copy_文章_高透明度硅烷化纖維素氣凝膠：提高建筑玻璃的能源效率

為了維持舒適的室內(nèi)環(huán)境，建筑物消耗了全球約40%的能源。窗戶和天窗在被動(dòng)地隔離建筑物內(nèi)部與冷或熱的室外環(huán)境時(shí)是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中效率最低的部分。這是因?yàn)橥瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)玻璃的高透明度和熱絕緣仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。本文描述了一種由纖維素制成的高透明氣凝膠，這是一種地球上豐富的生物聚合物。這些氣凝膠是通過(guò)使用諸如膠體自組裝之類(lèi)的方法以及與卷對(duì)卷加工兼容的程序來(lái)制造的。這些氣凝膠的可見(jiàn)光透射率為97-99%（比玻璃好），霧度約為1%，熱導(dǎo)率低于靜止空氣。這些輕質(zhì)材料可以用作多層絕緣玻璃單元內(nèi)的窗格，并且可以用于翻新現(xiàn)有的窗戶。我們展示了如何提高氣凝膠的能源效率，并可能為絕緣玻璃單元、天窗、采光和外墻玻璃提供先進(jìn)的技術(shù)解決方案，從而增加了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中玻璃的作用。

納米尺度的表征為我們提供了關(guān)于SiCellA材料的形成和結(jié)構(gòu)的見(jiàn)解 (圖3)。單獨(dú)的纖維素納米纖維是明確定義的類(lèi)似棒狀的顆粒，寬度為4-6 nm，長(zhǎng)度為數(shù)百到數(shù)千納米 (圖3a)。凝膠化、表面改性、溶劑交換和干燥的制造過(guò)程將這種納米棒的初始膠體分散體轉(zhuǎn)化為具有納米尺度形態(tài)的凝膠，其間的纖維孔徑通常小于100 nm (圖3b-d 和補(bǔ)充視頻)。通過(guò)控制纖維素納米纖維的初始濃度，我們可以改變SiCellA的孔隙度 (圖3e)，它與材料的質(zhì)量密度線性相關(guān)。氮吸附-解吸分析與直接的納米尺度成像一致，為SiCellA的多孔形態(tài)提供了定量信息 (圖3f,g, 補(bǔ)充圖) 與相互連接的納米纖維網(wǎng)絡(luò)相關(guān) (圖3h)。

圖3: 研究的氣凝膠的納米尺度形態(tài)。a,b, 超聲波處理的TEMPO氧化的單個(gè)纖維素納米纖維在水分散體中的TEM圖像，用1%的磷鎢酸負(fù)染色 (a) 和一個(gè)未經(jīng)改性的納米纖維素氣凝膠 (b)。c,d, 硅烷化氣凝膠的TEM圖像 (c) 和相應(yīng)的SiCellA的斷層成像TEM可視化 (d)。e, 根據(jù)孔隙度改變的改性和未改性氣凝膠的密度。紅線是眼睛的指引。f, 在77 K下改性和未改性氣凝膠的N2吸附和解吸等溫線。實(shí)線連接由符號(hào)表示的測(cè)量數(shù)據(jù)。插圖顯示了改性氣凝膠的孔隙體積分布與孔隙寬度的關(guān)系。g, SiCellA的孔隙表面積分布與孔隙寬度的關(guān)系。插圖顯示了根據(jù)孔隙寬度的累積表面積。h, 由薄纖維素納米纖維網(wǎng)絡(luò) (深藍(lán)線) 與硅烷化表面形成的SiCellA的示意圖。

現(xiàn)代的窗戶和天窗應(yīng)該能夠有效地將受控的室內(nèi)環(huán)境與建筑物的外部隔離開(kāi)來(lái)，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)其由透明性使能的主要功能，這為相應(yīng)的材料性能提出了要求。為了探測(cè)這些性質(zhì)，我們展示了一個(gè)自由立體的SiCellA板塊具有非常高的可見(jiàn)光透射率，達(dá)到97-99%，遠(yuǎn)高于單片清晰玻璃的~92% (圖4a-c 和補(bǔ)充表)。此外，霧度系數(shù)很低，通常在1-3%之間，取決于SiCellA板塊的厚度 (圖4a,b)?？梢灾圃斐龈叨韧该?、低散射的不同厚度的板塊 (圖4和補(bǔ)充視頻)。這種光學(xué)透明性來(lái)源于SiCellA的納米尺度結(jié)構(gòu) (圖4)，其中氣凝膠形態(tài)的所有長(zhǎng)度尺度都遠(yuǎn)小于可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)的光波長(zhǎng)。

圖4: SiCellA材料的光學(xué)性質(zhì)。a,b, 1 mm厚膜的可見(jiàn)光譜依賴于總和漫射透射，如插圖所示 (由虛線標(biāo)記) (a) 和不同厚度的SiCellA膜 (b)。插圖在b中顯示了透射和霧度與SiCellA膜厚度的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)由帶有誤差線的符號(hào)表示，實(shí)線是眼睛的指引。誤差線表示八個(gè)獨(dú)立樣品的標(biāo)準(zhǔn)偏差。數(shù)據(jù)表示為均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)偏差。c, 5 mm厚的三角形SiCellA棱鏡。d, 從吸收測(cè)量計(jì)算的折射指數(shù)的光譜分散。虛線標(biāo)記了在632 nm處測(cè)量的折射指數(shù)為1.0025，通過(guò)測(cè)量激光束的最小偏轉(zhuǎn)角來(lái)確定。e, 2 mm厚的SiCellA膜的可見(jiàn)到近紅外光譜透射和消光系數(shù)，如插圖所示。f, 25 mm厚的SiCellA棱鏡，532 nm的激光束通過(guò)而不偏轉(zhuǎn)，因?yàn)樗恼凵渲笖?shù)接近空氣的折射指數(shù)。g-j, 四個(gè)4 mm厚的SiCellA棱鏡，形狀為星形 (g)、五邊形 (h)、六邊形 (i) 和八邊形 (j)

納米尺度的表征為我們提供了關(guān)于SiCellA材料的形成和結(jié)構(gòu)的見(jiàn)解 (圖3)。單獨(dú)的纖維素納米纖維是明確定義的類(lèi)似棒狀的顆粒，寬度為4-6 nm，長(zhǎng)度為數(shù)百到數(shù)千納米 (圖3a)。凝膠化、表面改性、溶劑交換和干燥的制造過(guò)程將這種納米棒的初始膠體分散體轉(zhuǎn)化為具有納米尺度形態(tài)的凝膠，其間的纖維孔徑通常小于100 nm (圖3b-d 和補(bǔ)充視頻)。通過(guò)控制纖維素納米纖維的初始濃度，我們可以改變SiCellA的孔隙度 (圖3e)，它與材料的質(zhì)量密度線性相關(guān)。氮吸附-解吸分析與直接的納米尺度成像一致，為SiCellA的多孔形態(tài)提供了定量信息 (圖3f,g, 補(bǔ)充圖) 與相互連接的納米纖維網(wǎng)絡(luò)相關(guān) (圖3h)。

圖3: 研究的氣凝膠的納米尺度形態(tài)。a,b, 超聲波處理的TEMPO氧化的單個(gè)纖維素納米纖維在水分散體中的TEM圖像，用1%的磷鎢酸負(fù)染色 (a) 和一個(gè)未經(jīng)改性的納米纖維素氣凝膠 (b)。c,d, 硅烷化氣凝膠的TEM圖像 (c) 和相應(yīng)的SiCellA的斷層成像TEM可視化 (d)。e, 根據(jù)孔隙度改變的改性和未改性氣凝膠的密度。紅線是眼睛的指引。f, 在77 K下改性和未改性氣凝膠的N2吸附和解吸等溫線。實(shí)線連接由符號(hào)表示的測(cè)量數(shù)據(jù)。插圖顯示了改性氣凝膠的孔隙體積分布與孔隙寬度的關(guān)系。g, SiCellA的孔隙表面積分布與孔隙寬度的關(guān)系。插圖顯示了根據(jù)孔隙寬度的累積表面積。h, 由薄纖維素納米纖維網(wǎng)絡(luò) (深藍(lán)線) 與硅烷化表面形成的SiCellA的示意圖。

現(xiàn)代的窗戶和天窗應(yīng)該能夠有效地將受控的室內(nèi)環(huán)境與建筑物的外部隔離開(kāi)來(lái)，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)其由透明性使能的主要功能，這為相應(yīng)的材料性能提出了要求。為了探測(cè)這些性質(zhì)，我們展示了一個(gè)自由立體的SiCellA板塊具有非常高的可見(jiàn)光透射率，達(dá)到97-99%，遠(yuǎn)高于單片清晰玻璃的~92% (圖4a-c 和補(bǔ)充表)。此外，霧度系數(shù)很低，通常在1-3%之間，取決于SiCellA板塊的厚度 (圖4a,b)?？梢灾圃斐龈叨韧该?、低散射的不同厚度的板塊 (圖4和補(bǔ)充視頻)。這種光學(xué)透明性來(lái)源于SiCellA的納米尺度結(jié)構(gòu) (圖4)，其中氣凝膠形態(tài)的所有長(zhǎng)度尺度都遠(yuǎn)小于可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)的光波長(zhǎng)。

圖4: SiCellA材料的光學(xué)性質(zhì)。a,b, 1 mm厚膜的可見(jiàn)光譜依賴于總和漫射透射，如插圖所示 (由虛線標(biāo)記) (a) 和不同厚度的SiCellA膜 (b)。插圖在b中顯示了透射和霧度與SiCellA膜厚度的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)由帶有誤差線的符號(hào)表示，實(shí)線是眼睛的指引。誤差線表示八個(gè)獨(dú)立樣品的標(biāo)準(zhǔn)偏差。數(shù)據(jù)表示為均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)偏差。c, 5 mm厚的三角形SiCellA棱鏡。d, 從吸收測(cè)量計(jì)算的折射指數(shù)的光譜分散。虛線標(biāo)記了在632 nm處測(cè)量的折射指數(shù)為1.0025，通過(guò)測(cè)量激光束的最小偏轉(zhuǎn)角來(lái)確定。e, 2 mm厚的SiCellA膜的可見(jiàn)到近紅外光譜透射和消光系數(shù)，如插圖所示。f, 25 mm厚的SiCellA棱鏡，532 nm的激光束通過(guò)而不偏轉(zhuǎn)，因?yàn)樗恼凵渲笖?shù)接近空氣的折射指數(shù)。g-j, 四個(gè)4 mm厚的SiCellA棱鏡，形狀為星形 (g)、五邊形 (h)、六邊形 (i) 和八邊形 (j)

SiCellA材料在機(jī)械上是堅(jiān)固的（圖6），其性能部分是由硅烷化增強(qiáng)的。壓縮和彎曲變形表明，這種材料可以承受在制造和各種窗口產(chǎn)品的服務(wù)期間預(yù)期的大量機(jī)械負(fù)載（圖6）。壓縮的周期性循環(huán)顯示，隨著時(shí)間的推移，機(jī)械性能沒(méi)有可檢測(cè)到的退化（圖6c）。毫米到厘米厚的SiCellA薄膜和板塊可以彎曲甚至卷曲（圖6c-g），同時(shí)保持高透明度，不顯示裂紋或性能退化。由于機(jī)械性能取決于孔隙度，所需的機(jī)械行為也可以通過(guò)制備具有不同孔隙度和固體含量的樣品來(lái)調(diào)整（圖6a,b,f）。考慮到上述所有特性，SiCellA材料具有光學(xué)、熱和機(jī)械性能的獨(dú)特組合，使其適用于窗口產(chǎn)品中的應(yīng)用。

a, 一個(gè)單窗格窗戶，其上覆蓋了不同厚度的SiCellA，這些SiCellA都附著在一個(gè)100μm厚的支撐基材上，并與玻璃窗格相連（插圖示意圖）；線和符號(hào)分別顯示計(jì)算和測(cè)量數(shù)據(jù)。US和UB分別顯示U值，分別以SI和帝國(guó)單位表示。誤差條表示九個(gè)獨(dú)立樣品的標(biāo)準(zhǔn)偏差。數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差的形式呈現(xiàn)。

b, 用于固定總厚度為32mm的三層窗格的U值與氣凝膠厚度的關(guān)系，其中SiCellA替代了中間窗格層和其中一個(gè)玻璃窗格上的低發(fā)射率涂層。

c, 三層窗格的U值與SiCellA厚度的關(guān)系，其中SiCellA膜位于中間，玻璃窗格和SiCellA之間的間隙為12mm。實(shí)線和虛線分別計(jì)算為0%和16%的平均熱范圍紅外透射。

d, 制造的三層15cm x 15cm窗格，其中3mm厚的SiCellA膜用作中間窗格，玻璃窗格和SiCellA之間的空氣間隙固定為12mm。

e, 在d中顯示的三層窗格的計(jì)算（線）和測(cè)量（符號(hào)）U值。誤差條表示三次獨(dú)立測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差的形式呈現(xiàn)。

f, 三層氣凝膠窗格的計(jì)算R值，其中3mm厚的SiCellA膜用作中間窗格，兩個(gè)清晰的玻璃窗格（IGU 1）或一個(gè)清晰的玻璃窗格和Loē-180（IGU 2）或Loē-366（IGU 3）涂層填充有空氣、氬和氪。

g, 用作中間窗格的3mm厚SiCellA膜的三層窗格的總和散射透射的光譜依賴性。右側(cè)插圖顯示相應(yīng)的窗格的照片。

h, 三層窗格的總可見(jiàn)透射的光譜依賴性，其中3mm厚的SiCellA位于兩個(gè)3mm厚的清晰玻璃窗格之間，空氣間隙為14mm（1），雙窗格窗格，其中兩個(gè)清晰玻璃窗格的厚度為3mm，31mm空氣間隙（2），2mm厚的玻璃窗格覆蓋有2mm厚的SiCellA（3），2mm厚的自由站立的SiCellA（4）和空氣（5）。

為新建筑設(shè)計(jì)的IGU，其中包含SiCellA，可以采取許多不同的形式，其中可以使用帶或不帶不同低發(fā)射率涂層的玻璃窗格，氣凝膠填充物的厚度相對(duì)于整體間隙厚度可以變化，以及空氣或其他填充氣體的厚度。這樣的SiCellA IGU的數(shù)值建模結(jié)果（圖8b,c）與我們制造的一組原型的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果一致，表明通常應(yīng)用于設(shè)計(jì)基于玻璃的多窗格IGU的一般原理可以適當(dāng)?shù)剡m應(yīng)使用SiCellA窗格和填充物。

與用于管道絕緣和最近甚至在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的某些部分的非透明氣凝膠相似，氣凝膠制造過(guò)程中的滾動(dòng)能力可能有助于降低制造成本，從而也降低市場(chǎng)滲透率。SiCellA的部署可能會(huì)增加在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中使用的玻璃面積，因?yàn)闅饽z增強(qiáng)的窗戶可以超過(guò)當(dāng)前和近期的玻璃U值目標(biāo)。低質(zhì)量密度是結(jié)構(gòu)兼容性和翻新舊窗戶以及非常規(guī)多窗格IGU設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。SiCellA在建筑材料尺度上具有非常高的透明度和低熱導(dǎo)率的組合是一次突破，為根據(jù)氣候和季節(jié)相關(guān)需求控制和利用太陽(yáng)能提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)。SiCellA基IGU的性能提升直接與這些材料用作IGU中間窗格時(shí)的低熱導(dǎo)率和高可見(jiàn)傳輸有關(guān)?？諝?SiCellA界面的反射系數(shù)約為玻璃-空氣界面的十倍，因此與SiCellA基中間窗格的多窗格組件與其標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)物相比，由于反射而產(chǎn)生的光損失較小。例如，對(duì)于四窗格IGU組件，將兩個(gè)中間玻璃窗格替換為SiCellA窗格后，光損失可以減少約16%。每個(gè)額外的SiCellA窗格使光傳輸減少不到1%，因此，假設(shè)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個(gè)界面上的反射幾乎阻止了所有光線通過(guò)）。

在SiCellA基IGU中，窗格可以由厚度在6-16mm之間的間隙分隔，這可以根據(jù)氣體填充物進(jìn)行優(yōu)化。例如，使用約3mm的外玻璃和中層SiCellA窗格，可以制造一個(gè)三窗格IGU，其總厚度為標(biāo)準(zhǔn)雙窗格IGU的約21mm，以替換一個(gè)同時(shí)提供更好的絕緣性和相似的光學(xué)傳輸。IGU的設(shè)計(jì)可以混合自由站立的SiCellA中層和粘附在其內(nèi)表面上的玻璃窗格。由于熱導(dǎo)率低于靜止空氣的約26 mW K?1 m?1且沒(méi)有對(duì)流傳遞，SiCellA基IGU可以允許每英寸材料的絕緣性優(yōu)于帶有空氣間隙的常規(guī)雙窗格窗戶。低發(fā)射率涂層可以應(yīng)用于玻璃表面，例如外部玻璃窗格的內(nèi)表面，盡管低發(fā)射率涂層為具有固有S> 1.6 m2 K W?1的SiCellA基IGU組件提供了較小的額外絕緣增強(qiáng)。

盡管SiCellA基玻璃制品的初始部署可能會(huì)集中在常規(guī)窗戶上，但SiCellA也可以設(shè)計(jì)為半透明的，并帶有后向散射，用于其他玻璃用途，例如天窗和隱私窗戶，在這種情況下，SiCellA可以故意制造得更加朦朧。高R值將吸引SiCellA基IGU與電致變色和其他隱私和太陽(yáng)增益控制技術(shù)的集成，特別是在多窗格IGU設(shè)計(jì)中，從而可以實(shí)現(xiàn)高能效的一體化解決方案。SiCellA啟用的玻璃可能允許建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)更好地利用外部條件，同時(shí)提供自然的居住者舒適性，甚至可能從環(huán)境中獲取能源。

結(jié)論：

總之，我們展示了可擴(kuò)展制造用于玻璃應(yīng)用的高透明硅烷化纖維素氣凝膠，稱為SiCellAs。SiCellA薄膜可以用作IGU填充物，并在多窗格IGU設(shè)計(jì)中替代內(nèi)部玻璃窗格，并且與現(xiàn)有的熱范圍發(fā)射率和太陽(yáng)增益控制解決方案完全兼容。SiCellA基產(chǎn)品的市場(chǎng)滲透將取決于以低成本制造它們的能力，這將需要進(jìn)一步的研究和開(kāi)發(fā)。