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    《Adv. Mater.》:零能耗的冬暖夏涼建筑離我們還有多遠?
    2020-06-08  來源:高分子科技

      空調和供暖是現代舒適生活的必備設施。當前,我國采暖和空調能耗占建筑能耗55%,總能耗的18%,按每度電0.5元算,每年超過1萬億人民幣用于我們冬暖夏涼的生活買單。這一數據在美國和歐洲甚至更高。大量的能耗不僅費錢,還引起了嚴重的環境問題;臭名昭著的霧霾現象的背后就有冬天供暖這一剛需。因此,發展節能的建筑空間控溫手段不僅引起廣泛的科學興趣,也引發了轟轟烈烈的社會活動(零能耗建筑熱潮)。相對于費用高昂的建筑設計策略,能調溫的涂層材料代表了廉價、易實現、且能用于已有建筑的新策略。近年來,各種節能涂層涌現,其中最有應用前景的涂料是被動制冷涂料。這種涂料一方面可以反射波長(λ)在?0.3–2.5μm范圍內的太陽光從而避免太陽能對建筑物的加熱,而同時又可以允許熱量通過大氣長波紅外(LWIR)傳輸窗口(λ?8– 13微米)傳遞到外太空去,可實現白天輻射降溫。然而,目前的被動制冷涂料是靜態的,在夏天制冷的同時,會給冬天供暖帶來負面影響,頗有補了西墻、拆了東墻的嫌疑。如何實現真正的零能耗冬暖夏涼,似乎還任重道遠。


      針對此,電子科技大學崔家喜教授團隊提供了一種新思路:利用動態多孔薄膜來將太陽能采暖與太陽光反射以及輻射冷卻兩種功能結合起來,從而實現節能環保的冬暖夏涼的智能轉換。該動態多孔有機硅薄膜在特定的刺激下可以在透明的實體狀態(透過太陽光)與反光的多孔狀態(反射太陽光)之間轉換。當將此智能薄膜與具有光熱功能的含炭黑顆粒(CBP)有機硅膠涂層相結合,可制備得可控加熱制冷雙功能涂料。此雙層智能薄膜結構在透明狀態下可以吸收約95%的陽光,而在多孔狀態下則反射約93%的太陽輻射,同時向外太空發射約94%的LWIR輻射(圖1)。與目前常用的靜態輻射體材料體系相比,該智能雙層的白天輻射體系的創新性在于該材料體系可以在外界刺激下有效實現冷卻和加熱的智能切換,進而實現冬暖夏涼。并且制備原料低廉,制備過程簡單環保,無需有機溶劑亦可實現大規模生產。值得注意的是,它不僅可以作為自立膜使用,還可以作為涂料涂在包括剛性陶瓷在內的不同基材上。該研究成果以“Switchable Cavitation in Silicone Coatings for Energy‐Saving Cooling and Heating”為題發表在國際著名期刊Advanced Material上。


    圖1. 可切換的空腔化過程以及冷卻/加熱轉換過程探索。


      該切換性多孔薄膜材料的制備方法簡單環保。作者采用一步法以水滴做模板將刺激響應的可切換空腔結構在薄膜的制備過程中簡單有效地引入到成型的材料結構中。首先將水滴與市售的聚二甲基硅氧烷(PDMS)前聚體進行充分的混合得到均勻的水油膠束,然后在空氣中實現逐漸固化,在此過程中程序性控制水滴的蒸發過程即可制得響應性可切換薄膜。在PDMS鏈交聯過程中,水分子從液滴中蒸發的過程產生負壓,導致液滴變形收縮,從而使初步交聯的聚合物鏈處于不穩定的伸展狀態。當液滴完全消失時,在先前被液滴占據的位置會形成通過軟性PDMS基質的界面粘附作用而穩定的折痕(圖2)。在外界機械刺激(例如,拉伸/刮擦/擦拭)下,由亞穩態折痕產生了空腔,從而導致了多孔結構。這種機械感應的空腔化作用是可逆的,可以在保持薄膜的切換和光學性能不變的情況下實現多次的循環(圖2)。此響應性智能薄膜材料的透射率取決于所施加的應力。由于空腔結構的出現,其透射率隨應力增加而降低。因此,這種與壓力有關的空腔化現象提供了一種簡單的方法來精確調節太陽光透射率,從而可用來調節薄膜對于太陽能的吸收過程,進而為實現可轉換的冷卻或加熱提供了可能性。


    圖2. 智能可切換多孔結構中的刺激響應性的空腔化過程的探索。


      該多孔薄膜材料的光學性能表現出很好的可調節性和環境穩定性。對于太陽光的反射特性可以通過調節材料內部空腔結構的尺寸分布、空腔密度以及薄膜的厚度等因素進行精確調節。當制備過程中膠束中水含量從30 %增加到200 %時,空腔密度的顯著增加的同時也大大提高了材料在多孔狀態下對太陽光的反射特性。除此之外,通過簡單混合特定尺寸的乳液來控制所得材料內部空腔結構尺寸的分布,得到具有最佳太陽光的反射性能的多層次多孔材料結構。由于PDMS本身分子結構的穩定性,所得智能可切換多孔薄膜材料表現出優異的穩定性。在不同惡劣環境刺激下,包括雨,雪,溫度,濕度甚至烈日或紫外線輻射,其都表現出優異的機械耐久性和優異的光學特性,在多孔和實體狀態下,其光學反射和光學吸收分別可以保持在92%和95%以上,可以有效實現制冷和加熱的靈活轉變。這非常切合戶外建筑材料的使用環境,有望為現代節能建筑的發展提供切實可行的解決方案。另外,測試還表明其還具有很寬的使用溫度范圍。將樣品浸入液氮(-196°C)或在200°C處理24小時, 經過處理的涂層保持其機械性能和光學性能完整性。這表明,該材料體系也有望為航空用材料體系的發展提供一定的借鑒(圖3)。


    圖3. 智能可切換多孔薄膜材料的光學可控性能以及穩定性探索。


      在實際的應用測試中,該智能多孔薄膜材料表現出優異的熱控性能。在寒冷的天氣中,以周圍空氣溫度為?10°C的環境為例,該雙層可切換多孔薄膜可在795 W·m?2的平均太陽照射強度(Isolar)下實現自身表面溫度升高?18°C(圖4)。而在炎熱環境中,以空氣溫度為?35°C的環境為例,在入射太陽輻射為768 W·m?2的情況下,處于多孔狀態下的薄膜材料可以引起的自身表面溫度下降(ΔT)為?5°C。除此之外,加熱和冷卻之間的切換甚至可以在同一天的不同時間段進行。除了具有出色的冷卻和加熱性能外,該材料的制造方法也很簡單方便且可擴展。雙層可以制成堅固的自支撐膜(抗張強度:6 MPa,拉伸應變:> 100%),也可以通過噴涂或澆鑄方法用作各種基材的涂層。由于SPDMS對刮擦具有很高的敏感性,因此即使將雙層涂層應用到諸如陶瓷(用于建筑的材料)之類的剛性基材上,也很容易在冷卻狀態和加熱狀態之間切換雙層涂層。


    圖4. SPDMS-CBP可切換多孔雙層薄膜的太陽能加熱和白天輻射冷卻性能探索。


      該工作第一作者為趙懷霞博士崔家喜教授為通訊作者。


      論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202000870

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