Nature Energy丨透明气凝胶提高双层玻璃隔热能力

▲第一作者：Eldho Abraham

通讯作者：Ivan I. Smalyukh

通讯单位： 美国科罗拉多大学

DOI：https://doi.org/10.1038/s41560-023-01226-7

研究背景

为了维持舒适的室内条件，建筑物消耗了全球约40%的能源。就被动地将建筑内部与室外的冷或热隔离而言，窗户和天窗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巨大挑战。

研究问题

本研究描述了用地球上丰富的生物聚合物--纤维素制造的高透明气凝胶，其方法是利用胶体自组装和与卷对卷加工（roll-to-roll processing）兼容的工艺。这种气凝胶的可见光传输率为97-99%（优于玻璃），雾度为1%，热导率低于静止的空气。这些轻质材料可作为多窗格中空玻璃单元内的窗格，并用于改造现有窗户。本研究展示了气凝胶如何提高能源效率，并可能为中空玻璃单元(insulating glass units, IGU)、天窗、日光照明和外墙玻璃提供先进的技术解决方案，有可能提高玻璃在建筑围护结构中的作用。

▲图1|基于SiCellA的窗户改造和IGU

要点：

正如使用基于SiCellA的改造薄膜和中空玻璃的产品所展示的那样（图1c-e），透明、超级隔热的SiCellA材料可用来提高现有窗户的效率，并实现先进的窗户产品的制造（图1a,b）。由于静电充电，SiCellA薄膜很容易粘附在塑料薄膜和玻璃板的表面。SiCellA薄膜（图1c）在用作单层玻璃窗的改造时，可以提高其内表面的隔热性能，这一点在冬季玻璃外表面温度的热成像中得到了生动的体现（图1f）。经测量，改造后的玻璃外表面的温度低于没有改造的类似玻璃，因为安装了SiCellA改造后，能更有效地阻挡通过窗户的热量传递（图1f）。

本研究通过热箱和冷箱分别模拟了夏季和冬季的室内外热交换，证明了SiCellAs在单层玻璃上夹层或插入双层中空玻璃的缝隙中时具有类似的优越的热障性能（图1g,h）。

图2|在窗口尺度上制造超疏水SiCellAs

要点：

本研究通过TEMPO介导的经过氧化处理的纳米纤维制造了SiCellA材料。羧酸盐阴离子的表面电荷阻止了纳米纤维的聚集，并允许在不同的浓度下形成稳定的水性胶体分散体，因此可以将其倒入所需形状和尺寸的模具中。加入酸后，这些纳米纤维通过羧基之间的氢键相互连接，将胶体分散体转变为具有稀疏纳米纤维网络的水凝胶。接下来，本研究通过用异丙醇或乙醇代替水来交换凝胶内的流体介质（图2a，b），然后凝胶被超临界干燥形成气凝胶（图2c）。这些制造程序是高度可扩展的（图2a-c），并与现有的卷对卷加工兼容。

此外，它们可以防止纤维素纳米纤维在凝胶化或干燥过程中的聚集，从而使最初透明的胶体分散体在水凝胶和气凝胶状态下保持透明（图2d,e）。

制造过程的一个重要部分是纤维素表面被硅烷化，这可以在超临界干燥后或在水凝胶阶段干燥前通过气相功能化（图 2f）完成。硅烷化程序使 SiCellAs 具有超疏水性（图 2h 中显示的水滴接触角>150°），这是窗户应用的非常理想的材料特性，通过红外光谱来分析相应吸收线的存在或强度也可证实这一点（图2g）。

图3|所研究的气凝胶的纳米级形貌

要点：

纳米级的表征提供了对SiCellA材料的形成和结构的深入了解（图3）。单根纤维素纳米纤维的宽度为4-6纳米，长度为数百至数千纳米（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级形态的凝胶，其特点是细纤维的网络，纤维间的孔隙通常小于100纳米（图3b-d）。

通过控制纤维素纳米纤维的初始浓度，可以改变SiCellA的孔隙率（图3e），它与材料的质量密度呈线性关系。氮气的吸脱附分析与直接的纳米级成像相一致，可给出关于SiCellA的多孔形态的定量信息（图3f,g），这与相互连接的纳米纤维网络相关（图3h）。

图4| SiCellA材料的光学特性

要点：

本研究还关注了透明性，实验表明独立的SiCellA板具有非常高的可见光范围的透射率，在97-99%之间，远远高于单个透明玻璃的92%（图4a-c）。此外，雾度系数很低，通常在1-3%以内，取决于SiCellA板的厚度（图4a，b）。可以制成高度透明、低散射的不同厚度的板块（图4b）。这种光学透明度源于SiCellA的纳米级结构（图3），其中气凝胶形态的所有长度尺度都比可见光谱范围内的光的波长小很多。

图5| SiCellA的热传输性能

要点：

在对可见光传输影响最小的同时（图4），SiCellA可以作为一个很好的热障（图5），能够提高窗户的热传导阻力R，并降低测量窗户隔热性能的U系数，其中U=1/R。气凝胶的导热性和R取决于孔隙率，并随温度变化（图5a,b）。

对于适当选择的孔隙率，SiCellA的隔热性能优于静止的空气，而且它的性能不会受到空气和其他气体填充物的对流相关问题的影响。将不同厚度和形状的气凝胶板放在热的表面上，可以生动地显示出良好的隔热性能（图5c）。

SiCellA的纳米级形态使空气分子与纤维素网络的碰撞比彼此之间的碰撞更频繁，因此与散装空气相比，气体热传导大大减少，而纤维素网络的纤维之间的热接触很差，使通过固体成分（体积约为1%）的热传导最小化。除了这两个因素和测量到的低热导率外，与空气不同，SiCellAs阻碍了热范围辐射的传输，因此辐射热传递也减少了（图5d,e）。

图6|纤维素基气凝胶的机械性能

要点：

传统气凝胶的机械稳定性差，阻碍了许多技术应用，而SiCellA材料的机械性能很强（图6），硅烷化使其性能部分提高。压缩和弯曲变形实验结果显示，这种材料可以承受各种窗户产品的制造和服务过程中预期的次级机械负荷（图6）。周期性的压缩循环显示出机械性能没有随着时间的推移而下降（图6c）。毫米到厘米厚的SiCellA薄膜和板块可以弯曲，甚至可以卷起来（图6c-g），同时保持高透明度，没有表现出裂缝或性能的退化。由于机械性能与孔隙率有关，通过制备不同孔隙率和固体含量的样品，也可以调整所需的机械行为（图6a,b,f）。

图7| SiCellA和窗户产品的耐用性、稳定性和抗凝结性

要点：

窗户应用还有许多严格的要求，远远超出了上述光学、热学和机械特性。其中一些与材料本身的耐久性以及使用这些材料的整体玻璃制品有关。硅烷化和未改性纤维素气凝胶的热重分析 (TGA)、导数热重分析 (DTG) 和差示扫描量热法 (DSC) 表征表明它们在环境温度和高温下具有热稳定性（图 7a、b）。尽管将此类材料加热到远高于 200°C 会导致降解，但如此高的温度与窗户和天窗的实际应用无关。

SiCellA 气凝胶在用作改造和 IGU 时提高了窗户的抗凝结性（图 7c），SiCellA 改造的单窗格玻璃显示出凝结阻力系数（CRF），与商业双窗格 IGUs相当。用 SiCellA 代替空气填充物的薄双窗格 IGU 的 CFR 为 82，比商业双窗格 IGU 已知的 35-50 好得多。

图8|包含SiCellA的窗户产品

结语

总之，本研究展示了用于玻璃应用的高度透明的硅烷化纤维素气凝胶（称为 SiCellAs）的可扩展制造。SiCellA 薄膜可用作 IGU 填料和多面板 IGU 设计，以取代内部玻璃面板，并与现有的热范围发射率和太阳能增益控制解决方案完全兼容。基于 SiCellA 的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。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41560-023-01226-7