傳統的HPMC水凝膠基智能窗戶(hù)在高溫下表現出較差的熱穩定性和緩慢的相轉變速率。研究團隊巧妙地設計了一種新型智能窗，以HPMC水凝膠為基礎，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)程中的團聚和析出，展現出優(yōu)異的熱穩定性。同時(shí)，研究人員選用無(wú)機鹽Na₂SO₄調節水凝膠的LCST和相變速率?；谄涓鼜姷柠}析效應，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(xiàn)吸收性能，還能作為內置“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(hù)具有較高的透光率。

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

為解決HPMC水凝膠熱穩定性差的問(wèn)題，研究人員通過(guò)引入PDMAA三維網(wǎng)絡(luò )結構給HPMC水凝膠當“支撐骨架"。并通過(guò)對水凝膠進(jìn)行電鏡（SEM 3100，CIQTEK）表征發(fā)現原始的HPMC水凝膠經(jīng)過(guò)高溫加熱后其分子鏈會(huì )出現明顯的團聚現象，導致大量水凝膠團簇從溶液中析出，從而發(fā)生不均勻相變，表現出較差的熱穩定性。而引入PDMAA三維網(wǎng)絡(luò )結構的HD₂₀水凝膠，經(jīng)過(guò)高溫加熱后能保持均勻的網(wǎng)絡(luò )結構，從而得以維持均勻的相變和穩定的體積，表現出優(yōu)異的熱穩定性。并通過(guò)多次高溫加熱/冷卻循環(huán)和長(cháng)時(shí)間高溫加熱測試進(jìn)一步證明了其優(yōu)異的熱穩定性。通過(guò)傅里葉變換紅外（FTIR）光譜和密度泛函理論（DFT）計算分析發(fā)現，PDMAA的引入與HPMC之間形成了氫鍵，改變了水凝膠內部的氫鍵作用。

圖2. 復合水凝膠的熱穩定性及光學(xué)性能。

為解決HPMC水凝膠相轉變的難題，研究人員對比了不同鹽陰離子的鹽析效應。結果顯示，SO₄^2-對水凝膠相變速率的提升最為顯著(zhù)。添加3 wt% Na₂SO₄的HD₂₀N₃智能窗，在60°C加熱時(shí)，能在30秒內從透明變?yōu)椴煌该?，冷卻至20°C時(shí)，也能在短時(shí)間內恢復透明，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，展現出良好的靈活性和廣泛的可調性。

圖3. 復合水凝膠的相變速率及光學(xué)性能。

抗紫外性能對水凝膠基智能窗戶(hù)在實(shí)際應用中的長(cháng)期耐久性至關(guān)重要，而PDA納米顆粒給智能窗戶(hù)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(zhù)提高了復合水凝膠（HD₂₀N₃P_s）基智能窗戶(hù)的抗紫外性能。實(shí)驗結果表明，PDA納米顆粒能夠有效吸收紫外線(xiàn)，將智能窗戶(hù)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能進(jìn)一步提高智能窗戶(hù)在光照下的相變速率。HD₂₀N₃P_s基智能窗戶(hù)在紫外線(xiàn)照射下表現出優(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)性能和結構基本保持不變。

圖4. 智能窗戶(hù)的抗紫外線(xiàn)、光熱及光學(xué)性能。

研究人員通過(guò)監測配備HD₂₀N₃P_s基智能窗戶(hù)的泡沫模型房屋的內部溫度，評估其室溫調制性能。實(shí)驗結果表明，在模擬陽(yáng)光照射下，HD₂₀N₃P_s基智能窗戶(hù)能有效降低室內溫度上升速率，使室內溫度比普通空氣窗戶(hù)和HD₂₀N₃基智能窗戶(hù)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(hù)也能保持良好的室溫調節性能，展現出卓越的適應性和穩定性。此外，該智能窗戶(hù)在不同溫度下能自適應地調節透光率，滿(mǎn)足實(shí)際應用需求，且經(jīng)過(guò)多次循環(huán)測試后，其溫度調制性能穩定，具有出色的耐久性。

圖5. HD20N3PS基智能窗戶(hù)的室溫調節性能。

該研究成功制備出具有快速相變速率、高熱穩定性和抗紫外特性的纖維素基熱致變色智能窗戶(hù)。通過(guò)引入PDMAA三維網(wǎng)絡(luò )結構、Na?SO?和小尺寸PDA納米顆粒，有效解決了傳統熱致變色水凝膠的諸多問(wèn)題，為智能窗戶(hù)的發(fā)展提供了新的技術(shù)路徑，對提高建筑能源效率、推動(dòng)碳達峰和碳中和目標的實(shí)現具有重要意義。

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

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