Высокопрозрачные аэрогели силанизированной целлюлозы для повышения энергоэффективности остекления зданий.

May 26, 2023

Дата: 18 августа 2023 г.

Авторы: Эльдхо Абрахам, Владислав Черпак, Богдан Сенюк, Ян Барт тен Хоув, Тэу Ли, Цинкун Лю и Иван И. Смалюх

Источник:Энергия природы, том 8, страницы 381–396 (2023 г.)

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

Для поддержания комфортных условий в помещениях здания потребляют около 40% энергии, вырабатываемой в мире. С точки зрения пассивной изоляции внутренних помещений здания от холода или жары снаружи, окна и световые люки являются наименее эффективными частями ограждающих конструкций здания, поскольку достижение одновременно высокой прозрачности и теплоизоляции остекления остается сложной задачей. Здесь мы описываем высокопрозрачные аэрогели, изготовленные из целлюлозы, распространенного в природе биополимера, с использованием таких подходов, как коллоидная самосборка и процедур, совместимых с обработкой рулонов. Аэрогели имеют светопропускание в видимом диапазоне 97–99% (лучше, чем стекло), матовость ~1% и теплопроводность ниже, чем у неподвижного воздуха. Эти легкие материалы можно использовать в качестве стекол внутри многокамерных стеклопакетов, а также для модернизации существующих окон. Мы демонстрируем, как аэрогели повышают энергоэффективность и могут обеспечить передовые технические решения для изоляции стеклопакетов, мансардных окон, дневного освещения и фасадного остекления, потенциально увеличивая роль остекления в ограждающих конструкциях зданий.

Чтобы обеспечить желаемые условия внутри помещения независимо от внешней среды при минимальном дополнительном энергоснабжении или вообще без него, ограждающие конструкции зданий должны минимизировать обмен энергией между внутренним и внешним миром посредством теплопроводности, конвекции и выбросов1,2,3,4. Достичь этого с помощью остекления особенно сложно из-за типичных строгих требований к прозрачности и матовости в видимом диапазоне5,6. В то время как современные подходы к решению этой проблемы используют стеклопакеты (IGU) с воздухом или заполняющим газом5,6,7,8, высокие тепловые барьерные характеристики таких стеклопакетов требуют большой толщины зазора между стеклами, что, в свою очередь, ограничивается конвекцией газа. , количество панелей и структурные ограничения. С другой стороны, использование гораздо более тонких стеклопакетов с вакуумной изоляцией ограничено целостностью уплотнения и высокими затратами9,10. Низкоэмиссионное серебро и другие покрытия позволяют ограничить потери энергии из-за электромагнитного излучения, подобного черному телу, исходящего из внутренней части здания при комнатной температуре5,6,7,8,9,10, хотя они могут улавливать лишь часть ускользающей энергии. энергии за счет ухудшения прозрачности видимого диапазона.

Аэрогели, материалы с высокими теплоизоляционными свойствами, используемые в различных областях применения, от изоляции труб до марсохода11,12,13, пользуются большим спросом для применения внутри стеклопакетов в качестве замены твердого материала для газовых наполнителей14,15,16,17,18,19, потому что они выделяются как класс материалов, способных превосходить негазированный воздух и другие газовые наполнители в качестве эффективных тепловых барьеров20,21,22,23,24. Однако аэрогели обычно механически хрупкие и сильно рассеивают свет12,13,25,26,27,28,29. Производство аэрогелей с низкой мутностью, высокой прозрачностью и механической прочностью в масштабах и затратах, необходимых для строительства, также оставалось проблемой30. Разработка прозрачных аэрогелей, в том числе на основе целлюлозы25,28,29,30,31, оставалась ограниченной небольшими масштабами, но при этом имела характеристики матовости и прозрачности, которые все еще недостаточны для использования в большинстве типов остекления. Хотя технологические решения по контролю излучательной способности в тепловом диапазоне весьма адекватны и широко используются5,6,7,8,9, а недавнее появление электрохромных подходов обещает удовлетворить потребности в солнечной энергии и контроле конфиденциальности32,33,34, отсутствие хороших прозрачных тепловых барьеров сильно ограничивает энергоэффективность оконных технологий5,6,7,8,9.

Здесь мы демонстрируем масштабируемое производство высокопрозрачных аэрогелей силанизированной целлюлозы (SiCellAs) с характеристиками материала, подходящими для применения в остеклении. Эти материалы SiCellA с высокой теплоизоляцией, зажатые между стеклянными панелями, могут обеспечить окна с высоким сопротивлением R тепловому потоку, например RB = 5 ч фут2 °F Btu-1 (британские единицы, общие для Северной Америки, где Btu означает британскую единицу измерения). тепловая единица) и RS ≈ 0,9 м2 К Вт-1 (единицы СИ). SiCellA может помочь достичь такой изоляции с высоким R для геометрического форм-фактора обычного двухпанельного стеклопакета и может обеспечить остекление для дневного освещения и мансардных окон, потенциально превосходя текущие стандарты и целевые показатели не только для окон, но даже для стен зданий1,2, 3,4,7. Хотя применение стеклопакетов с воздухом или другими газовыми наполнителями ограничено конвекцией в больших межстекленных промежутках и отражением света от границ раздела стекло-воздух многостекловых стеклопакетов, таких внутренних ограничений не существует для стеклопакетов на основе SiCellA.