超疏水！調溫涂層，Advanced Materials！
2024-06-07 14:51:01
作者：材料PLUS 來源：材料PLUS
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控制全球溫室氣體排放，對遏制全球變暖至關重要。無能源被動式日間輻射冷卻（PDRC）涂層通過0.3-2.5μm的陽光反射，有效降低能源消耗，同時通過8-13μm的大氣透明溫度將熱量輸送到外層空間。近年來，科研人員已開發出多種PDRC材料，包括精心設計的涂層、元織物、元陶瓷、光譜選擇性冷卻器和多孔膜，即使在炎熱天氣中也能實現有效冷卻。然而，高極反射率和強紅外發射率在寒冷天氣中可能導致過度冷卻。為了滿足全年熱管理的需求，已設計出各種主動自適應系統，如電致變色設備和電調諧設備、具有雙模飛行的機械可切換系統等等。然而，這些系統依賴于復雜的刺激或需要額外的能量來進行模式切換，這限制了它們的實用性。被動自適應輻射冷卻的最新進展催生了多種熱致變色材料，如VO2、鍺銻碲化物、鈣鈦礦、熱致變色微膠囊、熱敏水凝膠、熱誘導可再結晶結構、光學誘導材料和濕度敏感材料。這些材料旨在調節熱不透光性，或在反射太陽能和允許光傳輸/吸收之間進行自主切換。盡管取得了進展，但大規模應用仍面臨挑戰。例如，VO2涂層需要復雜的光學諧振結構，鍺銻碲化物和鈣鈦礦成本高昂且相變點固定，熱敏水凝膠需要封裝，光學/濕度敏感材料則面臨穩定性和響應性問題。戶外應用時，灰塵、雨水和細菌污染會影響光學性能和冷卻/加熱效果，使這些材料在實際使用中不可持續。因此，開發能夠適應季節性溫度變化同時保持超疏水自清潔功能的可擴展被動涂層，對其實際應用至關重要。然而，在超疏水涂層中將被動冷卻和加熱功能與沖突的光學特性相結合，仍然具有挑戰性。近日，陜西科技大學薛朝華教授、華中科技大學陶光明教授、香港理工大學王鉆開教授聯合報道了受荷葉分級結構的啟發，通過簡單的一步相分離過程，制備了一種超疏水一體冷卻（SAC）涂層，同時具有表面潤濕性、光學結構和溫度自適應能力。該涂層表現出不對稱的梯度結構，具有表面嵌入的疏水性SiO2顆粒和在垂直分布的分級多孔結構內的表面下熱致變色微膠囊。此外，該涂層具有超疏水性、高紅外發射和可熱切換的陽光反射率，能夠在輻射冷卻和太陽變暖之間實現自主轉換。該一體化涂層有效避免了傳統輻射冷卻材料造成的污染和過冷問題，為智能調溫涂層的大規模生產開辟了新的前景。相關研究工作以“Bioinspired Superhydrophobic All-In-One Coating for Adaptive Thermoregulation”為題發表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上。在這項研究中，SAC涂層設計受植物葉片啟發，如圖1a所示，其梯度結構、柵欄組織、海綿層和下表皮均被借鑒。此外，植物葉片在大氣透明窗口中具有較高的發射率。葉片的表皮作為保護屏障，包含上表皮和下表皮，而某些表皮細胞如荷葉，擁有低表面能蠟狀和微納米乳突結構，使表面具有超疏水性。柵欄組織富含葉綠體，位于上表皮下方，呈網格狀排列；海綿組織則含有松散排列的葉綠體，位于柵欄組織之下。葉片上表面深色，下表面淺色，這種葉綠體分布的不對稱性使光合效率提高。圖1b為SAC涂層的示意圖，靈感來自于荷葉的梯度結構。該涂層實現超疏水性和熱光性的空間分離，其核心為含有P(VDF-HFP)和SiO2納米顆粒的復合材料組成的微米/納米結構孔分層排列。涂層上表面具有由低表面能聚合物P(VDF-HFP)組成的微納多孔結構，中間穿插著疏水性SiO2納米團簇，模擬荷葉上表皮特性，維持光學性能。微尺度P(VDF-HFP)/SiO2復合孔隙填充熱致變色微膠囊(TCMC)，而下層孔隙未填充，形成分層結構，包括微膠囊富集層和分級多孔層。TCMC響應溫度變化，并與涂層的多孔結構協同工作，以調節陽光的光譜特性，實現高溫反射和低溫吸收。分級多孔層顯著散射陽光，提高反射效率。P(VDF-HFP)作為主要基質，提供疏水性和紅外發射特性，而SiO2增強紅外發射率。涂層整合紫外線吸收劑、光穩定劑和抗氧化劑，以增強耐光性。這種多方面設計將紅外發射、陽光反射/吸收和表面潤濕特性融合到同一材料中，以實現能夠提供無能量的夏季冷卻和冬季變暖的超疏水一體式涂層。圖2. SAC涂層在不同天氣條件下的溫度相關顏色轉換、光學變化和自適應測試圖3. SAC涂層的潤濕性、機械堅固性和戶外耐久性通過不對稱梯度將熱致變色微膠囊包埋到多孔結構中，制備了具有靈活熱調節能力的無能量超疏水涂層。涂料旨在提供全年的熱舒適性，實現冬暖夏涼。通過一步相分離過程實現，涂層將表面不可潤濕性、被動冷卻和加熱與相互沖突的光學特性協同集成，使其能夠在太陽能吸收率和吸收率之間自主切換，以適應溫度變化和惡劣環境。值得注意的是，采用的溶液處理制造方法不僅簡單，而且能夠在同一涂層中集成了多種理想性能，為大規模制造智能熱調節涂層鋪平了道路。這種一體化的設計策略為全年節能提供了一種有前景和可持續的解決方案。
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