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高透明度硅烷化纤维素气凝胶:提高建筑玻璃的能源效率

发表时间:2023-09-19 10:48

为了维持舒适的室内环境,建筑物消耗了全球约40%的能源。窗户和天窗在被动地隔离建筑物内部与冷或热的室外环境时是建筑围护结构中效率最低的部分。这是因为同时实现玻璃的高透明度和热绝缘仍然是一个挑战。本文描述了一种由纤维素制成的高透明气凝胶,这是一种地球上丰富的生物聚合物。这些气凝胶是通过使用诸如胶体自组装之类的方法以及与卷对卷加工兼容的程序来制造的。这些气凝胶的可见光透射率为97-99%(比玻璃好),雾度约为1%,热导率低于静止空气。这些轻质材料可以用作多层绝缘玻璃单元内的窗格,并且可以用于翻新现有的窗户。我们展示了如何提高气凝胶的能源效率,并可能为绝缘玻璃单元、天窗、采光和外墙玻璃提供先进的技术解决方案,从而增加了建筑围护结构中玻璃的作用。


纳米尺度的表征为我们提供了关于SiCellA材料的形成和结构的见解 (图3)。单独的纤维素纳米纤维是明确定义的类似棒状的颗粒,宽度为4-6 nm,长度为数百到数千纳米 (图3a)。凝胶化、表面改性、溶剂交换和干燥的制造过程将这种纳米棒的初始胶体分散体转化为具有纳米尺度形态的凝胶,其间的纤维孔径通常小于100 nm (图3b-d 和补充视频)。通过控制纤维素纳米纤维的初始浓度,我们可以改变SiCellA的孔隙度 (图3e),它与材料的质量密度线性相关。氮吸附-解吸分析与直接的纳米尺度成像一致,为SiCellA的多孔形态提供了定量信息 (图3f,g, 补充图) 与相互连接的纳米纤维网络相关 (图3h)。


图3: 研究的气凝胶的纳米尺度形态。a,b, 超声波处理的TEMPO氧化的单个纤维素纳米纤维在水分散体中的TEM图像,用1%的磷钨酸负染色 (a) 和一个未经改性的纳米纤维素气凝胶 (b)。c,d, 硅烷化气凝胶的TEM图像 (c) 和相应的SiCellA的断层成像TEM可视化 (d)。e, 根据孔隙度改变的改性和未改性气凝胶的密度。红线是眼睛的指引。f, 在77 K下改性和未改性气凝胶的N2吸附和解吸等温线。实线连接由符号表示的测量数据。插图显示了改性气凝胶的孔隙体积分布与孔隙宽度的关系。g, SiCellA的孔隙表面积分布与孔隙宽度的关系。插图显示了根据孔隙宽度的累积表面积。h, 由薄纤维素纳米纤维网络 (深蓝线) 与硅烷化表面形成的SiCellA的示意图。


现代的窗户和天窗应该能够有效地将受控的室内环境与建筑物的外部隔离开来,同时还要实现其由透明性使能的主要功能,这为相应的材料性能提出了要求。为了探测这些性质,我们展示了一个自由立体的SiCellA板块具有非常高的可见光透射率,达到97-99%,远高于单片清晰玻璃的~92% (图4a-c 和补充表)。此外,雾度系数很低,通常在1-3%之间,取决于SiCellA板块的厚度 (图4a,b)。可以制造出高度透明、低散射的不同厚度的板块 (图4和补充视频)。这种光学透明性来源于SiCellA的纳米尺度结构 (图4),其中气凝胶形态的所有长度尺度都远小于可见光谱范围内的光波长。


图4: SiCellA材料的光学性质。a,b, 1 mm厚膜的可见光谱依赖于总和漫射透射,如插图所示 (由虚线标记) (a) 和不同厚度的SiCellA膜 (b)。插图在b中显示了透射和雾度与SiCellA膜厚度的关系,实验数据点由带有误差线的符号表示,实线是眼睛的指引。误差线表示八个独立样品的标准偏差。数据表示为均值 ± 标准偏差。c, 5 mm厚的三角形SiCellA棱镜。d, 从吸收测量计算的折射指数的光谱分散。虚线标记了在632 nm处测量的折射指数为1.0025,通过测量激光束的最小偏转角来确定。e, 2 mm厚的SiCellA膜的可见到近红外光谱透射和消光系数,如插图所示。f, 25 mm厚的SiCellA棱镜,532 nm的激光束通过而不偏转,因为它的折射指数接近空气的折射指数。g-j, 四个4 mm厚的SiCellA棱镜,形状为星形 (g)、五边形 (h)、六边形 (i) 和八边形 (j)


纳米尺度的表征为我们提供了关于SiCellA材料的形成和结构的见解 (图3)。单独的纤维素纳米纤维是明确定义的类似棒状的颗粒,宽度为4-6 nm,长度为数百到数千纳米 (图3a)。凝胶化、表面改性、溶剂交换和干燥的制造过程将这种纳米棒的初始胶体分散体转化为具有纳米尺度形态的凝胶,其间的纤维孔径通常小于100 nm (图3b-d 和补充视频)。通过控制纤维素纳米纤维的初始浓度,我们可以改变SiCellA的孔隙度 (图3e),它与材料的质量密度线性相关。氮吸附-解吸分析与直接的纳米尺度成像一致,为SiCellA的多孔形态提供了定量信息 (图3f,g, 补充图) 与相互连接的纳米纤维网络相关 (图3h)。


图3: 研究的气凝胶的纳米尺度形态。a,b, 超声波处理的TEMPO氧化的单个纤维素纳米纤维在水分散体中的TEM图像,用1%的磷钨酸负染色 (a) 和一个未经改性的纳米纤维素气凝胶 (b)。c,d, 硅烷化气凝胶的TEM图像 (c) 和相应的SiCellA的断层成像TEM可视化 (d)。e, 根据孔隙度改变的改性和未改性气凝胶的密度。红线是眼睛的指引。f, 在77 K下改性和未改性气凝胶的N2吸附和解吸等温线。实线连接由符号表示的测量数据。插图显示了改性气凝胶的孔隙体积分布与孔隙宽度的关系。g, SiCellA的孔隙表面积分布与孔隙宽度的关系。插图显示了根据孔隙宽度的累积表面积。h, 由薄纤维素纳米纤维网络 (深蓝线) 与硅烷化表面形成的SiCellA的示意图。


现代的窗户和天窗应该能够有效地将受控的室内环境与建筑物的外部隔离开来,同时还要实现其由透明性使能的主要功能,这为相应的材料性能提出了要求。为了探测这些性质,我们展示了一个自由立体的SiCellA板块具有非常高的可见光透射率,达到97-99%,远高于单片清晰玻璃的~92% (图4a-c 和补充表)。此外,雾度系数很低,通常在1-3%之间,取决于SiCellA板块的厚度 (图4a,b)。可以制造出高度透明、低散射的不同厚度的板块 (图4和补充视频)。这种光学透明性来源于SiCellA的纳米尺度结构 (图4),其中气凝胶形态的所有长度尺度都远小于可见光谱范围内的光波长。


图4: SiCellA材料的光学性质。a,b, 1 mm厚膜的可见光谱依赖于总和漫射透射,如插图所示 (由虚线标记) (a) 和不同厚度的SiCellA膜 (b)。插图在b中显示了透射和雾度与SiCellA膜厚度的关系,实验数据点由带有误差线的符号表示,实线是眼睛的指引。误差线表示八个独立样品的标准偏差。数据表示为均值 ± 标准偏差。c, 5 mm厚的三角形SiCellA棱镜。d, 从吸收测量计算的折射指数的光谱分散。虚线标记了在632 nm处测量的折射指数为1.0025,通过测量激光束的最小偏转角来确定。e, 2 mm厚的SiCellA膜的可见到近红外光谱透射和消光系数,如插图所示。f, 25 mm厚的SiCellA棱镜,532 nm的激光束通过而不偏转,因为它的折射指数接近空气的折射指数。g-j, 四个4 mm厚的SiCellA棱镜,形状为星形 (g)、五边形 (h)、六边形 (i) 和八边形 (j)


SiCellA材料在机械上是坚固的(图6),其性能部分是由硅烷化增强的。压缩和弯曲变形表明,这种材料可以承受在制造和各种窗口产品的服务期间预期的大量机械负载(图6)。压缩的周期性循环显示,随着时间的推移,机械性能没有可检测到的退化(图6c)。毫米到厘米厚的SiCellA薄膜和板块可以弯曲甚至卷曲(图6c-g),同时保持高透明度,不显示裂纹或性能退化。由于机械性能取决于孔隙度,所需的机械行为也可以通过制备具有不同孔隙度和固体含量的样品来调整(图6a,b,f)。考虑到上述所有特性,SiCellA材料具有光学、热和机械性能的独特组合,使其适用于窗口产品中的应用。


a, 一个单窗格窗户,其上覆盖了不同厚度的SiCellA,这些SiCellA都附着在一个100μm厚的支撑基材上,并与玻璃窗格相连(插图示意图);线和符号分别显示计算和测量数据。US和UB分别显示U值,分别以SI和帝国单位表示。误差条表示九个独立样品的标准偏差。数据以均值±标准偏差的形式呈现。

b, 用于固定总厚度为32mm的三层窗格的U值与气凝胶厚度的关系,其中SiCellA替代了中间窗格层和其中一个玻璃窗格上的低发射率涂层。

c, 三层窗格的U值与SiCellA厚度的关系,其中SiCellA膜位于中间,玻璃窗格和SiCellA之间的间隙为12mm。实线和虚线分别计算为0%和16%的平均热范围红外透射。

d, 制造的三层15cm x 15cm窗格,其中3mm厚的SiCellA膜用作中间窗格,玻璃窗格和SiCellA之间的空气间隙固定为12mm。

e, 在d中显示的三层窗格的计算(线)和测量(符号)U值。误差条表示三次独立测量的标准偏差。数据以均值±标准偏差的形式呈现。

f, 三层气凝胶窗格的计算R值,其中3mm厚的SiCellA膜用作中间窗格,两个清晰的玻璃窗格(IGU 1)或一个清晰的玻璃窗格和LoĒ-180(IGU 2)或LoĒ-366(IGU 3)涂层填充有空气、氩和氪。

g, 用作中间窗格的3mm厚SiCellA膜的三层窗格的总和散射透射的光谱依赖性。右侧插图显示相应的窗格的照片。

h, 三层窗格的总可见透射的光谱依赖性,其中3mm厚的SiCellA位于两个3mm厚的清晰玻璃窗格之间,空气间隙为14mm(1),双窗格窗格,其中两个清晰玻璃窗格的厚度为3mm,31mm空气间隙(2),2mm厚的玻璃窗格覆盖有2mm厚的SiCellA(3),2mm厚的自由站立的SiCellA(4)和空气(5)。


为新建筑设计的IGU,其中包含SiCellA,可以采取许多不同的形式,其中可以使用带或不带不同低发射率涂层的玻璃窗格,气凝胶填充物的厚度相对于整体间隙厚度可以变化,以及空气或其他填充气体的厚度。这样的SiCellA IGU的数值建模结果(图8b,c)与我们制造的一组原型的实验测量结果一致,表明通常应用于设计基于玻璃的多窗格IGU的一般原理可以适当地适应使用SiCellA窗格和填充物。


与用于管道绝缘和最近甚至在建筑围护结构的某些部分的非透明气凝胶相似,气凝胶制造过程中的滚动能力可能有助于降低制造成本,从而也降低市场渗透率。SiCellA的部署可能会增加在建筑围护结构中使用的玻璃面积,因为气凝胶增强的窗户可以超过当前和近期的玻璃U值目标。低质量密度是结构兼容性和翻新旧窗户以及非常规多窗格IGU设计的关键。SiCellA在建筑材料尺度上具有非常高的透明度和低热导率的组合是一次突破,为根据气候和季节相关需求控制和利用太阳能提供了独特的机会。SiCellA基IGU的性能提升直接与这些材料用作IGU中间窗格时的低热导率和高可见传输有关。空气-SiCellA界面的反射系数约为玻璃-空气界面的十倍,因此与SiCellA基中间窗格的多窗格组件与其标准对应物相比,由于反射而产生的光损失较小。例如,对于四窗格IGU组件,将两个中间玻璃窗格替换为SiCellA窗格后,光损失可以减少约16%。每个额外的SiCellA窗格使光传输减少不到1%,因此,假设甚至可以有十窗格IGU(玻璃中窗格的玻璃基十窗格IGU由于在20个界面上的反射几乎阻止了所有光线通过)。


在SiCellA基IGU中,窗格可以由厚度在6-16mm之间的间隙分隔,这可以根据气体填充物进行优化。例如,使用约3mm的外玻璃和中层SiCellA窗格,可以制造一个三窗格IGU,其总厚度为标准双窗格IGU的约21mm,以替换一个同时提供更好的绝缘性和相似的光学传输。IGU的设计可以混合自由站立的SiCellA中层和粘附在其内表面上的玻璃窗格。由于热导率低于静止空气的约26 mW K−1 m−1且没有对流传递,SiCellA基IGU可以允许每英寸材料的绝缘性优于带有空气间隙的常规双窗格窗户。低发射率涂层可以应用于玻璃表面,例如外部玻璃窗格的内表面,尽管低发射率涂层为具有固有S> 1.6 m2 K W−1的SiCellA基IGU组件提供了较小的额外绝缘增强。


尽管SiCellA基玻璃制品的初始部署可能会集中在常规窗户上,但SiCellA也可以设计为半透明的,并带有后向散射,用于其他玻璃用途,例如天窗和隐私窗户,在这种情况下,SiCellA可以故意制造得更加朦胧。高R值将吸引SiCellA基IGU与电致变色和其他隐私和太阳增益控制技术的集成,特别是在多窗格IGU设计中,从而可以实现高能效的一体化解决方案。SiCellA启用的玻璃可能允许建筑围护结构更好地利用外部条件,同时提供自然的居住者舒适性,甚至可能从环境中获取能源。


结论:

总之,我们展示了可扩展制造用于玻璃应用的高透明硅烷化纤维素气凝胶,称为SiCellAs。SiCellA薄膜可以用作IGU填充物,并在多窗格IGU设计中替代内部玻璃窗格,并且与现有的热范围发射率和太阳增益控制解决方案完全兼容。SiCellA基产品的市场渗透将取决于以低成本制造它们的能力,这将需要进一步的研究和开发。


可持续性长远战略 — 与客户共同成长
通过持续创新与发展,努力为顾客提供多元化的一站式服务解决方案
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