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

技术摘要：用于可调透光智能窗的溶剂驱动聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 海绵涂层

问题陈述
供暖和制冷系统约占全球能源消耗的 30%，而窗户是热交换的主要部位。现有的智能窗技术，如电致变色、热致变色和液晶分散系统，面临着阻碍其广泛应用的显著障碍。这些障碍包括高生产成本、复杂的制造方法、毒性担忧、对环境条件的敏感性以及有限的耐用性。此外，虽然辐射冷却技术展现出前景，但它们通常依赖昂贵的纳米多孔材料。目前迫切需要一种可持续、可扩展且具有成本效益的替代方案，能够在无需复杂外部控制系统的情况下，动态调节光热传输。

研究方法
作者开发了一种基于聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 海绵的可调智能窗涂层。制造过程采用了简单、环保的“糖模板法”：

1. 材料合成： 制备 PDMS 前驱体、固化剂和颗粒糖的混合物。糖作为可去除的模板来创建多孔结构。
2. 优化： 通过系统优化关键参数，以平衡机械强度、溶胀行为和光学性能。确定的最佳配比为 PDMS:固化剂:糖的重量比为 10:1:4，使用的糖颗粒尺寸为 200–500 µm。
3. 涂层应用： 将混合物浇铸在玻璃基底上，在 80°C 下固化 3 小时，随后通过超声波水洗去除糖模板，从而在玻璃上粘附一层多孔 PDMS 海绵层（厚度约为 0.57 mm）。
4. 可调机制： 其光学特性通过溶剂的注入与释放来控制。在干燥状态下，充满空气的孔隙在 PDMS（$n \approx 1.42$）与空气（$n \approx 1.0$）之间产生了折射率失配（$\Delta n \approx 0.42$），导致光散射并呈现不透明外观。在注入硅油（$n \approx 1.40$）后，折射率差异被最小化（$\Delta n \approx 0.02$），使涂层变得透明。

关键结果

• 光学性能： PDMS 海绵涂层玻璃表现出在不透明和透明状态之间的可逆切换。
  • 不透明状态（干燥）： 阻挡 84.6% 的太阳光。
  • 透明状态（注入硅油）： 透光率达 84.8%（仅阻挡 15.2%），其表现与未涂层玻璃相似。
  • 溶剂选择： 虽然正己醇提供了略高的透光率（~100%），但由于硅油具有安全性高、溶胀率适中（27%）且透光率高（86%）的特点，因此选择硅油作为最佳溶剂。
• 热调节： 在红外辐射（模拟太阳热量）下，不透明状态在前后表面之间表现出显著的温差（$\Delta T$ 为 4.40 ± 1.05 °C），有效地阻挡了热量。相比之下，透明状态的 $\Delta T$ 仅为 0.83 ± 0.15 °C，允许热量像未涂层玻璃一样传输。
• 耐用性与稳定性：
  • 机械性能： 涂层能够承受在 20 g 载荷下使用 600 目砂纸进行的 200 次机械磨损循环，且未出现脱层或明显变形。
  • 化学性能： 涂层在浸泡于强酸（pH 1）和强碱（pH 13）溶液后仍保持稳定。
  • 长期稳定性： 样品在暴露于硅油 6 个月后仍保持结构完整性和性能。
• 通用性： 该系统成功应用于各种形状和几何结构的玻璃基底，展示了其可扩展性。

意义与主张
本文声称展示了首次针对智能窗应用进行的基于海绵系统的详细优化。作者强调该系统与现有先进系统相比具有以下优势：

1. 简单且低成本： 制造过程依赖于易于获取、低成本的材料（PDMS、糖、硅油），避免了使用危险化学品或复杂的合成过程。
2. 环境独立性： 不同于需要特定温度阈值才能发生切换的热致变色材料（如 $VO_2$ 或 pNIPAm），该系统通过溶剂注入进行操作，无论环境温度如何波动，都能提供一致的性能。
3. 双重功能： 该涂层提供了对太阳光传输和热阻挡的动态控制，可在阻热的不透明状态和透热的透明状态之间切换。
4. 鲁棒性： 系统展示了高机械和化学耐用性，解决了现有智能窗技术的常见局限。

作者也承认了局限性，即不透明状态会限制可见度，且该系统目前需要外部机制（如泵）来注入和抽取溶剂。然而，他们认为该平台为那些不严格要求全时透明的应用场景提供了一种切实可行的、低成本的建筑节能解决方案。