa các phân tử polymer trở nên chiếm ưu thế, polymer có thể bị kết tủa khỏi dung dịch nước.

PNIPAm là polymer thermo-responsive phổ biến nhất và đã được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng sinh học.

HPC, một polymer khác có tiềm năng thermochromic, cũng đã nhận được nhiều sự chú ý như một vật liệu xanh do dựa vào cellulose và có khả năng phân hủy sinh học. HPC là một ether cellulose không ion được tổng hợp thông qua phản ứng giữa oxit propylene và cellulose. HPC có tính chất lưỡng tính (amphiphilic), và tính tan trong nước của nó phụ thuộc vào nhiệt độ. LCST của HPC được báo cáo khoảng 45 ºC và được áp dụng như một vật liệu nhạy nhiệt.

Tác động của NaCl đối với các giá trị LCST đã được báo cáo cho vật liệu xốp nhạy nhiệt cũng như ứng dụng cho SWs. HPC kết hợp với axit polyacrylic (PAA) đã được khảo sát cho ứng dụng SW. Tác giả cho rằng LCST có thể được thay đổi bằng cách sử dụng liên kết hydro giữa các nhóm -COOH và -OH. Trong hầu hết các nghiên cứu, LCST phải được xác định bằng cách sử dụng thiết bị nhiệt độ được kiểm soát tốt, điều này có thể tốn kém.

Trong nghiên cứu của bộ môn Công nghệ vật liệu tại Trường Đại học Công thương TP. Hồ Chí Minh, một phương pháp đơn giản sử dụng một máy khuấy từ gia nhiệt phổ biến được đề xuất để xác định LCST. Trong nghiên cứu hiện tại, ngoài PAA, HPC được trộn với hydroxypropyl methylcellulose (HPMC), hydroxyethyl cellulose (HEC) hoặc natri carboxymethyl cellulose (CMC). Những dẫn xuất này đã được sử dụng rộng rãi để chế tạo hydrogel thân thiện với môi trường hoặc chất ổn định nhũ tương cho ngành mỹ phẩm hoặc thực phẩm nhờ vào lý do sinh học và an toàn. Để xác định vai trò của tương tác giữa polymer-polymer và polymer-dung môi, NaCl cũng được thêm vào các dung dịch polymer. LCST của hỗn hợp sẽ được đo bằng nhớt kế quay Brookfield với một thiết kế thực nghiệm đơn giản. Hỗn hợp thu được sẽ được thử nghiệm để chứng minh khả năng ứng dụng cho SW.

3. Kết quả

 Thử nghiện và nghiên cứu về cửa sổ thông minh nhạy nhiệt từ dung dịch HPC đã được tiến hành và công bố kết quả trên tạp chí International Journal of Polymer Analysis and Characterization. (DOI:10.1080/1023666X.2024.2435853)

Khoa Công nghệ Hóa học

Ngành Công nghệ Vật liệu