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鄭州大學楊艷宇/王萬杰《Adv. Sci.》：一種簡單通用的策略用于構建液態復合物節能窗戶實現強效的太陽光調控

2023-02-04 來源：高分子科技

建筑物消耗了全球超過三分之一的能量，其中用于加熱和冷卻的空調系統所消耗的能量約占建筑物總能耗的50%。目前建筑物的墻體已經應用了各種隔熱保溫材料來實現節能減排，然而建筑物的窗戶除了上世紀80年代發明的Low-E玻璃窗戶之外，鮮有能夠工業化的節能窗戶。熱致變色智能窗具有被動響應溫度變化、無需額外能量輸入的優點，能夠根據環境溫度的變化動態調節進入室內的熱輻射量，從而達到節能的目的，其中聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAm）基水凝膠智能窗的研究尤為廣泛。與固態的PNIPAm凝膠智能窗相比，液態的PNIPAm微凝膠懸浮液表現出體積穩定和易于規模化生產的優勢。然而目前的PNIPAm微凝膠懸浮液制備過程繁瑣，往往需要通過復雜的濃縮過程和額外加入乳化劑來提高濃度并增強分散穩定性（Joule 2019, 3, 290; Joule 2020, 4, 1），同時PNIPAm微凝膠懸浮液的相變溫度不易調節，無法滿足多個領域的應用需求。

近日，由鄭州大學楊艷宇副教授/王萬杰教授團隊提出了簡單通用的一步法策略制備線性聚合物鏈/微凝膠顆粒復合物（chain/microparticle hybrids, CMH）應用于熱致變色智能窗，將NIPAm和烯酸類單體（OA）通過反向原子轉移自由基聚合（RATRP）的方式獲得一系列高濃度且分散穩定的CMH懸浮液，在熱誘導線性聚合物鏈的溶解-聚集和微凝膠顆粒中水的捕獲-釋放的協同機制下實現了智能窗的光散射調控行為和寬光譜調節能力（圖1）。所構建的液態智能窗具有快速的響應性、可調控的相變溫度、高可見光透過率、強太陽光調控能力和優異的循環穩定性。該制備策略易于操作，能夠推廣至NIPAm和多種烯酸類單體的共聚體系中，因而在節能窗的大規模生產和工業化應用中具有巨大的潛力。

圖1. 液態CMH智能窗的制備及作用機制示意圖

熱致變色智能窗具有三個重要的參數，分別為相變溫度（T_c）、可見光透過率（T_lum）和太陽光調控效率（ΔT_sol）。優異的熱致變色智能窗戶要求其具有接近室溫的T_c，以及高的T_lum和ΔT_sol，從而達到在炎熱的夏季實現迅速響應和減少室內熱輻射量的目的。本工作使用NIPAm和丙烯酸（AA）共聚的方式調控線性聚合物鏈/微凝膠顆粒復合物（CMH）與水之間的氫鍵作用，從而獲得接近室溫的相變溫度（26.7 °C），能夠在夏季對環境溫度迅速做出響應從而阻擋太陽光的入射。通過一步法制備的CMH懸浮液的濃度高達6.8 wt%，在厚度僅為280 μm時，利用線性鏈和微凝膠顆粒的雙重相變機制實現智能窗的高可見光透過率（T_lum = 91.5%）和強太陽光調控效率（ΔT_sol = 85.8%）（圖2A,B）。與目前所報道的凝膠智能窗相比，本工作中的T_lum和ΔT_sol均處在最高水平（圖2C）。在模擬實驗中，配備智能窗的玻璃房其內部溫度比普通玻璃房低24.5 °C（圖2F,G），證明了CMH智能窗優異的光管理和室內熱輻射調控能力。

圖2. （A,B）P(NIPAm-co-AA)基智能窗的光調控行為；（C）智能窗的T_lum和ΔT_sol與文獻數值的對比；（D-E）智能窗的室內溫度調控效果

微凝膠顆粒之間的靜電斥力能夠保證CMH懸浮液在連續相變循環、持續加熱和紫外光輻射中保持優異的分散穩定性。此外，本工作所構建的智能窗具有靈活可調的相變溫度，通過調節pH值來調控CMH與水之間的氫鍵作用，從而實現相變溫度在寬范圍內（27-82 °C）的靈活調控，能夠滿足不同應用場景的需求。

作者探究了其他烯酸類單體（如甲基丙烯酸（MAA）、3-丁烯酸（3-BA）和4-戊烯酸（4-PA）與NIPAm共聚制備液態智能窗的可行性（圖3）。隨著烯酸類單體碳鏈長度的增加，CMH與水之間的氫鍵作用減弱，導致CMH懸浮液的相變溫度偏低。通過調整CMH懸浮液的pH值能夠調整其相變溫度到室溫附近，所構筑的一系列智能窗的T_lum均大于87%，ΔT_sol均高于80%。這一簡單而通用的策略將為大規模制備智能窗戶開辟一條新途徑，助力實現碳減排和碳中和的目標。

圖3. 一系列CMH懸浮液的制備、相變溫度調控及智能窗的光調控行為

該研究以“A Facile yet Versatile Strategy to Construct Liquid Hybrid Energy-Saving Windows for Strong Solar Modulation”為題發表于Advanced Science。論文第一作者為鄭州大學材料學院碩士生李紀昌，通訊作者為鄭州大學材料學院楊艷宇副教授，王萬杰教授為共同通訊作者。該工作獲得國家自然科學基金、河南省自然科學優秀青年基金和中國博士后基金等項目的資助。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202206044

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（責任編輯：xu）

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