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

Technische Samenvatting: Door oplosmiddel gestuurde Polydimethylsiloxaan (PDMS) sponscoatings voor instelbare transparantie van slimme ramen

Probleemstelling
Verwarmings- en koelsystemen zijn verantwoordelijk voor ongeveer 30% van het wereldwijde energieverbruik, waarbij ramen fungeren als primaire locaties voor warmte-uitwisseling. Bestaande technologieën voor slimme ramen, zoals elektrochrome, thermochrome en vloeibaar kristal-gedispergeerde systemen, kampen met aanzienlijke barrières voor brede adoptie. Deze omvatten hoge productiekosten, complexe fabricagemethoden, zorgen over toxiciteit, gevoeligheid voor omgevingsfactoren en beperkte duurzaamheid. Bovale staat bieden radiatieve koeltechnologieën veelbelovende mogelijkheden, maar vertrouwen vaak op dure nanoporeuze materialen. Er is een kritieke behoefte aan een duurzaam, schaalbaar en kosteneffectief alternatief dat licht- en warmteoverdracht dynamisch kan reguleren zonder complexe externe controlesystemen.

Methodologie
De auteurs hebben een instelbare coating voor slimme ramen ontwikkeld op basis van Polydimethylsiloxaan (PDMS)-sponzen. Het fabricageproces maakt gebruik van een eenvoudige, milieuvriendelijke "suiker-templating" methode:

1. Materiaal-synthese: Een mengsel van PDMS-prepolymeer, een uithardingsmiddel en gesulfferde suiker wordt voorbereid. De suiker dient als een verwijderbaar sjabloon om een poreuze structuur te creëren.
2. Optimalisatie: Belangrijke parameters werden systematisch geoptimaliseerd om een balans te vinden tussen mechanische sterkte, zwelgedrag en optische prestaties. De optimale formulering werd bepaald als een PDMS:uithardingsmiddel:suiker gewichtsverhouding van 10:1:4, met suikerkorrels van 500–200 µm.
3. Coating Toepassing: Het mengsel werd gegoten op glazen substraten en uitgehard bij 80°C gedurende 3 uur, waarna het suikersjabloon werd verwijderd via ultrasone waterreiniging, wat een poreuze PDMS-sponslaag (ongeveer 0,57 mm dik) achterliet die aan het glas gehecht is.
4. Instelbaarheidsmechanisme: De optische eigenschappen worden gecontroleerd door de infusie en afgifte van een oplosmiddel. In de droge staat creëren de met lucht gevulde poriën een brekingsindexverschil ($\Delta n \approx 0,42$) tussen de PDMS ($n \approx 1,42$) en lucht ($n \approx 1,0$), wat zorgt voor lichtverstrooiing en een ondoorzichtig uiterlijk. Bij infusie met siliconenolie ($n \approx 1,40$) wordt het verschil in brekingsindex geminimaliseerd ($\Delta n \approx 0,02$), waardoor de coating transparant wordt.

Belangrijkste Resultaten

• Optische Prestaties: De PDMS-sponsgecoat glas vertoont reversibele overgangen tussen ondoorzichtige en transparante toestanden.
  • Ondoorzichtige staat (droog): Blokkeert 84,6% van het zonlicht.
  • Transparante staat (met siliconenolie geïnfundeerd): Laat 84,8% licht door (blokkeert slechts 15,2%), wat vergelijkbaar is met ongecoat glas.
  • Oplosmiddelselectie: Hoewel hexanol een iets hogere transmissie bood (~100%), werd siliconenolie gekozen als het optimale oplosmiddel vanwege het veiligheidsprofiel, de matige zwelratio (27%) en de hoge transmissie (86%).
• Thermische Regulatie: Onder IR-bestraling (die zonnewarmte simuleert), vertoonde de ondoorzichtige staat een significant temperatuurverschil ($\Delta T$) van 4,40 ± 1,05 °C tussen de voor- en achterzijde, waardoor warmte effectief wordt geblokkeerd. In tegenstelling hiermee vertoonde de transparante staat een $\Delta T$ van slechts 0,83 ± 0,15 °C, waardoor warmteoverdracht plaatsvindt vergelijkbaar met ongecoat glas.
• Duurzaamheid en Stabiliteit:
  • Mechanisch: De coatings weerstonden 200 cycli van mechanische abrasie met een belasting van 20 g op 600-korrel schuurpapier zonder delaminatie of significante deformatie.
  • Chemisch: De coatings bleven stabiel na onderdompeling in sterke zure (pH 1) en alkalische (pH 13) oplossingen.
  • Lange termijn: Monsters behielden hun structurele integriteit en prestaties na 6 maanden blootstelling aan siliconenolie.
• Veelzijdigheid: Het systeem werd succesvol toegepast op glazen substraten van diverse vormen en geometrieën, wat de schaalbaarheid aantoont.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt de eerste gedetailleerde optimalisatie te presenteren van een op spons gebaseerd systeem toegepast op glasoppervlakken voor slimme raamtoepassingen. De auteurs benadrukken verschillende voordelen ten opzichte van de huidige state-of-the-art systemen:

1. Eenvoud en Kosten: De fabricage berust op gemakkelijk beschikbare, goedkope materialen (PDMS, suiker, siliconenolie) en vermijdt gevaarlijke chemicaliën of complexe synthese.
2. Omgevingsonafhankelijkheid: In tegen tegenstelling tot thermochrome materialen (zoals $\text{VO}_2$ of pNIPaM) die specifieke temperatuur-drempels vereisen om te schakelen, werkt dit systeem via oplosmiddelinfusie, wat zorgt voor consistente prestaties ongeacht schommelingen in de omgevingstemperatuur.
3. Dubbele Functionaliteit: De coating biedt dynamische controle over zowel de transmissie van zonlicht als de blokkering van warmte, waarbij het schakelt tussen een warmteblokkerende ondoorzichtige staat en een warmtedoorlatende transparante staat.
4. Robuustheid: Het systeem vertoont een hoge mechanische en chemische duurzaamheid, waarmee het in gaat op veelvoorkomende beperkingen van bestaande technologieën voor slimme ramen.

De auteurs erkennen beperkingen, speciferlijk dat de ondoorzichtige staat het zicht beperkt en dat het systeem momenteel een extern mechanisme (zoals pompen) vereist om het oplosmiddel te injecteren en af te voeren. Zij stellen echter dat dit platform een levensvatbare, goedkope oplossing biedt voor de energie-efficiëntie van gebouwen in toepassingen waar volledige transparantie niet strikt noodzakelijk is.