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KAUST甘巧強教授團隊 AFM：熱致變色水凝膠實現智能窗膜 - 車輛降溫10°C，無需額外能耗

2025-03-25 來源：高分子科技

隨著全球氣候變暖與能源消耗問題的加劇，提升建筑與交通工具的能效成為亟需解決的關鍵課題。尤其在封閉空間內，高溫環境不僅導致能源消耗顯著上升，還嚴重威脅人身安全。因此，開發無需外部能源驅動的被動冷卻材料，對推動能源可持續發展具有重要意義。

近日，沙特阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）甘巧強教授領導的國際合作團隊（包括重慶大學馮馳教授和卡塔爾Tareq教授）聯合開發出一種基于羥丙基纖維素（HPC）的新型熱致變色水凝膠材料。該材料可在環境溫度變化下實現可逆的光學響應，動態調節太陽輻射透過率，進而實現高效的被動冷卻功能。相關研究成果以題為“Hydroxypropyl Cellulose-Based Thermochromic Hydrogels for Smart Passive Cooling”發表在《Advanced Functional Materials》期刊上。

圖1. 基于HPC的熱致變色水凝膠材料構建與汽車智能窗膜應用示意圖

材料設計思路與變色機制

該水凝膠材料以天然環保的HPC為溫敏基體，結合聚丙烯酰胺（PAAM）構建雙網絡結構，顯著提升了材料的機械強度與保水性能。通過引入氯化鈣（CaCl?）調控分子間氫鍵網絡，可實現15°C–42°C范圍內的變色轉變溫度調控，滿足多種環境下的使用需求。

當環境溫度升高時，HPC鏈段疏水性增強、聚集體形成，產生強烈光散射，材料呈不透明狀態；溫度降低后，鏈段重新溶脹分散，材料恢復透明，從而實現可逆熱致變色行為。

此外，CaCl?的引入顯著降低了材料的凍結點（由-1°C降至-10.2°C），提高了其在寒冷環境中的適用性。材料經亞克力封裝后具備良好的防水性、力學保護性與光學透過性，適合在實際工況下長期穩定使用。

圖2. 水凝膠窗膜熱響應性能及實測降溫效果

實用降溫效果驗證

為驗證所構建熱致變色水凝膠窗膜的實際應用性能，研究團隊在車輛內部不同位置（包括前部、側部、后部以及車內空氣）布設溫度傳感器，并開展了對比實車測試。實驗結果表明，裝配水凝膠窗膜的車輛在高溫暴曬條件下，車內溫度相比未裝配組最高降低可達12°C，展現出顯著的熱調控能力。同時，紅外熱成像圖進一步證實，使用該窗膜后車輛表面溫度明顯低于對照組，表明材料能夠有效阻擋太陽輻射熱的傳遞，降低熱量積聚。以上結果充分說明，該熱致變色水凝膠窗膜在真實應用環境中具有優異的被動降溫效果與廣泛的實用潛力。

圖3. 熱致變色水凝膠窗膜在實際車載降溫中的性能驗證

該研究通過分子間作用調控與結構優化，實現了水凝膠材料在室溫條件下的高效熱致變色與光學響應，賦予其優異的被動熱調控能力。材料具備制備簡便、成本低廉、可規模化量產等優勢，在車載智能窗膜、綠色建筑、溫室覆蓋等場景具備廣泛應用潛力。

該研究成果為實現無能耗被動降溫提供了新路徑，對推動熱管理材料發展及實現碳中和目標具有重要意義。

原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202420946

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（責任編輯：xu）

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