Solvent Operated Polydimethylsiloxane (PDMS) Sponge Coatings for Tunable Transmittance Smart Windows

Technische Zusammenfassung: Lösungsmittelgesteuerte Polydimethylsiloxan (PDMS)-Schwammbeschichtungen für abstimmbare Transmissions-Smart-Windows

Problemstellung
Heiz- und Kühlsysteme machen etwa 30 % des weltweiten Energieverbrauchs aus, wobei Fenster die primären Orte des Wärmeaustauschs darstellen. Bestehende Smart-Window-Technologien, wie beispielsweise elektrochrome, thermochrome oder flüssigkristall-dispergierte Systeme, stehen vor erheblichen Barrieren für eine breite Anwendung. Diese umfassen hohe Produktionskosten, komplexe Herstellungsmethoden, Bedenken hinsichtlich der Toxizität, Empfindlichkeit gegenüber Umweltbedingungen und begrenzte Haltbarkeit. Darüber hinaus bieten Technologien zur Strahlungskühlung zwar vielversprechende Ansätze, basieren jedoch oft auf teuren nanoporösen Materialien. Es besteht ein kritischer Bedarf an einer nachhaltigen, skalierbaren und kostengünstigen Alternative, die Licht- und Wärmeübertragung dynamisch regulieren kann, ohne komplexe externe Steuerungssysteme zu erfordern.

Methodik
Die Autoren entwickelten eine abstimmbare Smart-Window-Beschichtung auf Basis von Polydimethylsiloxan (PDMS)-Schwämmen. Der Herstellungsprozess nutzt ein einfaches, umweltfreundliches „Zucker-Templating“-Verfahren:

1. Materialsynthese: Eine Mischung aus PDMS-Prepolymer, einem Vernetzer und Granulateder Zucker wird vorbereitet. Der Zucker dient als entfernbares Template zur Erzeugung einer porösen Struktur.
2. Optimierung: Die Schlüsselparameter wurden systematisch optimiert, um ein Gleichgewicht zwischen mechanischer Festigkeit, Quellverhalten und optischer Leistung zu finden. Die optimale Formulierung wurde als PDMS:Vernetzer:Zucker-Gewichtsverhältnis von 10:1:4 unter Verwendung von Zuckergranulaten mit einer Größe von 500–200 µm bestimmt.
3. Beschichtung auftragen: Die Mischung wurde auf Glassubstrate gegossen, 3 Stunden lang bei 80 °C ausgehärtet und das Zucker-Template mittels Ultraschall-Wasserwäsche entfernt, wodurch eine poröse PDMS-Schwammschicht (ca. 0, 57 mm dick) auf dem Glas haftet.
4. Abstimmmechanismus: Die optischen Eigenschaften werden durch die Infiltration und Freisetzung eines Lösungsmittels gesteuert. Im trockenen Zustand verursacht die luftgefüllte Pore einen Brechungsindex-Mismatch ($\Delta n \approx 0,42$) zwischen dem PDMS ($n \approx 1,42$) und der Luft ($n \approx 1,0$), was zu Lichtstreuung und einem opaken Erscheinungsbild führt. Nach der Infiltration mit Silikonöl ($n \approx 1,40$) wird der Unterschied im Brechungsindex minimiert ($\Delta n \approx 0,02$), wodurch die Beschichtung transparent wird.

Hauptergebnisse

• Optische Leistung: Das PDMS-schwammbeschichtete Glas zeigt ein reversibles Umschalten zwischen opaken und transparenten Zuständen.
  • Opaker Zustand (trocken): Blockiert 84,6 % des Sonnenlichts.
  • Transparenter Zustand (mit Silikonöl infiltriert): Lässt 84,8 % des Lichts durch (blockiert nur 15,2 %) und verhält sich ähnlich wie unbeschichtetes Glas.
  • Lösungsmittelauswahl: Während Hexanol eine etwas höhere Transmission (~100 %) bot, wurde Silikonöl aufgrund seines Sicherheitsprofils, des moderaten Quellverhältnisses (27 %) und der hohen Transmission (86 %) als optimales Lösungsmittel ausgewählt.
• Thermische Regulierung: Unter IR-Bestrahlung (Simulation der Sonnenwärme) zeigte der opake Zustand einen signifikanten Temperaturunterschied ($\Delta T$) von 4,40 ± 1,05 °C zwischen der Vorder- und Rückseite, was die Wärme effektiv blockiert. Im Gegensatz dazu zeigte der transparente Zustand ein $\Delta T$ von nur 0,83 ± 0,15 °C, was eine Wärmetransmission ähnlich wie bei unbeschichtetem Glas ermöglicht.
• Haltbarkeit und Stabilität:
  • Mechanisch: Die Beschichtungen hielten 200 Zyklen mechanischer Abrasion mit einer Last von 20 g auf 600er Schleifpapier ohne Delamination oder signifikante Deformation stand.
  • Chemisch: Die Beschichtungen blieben nach dem Eintauchen in starke saure (pH 1) und alkalische (pH 13) Lösungen stabil.
  • Langfristig: Die Proben behielten ihre strukturelle Integrität und Leistung nach 6 Monaten Exposition gegenüber Silikonöl bei.
• Vielseitigkeit: Das System wurde erfolgreich auf Glassubstrate verschiedener Formen und Geometrien angewendet, was die Skalierbarkeit demonstriert.

Bedeutung und Ansprüche
Die Arbeit beansprucht, die erste detaillierte Optimierung eines schwammbasierten Systems zur Anwendung auf Glasoberflächen für Smart-Window-Anwendungen präsentiert zu haben. Die Autoren heben mehrere Vorteile gegenüber dem aktuellen Stand der Technik hervor:

1. Einfachheit und Kosten: Die Herstellung basiert auf leicht verfügbaren, kostengünstigen Materialien (PDMS, Zucker, Silikonöl) und vermeidet gefährliche Chemikalien oder komplexe Synthesen.
2. Umweltunabhängigkeit: Im Gegensatz zu thermochromen Materialien (z. B. $\text{VO}_2$ oder pNIPAm), die spezifische Temperaturschwellen zum Umschalten benötigen, arbeitet dieses System über die Lösungsmittelinfiltration und bietet eine konsistente Leistung unabhängig von Umgebungsschwankungen der Temperatur.
3. Dualität der Funktionalität: Die Beschichtung bietet eine dynamische Kontrolle sowohl über die Transmission des Sonnenlichts als auch über die Wärmeblockierung, indem sie zwischen einem wärmeblockierenden opaken Zustand und einem wärmetransmittierenden transparenten Zustand umschaltet.
4. Robustheit: Das System weist eine hohe mechanische und chemische Beständigkeit auf, womit es die häufigen Einschränkungen bestehender Smart-Window-Technologien adressiert.

Die Autoren räumen Einschränkungen ein, insbesondere dass der opake Zustand die Sicht einschränkt und dass das System derzeit einen externen Mechanismus (wie z. B. Pumpen) erfordert, um das Lösungsmittel zu injizieren und zu entfernen. Sie führen jedoch an, dass diese Plattform eine praktikable, kostengünstige Lösung für die Energieeffizienz von Gebäuden in Anwendungen darstellt, in denen eine dauerhafte Transparenz nicht zwingend erforderlich ist.