KAUST甘巧强教授团队 AFM：热致变色水凝胶实现智能窗膜 - 车辆降温10°C，无需额外能耗

2025-03-25 来源：高分子科技

随着全球气候变暖与能源消耗问题的加剧，提升建筑与交通工具的能效成为亟需解决的关键课题。尤其在封闭空间内，高温环境不仅导致能源消耗显著上升，还严重威胁人身安全。因此，开发无需外部能源驱动的被动冷却材料，对推动能源可持续发展具有重要意义。

近日，沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）甘巧强教授领导的国际合作团队（包括重庆大学冯驰教授和卡塔尔Tareq教授）联合开发出一种基于羟丙基纤维素（HPC）的新型热致变色水凝胶材料。该材料可在环境温度变化下实现可逆的光学响应，动态调节太阳辐射透过率，进而实现高效的被动冷却功能。相关研究成果以题为“Hydroxypropyl Cellulose-Based Thermochromic Hydrogels for Smart Passive Cooling”发表在《Advanced Functional Materials》期刊上。

图1. 基于HPC的热致变色水凝胶材料构建与汽车智能窗膜应用示意图

材料设计思路与变色机制

该水凝胶材料以天然环保的HPC为温敏基体，结合聚丙烯酰胺（PAAM）构建双网络结构，显著提升了材料的机械强度与保水性能。通过引入氯化钙（CaCl?）调控分子间氢键网络，可实现15°C–42°C范围内的变色转变温度调控，满足多种环境下的使用需求。

当环境温度升高时，HPC链段疏水性增强、聚集体形成，产生强烈光散射，材料呈不透明状态；温度降低后，链段重新溶胀分散，材料恢复透明，从而实现可逆热致变色行为。

此外，CaCl?的引入显著降低了材料的冻结点（由-1°C降至-10.2°C），提高了其在寒冷环境中的适用性。材料经亚克力封装后具备良好的防水性、力学保护性与光学透过性，适合在实际工况下长期稳定使用。

图2. 水凝胶窗膜热响应性能及实测降温效果

实用降温效果验证

为验证所构建热致变色水凝胶窗膜的实际应用性能，研究团队在车辆内部不同位置（包括前部、侧部、后部以及车内空气）布设温度传感器，并开展了对比实车测试。实验结果表明，装配水凝胶窗膜的车辆在高温暴晒条件下，车内温度相比未装配组最高降低可达12°C，展现出显著的热调控能力。同时，红外热成像图进一步证实，使用该窗膜后车辆表面温度明显低于对照组，表明材料能够有效阻挡太阳辐射热的传递，降低热量积聚。以上结果充分说明，该热致变色水凝胶窗膜在真实应用环境中具有优异的被动降温效果与广泛的实用潜力。

图3. 热致变色水凝胶窗膜在实际车载降温中的性能验证

该研究通过分子间作用调控与结构优化，实现了水凝胶材料在室温条件下的高效热致变色与光学响应，赋予其优异的被动热调控能力。材料具备制备简便、成本低廉、可规模化量产等优势，在车载智能窗膜、绿色建筑、温室覆盖等场景具备广泛应用潜力。

该研究成果为实现无能耗被动降温提供了新路径，对推动热管理材料发展及实现碳中和目标具有重要意义。

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202420946

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（责任编辑：xu）

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