零碳科技：新型熱致變色材料，顯著提高室內(nèi)空間冷卻能效

時間：2024-09-27 10:00:35 作者：GBWindows 來源：行業(yè)網(wǎng)站閱讀：399

內(nèi)容摘要：導(dǎo) 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(xiàn)有應(yīng)用于智能窗戶的響應(yīng)材料存在著需要外部電力供應(yīng)、容易氧化、低耐久性等多種問題。萊斯大學(xué)Pulickel M. Ajayan、香港中文大學(xué)龍祎合作提出了一種基于鹽化聚合物共混系統(tǒng)的新型熱致變色智能材料。該系統(tǒng)......

導(dǎo) 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(xiàn)有應(yīng)用于智能窗戶的響應(yīng)材料存在著需要外部電力供應(yīng)、容易氧化、低耐久性等多種問題。

萊斯大學(xué)Pulickel M. Ajayan、香港中文大學(xué)龍祎合作提出了一種基于鹽化聚合物共混系統(tǒng)的新型熱致變色智能材料。該系統(tǒng)由聚（二甲基硅氧烷）（PDMS）、聚（環(huán)氧乙烷）(PEO)和高氯酸鋰組成。通過調(diào)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(nèi)，新型智能材料表現(xiàn)出高透明度（Tlum：~85%）和優(yōu)異的太陽光調(diào)制能力（ΔTsol：~63.5%）。同時，與現(xiàn)有的熱致變色材料（如二氧化釩和熱響應(yīng)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(wěn)定，具有取代二氧化釩等現(xiàn)有熱致變色材料的應(yīng)用潛力。相關(guān)論文以“Thermochromic polymer blends”為題，發(fā)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(lǐng)域中亟待解決的重要問題。在過去的幾十年里，科學(xué)界已經(jīng)對建筑熱管理和采光進(jìn)行了深入研究。計算表明，通過調(diào)控由窗戶和天窗進(jìn)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(xiàn)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(jié)能方面的應(yīng)用而備受關(guān)注。由于熱致變色材料不需要外界電力供應(yīng)即可實現(xiàn)對特定波長光波的調(diào)控，它是實現(xiàn)高效建筑熱管理的一種理想解決方案。

目前，關(guān)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(yōu)秀的抗光降解性。然而，高相轉(zhuǎn)變溫度、缺乏穩(wěn)定性以及薄膜的棕黃色色調(diào)限制了二氧化釩等無機熱致變色材料的應(yīng)用。另一方面，有機熱致變色材料具有顏色豐富、相轉(zhuǎn)變溫度低、靈敏度高、易于制造和低成本等許多優(yōu)點。

然而，目前有機熱致變色材料的應(yīng)用仍然受制于易發(fā)生光降解、循環(huán)穩(wěn)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(huán)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(huán)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(tǒng)。通過利用PEO-堿性鹽復(fù)合物在溫度刺激下發(fā)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(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌该鳡顟B(tài)。同時，該聚合物薄膜表現(xiàn)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(jié)能具有重要意義。

零碳科技：新型熱致變色材料，顯著提高室內(nèi)空間冷卻能效

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(shù)其他聚合物混溶的聚硅氧烷。研究團隊利用鹽析現(xiàn)象，通過使用易解離的鹽來即通過鹽析現(xiàn)象來改善PDMS基質(zhì)中PEO鏈的可混溶性。同時，通過使用固化劑和高溫快速交聯(lián)，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(jìn)行了成分表征和熱穩(wěn)定性分析。TFTP的紅外光譜顯示出與PDMS和PEO相對應(yīng)的明顯特征峰，表明其中的三個組分沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而只是進(jìn)行了物理混合。熱分析結(jié)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(yīng)用的熱穩(wěn)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(xiàn)棕黃色色調(diào)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(tài)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(dāng)溫度升高時，TFTP樣品表現(xiàn)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(diào)制能力（ΔTsol）與現(xiàn)有熱致變色水凝膠相當(dāng)。

同時，TFTP薄膜的相轉(zhuǎn)變溫度為30°C。這一接近室溫的相轉(zhuǎn)變溫度確保TFTP膜在白天有效調(diào)節(jié)陽光透射率并提高節(jié)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(wěn)定性，研究團隊將樣品暴露在365nm波長的紫外光源下。持續(xù)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(jié)能效果評估

研究團隊進(jìn)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(jié)能效果。由于良好的太陽光調(diào)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(jié)果表明TFTP薄膜能夠有效調(diào)節(jié)進(jìn)入室內(nèi)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(jié)能性能進(jìn)行了模擬計算。對于熱帶氣候區(qū)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(nèi)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(fù)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(jié)果表明TFTP薄膜在正常使用條件下具有疏水性。此外，當(dāng)溫度由25°C升至100°C，TFTP紅外光譜中PEO特征峰的強度出現(xiàn)了顯著增加，表明PEO與PDMS基質(zhì)發(fā)生了相分離。

為了進(jìn)一步了解聚合物系統(tǒng)的熱致變色機理，研究團隊建立了一個分子動力學(xué)模型用以分析聚合物共混物的結(jié)構(gòu)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(shù)，研究團隊得到了有關(guān)聚合物共混物結(jié)構(gòu)變化的有用信息。研究團隊發(fā)現(xiàn)，原子的平均均方根位移趨于隨溫度升高而增加。這一現(xiàn)象表明隨著溫度升高，原子趨于彼此遠(yuǎn)離。同時，C–O和O–Si鍵的最大配位數(shù)隨溫度升高而降低的觀察結(jié)果表明，聚合物內(nèi)部和之間的交聯(lián)量以及PDMS單體的穩(wěn)定性會因溫度而降低。

通過這些結(jié)果，研究團隊得出結(jié)論：溫度變化通過對于TFTP薄膜中內(nèi)聚力和混溶性的影響引起了TFTP膜的結(jié)構(gòu)重構(gòu)。從而導(dǎo)致了TFTP膜在較高溫度下發(fā)生相分離，并且使得其太陽光透射率發(fā)生改變。

新研發(fā)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(diào)制能力（64%）和極高的長波紅外發(fā)射率（0.92）。該薄膜合成方法簡單，可應(yīng)用于大面積涂布，具有高度可加工性和低生產(chǎn)成本。該薄膜具有接近室溫（30°C）的相轉(zhuǎn)變溫度，同時表現(xiàn)出與現(xiàn)有高性能響應(yīng)性水凝膠相當(dāng)?shù)臒嶂伦兩阅堋Ｖ档靡惶岬氖牵诩铀倮匣囼灪妥贤饫匣瘜嶒炛校摼酆衔锉∧け憩F(xiàn)出比傳統(tǒng)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(jié)性地區(qū)具有良好的節(jié)能性能。同時，分子動力學(xué)計算結(jié)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(guī)模生產(chǎn)的潛力，非常適合智能窗戶的應(yīng)用。

國內(nèi)熱致調(diào)光材料應(yīng)用案例

日前，全球首個全立面熱致調(diào)光自動遮陽大樓在重慶保稅港綜合產(chǎn)業(yè)孵化樓誕生。該建筑采用了熱致調(diào)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(nèi)溫度，還能通過溫度變化控制光線的透過，實現(xiàn)了智能調(diào)光的功能。

據(jù)介紹，該熱致調(diào)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(xiàn)透明狀態(tài)，太陽光可直接透過。當(dāng)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(diào)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(diào)光玻璃產(chǎn)品，就可把炎熱擋在窗外。

會“變色”的保稅港綜合產(chǎn)業(yè)孵化樓。重慶保稅港區(qū)集團供圖

在重慶，一些建筑已經(jīng)運用了這種“變色龍”玻璃，在渝北區(qū)人民醫(yī)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(xué)院大學(xué)重慶學(xué)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(diào)光玻璃。

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