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

技術要約：可変透過率を持つスマートウィンドウのための溶媒操作型ポリジメチルシロキサン（PDMS）スポンジコーティング

問題提起
暖房および冷房システムは、世界のエネルギー消費量の約30%を占めており、窓は熱交換の主要な部位となっています。エレクトロクロミック、サーモクロミック、液晶分散型などの既存のスマートウィンドウ技術は、普及において大きな障壁に直面しています。これらには、高い製造コスト、複雑な製造方法、毒性への懸念、環境条件への敏感さ、および限定的な耐久性が含まれます。さらに、放射冷却技術は有望ではあるものの、多くの場合、高価なナノ多孔質材料に依存しています。複雑な外部制御システムなしに、光と熱の伝達を動的に制御できる、持続可能でスケーラブルかつ費用対効果の高い代替手段が切実に求められています。

手法
著者らは、PDMSスポンジに基づいた可変透過型スマートウィンドウコーティングを開発しました。製造プロセスは、シンプルで環境に優しい「シュガータンプレティング（砂糖テンプレート法）」を利用しています。

1. 材料合成: PDMSプレポリマー、架橋剤、および顆粒状の砂糖の混合物を調製します。砂糖は、除去可能なテンプレートとして機能し、多孔質構造を作成します。
2. 最適化: 機械的強度、膨潤挙動、および光学性能のバランスを取るために、主要なパラメータを系統的に最適化しました。最適な組成は、PDMS：架橋剤：砂糖の重量比を10:1:4とし、砂糖の粒径を200–500 µmと決定しました。
3. コーティングの塗布: 混合物をガラス基板上にキャストし、80°Cで3時間硬化させた後、超音波水洗浄によって砂糖テンプレートを除去し、ガラスに密着した多孔質PDMSスポンジ層（厚さ約0.57 mm）を残します。
4. 可変メカニズム: 光学的特性は、溶媒の注入と放出によって制御されます。乾燥状態では、空気で満たされた細孔が、PDMS（$n \approx 1.42$）と空気（$n \approx 1.0$）の間の屈折率の不一致（$\Delta n \approx 0.42$）を引き起こし、光の散乱が生じて不透明な外観となります。シリコーンオイル（$n \approx 1.40$）を注入すると、屈折率の差が最小限になり（$\Delta n \approx 0.02$）、コーティングは透明になります。

主な結果

• 光学性能: PDMSスポンジコーティングされたガラスは、不透明状態と透明状態の間で可逆的な切り替えを示します。
  • 不透明状態（乾燥時）: 太陽光の84.6%を遮断します。
  • 透明状態（シリコーンオイル注入時）: 84.8%の光透過を許容し（15.2%のみを遮断）、未コーティングのガラスと同様の挙動を示します。
  • 溶媒の選択: ヘキサノールはわずかに高い透過率（~100%）を提供しましたが、安全性、適度な膨潤比（27%）、および高い透過率（86%）を考慮し、シリコーンオイルが最適な溶媒として選択されました。
• 熱調節: 赤外線照射下（太陽熱をシミュレート）において、不透明状態は表面間の温度差（$\Delta T$）が4.40 ± 1.05 °Cとなり、熱を効果的に遮断しました。対照的に、透明状態の$\Delta T$はわずか0.83 ± 0.15 °Cであり、未コーティングのガラスと同様の熱伝達を示しました。
• 耐久性と安定性:
  • 機械的: コーティングは、600番のサンドペーパーを用いた20gの荷重による200サイクルの機械的摩耗に耐え、剥離や著しい変形は見られませんでした。
    Cor 化学的: コーティングは、強酸（pH 1）および強アルカリ（pH 13）溶液への浸漬後も安定していました。
  • 長期: サンプルは、シリコーンオイルに6ヶ月間曝露した後も、構造的完全性と性能を維持しました。
• 汎用性: システムは様々な形状や幾何学的形状のガラス基板に適用することに成功し、スケーラビリティを実証しました。

意義と主張
本論文は、スマートウィンドウ用途としてガラス表面に適用された、スポンジベースのシステムの詳細な最適化を初めて提示したものであると主張しています。著者らは、最先端のシステムと比較して以下の利点を強調しています。

1. 簡便性と低コスト: 製造は、入手容易で低コストな材料（PDMS、砂糖、シリコーンオイル）に依存しており、有害な化学物質や複雑な合成を回避しています。
2. 環境依存性の排除: 特定の温度閾値を必要とするサーモクロミック材料（例：VO₂やpNIPAm）とは異なり、このシステムは溶媒の注入によって動作するため、周囲の温度変動に関わらず一貫した性能を発揮します。
3. 二重機能: コーティングは、太陽光の透過と熱遮断の両方を動的に制御し、熱を遮断する不透明状態と、熱を透過させる透明状態を切り替えることができます。
4. 堅牢性: システムは高い機械的および化学的耐久性を示しており、既存のスマートウィンドウ技術における一般的な課題に対処しています。

著者らは、不透明状態が視認性を制限すること、および現在のシステムには溶媒を注入・回収するための外部メカニズム（ポンプなど）が必要であることを限界として認めています。しかし、彼らは、常時透明であることが厳密に要求されない用途において、このプラットフォームが建築のエネルギー効率を高めるための実行可能かつ低コストなソリューションを提供すると主張しています。