为了提供理想的室内条件，在很少或没有额外能量供应的情况下，建筑围护结构需要热传导、对流和发射来最大限度地减少内外能量交换。通过玻璃实现这一点会对可见范围透明度和雾霾有严格的要求。虽然目前解决这一难题的方法是利用带有空气或填充气体的中空玻璃单元(IGUs)，但这种IGUs的高热障性能需要玻璃窗格之间的大间隙厚度，这反过来又受到气体对流、窗格数量和结构约束的限制。气凝胶是一种高度隔热的材料，在IGUs的应用一直广受关注。制造低雾度、高透明度和机械坚固性的气凝胶在建筑相关的规模和成本上仍然是一个挑战。
基于此，来自科罗拉多大学的Ivan I. Smalyukh团队利用胶体自组装与卷对卷工艺制备了高透明的硅烷化纤维素气凝胶(SiCellAs)，其材料特性适合于玻璃应用。气凝胶的可见光透射率为97-99%(优于玻璃)，雾度约为1%，热导率低于静止空气。高度隔热的SiCellA材料，夹在玻璃窗格之间，可以使窗户具有高的热流阻力R。这种玻璃使建筑围护结构的设计更好地利用外部条件，为居住者提供自然的舒适。该气凝胶策略提高了能源效率，并为中空玻璃单元、天窗、采光和立面玻璃提供先进的技术解决方案。
01
图文解读
如图1a, b所示，制备的透明、超隔热SiCellA材料被认为可以提高现有窗户的效率，并实现先进的窗户产品，正如在窗户相关尺度上使用基于SiCellA的改造薄膜和IGUs的原型所演示的那样(图1c-e)。由于静电电荷，SiCellA薄膜很容易粘附在塑料薄膜和玻璃窗格的表面。SiCellA薄膜(图1c)可以提高单窗格窗户的隔热性能，当它被用作内表面的夹层改造时，冬季外部玻璃表面温度的热成像生动地揭示了这一点(图1f)。经测量，经过改造的玻璃外表面的温度比没有经过改造的类似玻璃要低，这是因为安装了SiCellA改造后，通过窗户的传热得到了更有效的阻断(图1f)。热箱和冷箱(方法)分别模拟了夏季和冬季的内外热交换，表明SiCellAs在单层玻璃顶部或插入双层玻璃IGU间隙时具有类似的优异隔热性能(图1g, h)。
Fig. 1 SiCellA-based window retrofits and IGUs. a, b, Schematic drawings of a window retrofitted with a SiCellA film (a) and an IGU with a SiCellA film inserted between glass panes (b). c, Square-metre, 1.5 mm-thick SiCellA with 99.2% porosity adhered to an optically clear plastic film. d, e, Photos of 36 cm × 51 cm (d) and square-metre (e) double-pane IGUs with LoĒ-366 coatings on one glass pane and 3 mm-thick SiCellA films attached to a surface of the other glass panes. f, Single-pane window retrofitted with a 72.1 cm × 71.4 cm SiCellA 1.5 mm-thick film. g, h, Infrared thermal imaging photos of different types of fenestration mounted in the openings of 0.78 m × 0.68 m × 0.43 m hot (g) or cold (h) boxes with the inside temperature set at 40 °C (g) and −20 °C (h).
纳米级表征提供了对SiCellA材料的形成和结构的深入了解(图3)。从图3a中可以观察到，个性化的纤维素纳米纤维是明显的棒状颗粒，宽度为4-6纳米，长度为数百至数千纳米。凝胶化、表面改性、溶剂交换和干燥的制备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貌的凝胶，其特征是细纤维网络，纤维间孔隙通常小于100 nm(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)，这与材料的质量密度呈线性相关。氮气吸附-解吸分析与直接纳米级成像一致，获得了有关SiCellA多孔形态(图3f, g)与相互连接的纳米纤维网络(图3h)相关的定量信息。
Fig. 3 Nanoscale morphology of studied aerogels. a, b, TEM images of ultrasonicated TEMPO-oxidized individual cellulose nanofibres in aqueous dispersions negatively stained with 1% phosphotungstic acid (a) and an unmodified nanocellulose aerogel (b). c, d, TEM image of a silanized aerogel (c) and corresponding tomographic TEM visualization of a SiCellA (d). e, Density of modified and unmodified aerogels depending on porosity. f, N2 adsorption and desorption isotherms for modified and unmodified aerogels at 77 K. g, Distribution of a differential pore surface area depending on a pore width for SiCellA. h, Schematic diagram of a SiCellA formed by a network of thin cellulose nanofibres (dark blue lines) with silanized surfaces.
SiCellA在对可见光透射率影响最小的情况下，可以作为一种优良的隔热材料(图5)。由图5a, b可知，气凝胶的导热系数和R取决于孔隙率，并随温度变化。对于适当选择的孔隙率，SiCellA优于静止空气的隔热性能，并且其性能不受空气和其他气体填料的对流相关问题的影响。通过将不同厚度和形状的气凝胶板放置在热表面上(图5c)，可以生动地演示优异的隔热性能。SiCellA的纳米级形态是这样的:空气分子与纤维素网络的碰撞比相互碰撞更频繁，因此与大块空气相比，气体热传导大大降低，而纤维素网络纤维之间较差的热接触使通过固体成分(体积约1%)的热传导最小化。除了这两个因素和测得的低热导率外，与空气不同，SiCellAs阻碍了热范围辐射的传输，从而降低了辐射换热(图5d, e)。基于原始纤维素的气凝胶在部分热范围内具有一定的透明度，但其表面硅烷化大大降低了这种透明度(图5d)，因此与未硅烷化的纤维素气凝胶相比，SiCellA的隔热性能进一步增强，可以通过在室温下的热黑体辐射光谱上加权的透射发射度进行量化(图5e)。
Fig. 5 Thermal properties of SiCellA. a, Temperature dependence of thermal conductivity of SiCellA at different porosities. Solid lines are guides to the eye. b, Thermal conductivity dependence on SiCellA porosity at 5 °C and 25 °C. c, Infrared thermal images of SiCellA films of different shapes placed on a hot plate. d, e, Raw infrared transmittance (d) and averaged infrared transmissive emittance weighted by 300 K black-body radiation (e) of unmodified cellulose based aerogels at various thicknesses (solid lines).
热阻R值与绝缘材料的厚度成正比。因此，改造后的单窗格窗的R值取决于SiCellA厚度，正如数值模拟和实验测量所揭示的那样，这些测量包括真实的窗户和热/冷箱原型，而提高效率的单窗格窗户现在可以与双窗格窗户的性能相当(图8a)。对于新的结构，含有SiCellA的IGUs可以采用许多不同的实施方案，其中可以使用具有或不具有不同低发射率涂层的玻璃板，并且气凝胶填料相对于总间隙厚度的厚度可以随着空气或其他填充气体的厚度而变化。这种SiCellA IGUs的数值建模结果(图8b, c)与制造的一组原型的实验测量结果一致(图8d, e)，表明通常用于设计基于玻璃的多窗格IGUs的一般原则可以充分适用于使用SiCellA窗格和填料。通过使用氪或氩气填充含SiCellA IGUs的部分间隙，当气凝胶仅填充部分间隙时，可以进一步提高R值(图8f)。在玻璃产品中添加SiCellA并不会降低整体IGUs的光学性能(图8g, h)，因为SiCellA的透射率非常高，因此透射光损失主要来自玻璃及其上的不同涂层。在这方面，SiCellA是IGUs中间窗格的绝佳候选者，因为它们允许比玻璃更高的透射，因此可以开发具有大量中间窗格的IGUs，同时保持高的整体透射(图8g, h)。
Fig. 8 Windows products containing SiCellA. a, U and R values for a single-pane window retrofitted with SiCellA. b, U and R values versus aerogel thickness calculated for a triple-pane IGU. c, U and R values versus SiCellA thickness calculated for a triple-pane IGU with a SiCellA film. d, A photograph of fabricated triple-pane 15 cm × 15 cm IGU with 3 mm-thick SiCellA film. e, Calculated (lines) and measured (symbols) U and R for a triple-pane IGU shown in d. f, Calculated R values for triple-pane aerogel IGUs. g, Spectral dependence of total and diffuse transmittance of triple-pane IGUs. h, Spectral dependence of total visible transmittance of a triple-pane IGU.
02
总结
总之，本研究演示了用于玻璃应用的高透明硅烷化纤维素气凝胶(称为SiCellAs)的可伸缩制造。SiCellA薄膜可作为IGU填料，并可用于多窗格IGU设计，以取代内部玻璃板，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SiCellAs的产品的市场渗透将取决于低成本制造它们的能力，这将需要进一步的研究和开发。
