《Adv. Mater.》：零能耗的冬暖夏凉建筑离我们还有多远？

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空调和供暖是现代舒适生活的必备设施。当前，我国采暖和空调能耗占建筑能耗55%，总能耗的18%，按每度电0.5元算，每年超过1万亿人民币用于我们冬暖夏凉的生活买单。这一数据在美国和欧洲甚至更高。大量的能耗不仅费钱，还引起了严重的环境问题；臭名昭著的雾霾现象的背后就有冬天供暖这一刚需。因此，发展节能的建筑空间控温手段不仅引起广泛的科学兴趣，也引发了轰轰烈烈的社会活动（零能耗建筑热潮）。相对于费用高昂的建筑设计策略，能调温的涂层材料代表了廉价、易实现、且能用于已有建筑的新策略。近年来，各种节能涂层涌现，其中最有应用前景的涂料是被动制冷涂料。这种涂料一方面可以反射波长（λ）在〜0.3–2.5μm范围内的太阳光从而避免太阳能对建筑物的加热，而同时又可以允许热量通过大气长波红外（LWIR）传输窗口（λ〜8– 13微米）传递到外太空去，可实现白天辐射降温。然而，目前的被动制冷涂料是静态的，在夏天制冷的同时，会给冬天供暖带来负面影响，颇有补了西墙、拆了东墙的嫌疑。如何实现真正的零能耗冬暖夏凉，似乎还任重道远。

针对此，电子科技大学崔家喜教授团队提供了一种新思路：利用动态多孔薄膜来将太阳能采暖与太阳光反射以及辐射冷却两种功能结合起来，从而实现节能环保的冬暖夏凉的智能转换。该动态多孔有机硅薄膜在特定的刺激下可以在透明的实体状态（透过太阳光）与反光的多孔状态（反射太阳光）之间转换。当将此智能薄膜与具有光热功能的含炭黑颗粒（CBP）有机硅胶涂层相结合，可制备得可控加热制冷双功能涂料。此双层智能薄膜结构在透明状态下可以吸收约95％的阳光，而在多孔状态下则反射约93％的太阳辐射，同时向外太空发射约94％的LWIR辐射（图1）。与目前常用的静态辐射体材料体系相比，该智能双层的白天辐射体系的创新性在于该材料体系可以在外界刺激下有效实现冷却和加热的智能切换，进而实现冬暖夏凉。并且制备原料低廉，制备过程简单环保，无需有机溶剂亦可实现大规模生产。值得注意的是，它不仅可以作为自立膜使用，还可以作为涂料涂在包括刚性陶瓷在内的不同基材上。该研究成果以“Switchable Cavitation in Silicone Coatings for Energy‐Saving Cooling and Heating”为题发表在国际著名期刊Advanced Material上。

图1. 可切换的空腔化过程以及冷却/加热转换过程探索。

该切换性多孔薄膜材料的制备方法简单环保。作者采用一步法以水滴做模板将刺激响应的可切换空腔结构在薄膜的制备过程中简单有效地引入到成型的材料结构中。首先将水滴与市售的聚二甲基硅氧烷（PDMS）前聚体进行充分的混合得到均匀的水油胶束，然后在空气中实现逐渐固化，在此过程中程序性控制水滴的蒸发过程即可制得响应性可切换薄膜。在PDMS链交联过程中，水分子从液滴中蒸发的过程产生负压，导致液滴变形收缩，从而使初步交联的聚合物链处于不稳定的伸展状态。当液滴完全消失时，在先前被液滴占据的位置会形成通过软性PDMS基质的界面粘附作用而稳定的折痕（图2）。在外界机械刺激（例如，拉伸/刮擦/擦拭）下，由亚稳态折痕产生了空腔，从而导致了多孔结构。这种机械感应的空腔化作用是可逆的，可以在保持薄膜的切换和光学性能不变的情况下实现多次的循环（图2）。此响应性智能薄膜材料的透射率取决于所施加的应力。由于空腔结构的出现，其透射率随应力增加而降低。因此，这种与压力有关的空腔化现象提供了一种简单的方法来精确调节太阳光透射率，从而可用来调节薄膜对于太阳能的吸收过程，进而为实现可转换的冷却或加热提供了可能性。

图2. 智能可切换多孔结构中的刺激响应性的空腔化过程的探索。

该多孔薄膜材料的光学性能表现出很好的可调节性和环境稳定性。对于太阳光的反射特性可以通过调节材料内部空腔结构的尺寸分布、空腔密度以及薄膜的厚度等因素进行精确调节。当制备过程中胶束中水含量从30 %增加到200 %时，空腔密度的显著增加的同时也大大提高了材料在多孔状态下对太阳光的反射特性。除此之外，通过简单混合特定尺寸的乳液来控制所得材料内部空腔结构尺寸的分布，得到具有最佳太阳光的反射性能的多层次多孔材料结构。由于PDMS本身分子结构的稳定性，所得智能可切换多孔薄膜材料表现出优异的稳定性。在不同恶劣环境刺激下，包括雨，雪，温度，湿度甚至烈日或紫外线辐射，其都表现出优异的机械耐久性和优异的光学特性，在多孔和实体状态下，其光学反射和光学吸收分别可以保持在92%和95%以上，可以有效实现制冷和加热的灵活转变。这非常切合户外建筑材料的使用环境，有望为现代节能建筑的发展提供切实可行的解决方案。另外，测试还表明其还具有很宽的使用温度范围。将样品浸入液氮（-196°C）或在200°C处理24小时， 经过处理的涂层保持其机械性能和光学性能完整性。这表明，该材料体系也有望为航空用材料体系的发展提供一定的借鉴（图3）。

图3. 智能可切换多孔薄膜材料的光学可控性能以及稳定性探索。

在实际的应用测试中，该智能多孔薄膜材料表现出优异的热控性能。在寒冷的天气中，以周围空气温度为〜10°C的环境为例，该双层可切换多孔薄膜可在795 W·m⁻²的平均太阳照射强度（I_solar）下实现自身表面温度升高〜18°C（图4）。而在炎热环境中，以空气温度为〜35°C的环境为例，在入射太阳辐射为768 W·m⁻²的情况下，处于多孔状态下的薄膜材料可以引起的自身表面温度下降（ΔT）为〜5°C。除此之外，加热和冷却之间的切换甚至可以在同一天的不同时间段进行。除了具有出色的冷却和加热性能外，该材料的制造方法也很简单方便且可扩展。双层可以制成坚固的自支撑膜（抗张强度：6 MPa，拉伸应变：> 100％），也可以通过喷涂或浇铸方法用作各种基材的涂层。由于SPDMS对刮擦具有很高的敏感性，因此即使将双层涂层应用到诸如陶瓷（用于建筑的材料）之类的刚性基材上，也很容易在冷却状态和加热状态之间切换双层涂层。

图4. SPDMS-CBP可切换多孔双层薄膜的太阳能加热和白天辐射冷却性能探索。

该工作第一作者为赵怀霞博士，崔家喜教授为通讯作者。

论文链接：

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

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