《Journal of Bioresources and Bioproducts》：Fabrication of Radiative Cooling Function on Wood Surface via TCMs@ZnO
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辐射冷却材料能够实现被动热管理，但通常存在成本高、加工复杂以及户外耐久性差等问题。本研究开发了一种可规模化策略，通过将热致变色微胶囊（TCMs）和ZnO纳米颗粒整合到橡胶木（Hevea brasiliensis）和杉木（Cunninghamia lanceol
辐射冷却材料能够实现被动热管理，但通常存在成本高、加工复杂以及户外耐久性差等问题。本研究开发了一种可规模化策略，通过将热致变色微胶囊（TCMs）和ZnO纳米颗粒整合到橡胶木（Hevea brasiliensis）和杉木（Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.）表面的酚醛树脂涂层中，制备出热致变色辐射冷却木材。原位合成的ZnO改性树脂形成了均匀的微/纳米结构涂层，具有强附着力与可逆热致变色行为，当木材温度（T）超过临界转变温度（Tc = 28 °C）时，紫外-可见光反射率提高约44.7%。该杂化涂层增强了疏水性、自清洁性和抗紫外性，确保了长期光学稳定性。户外测试结果表明其具有有效的热调节性能，表面和亚表面最大降温幅度分别为10.4 °C和7.2 °C，而木屋模型的表面和室内温度分别降低了3.3 °C和2.5 °C。EnergyPlus模拟进一步表明，在炎热气候下年冷却节能率最高可达19.5%。本研究提出了一种具有动态光学调控功能的多功能热致变色辐射冷却木材，为节能和气候适应性建筑材料提供了一条可持续且可规模化的途径。
论文解读
一、研究背景与问题
全球变暖日益加剧，建筑能耗约占全球能源使用的40%，其中仅制冷就占电力需求的约20%。随着城市化加速和制冷需求增长，传统静态辐射冷却材料虽能实现被动降温，但普遍存在制造成本高、工艺复杂、户外耐久性差、易受紫外降解和灰尘污染、难以大面积应用等瓶颈。木材作为可持续建筑材料的代表，具有可再生、碳中和和易加工等优势，但其天然多孔结构在太阳照射下容易积累热量，且天然木材表面缺乏主动调控太阳辐射吸收、反射和热辐射的能力。因此，亟需在木材表面构建兼具辐射冷却与温度响应调控功能的涂层，以提升木材的热管理性能并拓展其在绿色建筑中的应用。
二、研究内容与意义
研究人员提出了一种可规模化的策略，将热致变色微胶囊（TCMs）和ZnO纳米颗粒整合到酚醛树脂涂层中，通过喷涂方式分别构建于橡胶木和杉木表面。该涂层实现了可逆热致变色行为、增强的太阳反射和稳定的红外发射能力，同时赋予木材疏水、自清洁和抗紫外性能。户外测试和建筑能耗模拟表明，该改性木材具有显著的降温效果和节能潜力。该研究为开发节能且气候适应性强的木质建筑材料提供了新的技术路径。
三、主要关键技术方法
本研究采用原位合成法在酚醛树脂中生成ZnO纳米颗粒（使用ZnSO4·7H2O或ZnCl2作为锌源），随后通过气动喷涂将ZnO改性树脂与TCMs交替喷涂于木材表面，经阶梯升温固化形成多层涂层，最后以硬脂酸乙醇溶液浸渍并涂刷紫外吸收剂。研究中使用了来自广东光华科技股份有限公司、成都金山化学试剂有限公司等供应商的试剂，橡胶木和杉木分别购自江苏沭阳伊博特家居装饰有限公司和宿迁欧芝坤商贸有限公司。涂层的形貌、元素组成、晶体结构和光学性能分别采用扫描电子显微镜（SEM）及能谱仪（EDS）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）及选区电子衍射（SAED）、紫外-可见-近红外分光光度计和红外光谱仪表征。户外降温测试在中国昆明（25°7′7.9″N，102°45′1.6″E）进行，建筑能耗模拟采用EnergyPlus 23.2.0软件，选取全球10个代表性城市进行计算。
四、研究结果
3.1 结构表征、热-光学性质与热调节机制
通过SEM和EDS证实TCMs和ZnO颗粒成功负载于改性木材的三个切面，Zn元素被氮元素包裹，涂层表面形成微纳米粗糙结构。XPS显示Zn 2p峰位于1045 eV和1022 eV，证实Zn–O键形成；XRD衍射峰对应六方纤锌矿ZnO结构。TEM观察到晶格条纹间距0.26 nm和0.25 nm，分别对应(101)和(002)晶面。反射光谱表明，当温度超过Tc时，改性橡胶木在250–2500 nm波段的反射率提高约44.7%，而仅含ZnO的样品无温度响应；在8–13 μm大气窗口内，改性样品保持较高热发射率（0.953–0.960）。DSC分析显示TCMs在28–29 °C出现吸热峰、20–21 °C出现放热峰，证实可逆热致变色转变。
3.2 自清洁与抗紫外耐久性
水接触角测试表明，TCMs与ZnO的协同作用显著提高了木材三个切面的疏水性。自清洁实验显示灰尘可被水滴轻易带走，证实改性木材和木屋具有自清洁功能。紫外耐久性试验（340 nm灯连续照射16天）后，改性样品的色度和热致变色可逆性保持稳定，相当于在昆明、北京、深圳自然户外紫外环境下暴露约105–280天，这归因于ZnO纳米颗粒的强紫外吸收和散射效应。
3.3 热响应与节能性能
3.3.1 表面和亚表面温度
户外热响应实验表明，含TCMs的改性木材表面温度显著低于仅含ZnO的对照样品。TCMs/S-ZnO@Rubberwood平均降温6.6 °C，最大表面温差10.4 °C（径向和切向分别在13:00和13:40）；TCMs/S-ZnO@Fir平均降温6.1 °C，最大温差9.6 °C。亚表面（1 mm深度）温度也呈现一致趋势，TCMs/S-ZnO@Rubberwood最大内部温差7.2 °C（切向）。ZnCl2体系表现出略低的降温幅度。总体而言，切向面的辐射冷却能力最优。
3.3.2 木屋模型的辐射冷却性能
采用TCMs/S-ZnO@Rubberwood切向板建造木屋模型，户外测试显示其表面和室内平均温度分别比对照组低3.3 °C和2.5 °C，最大温差分别达4.7 °C和4.1 °C。红外热像图进一步确认改性木屋表面温度始终低于对照木屋，且更接近环境温度。木屋颜色随温度在深绿色和白色之间可逆变化，验证了热致变色功能在实际应用场景中的有效性。
3.3.3 改性木屋的节能潜力
EnergyPlus模拟结果显示，在迪拜年冷却节能近60 MJ/m2，在墨西哥城最大冷却节能率达19.5%。节能效果与城市年平均太阳辐射强度和温度呈正相关，在炎热地区（迪拜、墨西哥城、新加坡）尤为显著，表明改性木材的节能性能具有强烈气候依赖性。
五、讨论与结论
研究人员指出，尽管改性木材的辐射冷却、抗紫外和自清洁功能得到验证，但其在反复降雨和机械磨损下的长期稳定性仍需进一步优化和评估；木屋实验虽更接近实际应用，但实验规模仍有限。研究结论部分：研究人员成功在橡胶木和杉木表面构建了整合TCMs和ZnO纳米颗粒的辐射冷却功能。涂层表现出可逆热致变色行为和增强的温度依赖性光学调控；TCMs与ZnO的协同作用赋予木材显著的热致变色效应、增强的太阳反射率和抗紫外性，优化体系的抗紫外持续时间延长至16天。多尺度表面粗糙度赋予涂层优异的疏水性和自清洁能力，维持了长期光学可逆性。户外条件下，改性木材表面温度最大降低10.4 °C，亚表面降低7.2 °C；木屋模型表面和室内温度降低3–5 °C；EnergyPlus模拟显示年冷却需求最多可减少19.5%，在炎热地区年节能最高可达60 MJ/m2。这些结果验证了改性木材从材料尺度到建筑尺度的有效性。总体而言，该工作为构建热致变色辐射冷却木材提供了实用策略，为建筑节能提供了可规模化和可持续的途径。
