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在當今追求節(jié)能減排與舒適生活環(huán)境的時代，智能窗戶作為一種新型節(jié)能設備成為建筑節(jié)能領域的研究熱點。其中，熱致變色智能窗戶能依據外界溫度變化，自動調節(jié)太陽光透過率，在降低建筑能耗方面潛力巨大。然而，現(xiàn)有的熱致變色智能窗戶在抗紫外、響應速度和高溫穩(wěn)定性方面仍存在不足，嚴重限制了其實際應用與發(fā)展。

針對上述問題，福州大學賴躍坤、黃劍瑩、江獻財、新加坡國立大學林志群聯(lián)合開發(fā)了一種基于三維網絡結構設計、Hofmeister效應增強及納米顆粒屏蔽的熱穩(wěn)定復合凝膠，用于抗紫外、快速響應和全天候調節(jié)的熱致變色智能窗戶。該復合凝膠（HDNP）由羥丙基甲基纖維素（HPMC）、聚（N,N-二甲基丙烯酰胺）（PDMAA）、硫酸鈉（Na2SO4）和聚多巴胺（PDA）納米顆粒組成。其中，PDMAA三維網絡的引入作為支撐骨架增強了水凝膠的熱穩(wěn)定性，防止了HPMC在相變過程中的團聚和析出。Na2SO4通過Hofmeister效應不僅將水凝膠的低臨界溶解溫度（LCST）降至32°C，還將其相變速率提升了五倍，使其可以在30秒內完成相變。此外，小尺寸PDA納米顆粒的引入賦予了水凝膠抗紫外能力和高透光率（>60%）。基于HDNP復合凝膠的智能窗戶展示了66.9%的透光率、51.2%的太陽光調制能力和出色的耐久性。該研究的有效設計策略為開發(fā)快速響應和耐用的熱致變色智能窗戶開辟了新途徑。相關工作以“Hofmeister Effect-Enhanced, Nanoparticle-Shielded, Thermally Stable Hydrogels for Anti-UV, Fast-Response, and All-Day-Modulated Smart Windows”為題發(fā)表在《Advanced  Materials》期刊上。

智能窗的設計理念

傳統(tǒng)的HPMC水凝膠基智能窗戶在高溫下表現(xiàn)出較差的熱穩(wěn)定性和緩慢的相轉變速率。研究團隊巧妙地設計了一種新型智能窗，以HPMC水凝膠為基礎，引入了PDMAA的三維網絡作為支撐骨架。有效防止了HPMC水凝膠在相變過程中的團聚和析出，展現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。同時，研究人員選用無機鹽Na2SO4調節(jié)水凝膠的LCST和相變速率?；谄涓鼜姷柠}析效應，在降低LCST的同時進一步加快了相變速率。此外，PDA納米顆粒不僅具有出色的紫外線吸收性能，還能作為內置“加熱器”，在光照下進一步提高水凝膠的相變速率，同時保證了智能窗戶具有較高的透光率。

圖1. HDNP智能窗的設計理念以及與其他纖維素水凝膠基智能窗戶的性能比較。

復合水凝膠的熱穩(wěn)定性

為解決HPMC水凝膠熱穩(wěn)定性差的問題，研究人員通過引入PDMAA三維網絡結構給HPMC水凝膠當“支撐骨架”。并通過對水凝膠進行電鏡（SEM 3100，CIQTEK）表征發(fā)現(xiàn)原始的HPMC水凝膠經過高溫加熱后其分子鏈會出現(xiàn)明顯的團聚現(xiàn)象，導致大量水凝膠團簇從溶液中析出，從而發(fā)生不均勻相變，表現(xiàn)出較差的熱穩(wěn)定性。而引入PDMAA三維網絡結構的HD20水凝膠，經過高溫加熱后能保持均勻的網絡結構，從而得以維持均勻的相變和穩(wěn)定的體積，表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。并通過多次高溫加熱/冷卻循環(huán)和長時間高溫加熱測試進一步證明了其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。通過傅里葉變換紅外（FTIR）光譜和密度泛函理論（DFT）計算分析發(fā)現(xiàn)，PDMAA的引入與HPMC之間形成了氫鍵，改變了水凝膠內部的氫鍵作用。

圖2. 復合水凝膠的熱穩(wěn)定性及光學性能。

水凝膠的相變溫度和速率

為解決HPMC水凝膠相轉變的難題，研究人員對比了不同鹽陰離子的鹽析效應。結果顯示，SO42-對水凝膠相變速率的提升最為顯著。添加3 wt% Na2SO4的HD20N3智能窗，在60°C加熱時，能在30秒內從透明變?yōu)椴煌该?，冷卻至20°C時，也能在短時間內恢復透明，相變速率快。此外，通過控制Na2SO4的濃度，可以制備出具有不同LCST的水凝膠，展現(xiàn)出良好的靈活性和廣泛的可調性。

圖3. 復合水凝膠的相變速率及光學性能。

智能窗戶的抗紫外線性能

抗紫外性能對水凝膠基智能窗戶在實際應用中的長期耐久性至關重要，而PDA納米顆粒給智能窗戶帶來抗紫外和光熱雙重功能。研究人員通過引入小尺寸的PDA納米顆粒在保持高可見光透過率的同時，顯著提高了復合水凝膠（HD20N3Ps）基智能窗戶的抗紫外性能。實驗結果表明，PDA納米顆粒能夠有效吸收紫外線，將智能窗戶的紫外透過率從83.9%降至45.8%。此外，PDA納米顆粒的光熱效應能進一步提高智能窗戶在光照下的相變速率。HD20N3Ps基智能窗戶在紫外線照射下表現(xiàn)出優(yōu)異的抗紫外老化性能，經過150小時的紫外照射后，其光學性能和結構基本保持不變。

圖4. 智能窗戶的抗紫外線、光熱及光學性能。

全天調制智能窗戶

研究人員通過監(jiān)測配備HD20N3Ps基智能窗戶的泡沫模型房屋的內部溫度，評估其室溫調制性能。實驗結果表明，在模擬陽光照射下，HD20N3Ps基智能窗戶能有效降低室內溫度上升速率，使室內溫度比普通空氣窗戶和HD20N3基智能窗戶更低且更接近舒適溫度范圍。在不同天氣條件下，HD20N3Ps基智能窗戶也能保持良好的室溫調節(jié)性能，展現(xiàn)出卓越的適應性和穩(wěn)定性。此外，該智能窗戶在不同溫度下能自適應地調節(jié)透光率，滿足實際應用需求，且經過多次循環(huán)測試后，其溫度調制性能穩(wěn)定，具有出色的耐久性。

圖5. HD20N3PS基智能窗戶的室溫調節(jié)性能。

總結

該研究成功制備出具有快速相變速率、高熱穩(wěn)定性和抗紫外特性的纖維素基熱致變色智能窗戶。通過引入PDMAA三維網絡結構、Na?SO?和小尺寸PDA納米顆粒，有效解決了傳統(tǒng)熱致變色水凝膠的諸多問題，為智能窗戶的發(fā)展提供了新的技術路徑，對提高建筑能源效率、推動碳達峰和碳中和目標的實現(xiàn)具有重要意義。

論文的第一作者為福州大學王凱博士。福州大學賴躍坤教授、黃劍瑩教授、江獻財副教授、新加坡國立大學林志群教授為論文的共同通訊作者。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃(2022YFB3804905，2022YFB3804900)和國家自然科學基金(22375047，22378068)等項目的大力支持。

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