这篇研究主要探讨了如何通过创新的策略来开发一种先进的聚脲基复合涂层，该涂层旨在同时满足实际应用中的美学需求、高红外发射率以及防火安全要求。以下是研究内容的概述：
研究背景与目标
问题：传统辐射冷却材料在美学、红外发射率及防火性能上存在不足。
目标：开发一种集变色功能、高红外发射率和防火性能于一体的聚脲基复合涂层，以应用于建筑冷却等领域，减少能耗。
研究方法
变色微胶囊的制备：
使用商业变色（TC）微胶囊作为核心材料。
在微胶囊表面合成含硅/硼（Si/B）的外壳，通过TEOS、APTES和硼酸作为前驱体，以降低微胶囊的火灾风险。
复合涂层的制备：
将改性后的SiB-TC微胶囊与氮化硼（BN）纳米片和蒙脱石（MMT）纳米片结合。
采用无溶剂法将上述材料嵌入聚脲（PUA）树脂中，制备出复合涂层。
研究成果
变色功能：
受变色龙启发的TC微胶囊使涂层能够根据环境温度自发调节太阳光的吸收和反射，颜色从红色、黄色、蓝色转变为浅色，UV-vis波段的反射率显著提升。
高红外发射率：
复合涂层在温度升高时，红外发射率显著增加，归因于涂层内部强烈的界面相互作用增强了C─O─C、Si─O和B─N键的偶极矩。
红外发射率从20°C时的94.9%-96.1%提升至40°C时的98.0%-98.1%。
防火性能：
BN和MMT纳米片在受热时形成陶瓷保护层，增强了涂层的防火性能。
协同系统（SiB-TCM、BN纳米片、MMT纳米片）有效降低了涂层的火灾风险。
实际应用效果：
白天，相比无变色功能的对照样品，复合涂层在红色、黄色和蓝色状态下分别实现了约3.6°C、3.3°C和8.3°C的平均降温效果。
夜晚，由于极高的红外发射率，复合涂层在对应样品中实现了约7.6°C、6.6°C和4.1°C的低于环境温度的冷却效果。
EnergyPlus模拟表明，该复合涂层在全球大部分地区均适用。
结论与意义
本研究成功开发了一种变色、高红外发射率和防火的PUA复合涂层，有效降低了建筑冷却的能耗。
通过变色龙启发的变色功能、偶极矩增强和防火策略的结合，显著推动了辐射冷却技术的实际应用。
该研究为设计高红外发射率材料提供了宝贵的参考路径，促进了辐射冷却材料在节能领域的应用。
原材料
商业TC微胶囊：由武汉的舒尔化学有限公司提供。
APTES（3-氨丙基三乙氧基硅烷）、TEOS（正硅酸乙酯）和硼酸：购自中国国药集团化学试剂有限公司。
BN粉末（氮化硼粉末）：由上海阿拉丁工业有限公司提供，平均粒径约为1微米。
MMT粉末（蒙脱石粉末，钠插层，K-10）：由中国麦克林工业有限公司提供，表面积为240 m²/g。
PUA涂层（N-100）：由深圳飞扬聚脲有限公司提供，使用天门冬氨酸聚脲和交联结构。
溶剂：仅使用去离子水，不使用有机溶剂。
SiB-TC微胶囊的合成
分散TC微胶囊：将1.0克商业TC微胶囊（红色、黄色和蓝色）加入100毫升去离子水中，通过机械搅拌和超声处理2小时使其均匀分散。
引入TEOS：停止超声后，向混合物中加入0.5克TEOS。由于TEOS不溶于水，它会聚集在TC微胶囊表面。
触发溶胶-凝胶反应：加入0.1克APTES，触发TEOS的溶胶-凝胶反应，生成Si─O网络，该反应由水中电离产生的羟基离子引发。反应持续6小时。
加入硼酸：将预先溶解在20毫升水中的0.4克硼酸滴入上述混合物中，最终合成SiB-TC微胶囊。
PUA复合涂层的制备
处理BN粉末：将BN粉末以2克/升的浓度在水中超声剥离12小时。通过离心、真空过滤和冷冻干燥悬浮液，收集BN纳米片。
制备MMT纳米片：采用与BN纳米片相同的方法制备。
混合原料：将2.0克SiB-TC微胶囊、0.5克BN纳米片和2.0克MMT纳米片加入22.75克PUA前驱体中，通过机械搅拌和超声处理2小时，获得均匀分散的混合物。
加入固化剂：将22.75克PUA固化剂快速搅拌5分钟后加入上述溶液中，并倒入模具中完成固化反应。
制备对照样品：将SiB-TC微胶囊浸入pH值为1的乙醇溶液中，以破坏其温变功能，然后按相同过程制备对照样品。
图解
a) 变色龙与温致变色微胶囊的类比
a1) 描述了变色龙根据环境变化其外观的现象，这是一种生物适应性的表现。
a2) 展示了温致变色（TC）微胶囊的颜色变化过程。这些微胶囊在不同温度下会呈现明亮和浅淡的颜色，这是由于其内部的颜色形成剂（color former）和颜色开发者（color developer）之间的相互作用随温度变化而变化的结果。
b) 偶极矩增加的示意图
a3) 解释了颜色形成剂和颜色开发者之间的结合与分离机制。这归因于脂肪醇（fatty alcohol）在固态和熔融态之间的转换。当温度改变时，脂肪醇的状态变化导致颜色形成剂和颜色开发者之间的相互作用发生变化，从而引发颜色变化。
b1, b2) 展示了偶极矩的示意图。偶极矩是描述分子中电荷分布不均匀的物理量。这里通过图示说明了相互作用如何促进电荷的不均匀分布，这可能与温致变色微胶囊中颜色变化的机制有关。
c) 阻燃性能的协同作用示意图
c) 描述了蒙脱石（MMT）纳米片和氮化硼（BN）纳米片在阻燃性能中的协同作用。当材料受热时，MMT纳米片会热解形成陶瓷保护层，这个保护层能够隔绝热量和氧气，从而减缓火势的蔓延。而BN纳米片由于其极高的热稳定性，能够进一步增强这个陶瓷保护层的性能，使其更加坚固和耐热。这种协同作用使得结合了MMT和BN纳米片的材料具有优异的阻燃性能。
SEM图像：
a1) 展示了纯TCM在不同分辨率下的扫描电子显微镜（SEM）图像。
a2) 展示了经过SiB改性的TCM（SiB-TCM）在不同分辨率下的SEM图像。这些图像用于观察材料的表面形貌和结构变化。
SEM Mapping光谱：
b1) 和 b2) 分别展示了Si和B元素的SEM Mapping光谱。这些光谱用于确定Si和B元素在材料中的分布情况，从而了解改性剂在TCM中的均匀性。
XPS光谱：
c1) 展示了SiB-TCM中N 1s的高分辨率X射线光电子能谱（XPS）光谱。XPS用于分析材料表面的化学组成和元素价态，这里特别关注了N元素的状态，可能与PUA复合涂料的交联或功能化有关。
DSC曲线：
c2) 展示了纯TCM和SiB-TCM的差示扫描量热（DSC）曲线。DSC用于研究材料的热性能和相变行为，这里用于比较改性前后TCM的热稳定性或相变温度的变化。
PUA复合涂料的制备示意图：
d) 提供了一个PUA复合涂料的制备过程示意图，包括原料的混合、涂布、固化等步骤。
热致变色过程：
e) 描述了PUA/SiB-TCM/BN/MMT（可能是指结合了PUA、改性TCM、氮化硼和蒙脱石的多层复合涂层）的热致变色过程，对应于加热和冷却过程。这表明该复合涂层具有随温度变化而改变颜色的能力。
反射光谱：
f1–f3) 展示了PUA/SiB-TCM/BN/MMT在20°C和40°C下的反射光谱，分别对应于红色、白色和蓝色样品。这些光谱数据用于定量描述涂层在不同温度下的颜色变化，从而验证其热致变色性能。
红外发射率
红外发射光谱：
a) 展示了纯PUA及其复合涂层（以蓝色标记）在5–15 µm波长范围内的红外发射光谱。这个范围对应于大气窗口，是红外辐射能够高效传输的波段。
接下来，展示了PUA/SiB-TCM/BN/MMT复合涂层在20°C和40°C下的红外发射光谱，分别对应于红色（b1）、黄色（b2）、和蓝色（b3）样品。这些光谱揭示了不同温度下涂层红外发射特性的变化。
发射率比较：
c) 将PUA/SiB-TCM/BN/MMT复合涂层（蓝色样品）在40°C下的红外发射率与其他研究工作进行了比较。这有助于评估该复合涂层在红外辐射控制方面的性能水平。
机制分析
红外发射峰：
e1) 提出了一个示意图，解释了C─O─C、Si─O和B─N键在大气窗口内的红外发射峰。这些键的振动和转动能级跃迁是红外辐射的主要来源。
电荷分布：
e2) 展示了C─O─C、B─N和Si─O键中电荷的不对称分布示意图。这种不对称分布可能影响了键的振动特性，进而影响了红外发射特性。
相变机制：
e3) 描述了脂肪醇在固态和熔融态之间的转换如何影响涂层的红外发射率。当脂肪醇从固态转变为熔融态时，更多的C-O-H基团暴露出来，这可能导致红外发射特性的变化。这种机制可能与涂层的热致变色性能相关联。
其他表征
断面SEM图像：
d1) 和 d2) 分别展示了纯PUA和PUA/SiB-TCM/BN/MMT复合涂层（蓝色样品）的断面扫描电子显微镜（SEM）图像。这些图像用于观察涂层的内部结构，如填料的分散性、相界面等。
FTIR光谱：
d3) 展示了纯PUA和PUA/SiB-TCM/BN/MMT复合涂层（蓝色样品）的傅里叶变换红外光谱（FTIR）。FTIR光谱用于分析涂层中的化学键和官能团，从而验证涂层的组成和改性效果。
辐射冷却性能测试
实验设置：
数字照片a1)和a2) 展示了辐射冷却测试的实验装置示意图，包括监测环境温度（由气象站提供）和通过热电偶测量的重要温度点。
测试条件：
b1) 展示了测试期间的太阳辐射强度。
b2) 展示了环境温度。
b3) 展示了湿度。这些参数对于评估辐射冷却性能至关重要。
温度曲线：
c1–c3) 展示了PUA复合涂层及其对照样品的温度曲线。这些曲线反映了涂层在不同条件下的热响应特性。
昼夜温度对比：
d1) 展示了夜间PUA/SiB-TCM/BN/MMT复合涂层（蓝色样品）、对照样品以及Tenvir,2的温度曲线。夜间是辐射冷却效果最为显著的时段。
d2) 展示了白天这些样品的温度曲线。通过对比昼夜温度曲线，可以评估涂层在不同时间段内的热性能表现。
EnergyPlus模拟
全球范围内的节能性能：
e1) 分析了考虑冷却系统、风扇和加热设备能耗的全球范围内节能性能。EnergyPlus模拟通过综合考虑各种气候条件和建筑使用情况，评估了PUA复合涂层在实际应用中的节能潜力。
代表性城市的节能效果：
e2) 针对28个气候区域的代表性城市，展示了具体的节能效果。这种分析有助于了解不同气候条件下涂层的节能表现，并为实际应用提供指导。
防火安全性能
热释放速率（HRR）和总热释放量（THR）：
a1) 和 a2) 分别展示了PUA复合涂料的热释放速率（HRR）和总热释放量（THR）曲线。这些曲线是评估材料在火灾中热释放特性的重要指标，直接关系到火灾的蔓延速度和强度。
二氧化碳释放速率和总量：
a3) 和 a4) 分别展示了PUA复合涂料的二氧化碳释放速率和总量曲线。二氧化碳是火灾中产生的主要气体之一，其释放速率和总量对于评估火灾的危害程度具有重要意义。
阻燃性能比较
b1) 将PUA复合涂料的阻燃性能与其他研究工作进行了比较。这种比较有助于评估该复合涂料在阻燃领域的性能水平，以及相对于其他材料的优势或不足。
残炭分析
b2) 展示了PUA/SiB-TCM/BN/MMT复合涂料燃烧后的残炭数字照片，以及纯PUA的残炭照片（作为插图）。残炭的形态和结构可以提供关于材料在燃烧过程中经历的物理和化学变化的信息，对于理解材料的阻燃机制至关重要。
残炭的XPS和XRD分析
c1) XPS（X射线光电子能谱）分析用于研究残炭的表面化学组成。通过XPS谱图，可以了解残炭中不同元素的含量和化学状态，进而推断出材料在燃烧过程中可能发生的化学反应。
c2) XRD（X射线衍射）分析则用于研究残炭的晶体结构。XRD谱图可以提供关于残炭中晶体相的种类、含量和结晶度的信息，这对于理解材料的热稳定性和阻燃机制同样重要。
TG-IR分析
e) 展示了纯PUA和PUA/SiB-TCM/BN/MMT复合涂料的热重-红外联用（TG-IR）光谱的俯视图。TG-IR分析是一种将热重分析（TG）与红外光谱（IR）相结合的技术，用于同时监测材料在加热过程中的质量变化和挥发性产物的释放情况。通过TG-IR光谱，可以深入了解材料在热分解和燃烧过程中的热稳定性和挥发性产物的种类，进一步揭示其阻燃机制。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202412902
