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(zhuǎn)變速率。研究團(tuán)隊(duì)巧妙地設(shè)計(jì)了一種新型智能窗，以HPMC水凝膠為基礎(chǔ)，引入了PDMAA的三維網(wǎng)絡(luò)作為支撐骨架。有效防止了HPMC水凝膠在相變過(guò)程中的團(tuán)聚和析出，展現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。同時(shí)，研究人員選用無(wú)機(jī)鹽Na₂SO₄調(diào)節(jié)水凝膠的LCST和相變速率。基于其更強(qiáng)的鹽析效應(yīng)，在降低LCST的同時(shí)進(jìn)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(nèi)置“加熱器"，在光照下進(jìn)一步提高水凝膠的相變速率，同時(shí)保證了智能窗戶具有較高的透光率。

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

為解決HPMC水凝膠熱穩(wěn)定性差的問(wèn)題，研究人員通過(guò)引入PDMAA三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)給HPMC水凝膠當(dāng)“支撐骨架"。并通過(guò)對(duì)水凝膠進(jìn)行電鏡（SEM 3100，CIQTEK）表征發(fā)現(xiàn)原始的HPMC水凝膠經(jīng)過(guò)高溫加熱后其分子鏈會(huì)出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致大量水凝膠團(tuán)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的HD₂₀水凝膠，經(jīng)過(guò)高溫加熱后能保持均勻的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，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(guò)多次高溫加熱/冷卻循環(huán)和長(zhǎng)時(shí)間高溫加熱測(cè)試進(jìn)一步證明了其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。通過(guò)傅里葉變換紅外（FTIR）光譜和密度泛函理論（DFT）計(jì)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(nèi)部的氫鍵作用。

圖2. 復(fù)合水凝膠的熱穩(wěn)定性及光學(xué)性能。

為解決HPMC水凝膠相轉(zhuǎn)變的難題，研究人員對(duì)比了不同鹽陰離子的鹽析效應(yīng)。結(jié)果顯示，SO₄^2-對(duì)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(shí)，能在30秒內(nèi)從透明變?yōu)椴煌该鳎鋮s至20°C時(shí)，也能在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)透明，相變速率快。此外，通過(guò)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(diào)性。

圖3. 復(fù)合水凝膠的相變速率及光學(xué)性能。

抗紫外性能對(duì)水凝膠基智能窗戶在實(shí)際應(yīng)用中的長(zhǎng)期耐久性至關(guān)重要，而PDA納米顆粒給智能窗戶帶來(lái)抗紫外和光熱雙重功能。研究人員通過(guò)引入小尺寸的PDA納米顆粒在保持高可見(jiàn)光透過(guò)率的同時(shí)，顯著提高了復(fù)合水凝膠（HD₂₀N₃P_s）基智能窗戶的抗紫外性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guò)率從83.9%降至45.8%。此外，PDA納米顆粒的光熱效應(yīng)能進(jìn)一步提高智能窗戶在光照下的相變速率。HD₂₀N₃P_s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(jīng)過(guò)150小時(shí)的紫外照射后，其光學(xué)性能和結(jié)構(gòu)基本保持不變。

圖4. 智能窗戶的抗紫外線、光熱及光學(xué)性能。

研究人員通過(guò)監(jiān)測(cè)配備HD₂₀N₃P_s基智能窗戶的泡沫模型房屋的內(nèi)部溫度，評(píng)估其室溫調(diào)制性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在模擬陽(yáng)光照射下，HD₂₀N₃P_s基智能窗戶能有效降低室內(nèi)溫度上升速率，使室內(nèi)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，HD₂₀N₃P_s基智能窗戶也能保持良好的室溫調(diào)節(jié)性能，展現(xiàn)出卓越的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。此外，該智能窗戶在不同溫度下能自適應(yīng)地調(diào)節(jié)透光率，滿足實(shí)際應(yīng)用需求，且經(jīng)過(guò)多次循環(huán)測(cè)試后，其溫度調(diào)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(diào)節(jié)性能。

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(guò)引入PDMAA三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、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(wèn)題，為智能窗戶的發(fā)展提供了新的技術(shù)路徑，對(duì)提高建筑能源效率、推動(dòng)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

論文的第一作者為福州大學(xué)王凱博士。福州大學(xué)賴躍坤教授、黃劍瑩教授、江獻(xiàn)財(cái)副教授、新加坡國(guó)立大學(xué)林志群教授為論文的共同通訊作者。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022YFB3804905，2022YFB3804900)和國(guó)家自然科學(xué)基金(22375047，22378068)等項(xiàng)目的大力支持。

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