本發(fā)明涉及tpu膜，具體涉及一種光致變色tpu膜及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，為實現(xiàn)節(jié)能減排目標，智能窗技術(shù)在光學調(diào)節(jié)和熱量管理領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應用前景，受到廣泛關(guān)注。在智能窗技術(shù)中，光致變色和熱致變色材料因其被動調(diào)節(jié)太陽輻射的能力成為研究重點。其中，二氧化釩作為一種典型的熱致變色材料，依賴其獨特的金屬-絕緣體相變特性，可在68℃附近通過相變由高透光狀態(tài)切換至高反射狀態(tài)，從而實現(xiàn)太陽輻射的智能調(diào)控。然而，二氧化釩在實際應用中仍存在多種技術(shù)瓶頸，包括較高的相變溫度、不理想的顏色表現(xiàn)(通常為暗黃色)、化學穩(wěn)定性不足，以及在透明度與太陽能調(diào)控能力(δtsol)之間難以實現(xiàn)平衡。此外，基于鈣鈦礦的tc材料雖然具有較高的光熱響應效率，但其環(huán)境穩(wěn)定性差、δtsol不足，嚴重限制了其實際應用。相比之下，光致變色材料如三氧化鎢因其光響應速度快、可逆性好及高對比度的光學調(diào)節(jié)能力，在智能窗研究中備受青睞。然而，三氧化鎢材料的實際應用受到諸多問題的制約，包括光散射導致透明度下降、制備成本高昂及長期穩(wěn)定性不足等。例如，三氧化鎢基薄膜通常需要昂貴的磁控濺射設(shè)備進行涂層制備，且大多數(shù)pc器件需依賴液態(tài)電解質(zhì)，這會因液體泄漏問題而降低長期使用穩(wěn)定性。盡管使用聚合物粘合劑封裝三氧化鎢可以部分緩解穩(wěn)定性問題，但由于三氧化鎢與聚合物基質(zhì)之間的折射率差異較大，復合薄膜在光通過時易產(chǎn)生光散射，導致透明度下降和霧度增加。

2、與三氧化鎢和二氧化釩相比，五氧化二鈮作為一種寬帶隙的過渡金屬氧化物，具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和光致變色性能。通過各種金屬離子摻雜(如鐵)，五氧化二鈮的光響應能力和電子遷移效率顯著提升，但在實際應用中仍面臨納米顆粒易團聚、薄膜透明性和機械柔性不足等問題。此外，高分子基體的選擇對于優(yōu)化材料性能同樣至關(guān)重要，傳統(tǒng)的pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)盡管具有較高的透明度，但在熱穩(wěn)定性和耐久性方面存在不足，難以滿足智能窗的長期應用需求。相比之下，tpu(熱塑性聚氨酯彈性體)因其優(yōu)異的彈性、機械強度及耐化學性，成為替代傳統(tǒng)高分子材料的理想選擇?；诖?，本發(fā)明提出了一種光致變色tpu膜及其制備方法，通過在tpu中原位生長高度分散的小尺寸金屬元素摻雜的五氧化二鈮納米顆粒，制備具有高透明度、優(yōu)異機械性能和對陽光自控制能力的全柔性光致變色薄膜，為智能窗及其他光學調(diào)控領(lǐng)域提供了一種高效、可行的解決方案。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種光致變色tpu膜及其制備方法和應用。

2、本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)：本發(fā)明提供一種光致變色tpu膜，包括熱塑性聚氨酯彈性體和光致變色材料；所述光致變色材料是由摻雜金屬離子和nb5+以摩爾比為20-120mol％混合而成，其中，所述摻雜金屬離子為cr3+、mn2+、fe3+、co2+、ni2+、cu2+或zn2+。

3、在本發(fā)明中，通過加入相應的金屬鹽(如cr3+、mn2+、fe3+、co2+、ni2+、cu2+或zn2+)，控制摻雜的金屬(cr3+、mn2+、fe3+、co2+、ni2+、cu2+或zn2+)與nb的摩爾比為20-120mol％，以優(yōu)化摻雜金屬及顆粒分布濃度，且采用具有優(yōu)異的彈性、機械強度及耐化學性的tpu(熱塑性聚氨酯)，提高了薄膜的光致變色性能以及力學性能，確保了薄膜具有較高的太陽能透射率調(diào)控能力(δtsol)，能夠在不同光照條件下實現(xiàn)高效的智能調(diào)控，制備出具有高透明度、優(yōu)異機械性能和對陽光自控制能力的全柔性光致變色薄膜。

4、進一步的，所述光致變色材料是由摻雜金屬離子和nb5+以摩爾比為20mol％、40mol％、60mol％、80mol％、100mol％或120mol％混合而成。

5、進一步的，所述光致變色tpu膜的厚度為40-60μm。

6、本發(fā)明還提供一種光致變色tpu膜的制備方法，包括如下步驟：

7、s1、將鈮鹽溶液溶解于3-5ml的n-甲基吡咯烷酮中，隨后加入相應的摻雜金屬鹽，使得摻雜金屬離子和nb5+摩爾比為20-120mol％，并在室溫下攪拌2-5小時，得到溶液a；

8、s2、在50-70℃下，將熱塑性聚氨酯彈性體溶解于6-10ml?n-甲基吡咯烷酮中，冷卻至室溫后，再轉(zhuǎn)移至6-10ml二氯乙烷中攪拌8-10小時，得到溶液b；

9、s3、在室溫下，將溶液a與溶液b以體積比為1：3-5混合均勻，攪拌1-3小時，得到前驅(qū)體溶液；

10、s4、使用間隙為200-300μm的涂覆裝置將前驅(qū)體溶液涂覆在玻璃基板上，涂覆完成后，將基板置于70-80℃的熱板上加熱20-30分鐘，以蒸發(fā)溶劑，最后將干燥后的涂層從玻璃基板上剝離，得到光致變色tpu薄膜。

11、本發(fā)明采用金屬原位生長技術(shù)簡化了制備工藝，通過在tpu中原位生長高度分散的小尺寸金屬元素摻雜的五氧化二鈮納米顆粒，制備出具有高透明度、優(yōu)異機械性能和對陽光自控制能力的全柔性光致變色薄膜，避免了高能耗和復雜制備手段(如水熱合成和球磨)的依賴，大幅降低了生產(chǎn)成本，具備良好的規(guī)?；a(chǎn)潛力。

12、進一步的，在步驟s1中，所述鈮鹽溶液溶加入量為0.6-1g，所述鈮鹽溶液溶為五氯化鈮。

13、進一步的，在步驟s1中，所述摻雜金屬鹽為crcl3、mncl2、fecl3、cocl2、nicl2、cucl2或zncl2。

14、進一步的，在步驟s2中，所述熱塑性聚氨酯彈性體加入量為3-5g。

15、進一步的，在步驟s4中，在涂覆過程中，涂覆裝置移動速度為100-200mm/s，玻璃基板溫度為70-80℃。

16、本發(fā)明還提供一種光致變色tpu膜的應用，所述光致變色tpu膜應用于太陽能熱和日光控制。

17、具體地，光致變色tpu膜廣泛適用于建筑智能窗、汽車窗和光學顯示設(shè)備等領(lǐng)域。在建筑領(lǐng)域，該薄膜可作為智能窗涂層，通過調(diào)節(jié)光照實現(xiàn)室內(nèi)采光和溫度的智能控制，降低能源消耗；在汽車行業(yè)，可用于車窗材料，實現(xiàn)遮陽降溫和隱私保護，提升駕乘舒適性；在光學顯示設(shè)備中，可用于調(diào)節(jié)光學特性，為智能化、節(jié)能型顯示技術(shù)提供支持。

18、本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明的光致變色tpu膜通過加入相應的金屬鹽，控制摻雜的金屬與nb的摩爾比，以優(yōu)化摻雜金屬及顆粒分布濃度，且采用具有優(yōu)異的彈性、機械強度及耐化學性的tpu，提高了薄膜的光致變色性能以及力學性能，確保了薄膜具有較高的太陽能透射率調(diào)控能力，能夠在不同光照條件下實現(xiàn)高效的智能調(diào)控，制備出具有高透明度、優(yōu)異機械性能和對陽光自控制能力的全柔性光致變色薄膜；且本發(fā)明的光致變色tpu膜可應用于太陽能熱和日光控制相關(guān)的領(lǐng)域，適用范圍廣。

19、本發(fā)明光致變色tpu膜的制備方法，操作簡單，控制方便，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低，通過在tpu中原位生長高度分散的小尺寸金屬元素摻雜的五氧化二鈮納米顆粒，制備出具有高透明度、優(yōu)異機械性能和對陽光自控制能力的全柔性光致變色薄膜，避免了高能耗和復雜制備手段的依賴，大幅降低了生產(chǎn)成本，具備良好的規(guī)?；a(chǎn)潛力。