被動(dòng)降溫涂料是近年新興的節(jié)能技術(shù)，其主要目的是解決當(dāng)前建筑制冷的能耗問(wèn)題。以我國(guó)為例，當(dāng)前采暖和空調(diào)能耗占建筑能耗55%，總能耗的18%，按每度電0.5元算，每年耗費(fèi)1萬(wàn)億人民幣以上。大量的能耗不僅費(fèi)錢，還引起了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題；臭名昭著的霧霾現(xiàn)象的背后就有冬天供暖這一剛需。
因此，發(fā)展節(jié)能的建筑空間控溫手段不僅引起廣泛的科學(xué)興趣，也引發(fā)了轟轟烈烈的社會(huì)活動(dòng)（零能耗建筑熱潮）。相對(duì)于費(fèi)用高昂的建筑設(shè)計(jì)策略，被動(dòng)降溫涂層材料代表了廉價(jià)、易實(shí)現(xiàn)、且能用于已有建筑的新策略。近年來(lái)，各種節(jié)能的被動(dòng)降溫涂層涌現(xiàn)，這種涂料一方面可以反射波長(zhǎng)（λ）在?0.3–2.5μm范圍內(nèi)的太陽(yáng)光從而避免太陽(yáng)能對(duì)建筑物的加熱，而同時(shí)又可以允許熱量通過(guò)大氣長(zhǎng)波紅外（LWIR）傳輸窗口（λ?8– 13微米）傳遞到外太空去，可實(shí)現(xiàn)白天輻射降溫。然而，目前的被動(dòng)制冷涂料是靜態(tài)的，在夏天制冷的同時(shí)，會(huì)給冬天供暖帶來(lái)負(fù)面影響，頗有補(bǔ)了西墻、拆了東墻的嫌疑。如何實(shí)現(xiàn)真正的零能耗冬暖夏涼，似乎還任重道遠(yuǎn)。
針對(duì)此，電子科技大學(xué)崔家喜教授團(tuán)隊(duì)提供了一種新思路：利用動(dòng)態(tài)多孔薄膜來(lái)將太陽(yáng)能采暖與太陽(yáng)光反射以及輻射冷卻兩種功能結(jié)合起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的冬暖夏涼的智能轉(zhuǎn)換。該動(dòng)態(tài)多孔有機(jī)硅薄膜在特定的刺激下可以在透明的實(shí)體狀態(tài)（透過(guò)太陽(yáng)光）與反光的多孔狀態(tài)（反射太陽(yáng)光）之間轉(zhuǎn)換。當(dāng)將此智能薄膜與具有光熱功能的含炭黑顆粒（CBP）有機(jī)硅膠涂層相結(jié)合，可制備得可控加熱制冷雙功能涂料。
此雙層智能薄膜結(jié)構(gòu)在透明狀態(tài)下可以吸收約95％的陽(yáng)光，而在多孔狀態(tài)下則反射約93％的太陽(yáng)輻射，同時(shí)向外太空發(fā)射約94％的LWIR輻射（圖1）。
與目前常用的靜態(tài)輻射體材料體系相比，該智能雙層的白天輻射體系的創(chuàng)新性在于該材料體系可以在外界刺激下有效實(shí)現(xiàn)冷卻和加熱的智能切換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)冬暖夏涼。
并且制備原料低廉，制備過(guò)程簡(jiǎn)單環(huán)保，無(wú)需有機(jī)溶劑亦可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。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(nèi)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(fā)表在國(guó)際著名期刊Advanced Material上。
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該切換性多孔薄膜材料的制備方法簡(jiǎn)單環(huán)保。作者采用一步法以水滴做模板將刺激響應(yīng)的可切換空腔結(jié)構(gòu)在薄膜的制備過(guò)程中簡(jiǎn)單有效地引入到成型的材料結(jié)構(gòu)中。
首先將水滴與市售的聚二甲基硅氧烷（PDMS）前聚體進(jìn)行充分的混合得到均勻的水油膠束，然后在空氣中實(shí)現(xiàn)逐漸固化，在此過(guò)程中程序性控制水滴的蒸發(fā)過(guò)程即可制得響應(yīng)性可切換薄膜。
在PDMS鏈交聯(lián)過(guò)程中，水分子從液滴中蒸發(fā)的過(guò)程產(chǎn)生負(fù)壓，導(dǎo)致液滴變形收縮，從而使初步交聯(lián)的聚合物鏈處于不穩(wěn)定的伸展?fàn)顟B(tài)。
當(dāng)液滴完全消失時(shí)，在先前被液滴占據(jù)的位置會(huì)形成通過(guò)軟性PDMS基質(zhì)的界面粘附作用而穩(wěn)定的折痕（圖2）。在外界機(jī)械刺激（例如，拉伸/刮擦/擦拭）下，由亞穩(wěn)態(tài)折痕產(chǎn)生了空腔，從而導(dǎo)致了多孔結(jié)構(gòu)。
這種機(jī)械感應(yīng)的空腔化作用是可逆的，可以在保持薄膜的切換和光學(xué)性能不變的情況下實(shí)現(xiàn)多次的循環(huán)（圖2）。此響應(yīng)性智能薄膜材料的透射率取決于所施加的應(yīng)力。由于空腔結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，其透射率隨應(yīng)力增加而降低。
因此，這種與壓力有關(guān)的空腔化現(xiàn)象提供了一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)精確調(diào)節(jié)太陽(yáng)光透射率，從而可用來(lái)調(diào)節(jié)薄膜對(duì)于太陽(yáng)能的吸收過(guò)程，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)可轉(zhuǎn)換的冷卻或加熱提供了可能性。
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該多孔薄膜材料的光學(xué)性能表現(xiàn)出很好的可調(diào)節(jié)性和環(huán)境穩(wěn)定性。對(duì)于太陽(yáng)光的反射特性可以通過(guò)調(diào)節(jié)材料內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)的尺寸分布、空腔密度以及薄膜的厚度等因素進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。當(dāng)制備過(guò)程中膠束中水含量從30 %增加到200 %時(shí)，空腔密度的顯著增加的同時(shí)也大大提高了材料在多孔狀態(tài)下對(duì)太陽(yáng)光的反射特性。
除此之外，通過(guò)簡(jiǎn)單混合特定尺寸的乳液來(lái)控制所得材料內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)尺寸的分布，得到具有最佳太陽(yáng)光的反射性能的多層次多孔材料結(jié)構(gòu)。由于PDMS本身分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，所得智能可切換多孔薄膜材料表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。
在不同惡劣環(huán)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(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械耐久性和優(yōu)異的光學(xué)特性，在多孔和實(shí)體狀態(tài)下，其光學(xué)反射和光學(xué)吸收分別可以保持在92%和95%以上，可以有效實(shí)現(xiàn)制冷和加熱的靈活轉(zhuǎn)變。這非常切合戶外建筑材料的使用環(huán)境，有望為現(xiàn)代節(jié)能建筑的發(fā)展提供切實(shí)可行的解決方案。
另外，測(cè)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(shí)， 經(jīng)過(guò)處理的涂層保持其機(jī)械性能和光學(xué)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(fā)展提供一定的借鑒（圖3）。
在實(shí)際的應(yīng)用測(cè)試中，該智能多孔薄膜材料表現(xiàn)出優(yōu)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(huán)境為例，該雙層可切換多孔薄膜可在795 W·m-2的平均太陽(yáng)照射強(qiáng)度（Isolar）下實(shí)現(xiàn)自身表面溫度升高?18°C（圖4）。而在炎熱環(huán)境中，以空氣溫度為?35°C的環(huán)境為例，在入射太陽(yáng)輻射為768 W·m-2的情況下，處于多孔狀態(tài)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(shí)間段進(jìn)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(jiǎn)單方便且可擴(kuò)展。雙層可以制成堅(jiān)固的自支撐膜（抗張強(qiáng)度：6 MPa，拉伸應(yīng)變：> 100％），也可以通過(guò)噴涂或澆鑄方法用作各種基材的涂層。由于SPDMS對(duì)刮擦具有很高的敏感性，因此即使將雙層涂層應(yīng)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(tài)和加熱狀態(tài)之間切換雙層涂層。
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
