郑大刘宪虎等：透明高分子复合薄膜用于窗户节能

郑大刘宪虎等：透明高分子复合薄膜用于窗户节能

随着生活水平的提高，用于调节室内温度的能耗不断增加，建筑能耗也在不断增高，窗户成为主要的能量损失来源，尤其在夏季。窗户的透明性使紫外线(UV)和近红外线(NIR)辐射进入室内，导致温度升高以及空调能耗增加。传统透明材料在提供可见光的同时，难以有效阻挡紫外和近红外辐射，无法满足节能需求。

郑州大学刘宪虎、潘亚敏等人开发了一种新型透明冷却膜，通过简单的制备工艺，将锑掺杂锡氧化物(ATO)和苯并三唑(BZT)结合砂纸辅助成型表面微结构，旋涂气相二氧化硅(Hf-SiO₂)形成微纳结构，具备高可见光透过率和卓越的热辐射性能。

微纳结构的设计与制备及超疏水性表征

表面微纳结构复合薄膜的制备包括三个主要步骤：(i) 溶液混合和模具成型，形成具有光滑表面的聚合物复合薄膜；(ii) 使用砂纸进行热压，创建微米尺度表面纹理；(iii) 微结构表面旋涂气相二氧化硅(Hf-SiO₂)，形成微米和纳米尺度结合结构。最终得到的透明冷却薄膜被标记为PE-AB-Si。

图1. 透明聚合物复合薄膜的制备与超疏水性表征。a 复合薄膜的制备过程。b 薄膜表面的3D图像(400目砂纸)及其表面水滴接触角示意图。c 不同表面形貌薄膜的水接触角。d 常见的不同液滴在PE-AB-Si薄膜表面疏水情况。

考虑到实际应用时恶劣的户外环境，开发的薄膜在建筑物外部应用时需要具有强大的超疏水性能。例如，在尘土不可避免的户外应用中，自清洁功能有助于保持玻璃系统的透明度。因此，测试了PE-AB-Si薄膜的自清洁能力。如图1d所示应用了各种常见液体来测试薄膜的疏水性，结果显示其表面足以排斥不同性质的液体。此外，在水接触角测试中，水滴保持完整并且能够通过针头轻松移除。这些结果表明，PE-AB-Si薄膜表面的水附着性较低。此外，薄膜在酸性和碱性条件下仍能保持150°的接触角，表明其能够在复杂的户外环境中保持超疏水性和自清洁特性。

复合薄膜的光学性能

根据基尔霍夫定律，在热力学平衡下，不同物体在相同波长下的单色辐射发射率和吸收率是相等的。这个值与黑体在相同波长和温度下的单色辐射发射率相匹配。因此，完全透明的物体不会辐射热量。近红外光(NIR，0.76 < λ < 2.4 μm)占阳光的50%，携带了大量热量。紫外光(UV，0.3 < λ < 0.38 μm)占阳光的7%，不仅会对房屋内部额外加热，还加速了材料和室内家具的老化，给居住者带来潜在的健康风险。当透明材料应用于建筑物时，室内温度升高的主要原因是近红外光和紫外光进入室内。为了开发具有最佳冷却效果的透明薄膜，必须确保可见光(0.38 < λ < 0.76 μm)的高透过率，可见光占阳光的43%，同时尽量减少其他波长光的透过率。同时，在大气窗口(波长：8 < λ < 13 μm)中的高发射率是必要的，以确保内部空间的热辐射能够有效地发射出去。

图2. 透明聚合物复合薄膜的光学性能。a 薄膜的冷却原理。b 理想透明冷却材料的透过率和发射率光谱。光谱辐照度由标准直射光谱(AM1.5d)确定。c 本研究中不同的薄膜的透过率和发射率光谱。d PE-AB-Si复合薄膜的反射率和吸收率光谱。e 薄膜的雾度；插图展示了薄膜放置在不同高度上的照片，背景为图像。f 各种透明薄膜的紫外线和近红外辐射屏蔽概览，对比数据来自文献。

此外，薄膜显示出较高的雾度，有助于扩散通过薄膜的光线。将该薄膜放置在距背景图像0、10和20毫米的高度时，随着高度的增加，图像变得模糊(图2e)。这一特性在需要隐私保护的建筑物或玻璃温室中特别重要。另外，将PE-AB-Si薄膜的紫外线/近红外光屏蔽性能和可见光透过性能与其他透明薄膜进行了比较。关于这些薄膜的性能细节见图2f，其中箭头的方向表示整体性能改进的趋势。通常，紫外线/近红外光屏蔽与可见光透过率之间存在权衡。然而，与其他具有相似性能的薄膜相比，PE-AB-Si薄膜在紫外线/近红外光屏蔽效率和可见光透过率方面均表现出色。

复合薄膜的户外冷却性能评估

为了测试开发的薄膜的冷却能力，研究人员将薄膜放置在透明亚克力容器上，然后将这些容器放置在户外，如图3a和3c所示，容器的内部通过阳光透过透明窗户加热。与纯PE窗户相比，PE-AB-Si薄膜有效地屏蔽了大部分紫外线和近红外光，同时保持了良好的可见光透过率(＞70%)。薄膜在大气窗口内的高发射率进一步促进了热量的主动释放。其他测试结果和天气条件如图3d所示。使用PE-A和PE-AB-Si薄膜窗户的容器内部照度略有下降，与图3b中的结果一致，但整体透过率仍然理想，这一现象在晴天和阴天条件下均发生。PE-A薄膜覆盖的容器温度分别比纯PE薄膜容器低约8°C和3.5°C，而PE-AB-Si薄膜覆盖的容器温度分别低10°C和5°C(图3e)。PE-A薄膜容器中观察到的温差主要由于薄膜有效吸收紫外线/近红外光，从而减少了容器内部的能量吸收。而PE-AB-Si薄膜除了吸收紫外线/近红外光外，还具有出色的辐射冷却能力，能够将内部热量辐射到外部环境中，进一步降低容器内部温度。值得注意的是，PE-A和PE-AB-Si薄膜覆盖的容器之间的温差约为2°C，这比我们先前研究中的预测结论(图2c)要小。这主要是因为容器内部，像真实建筑一样，具有一定的发射率。

图3. 透明聚合物复合薄膜的冷却性能。a 户外测试装置示意图。b 测试三种薄膜在可见光波段下的透过率。c 户外冷却性能测量系统的照片。d 测试期间中国郑州的实际户外相对湿度、太阳辐射照度和温度。e 薄膜提供的净冷却量(通过从纯PE薄膜数据中减去得到)。

复合薄膜的能耗模拟

为了评估开发薄膜的实际应用潜力，使用典型的中层公寓模型对10个气候多样的城市进行了能效性能模拟，它们的地理位置如图4a所示。北京和曼谷的年冷却能耗分别显示在图4b中，北京属于中纬度季风气候，曼谷属于热带季风气候。与裸玻璃窗相比，纯PE薄膜的年节能减少量分别为北京27.7 MJ/m2和曼谷86.6 MJ/m2，这归因于PE薄膜在光传输选择性较低以及在大气窗口中缺乏发射率。相比之下，由于PE-AB-Si薄膜具备双重紫外线和近红外光吸收特性，并在大气窗口中具有高发射率，其年节能减少量分别为141.1 MJ/m2(北京)和261.6 MJ/m2(曼谷)(图4c)，比纯PE薄膜分别高出5倍和3倍。由于热带地区的温度全年较高，薄膜提供的月冷却能耗减少量始终保持在较高水平。相比之下，在中纬度季风气候地区，季节性温度变化导致夏季冷却能耗达到峰值，冬季则达到低谷。这一趋势也符合实际应用的需求(图4c和4d)。这一结果表明，PE-AB-Si薄膜在温带和热带气候中都具有良好的节能潜力。

图4. 透明聚合物复合薄膜应用于窗户后节省的冷却能耗模拟。a 全球10个不同代表性城市的地理位置、纬度和经度。b 基于北京和曼谷的天气数据，使用四种类型窗户的模型建筑年冷却能耗。c、d 使用三种薄膜窗户的建筑模型每个月相对于裸玻璃窗建筑的冷却能耗减少情况(c 为北京，d 为曼谷)。e 基于10个城市天气数据，使用PE-AB-Si薄膜的模型建筑年冷却能耗节能量及节省能耗的百分比。

此外，薄其他8个城市的模拟结果显示，薄膜提供的年冷却能耗节省量介于104.3 MJ/m2到261.2 MJ/m2之间，月度冷却能耗减少量与这些城市的温度变化呈一致趋势。值得注意的是，位于热带地区的城市的年冷却节能量显著高于亚热带和温带地区。然而，能源消耗百分比减少的趋势恰好相反(图4e)。温带和亚热带地区的城市，如巴黎(31.9%)和洛杉矶(29.4%)，与热带地区的城市(如吉隆坡14.1%和阿斯旺19.9%)相比，显示出更高的百分比减少。与后者城市相比，前者城市的直射阳光时间较短，平均温度较低，全年冷却能耗较少，这导致能源消耗的百分比减少更为显著。然而，PE-AB-Si薄膜的年冷却节能量和节能百分比仍然远高于其他两种PE薄膜。上述模拟结果表明，PE-AB-Si薄膜在不同气候条件下具有良好的冷却能力，这将有助于扩大其应用领域和发展潜力。

总结

文章开发了一种新型透明复合薄膜，通过简单的混合锑掺杂锡氧化物(ATO)和苯并三唑(BZT)结合砂纸辅助成型表面微结构，旋涂气相二氧化硅(Hf-SiO₂)形成微纳结构，具备高可见光透过率和卓越的热辐射性能。该膜不仅能有效阻挡超过90%的紫外线和70%的近红外辐射，还能保持超过70%的可见光透过率，大幅降低室内温度。实验表明，该膜在室外测试中可实现最高10°C的温度下降，年节能效果可达261 MJ/m2。其超疏水表面提供了优异的自清洁性能，使其具有良好的长期户外耐用性。与传统窗膜相比，本文所开发的膜在节能、温控和自清洁方面表现出色，具有广泛的应用潜力，尤其适用于建筑节能和智能窗户系统等领域。总体而言，文章所制备的透明复合薄膜为提高建筑能效和可持续发展提供了新的解决方案。

本文原文来自Nano-Micro Letters