超疏水！调温涂层，Advanced Materials！

2024-06-07 14:51:01 作者：材料PLUS 来源：材料PLUS 分享至：

研究背景

控制全球温室气体排放，对遏制全球变暖至关重要。无能源被动式日间辐射冷却（PDRC）涂层通过0.3-2.5μm的阳光反射，有效降低能源消耗，同时通过8-13μm的大气透明温度将热量输送到外层空间。近年来，科研人员已开发出多种PDRC材料，包括精心设计的涂层、元织物、元陶瓷、光谱选择性冷却器和多孔膜，即使在炎热天气中也能实现有效冷却。然而，高极反射率和强红外发射率在寒冷天气中可能导致过度冷却。为了满足全年热管理的需求，已设计出各种主动自适应系统，如电致变色设备和电调谐设备、具有双模飞行的机械可切换系统等等。然而，这些系统依赖于复杂的刺激或需要额外的能量来进行模式切换，这限制了它们的实用性。

被动自适应辐射冷却的最新进展催生了多种热致变色材料，如VO₂、锗锑碲化物、钙钛矿、热致变色微胶囊、热敏水凝胶、热诱导可再结晶结构、光学诱导材料和湿度敏感材料。这些材料旨在调节热不透光性，或在反射太阳能和允许光传输/吸收之间进行自主切换。尽管取得了进展，但大规模应用仍面临挑战。例如，VO₂涂层需要复杂的光学谐振结构，锗锑碲化物和钙钛矿成本高昂且相变点固定，热敏水凝胶需要封装，光学/湿度敏感材料则面临稳定性和响应性问题。户外应用时，灰尘、雨水和细菌污染会影响光学性能和冷却/加热效果，使这些材料在实际使用中不可持续。因此，开发能够适应季节性温度变化同时保持超疏水自清洁功能的可扩展被动涂层，对其实际应用至关重要。然而，在超疏水涂层中将被动冷却和加热功能与冲突的光学特性相结合，仍然具有挑战性。

研究成果

近日，陕西科技大学薛朝华教授、华中科技大学陶光明教授、香港理工大学王钻开教授联合报道了受荷叶分级结构的启发，通过简单的一步相分离过程，制备了一种超疏水一体冷却（SAC）涂层，同时具有表面润湿性、光学结构和温度自适应能力。该涂层表现出不对称的梯度结构，具有表面嵌入的疏水性SiO₂颗粒和在垂直分布的分级多孔结构内的表面下热致变色微胶囊。此外，该涂层具有超疏水性、高红外发射和可热切换的阳光反射率，能够在辐射冷却和太阳变暖之间实现自主转换。该一体化涂层有效避免了传统辐射冷却材料造成的污染和过冷问题，为智能调温涂层的大规模生产开辟了新的前景。相关研究工作以“Bioinspired Superhydrophobic All-In-One Coating for Adaptive Thermoregulation”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。

研究内容

在这项研究中，SAC涂层设计受植物叶片启发，如图1a所示，其梯度结构、栅栏组织、海绵层和下表皮均被借鉴。此外，植物叶片在大气透明窗口中具有较高的发射率。叶片的表皮作为保护屏障，包含上表皮和下表皮，而某些表皮细胞如荷叶，拥有低表面能蜡状和微纳米乳突结构，使表面具有超疏水性。栅栏组织富含叶绿体，位于上表皮下方，呈网格状排列；海绵组织则含有松散排列的叶绿体，位于栅栏组织之下。叶片上表面深色，下表面浅色，这种叶绿体分布的不对称性使光合效率提高。

图1b为SAC涂层的示意图，灵感来自于荷叶的梯度结构。该涂层实现超疏水性和热光性的空间分离，其核心为含有P(VDF-HFP)和SiO₂纳米颗粒的复合材料组成的微米/纳米结构孔分层排列。涂层上表面具有由低表面能聚合物P(VDF-HFP)组成的微纳多孔结构，中间穿插着疏水性SiO₂纳米团簇，模拟荷叶上表皮特性，维持光学性能。微尺度P(VDF-HFP)/SiO₂复合孔隙填充热致变色微胶囊(TCMC)，而下层孔隙未填充，形成分层结构，包括微胶囊富集层和分级多孔层。TCMC响应温度变化，并与涂层的多孔结构协同工作，以调节阳光的光谱特性，实现高温反射和低温吸收。分级多孔层显著散射阳光，提高反射效率。P(VDF-HFP)作为主要基质，提供疏水性和红外发射特性，而SiO₂增强红外发射率。涂层整合紫外线吸收剂、光稳定剂和抗氧化剂，以增强耐光性。这种多方面设计将红外发射、阳光反射/吸收和表面润湿特性融合到同一材料中，以实现能够提供无能量的夏季冷却和冬季变暖的超疏水一体式涂层。

图1. SAC涂层的设计、形态和光学性能

图2. SAC涂层在不同天气条件下的温度相关颜色转换、光学变化和自适应测试

图3. SAC涂层的润湿性、机械坚固性和户外耐久性

图4. SAC涂层的大面积制备和能耗模拟

结论与展望

通过不对称梯度将热致变色微胶囊包埋到多孔结构中，制备了具有灵活热调节能力的无能量超疏水涂层。涂料旨在提供全年的热舒适性，实现冬暖夏凉。通过一步相分离过程实现，涂层将表面不可润湿性、被动冷却和加热与相互冲突的光学特性协同集成，使其能够在太阳能吸收率和吸收率之间自主切换，以适应温度变化和恶劣环境。值得注意的是，采用的溶液处理制造方法不仅简单，而且能够在同一涂层中集成了多种理想性能，为大规模制造智能热调节涂层铺平了道路。这种一体化的设计策略为全年节能提供了一种有前景和可持续的解决方案。

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