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零碳科技：新型熱致變色材料，顯著提高室內空間冷卻能效
時間：2024-09-27 10:00:35 作者：GBWindows 來源：行業網站 閱讀：753內容摘要：導 讀智能窗戶同時具有滿足建筑采光需求及降低建筑能耗的多種功能。然而，現有應用于智能窗戶的響應材料存在著需要外部電力供應、容易氧化、低耐久性等多種問題。萊斯大學Pulickel M. Ajayan、香港中文大學龍祎合作提出了一種基于鹽化聚合物共混系統的新型熱致變色智能材料。該系統......導 讀
智能窗戶同時具有滿足建筑采光需求及降低建筑能耗的多種功能。然而，現有應用于智能窗戶的響應材料存在著需要外部電力供應、容易氧化、低耐久性等多種問題。
萊斯大學Pulickel M. Ajayan、香港中文大學龍祎合作提出了一種基于鹽化聚合物共混系統的新型熱致變色智能材料。該系統由聚（二甲基硅氧烷）（PDMS）、聚（環氧乙烷）(PEO)和高氯酸鋰組成。通過調控聚合物在室溫下的可混合性以及熱致相分離，在接近室溫（25-35°C）的溫度范圍內，新型智能材料表現出高透明度（Tlum：~85%）和優異的太陽光調制能力（ΔTsol：~63.5%）。同時，與現有的熱致變色材料（如二氧化釩和熱響應水凝膠）相比，新型聚合物薄膜具有出色的耐久性。此外，新型聚合物薄膜可以通過多種手段涂布于大面積表面。
該熱致變色聚合物材料易于制造、性能穩定，具有取代二氧化釩等現有熱致變色材料的應用潛力。相關論文以“Thermochromic polymer blends”為題，發表在Joule雜志，第一作者為Sreehari K. Saju，Anand B. Puthirath，王善成，通訊作者為Pulickel M. Ajayan，龍祎。
研究背景
采光和熱管理是建筑領域中亟待解決的重要問題。在過去的幾十年里，科學界已經對建筑熱管理和采光進行了深入研究。計算表明，通過調控由窗戶和天窗進入的太陽光和熱量可以有效減少建筑物能源消耗。如果將現有窗戶面積的18%替換為具有更好能效的智能窗戶，就可以削減超過50%的建筑照明、供暖和制冷能耗。具有光譜選擇性的熱致變色材料因其在節能方面的應用而備受關注。由于熱致變色材料不需要外界電力供應即可實現對特定波長光波的調控，它是實現高效建筑熱管理的一種理想解決方案。
目前，關于熱致變色材料的研究主要集中在無機二氧化釩（VO2）和有機熱致變色材料如水凝膠上。以二氧化釩為代表的無機熱致變色材料具有優秀的抗光降解性。然而，高相轉變溫度、缺乏穩定性以及薄膜的棕黃色色調限制了二氧化釩等無機熱致變色材料的應用。另一方面，有機熱致變色材料具有顏色豐富、相轉變溫度低、靈敏度高、易于制造和低成本等許多優點。
然而，目前有機熱致變色材料的應用仍然受制于易發生光降解、循環穩定性差和總壽命較短等問題。因此，提升有機熱致變色材料的環境耐久性和制備大尺寸智能窗戶的能力成為了亟待解決的兩大問題。 
研究團隊提出了一種由聚環氧乙烷(PEO)、聚二甲基硅氧烷 (PDMS)聚合物和高氯酸鋰(LiClO4)堿性鹽組成的，具有熱致變色行為的三組分系統。通過利用PEO-堿性鹽復合物在溫度刺激下發生的相變和吸濕性改變，該聚合物薄膜能夠在30°C左右時由高可見光透射率狀態轉變為不透明狀態。同時，該聚合物薄膜表現出了可靠的耐久性和抗光降解性。此外，利用常見的涂布手段就可以將該聚合物薄膜輕松涂覆在各種表面上。這種新型熱致變色聚合物薄膜對于建筑物節能具有重要意義。
圖1.熱致變色聚合物薄膜的合成示意圖與表征
PDMS是一種無法與大多數其他聚合物混溶的聚硅氧烷。研究團隊利用鹽析現象，通過使用易解離的鹽來即通過鹽析現象來改善PDMS基質中PEO鏈的可混溶性。同時，通過使用固化劑和高溫快速交聯，制備了具有高度均勻性的熱致變色聚合物共混物（TFTP）。通過傅里葉變換紅外光譜（FTIR)、差示掃描量熱儀（DSC）和熱重分析（TGA），研究團隊對TFTP膜進行了成分表征和熱穩定性分析。TFTP的紅外光譜顯示出與PDMS和PEO相對應的明顯特征峰，表明其中的三個組分沒有發生化學反應，而只是進行了物理混合。熱分析結果顯示TFTP膜在300°C以下沒有觀測到明顯的重量損失，這表明TFTP膜具有滿足智能窗戶應用的熱穩定性。
圖2.熱致變色聚合物薄膜的熱致變色性能及耐久性測試。
圖2A展示了不同溫度下涂在玻璃板上的TFTP薄膜的外觀變化。與通常呈現棕黃色色調的二氧化釩薄膜以及其他無機熱致變色材料相比，TFTP薄膜在不透明狀態時顯示出視覺上較為舒適的白色。通過可見-近紅外光譜可以觀察到：當溫度升高時，TFTP樣品表現出從360nm（可見光）到2500nm（近紅外）的透射率差異。該混合物的可見光透射率（Tvis）和太陽光調制能力（ΔTsol）與現有熱致變色水凝膠相當。
同時，TFTP薄膜的相轉變溫度為30°C。這一接近室溫的相轉變溫度確保TFTP膜在白天有效調節陽光透射率并提高節能效果。在加速老化測試中，含有0.08g LiClO4的TFTP膜樣品在老化6天后透射率下降幅度小于10%。而含有0.10g LiClO4的TFTP樣品透射率下降幅度約為20%。可見TFTP薄膜具有良好的耐久性。為了研究TFTP薄膜的紫外線穩定性，研究團隊將樣品暴露在365nm波長的紫外光源下。持續暴露21天后，TFTP樣品的熱致變色性能無明顯變化。 
圖3.熱致變色聚合物薄膜的太陽能屏蔽和建筑節能效果評估
研究團隊進一步評估了TFTP熱致變色聚合物薄膜的太陽能屏蔽和建筑節能效果。由于良好的太陽光調制能力，相比于透明雙層玻璃，在模擬日光的照射下安裝TFTP薄膜的測試箱升溫程度更小。這一實驗結果表明TFTP薄膜能夠有效調節進入室內的太陽能。
同時，研究團隊對于TFTP薄膜、3毫米透明白玻璃和熱致變色水凝膠在不同氣候條件下的節能性能進行了模擬計算。對于熱帶氣候區如新加坡，安裝TFTP薄膜的建筑室溫低于透明白玻璃。而對于香港、馬德里和上海等氣候溫和的城市，TFTP薄膜和水凝膠能夠在夏季顯著降低室溫。在冬季，三個樣品具有相似的室內溫度。另一方面，與透明白玻璃相比，安裝TFTP薄膜能夠有效降低建筑的年平均供暖/制冷負荷。 
圖 4. 熱致變色聚合物薄膜的變色機理研究和性能比較
在25-100°C范圍的接觸角測試中，TFTP薄膜的接觸角保持在90度以上。這一實驗結果表明TFTP薄膜在正常使用條件下具有疏水性。此外，當溫度由25°C升至100°C，TFTP紅外光譜中PEO特征峰的強度出現了顯著增加，表明PEO與PDMS基質發生了相分離。
為了進一步了解聚合物系統的熱致變色機理，研究團隊建立了一個分子動力學模型用以分析聚合物共混物的結構隨溫度的變化。通過模擬原子隨時間的平均位移以及C–O和O–Si鍵的最大配位數，研究團隊得到了有關聚合物共混物結構變化的有用信息。研究團隊發現，原子的平均均方根位移趨于隨溫度升高而增加。這一現象表明隨著溫度升高，原子趨于彼此遠離。同時，C–O和O–Si鍵的最大配位數隨溫度升高而降低的觀察結果表明，聚合物內部和之間的交聯量以及PDMS單體的穩定性會因溫度而降低。
通過這些結果，研究團隊得出結論：溫度變化通過對于TFTP薄膜中內聚力和混溶性的影響引起了TFTP膜的結構重構。從而導致了TFTP膜在較高溫度下發生相分離，并且使得其太陽光透射率發生改變。
新研發的熱致變色聚合物混合膜在室溫下具有高可見光透明度（85%）、卓越的太陽能調制能力（64%）和極高的長波紅外發射率（0.92）。該薄膜合成方法簡單，可應用于大面積涂布，具有高度可加工性和低生產成本。該薄膜具有接近室溫（30°C）的相轉變溫度，同時表現出與現有高性能響應性水凝膠相當的熱致變色性能。值得一提的是，在加速老化試驗和紫外老化實驗中，該聚合物薄膜表現出比傳統水凝膠具有更長的使用壽命和更出色的耐候性。
建筑能耗模擬表明，與透明白玻璃相比，該薄膜在熱帶和季節性地區具有良好的節能性能。同時，分子動力學計算結果闡釋了聚合物薄膜的變色機理。該膜具有出色的熱致變色性能、可靠的耐久性以及大規模生產的潛力，非常適合智能窗戶的應用。
國內熱致調光材料應用案例
日前，全球首個全立面熱致調光自動遮陽大樓在重慶保稅港綜合產業孵化樓誕生。該建筑采用了熱致調光玻璃，這種玻璃能在氣溫超過35℃時自動霧化，有效阻擋陽光直射，降低室內溫度，還能通過溫度變化控制光線的透過，實現了智能調光的功能。
據介紹，該熱致調光玻璃是種高分子納米凝膠材料，低溫時分子均勻分散，呈現透明狀態，太陽光可直接透過。當溫度升高時，分子形成團簇，可對不同波段的太陽光形成折射和反射，將這種調光材料與兩片玻璃組合在一起，形成玻璃與遮陽一體化的智能調光玻璃產品，就可把炎熱擋在窗外。 
會“變色”的保稅港綜合產業孵化樓。重慶保稅港區集團供圖
在重慶，一些建筑已經運用了這種“變色龍”玻璃，在渝北區人民醫院，門診大廳的智能玻璃采光頂為患者帶來更加舒適的體驗；在中國科學院大學重慶學院的圖書館，外立面上的玻璃會隨著溫度變化改變顏色；在江北國際機場T3B航站樓，約4000平方米的天窗采用熱致調光玻璃。
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