不断变化的气候模式使数百万人容易受到极端天气的影响。随着温度波动在世界范围内变得越来越普遍，传统的耗电冷却和加热系统需要一种更具创新性、更节能的替代方案，从而减轻已经陷入困境的电网的负担。
在一项新研究中，德克萨斯 A&M 大学的研究人员创造了新型 3D 可打印相变材料 (PCM) 复合材料，可以使用更简单且具有成本效益的制造工艺调节建筑物内部的环境温度。此外，这些复合材料可以添加到建筑材料中，如油漆，或 3D 打印作为家居装饰品，以无缝融入不同的室内环境。
材料科学与工程系副教授 Emily Pentzer 博士说：“使用可扩展的方法将相变材料集成到建筑材料中的能力为在新建筑和现有结构中产生更多被动温度调节提供了机会和化学系。
这项研究发表在 6 月刊的Matter杂志上。
供暖、通风和空调 (HVAC) 系统是住宅和商业机构中最常用的温度调节方法。然而，这些系统消耗大量能量。此外，他们使用称为制冷剂的温室材料来产生凉爽干燥的空气。HVAC 系统的这些持续问题引发了对替代材料和技术的研究，这些材料和技术需要更少的能量来运行，并且可以调节与 HVAC 系统相称的温度。
在温度调节方面引起广泛兴趣的材料之一是相变材料。顾名思义，这些化合物会根据环境温度改变其物理状态。因此，当相变材料储存热量时，它们在吸收热量时从固体转变为液体，在释放热量时反之亦然。因此，与仅依靠外部电源来加热和冷却的 HVAC 系统不同，这些材料是被动元件，不需要外部电力来调节温度。
制造 PCM 建筑材料的传统方法需要在每个 PCM 颗粒周围形成一个单独的外壳，就像一个盛水的杯子，然后将这些新包裹的 PCM 添加到建筑材料中。然而，寻找与 PCM 及其外壳兼容的建筑材料一直是一个挑战。此外，这种传统方法还减少了可掺入建筑材料中的 PCM 颗粒的数量。
“想象一下用鸡蛋和水装满一个锅，”美国宇航局材料科学与工程系空间技术研究生研究员 Ciera Cipriani 说。“如果每个鸡蛋都必须放在一个单独的容器中煮熟，锅里的鸡蛋就会减少。通过移除塑料容器，我们研究中名副其实的外壳，更多的鸡蛋或 PCMs，可以占据更大的体积通过在水/树脂中更紧密地堆积在一起。”
为了克服这些挑战，过去的研究表明，当使用与液体树脂混合的相变石蜡时，树脂既可以作为外壳，也可以作为建筑材料。这种方法将 PCM 颗粒锁定在各自的口袋内，使它们能够安全地进行相变并管理热能而不会泄漏。
同样，Pentzer 和她的团队首先将光敏液体树脂与相变石蜡粉相结合，创造出一种新的 3D 可打印墨水复合材料，改进了含有 PCM 的建筑材料的生产过程，并消除了包括封装在内的几个步骤。
树脂/PCM 混合物柔软、糊状且具有延展性，非常适合 3D 打印，但不适用于建筑结构。因此，通过使用光敏树脂，他们用紫外线将其固化以固化可 3D 打印的糊状物，使其适用于实际应用。
此外，他们发现嵌入树脂中的相变蜡不受紫外线的影响，占打印结构的 70%。与目前工业中使用的大多数可用材料相比，这是一个更高的百分比。
接下来，他们通过 3D 打印小型房屋形状模型并测量将房屋放入烤箱时的温度来测试其相变复合材料的温度调节。他们的分析表明，与传统材料制成的模型相比，该模型的温度与加热和冷却热循环的外部温度相比相差 40%。
未来，研究人员将试验除石蜡之外的不同相变材料，以便这些复合材料可以在更宽的温度范围内运行，并在给定的周期内管理更多的热能。
“我们对我们的材料在降低能耗的同时保持建筑舒适度的潜力感到兴奋，”材料科学与工程系和软物质设施的研究科学家 Peiran Wei 博士说。“我们可以将具有不同熔化温度的多种 PCM 结合起来，并将它们精确地分配到单个打印对象的各个区域，以在整个四个季节和全球范围内发挥作用。”
这项研究由美国国家科学基金会材料研究事业部资助。
