《Progress in Organic Coatings》：Tough coating with thermosensitive gel located in silicone matrix for efficient self-regulated thermal management
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温敏水凝胶与红外发射聚合物复合膜通过封装技术有效抑制水分蒸发，在可见光和近红外区实现65%的太阳调制效率及93%的长波红外发射率，经1000次热循环测试性能稳定，模拟显示夏季降温13°C、冬季升温9°C，为智能窗技术提供新策略。
王阳新|郑堂浩|李勋章|赵怀霞|崔家喜
南京工业大学材料科学与工程学院，中国江苏省南京市浦口区南浦渚路30号，211816
摘要
基于热敏水凝胶的智能窗户因其光学调节性能而受到广泛关注。然而，水凝胶在使用过程中容易发生水分蒸发和泄漏。在这里，我们通过将含有乙二醇和水的热敏凝胶（T-凝胶）整合到具有热光转换介质的红外发射聚合物甲基苯基硅氧烷（PMPS）网络中，开发出一种稳定的可切换光学调制薄膜（SSOMF）。将T-凝胶封装在疏水基质中不仅可以有效保持凝胶中的水分，还能由于相分离过程中的尺寸限制而提高近红外光谱的调节效率。SSOMF对外部变化的响应可以达到65%的太阳光调制率，并具有93%的长波红外热辐射率。该薄膜能够抵抗高温和低温条件。经过1000次冷热切换测试后，其光学调制能力仍然保持一致。对暖通空调系统的节能模拟表明，SSOMF窗户在各种天气条件下都能显著节能。与普通白玻璃相比，SSOMF在夏季可使室内温度降低13°C，在冬季可使室内温度升高9°C。这一策略可能为智能窗户技术的发展提供新的思路。
引言
据报道，建筑物消耗了全球30%至40%的能源，其中约50%的能源用于供暖、通风和空调系统，因此迫切需要高效的节能策略来管理热量[1]。全天辐射冷却（RC）策略是一种强大的夏季降温方法[2]。近年来，已经有多种应用采用了RC策略，包括智能织物[3]、亚环境辐射冷却器[2][4]、节能薄膜[5]、空调系统[6][7]以及基于RC的建筑材料[8]。然而，固定的高长波红外（?LWIR）性能仅能提供降温效果，这在冬季可能会增加额外的能源成本。对于季节性温度波动较大的地区，需要一种能够在夏季阻挡阳光进行降温、在冬季传输阳光进行供暖的智能辐射冷却（SRC）装置[9]。
理想的可切换介质在RC系统中的典型要求包括适当的响应速度、在可见光和红外区域的可逆且完全自主的调制能力[9][10]。液晶相变温度（LCST）热致变色水凝胶在相变温度以下具有较高的太阳光透射率，而在相变温度以上，水凝胶的相分离会产生强烈的内部散射，导致太阳光透射率降低[11]。因此，由于结构简单、温度响应被动以及无需能量输入的特点，LCST热致变色水凝胶被认为是设计智能RC装置的理想介质。最近，许多研究人员在基于热致变色水凝胶的SRC领域取得了突破[12]。然而，水凝胶中载液水的挥发严重限制了其使用寿命，这需要高密封性。此外，水凝胶的太阳光可调性仍不完美，因为它在近红外区域的调制性能不佳。因此，一些研究人员采用了添加光热填料（如纳米金颗粒[12]和银纳米线[7]）的方法来提高光谱调制性能。然而，这些填料不可避免地会引入界面不兼容性问题，导致调制性能下降和成本增加。上述两个缺点限制了水凝胶在RC系统中的应用范围。
在这里，我们通过将热致变色凝胶（T-凝胶）作为分散相封装到致密交联的疏水性聚二甲基硅氧烷（PMPS）发射体中，并加入光热转换介质，开发出一种稳定的智能辐射冷却涂层。与其他基于热致变色水凝胶的材料相比，这种复合薄膜表现出更好的稳定性。在户外使用一年后，水含量的损失可以忽略不计。此外，该复合薄膜在可见光和近红外范围内通过调节光透射率，实现了高达65%的太阳光调节率，并且τc调节范围广泛。在高温环境下，带有T-Gel-PMPS的智能窗户在白天可以阻挡高达90%的太阳光照射。由于SiO?和SiC的高发射特性，T-Gel-PMPS在大气窗口范围内的发射率高达93%。因此，在炎热天气下，与普通玻璃相比，室内温度可降低13°C。在寒冷环境下，T-Gel-PMPS智能窗户可以让70%的太阳光照射进入室内以进行加热。通过创新地引入光热填料CuS和Cs?WO?纳米颗粒，室内温度可以比周围环境升高约9°C。此外，与其他光热填料相比，CuS和Cs?WO?纳米颗粒在可见光和近红外波长范围内具有更高的吸收性能，并且价格低廉且易于获取。T-Gel-PMPS薄膜可以通过简单且可扩展的方法制备，无需使用有毒溶剂。预计本研究的结果可以为智能窗户的发展提供参考和进一步的研究方向。
设计与制备
将水凝胶封装在疏水聚合物基质中可以最小化水分挥发。根据DRC材料的选择原则，硅氧烷是一种良好的发射体候选材料，因为SiC、Si-O-C和Si-O-Si等基团在大气窗口范围内具有高发射率，而甲基基团和乙烯基封端交联剂则连接在交替的硅原子上，使其具有几乎不吸收太阳光和降低反射的特性
结论
总结来说，我们通过将热敏凝胶封装在含有光热转换介质的致密疏水性甲基苯基硅氧烷（PMPS）网络中，获得了一种稳定的可切换光学调制薄膜（SSOMF）。SSOMF可以在可见光和近红外光范围内进行调节，从而实现四季和各种气候条件下的室内温度控制。通过调整T-凝胶部分中的亲水基团和疏水基团以及液体的成分，
材料与方法
N,N-二乙基丙烯酰胺（DEA）由上海迪博生物技术有限公司提供。N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）由上海阿拉丁生化技术有限公司提供。硫化铜由上海阿拉丁生化技术有限公司提供。铯钨青铜纳米溶液由宣城晶瑞新材料有限公司提供。聚甲基苯基硅氧烷（PMPS）由道康宁公司提供。所有化学品均直接使用，无需进一步纯化。实验使用了2厘米厚的泡沫聚苯乙烯泡沫箱CRediT作者贡献声明
王阳新：撰写——原始草稿、研究、数据分析、数据整理。郑堂浩：研究。李勋章：撰写——审阅与编辑、概念构思。赵怀霞：撰写——审阅与编辑、监督。崔家喜：方法学设计、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了南通国信科技有限公司、南京工业大学的科研启动基金以及江苏省高等教育机构重点学术项目发展计划（PAPD）的财政支持。
