Aerogeles de celulosa silanizada altamente transparentes para aumentar la eficiencia energética del acristalamiento de los edificios

May 26, 2023

Fecha: 18 de agosto de 2023

Autores: Eldho Abraham, Vladyslav Cherpak, Bohdan Senyuk, Jan Bart ten Hove, Taewoo Lee, Qingkun Liu & Ivan I. Smalyukh

Fuente:Nature Energy, volumen 8, páginas 381–396 (2023)

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

Para mantener condiciones interiores confortables, los edificios consumen ~40% de la energía generada a nivel mundial. En términos de aislar pasivamente los interiores de los edificios del exterior frío o caliente, las ventanas y los tragaluces son las partes menos eficientes de la envolvente del edificio porque lograr simultáneamente una alta transparencia y aislamiento térmico del acristalamiento sigue siendo un desafío. Aquí describimos aerogeles altamente transparentes fabricados a partir de celulosa, un biopolímero abundante en la Tierra, mediante la utilización de enfoques como el autoensamblaje coloidal y procedimientos compatibles con el procesamiento rollo a rollo. Los aerogeles tienen una transmisión de luz en el rango visible del 97% al 99% (mejor que el vidrio), una turbidez de ~1% y una conductividad térmica menor que la del aire en calma. Estos materiales livianos se pueden usar como paneles dentro de unidades de vidrio aislante de paneles múltiples y para modernizar ventanas existentes. Demostramos cómo los aerogeles aumentan la eficiencia energética y pueden permitir soluciones técnicas avanzadas para unidades de vidrio aislante, claraboyas, iluminación natural y acristalamiento de fachadas, aumentando potencialmente el papel del acristalamiento en las envolventes de los edificios.

Para proporcionar las condiciones interiores deseadas, independientemente del entorno exterior, con poco o ningún suministro de energía adicional, las envolventes de los edificios deben minimizar el intercambio de energía interior-exterior a través de la conducción, convección y emisión térmica1,2,3,4. Lograr esto con acristalamiento es especialmente desafiante debido a los estrictos requisitos típicos sobre transparencia y turbidez en el rango visible5,6. Si bien los enfoques actuales para este desafío utilizan unidades de vidrio aislante (IGU) con aire o gas de relleno5,6,7,8, el alto rendimiento de la barrera térmica de dichas IGU requiere un gran espesor de espacio entre los paneles de vidrio, que a su vez está limitado por la convección del gas. , número de paneles y restricciones estructurales. Por otro lado, el uso de unidades de vidrio con aislamiento al vacío mucho más delgadas está limitado por la integridad del sello y los altos costos9,10. La plata de baja emisividad y otros recubrimientos permiten limitar la pérdida de energía debido a la emisividad electromagnética similar a la de un cuerpo negro que se origina en el interior del edificio a temperatura ambiente5,6,7,8,9,10, aunque solo pueden capturar una fracción del escape. energía a costa de deteriorar la transparencia del rango visible.

Los aerogeles, materiales altamente aislantes térmicamente utilizados en aplicaciones que van desde el aislamiento de tuberías hasta un vehículo explorador en Marte11,12,13, han sido muy buscados para aplicaciones dentro de IGU como material sólido que reemplaza los rellenos de gas14,15,16,17,18,19 porque se destacan como una clase de materiales capaces de superar a los rellenos de aire y otros gases como barreras térmicas eficientes20,21,22,23,24. Sin embargo, los aerogeles suelen ser mecánicamente frágiles y dispersan fuertemente la luz12,13,25,26,27,28,29. La fabricación de aerogeles con baja opacidad, alta transparencia y robustez mecánica a escalas y costos relevantes para la construcción también siguió siendo un desafío30. El desarrollo de aerogeles transparentes, incluidos los a base de celulosa25,28,29,30,31, permaneció limitado a pequeñas escalas y presentaba características de turbidez y transparencia aún inadecuadas para usos en la mayoría de los tipos de acristalamiento. Si bien las soluciones tecnológicas para controlar la emisividad en el rango térmico son muy adecuadas y ampliamente utilizadas5,6,7,8,9, y la reciente llegada de los enfoques electrocrómicos promete abordar las necesidades de ganancia solar y control de la privacidad32,33,34, la La falta de buenas barreras térmicas transparentes limita fuertemente la eficiencia energética de las tecnologías de ventanas5,6,7,8,9.

Aquí demostramos la fabricación escalable de aerogeles de celulosa silanizada altamente transparentes (SiCellAs) con características de material adecuadas para aplicaciones de acristalamiento. Estos materiales SiCellA altamente aislantes térmicamente, intercalados entre paneles de vidrio, pueden permitir ventanas con alta resistencia R al flujo de calor, como RB = 5 h ft2 °F Btu−1 (unidades imperiales comunes en América del Norte, donde Btu representa la palabra inglesa). unidad térmica) y RS ≈ 0,9 m2 K W−1 (unidades SI). SiCellA puede ayudar a lograr un aislamiento de alta R para un factor de forma geométrica de una IGU convencional de doble panel y puede permitir el acristalamiento para iluminación natural y tragaluces, superando potencialmente los estándares y objetivos actuales no solo para ventanas sino incluso para paredes de edificios1,2. 3,4,7. Si bien el despliegue de IGU con relleno de aire u otros gases está limitado por la convección en grandes espacios entre paneles y por los reflejos de la luz de las interfaces vidrio-aire de IGU de paneles múltiples, no existen tales limitaciones intrínsecas para las IGU basadas en SiCellA.

Este acristalamiento puede permitir que las envolventes del edificio se diseñen para aprovechar mejor las condiciones externas para brindar comodidad natural a los ocupantes. Mostramos cómo las películas SiCellA se pueden utilizar como rellenos de IGU y en diseños de IGU de paneles múltiples para reemplazar los paneles de vidrio internos y son totalmente compatibles con las soluciones existentes para la emisividad del rango térmico y el control de ganancia solar. Prevemos que SiCellAs proporcionará una solución holística a los desafíos de gestión de energía que enfrentan las tecnologías de construcción, potencialmente incluso ayudando a la próxima generación de edificios a aprovechar la energía del medio ambiente al permitir un mejor aprovechamiento de la calefacción solar y la iluminación natural mediante el mayor uso de acristalamiento30, siempre que se pueda lograr una fabricación económicamente viable de SiCellA.

Se prevé que nuestros materiales SiCellA transparentes y térmicamente súper aislantes aumenten la eficiencia de las ventanas preexistentes y permitan productos de ventanas avanzados (Fig. 1a, b), como lo demostramos utilizando prototipos de películas de modernización basadas en SiCellA y IGU en áreas relevantes para ventanas. escalas (Fig. 1c – e y Figs. Suplementarias 1 y 2). Las películas de SiCellA se adhieren fácilmente a las superficies de películas de plástico y paneles de vidrio debido a la carga electrostática. Una película delgada de SiCellA (Fig. 1c) permite aumentar el rendimiento de la barrera térmica de una ventana de un solo panel cuando se usa como modernización laminada en su superficie interior, como lo revelan vívidamente las imágenes térmicas de la temperatura de la superficie exterior del vidrio durante el invierno (Fig. 1c). 1f). Se mide que la temperatura de la superficie exterior de los paneles modernizados es más baja que la de paneles similares sin modernizaciones debido al bloqueo más efectivo de la transferencia de calor a través de la ventana permitido por la instalación de una modernización de SiCellA (Fig. 1f). Las cajas frías y calientes (Métodos), que imitan el intercambio de calor interior-exterior durante los veranos y los inviernos, respectivamente, ilustran un rendimiento de barrera térmica superior similar permitido por SiCellAs cuando se laminan sobre un vidrio de un solo panel o se insertan en el espacio de un panel doble. UGI (Fig. 1g, h).

Para fabricar materiales SiCellA, se procesan nanofibras de celulosa derivadas de pulpa de madera mediante oxidación de celulosa nativa mediada por radical 2,2,6,6-tetrametilpiperidina-1-oxilo (TEMPO)25,35,36,37 (Métodos y figura complementaria. 3). En consecuencia, las cargas superficiales asociadas con el anión carboxilato impiden la agregación de las nanofibras y permiten la formación de dispersiones coloidales acuosas estables en concentraciones variables, que se pueden verter en moldes de las formas y tamaños deseados (Métodos y figuras complementarias 3 y 4). . La adición de ácido entrelaza estas nanofibras mediante enlaces de hidrógeno entre los grupos carboxilo, transformando la dispersión coloidal en un hidrogel (Figura complementaria 4b) con una red de nanofibras dispersas25.

A continuación, intercambiamos el medio fluido dentro del gel reemplazando el agua con isopropanol o etanol (Fig. 2a, b y Fig. 4c, d suplementaria), y luego el gel se seca de manera súper crítica para formar un aerogel (Fig. 2c y Suplementaria). Figuras 5a-d)30. Estos procedimientos de fabricación son altamente escalables (Fig. 2a-c) y compatibles con el procesamiento rollo a rollo, combinando pasos simples como el moldeo para definir el volumen del hidrogel deseado, intercambios de solventes a temperaturas modestamente elevadas (Métodos y Fig. Suplementaria). 4), enrollando y secando los geles sobre un soporte de plástico en rollos (Figura complementaria 5b, d, f). Además, permiten prevenir la agregación de nanofibras de celulosa durante la gelificación o el secado, de modo que las dispersiones coloidales inicialmente transparentes permanezcan transparentes en los estados de hidrogel y aerogel (Fig. 2d, e y Fig. complementaria 5).

Una parte importante de un procedimiento de fabricación es que las superficies de celulosa se silanizan, lo que se puede realizar mediante funcionalización en fase de vapor (Fig. 2f) después del secado supercrítico o en la etapa de hidrogel, antes del secado, con detalles de ambos enfoques descritos en Métodos. Fig. 2f y Fig. complementaria 4e – k. Los procedimientos de silanización hacen que SiCellAs sea superhidrófobo (Video complementario 1; tenga en cuenta el ángulo de contacto de la gota de agua> 150 ° revelado en la Fig. 2h), una propiedad muy deseable para aplicaciones de ventanas, como también lo revela la espectroscopía infrarroja mediante el análisis de la presencia o fuerza de los correspondientes. líneas de absorción (Fig. 2g).

La caracterización a nanoescala proporciona información sobre la formación y estructura de los materiales SiCellA (Fig. 3). Las nanofibras de celulosa individualizadas son partículas bien definidas en forma de varilla con un ancho de 4 a 6 nm y una longitud de cientos a miles de nanómetros (Fig. 3a). Los procedimientos de fabricación de gelificación, modificación de superficies, intercambios de solventes y secado transforman las dispersiones coloidales iniciales de dichos nanorods en geles con morfología a nanoescala que presentan redes de fibras delgadas, con poros entre fibras típicamente menores de 100 nm (Fig. 3b-d y Suplementario). Vídeo 2). Al controlar la concentración inicial de nanofibras de celulosa, podemos variar la porosidad de SiCellA (Fig. 3e), que está relacionada linealmente con la densidad de masa del material. El análisis de adsorción-desorción de nitrógeno es consistente con las imágenes directas a nanoescala, lo que produce información cuantitativa sobre la morfología porosa de SiCellA (Fig. 3f, g, Fig. 6 complementaria y Video complementario 2) asociada con una red de nanofibras interconectadas (Fig. 3h).

Se espera que las ventanas y tragaluces modernos separe de manera efectiva el ambiente interior controlado del exterior del edificio, al tiempo que cumplen sus funciones principales habilitadas por la transparencia, estableciendo requisitos para las respectivas propiedades del material1,2,3,4,5,6,7,8,9. Para probar estas propiedades, mostramos que una losa independiente de SiCellA presenta una transmisividad en el rango visible muy alta, entre 97% y 99%, mucho más que ~92% de un solo vidrio transparente (Fig. 4a-c, Fig. 4 complementaria). 1 y tabla complementaria 1). Además, el coeficiente de turbidez es bajo, generalmente entre 1 y 3%, según el espesor de la losa de SiCellA (Fig. 4a, b). Se pueden fabricar losas altamente transparentes y de baja dispersión de diferentes espesores (Fig. 4b y Videos complementarios 3 y 4). Esta transparencia óptica proviene de la estructura a nanoescala de SiCellA (Fig. 3 y video complementario 2), donde todas las escalas de longitud de la morfología del aerogel son mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz en el rango espectral visible.

La muy alta porosidad de SiCellA, con un contenido de sólido de solo ~ 1% y el de aire de ~ 99%, hace que los índices de refracción efectivos de los materiales de SiCellA y el aire sean cercanos (Fig. 4d). Debido a este bajo índice de refracción ~1,0025 (compárese con el del aire ~1,0003 y el del vidrio ~1,52), las interfaces SiCellA-aire reflejan mucha menos luz que las interfaces vidrio-aire, por lo que la transmisión de luz de SiCellA es alta en todo el espectro visible e infrarrojo cercano. rangos (Fig. 4a, b, e). Debido a las propiedades de coincidencia del índice de refracción de SiCellA y el aire, los prismas de estos materiales exhiben ángulos de deflexión muy pequeños mientras que la luz sigue la ley de Snell en las interfaces aerogel-aire (Fig. 4f y video complementario 3). El índice de reproducción cromática, que cuantifica el impacto de un material o una ventana en la percepción de los colores naturales38,39, es muy alto, ~99%, de modo que se preservan los colores naturales. Además, los materiales de SiCellA se pueden cortar con las formas deseadas utilizando una navaja normal manteniendo una alta transparencia (Fig. 4c, f) y se pueden moldear para adoptar una gran variedad de formas geométricas y dimensiones, desde milímetros a metros, manteniendo al mismo tiempo una baja turbidez y una alta transparencia. (Figs. 1 y 4c, g – j).

Si bien afecta mínimamente la transmisión de luz visible (Fig. 4), SiCellA puede servir como una excelente barrera térmica (Fig. 5), capaz de aumentar la resistencia a la transferencia de calor de la ventana R y reducir el factor U que mide qué tan bien aísla una ventana, U = 1/R. La conductividad térmica y R del aerogel dependen de la porosidad30,40 y varían con la temperatura (Fig. 5a,b). Para porosidades seleccionadas apropiadamente, SiCellA supera las propiedades de barrera térmica del aire en calma y su rendimiento no sufre los problemas relacionados con la convección característicos del aire y otros rellenos de gas40, como analizamos más adelante en el contexto de los productos para ventanas. Se obtiene una vívida demostración de excelente aislamiento térmico colocando losas de aerogel de diferentes espesores y formas sobre superficies calientes (Fig. 5c).

La morfología a nanoescala de SiCellA es tal que las moléculas de aire chocan más a menudo con la red de celulosa que entre sí, de modo que la conducción térmica del gas se reduce considerablemente en comparación con la del aire a granel, mientras que los pobres contactos térmicos entre las fibras de la red de celulosa minimizan la conducción térmica a través del componente sólido (~1% en volumen)30,40. Además de estos dos factores y la baja conductividad térmica medida, a diferencia del aire, las SiCellA obstruyen la transmisión de radiación de rango térmico, por lo que la transferencia de calor radiativo también se reduce (Fig. 5d, e). Los aerogeles basados ​​en celulosa prístina son algo transparentes en partes del rango térmico, pero la silanización de sus superficies reduce sustancialmente esta transparencia (Fig. 5d) 30, aumentando así aún más las propiedades de barrera térmica de SiCellA en comparación con los aerogeles de celulosa sin silanización 25 como vimos. cuantifique con la ayuda de la emitancia transmisiva ponderada sobre el espectro de radiación térmica del cuerpo negro a temperatura ambiente (Fig. 5e).

En general, las redes sólidas y la conducción de gas son las dos principales contribuciones a la conductividad térmica general de los aerogeles25,40, disminuyendo la primera y aumentando la segunda con la porosidad, de modo que normalmente se observa un mínimo en la conductividad térmica frente a la porosidad, aunque no está dentro del rango de porosidades para las cuales podríamos impedir la agregación de nanofibras y asegurar una baja turbidez. La investigación y el desarrollo adicionales pueden permitir reducir aún más la conductividad térmica al fabricar SiCellA con otras porosidades, aunque aquí nos centramos en materiales con nanofibras no agregadas que también brindan una transparencia óptica muy alta. También observamos que la silanización altera un poco los valores de conductividad térmica en comparación con los aerogeles hechos de nanofibras de celulosa prístinas25. Aunque muchos aerogeles pueden exhibir una conductividad térmica bastante baja25,29,41,42, SiCellA combina de manera única esta propiedad con una transparencia visible muy alta y baja turbidez, como se necesita para aplicaciones en ventanas.

Las SiCellA son ópticamente anisotrópicas (birrefringentes, con la diferencia entre índices de refracción extraordinarios y ordinarios ~4 × 10−3) porque se preparan mediante gelificación de dispersiones coloidales nemáticas de nanofibras de celulosa oxidadas (vídeo complementario 5). Aunque no es directamente relevante para las aplicaciones de ventanas, la birrefringencia revela estructuras de organización de nanofibras de tipo nemático con cambios espaciales lentos de las orientaciones de las nanofibras, lo cual es clave para mantener una distribución espacialmente homogénea (o que varía lentamente en escalas mucho mayores que la longitud de onda visible) de la refracción efectiva. índice y reducir la dispersión de la luz asociada con tales variaciones30.

Si bien la escasa estabilidad mecánica de los aerogeles convencionales dificulta muchos usos tecnológicos25,26,42,43,44, los materiales SiCellA son mecánicamente robustos (Fig. 6) con propiedades potenciadas en parte por la silanización. Las deformaciones por compresión y flexión revelan que dichos materiales pueden soportar cargas mecánicas sustanciales anticipadas durante la fabricación y el servicio de diversos productos de ventanas (Fig. 6). Los ciclos periódicos de compresión no revelan ninguna degradación detectable del rendimiento mecánico con el tiempo (Fig. 6c y Figs. complementarias 7 y 8). Las películas y losas de SiCellA de espesor de milímetro a centímetro se pueden doblar e incluso enrollar (Fig. 6c-g y Video complementario 6) manteniendo una alta transparencia, sin mostrar grietas ni degradación del rendimiento. Debido a que las propiedades mecánicas dependen de la porosidad, el comportamiento mecánico deseado también se puede ajustar preparando muestras con diferentes porosidades y contenidos de sólidos (Fig. 6a, b, f). Teniendo en cuenta todas las características descritas anteriormente, los materiales SiCellA tienen una combinación única de propiedades ópticas, térmicas y mecánicas que los hace adecuados para aplicaciones en productos para ventanas.

Existen muchos requisitos estrictos para las aplicaciones de ventanas que van mucho más allá de las caracterizaciones ópticas, térmicas y mecánicas descritas anteriormente. Algunos de ellos están relacionados con la durabilidad de los propios materiales y de los productos de acristalamiento en general en los que se utilizan estos materiales. Las caracterizaciones del análisis termogravimétrico (TGA), termogravimétrico derivado (DTG) y calorimetría diferencial de barrido (DSC) de aerogeles de celulosa silanizados y no modificados revelan que son térmicamente estables a temperaturas ambiente y elevadas (Fig. 7a, b). Aunque calentar estos materiales muy por encima de los 200 °C puede causar degradación, temperaturas tan altas no son relevantes para las aplicaciones de ventanas y tragaluces.

Los aerogeles SiCellA aumentan la resistencia a la condensación de las ventanas cuando se usan tanto como modernizaciones como dentro de IGU (Fig. 7c), y el vidrio de un solo panel modernizado con SiCellA muestra un factor de resistencia a la condensación (CRF) (que cuantifica la capacidad de la ventana para resistir la condensación de agua en su superficie a bajas temperaturas; Métodos) comparable a la de las IGU comerciales de doble panel1,2,3,4,5,6,7,8,9. Una IGU delgada de doble panel con un relleno de aire reemplazado por SiCellA muestra una CFR de 82, mucho mejor que la de 35 a 50 conocida para las IGU comerciales de doble panel5,6,7,8,9. Como se prevé (Fig. 1a, b), SiCellA aumenta sustancialmente la resistencia a la condensación de los productos de ventanas, incluidas las ventanas de un solo panel al actualizarlas con la película de aerogel y las IGU al insertar el aerogel en el espacio de una IGU de doble panel (Fig. 7c ).

No hay una degradación detectable del rendimiento después de la prueba de nebulización química de una IGU SiCellA (Fig. 7d), lo cual está relacionado con su naturaleza superhidrófoba (Fig. 2h). Las pruebas de exposición ultravioleta y humedad 80/80 de quince días de duración no revelan ninguna degradación notable/detectable de las propiedades ópticas o térmicas de las IGU SiCellA (Fig. 7e, f). Al realizar las pruebas estándar ASTM 2189 y ASTM 2190-19 (Métodos) de la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales (ASTM) con la IGU que contiene SiCellA dentro de su espacio, no encontramos condensación dentro del interior de la IGU ni cambios notables en la transmisión de luz. y rendimiento térmico en respuesta a procesos químicos o factores como la irradiación ultravioleta (Fig. 7d – f y Tabla complementaria 2).

Para crear un producto de modernización robusto, se adhirieron SiCellA a plástico transparente protector o sustratos de vidrio delgado, seguido de su laminación sobre las superficies internas de ventanas de un solo panel (Fig. 1c,f y Fig. 1 complementaria). El valor R de la resistencia térmica es proporcional al espesor de un material aislante. Por lo tanto, el valor R resultante de una ventana de un solo panel modernizada depende del espesor de SiCellA, como revelamos al combinar modelado numérico y mediciones experimentales (Fig. 8a) que involucran tanto ventanas reales como prototipos de cajas frías y calientes (Fig. 1f). –h y figura complementaria 9). Estas ventanas de un solo panel de mayor eficiencia ahora pueden igualar o superar el rendimiento de las ventanas de doble panel7 (Fig. 8a). Debido a que las ventanas de un solo panel todavía constituyen aproximadamente el 40 % de todas las ventanas, lo que se debe a que las IGU de paneles múltiples a menudo son estructural o arquitectónicamente incompatibles con los diseños de edificios antiguos e históricos, estos productos de modernización pueden desempeñar un papel importante en la captura de energía relacionada con las ventanas. pérdidas de edificios preexistentes (Figura complementaria 10)1,2,3,4.

Destinadas a construcciones nuevas, las IGU que contienen SiCellA pueden adoptar muchas realizaciones diferentes, en las que se pueden usar paneles de vidrio con o sin diferentes revestimientos de baja emisividad y se puede variar el espesor del relleno de aerogel en relación con el espesor total del espacio, junto con el Espesor del aire u otro gas de relleno. Los resultados del modelado numérico para dichas IGU de SiCellA (Fig. 8b, c) son consistentes con las mediciones experimentales realizadas para un conjunto de prototipos que fabricamos (Fig. 8d, e), lo que revela que los principios generales comúnmente aplicados al diseño de vidrio Las IGU de paneles múltiples se pueden adaptar adecuadamente al uso de paneles y rellenos de SiCellA.

Al usar criptón o argón para llenar partes del espacio de las IGU que contienen SiCellA, cuando el aerogel llena solo una parte del espacio, los valores de R se pueden aumentar aún más (Fig. 8f y Tabla complementaria 3). Agregar SiCellA a los productos de ventanas no degrada las propiedades ópticas de las IGU en general (Fig. 8g, h y Figs. 1 y 2 complementarias) porque la transmisión de SiCellA es muy alta, por lo que las pérdidas de luz por transmisión provienen principalmente del vidrio y de diferentes revestimientos. él. En términos de esto, los SiCellA son excelentes candidatos para los paneles intermedios de las IGU porque permiten una transmisión superior a la del vidrio, de modo que se pueden desarrollar IGU con una gran cantidad de paneles intermedios manteniendo una alta transmisión general (Fig. 8g, h y Figuras complementarias 1 y 2).

En las últimas décadas se han demostrado celulosa25,27,31, sílice20,23,45, híbridos orgánicos-inorgánicos y otros aerogeles26,28,29,43 modestamente transparentes14,15,17,20,30, lo que atrajo el interés inicial, pero aún quedan muchos. Los desafíos asociados con los estrictos requisitos de los productos de acristalamiento obstaculizaron sus aplicaciones principales en ventanas, tragaluces y otras partes de la envolvente de los edificios. Muchos aerogeles denominados "transparentes", incluidos nuestros aerogeles híbridos de celulosa y polisiloxano desarrollados previamente, no cumplen con los requisitos estrictos para aplicaciones en IGU debido a los valores de turbidez relativamente grandes causados ​​por la gran fracción de luz transmitida que se dispersa hacia adelante.

Nuestro trabajo supera estos importantes desafíos de la siguiente manera: (1) SiCellA monolítico mecánicamente robusto y libre de grietas se demostró en escalas de metros cuadrados relevantes para ventanas; (2) la baja turbiedad y la alta transparencia de SiCellA cumplen con los requisitos de las aplicaciones en ventanas; (3) la silanización permite la superhidrofobicidad de SiCellA, lo que la hace duradera; (4) la adhesión de SiCellA a películas de vidrio y plástico permite su utilidad en muchos productos de vidriado y (5) los pasos de fabricación simples, incluidos los compatibles con el procesamiento rollo a rollo, y los materiales de origen de bajo costo (Nota complementaria 1) ayudarán con el despliegue.

La diferencia fundamental de SiCellA en comparación con los aerogeles convencionales es que el tamaño de los poros <100 nm y el diámetro <10 nm de las nanofibras que forman la red (Fig. 3) se controla para que sean mucho más pequeños que las longitudes de onda de la luz visible de manera uniforme en las ventanas relevantes. (metros cuadrados), lo que garantiza una transmisión de luz de alto rango visible del 97 al 99 % (mucho mejor que la transmisión del ~92 % del vidrio transparente genérico) y una neblina del ~1 %. Estos materiales livianos con una densidad de masa de aproximadamente 1% de la densidad del vidrio son mecánicamente robustos para tomar formas de películas independientes que exhiben una conductividad térmica menor que la del aire en calma (Fig. 5). SiCellA se puede fabricar a un costo relativamente bajo (Nota complementaria 1) y de manera escalable, lo que promete permitir tipos completamente diferentes de IGU, claraboyas, iluminación natural e incluso diseños de marcos de ventanas que contengan SiCellA. La abundante materia prima, que es la pulpa de madera en el presente estudio, también puede derivarse de residuos de las industrias de producción de alimentos y cerveza46,47,48 con la ayuda de bacterias, siendo el coste de la película final de SiCellA del orden de de US$1 por pie cuadrado en ambos casos (Nota complementaria 1). Además, el control de la ganancia solar se puede realizar potencialmente con filtros colestéricos reflectantes basados ​​en nanocelulosa49,50,51.

Los costos y los desafíos de escala asociados con el secado en puntos críticos (CPD) son obstáculos conocidos para implementar aerogeles, y se están desarrollando activamente enfoques alternativos de secado ambiental (incluidos aquellos con transparencia óptica)52,53. Sin embargo, la capacidad de utilizar películas de aerogel enrolladas dentro del proceso de secado basado en CPD, junto con el funcionamiento sin bombas y el secado con solvente, mitiga este problema para SiCellA y al mismo tiempo produce propiedades ópticas superiores. Si bien aún es necesario desarrollar soluciones técnicas específicas y económicamente viables para la fabricación de productos de ventanas listos para instalar, similar al caso de los aerogeles no transparentes utilizados en el aislamiento de tuberías y recientemente incluso en algunas partes de la envolvente de los edificios, la capacidad de rodar durante diferentes etapas de fabricación de aerogel puede ayudar a reducir los costes de fabricación y, por tanto, también la penetración en el mercado.

La implementación de SiCellA podría aumentar el uso de acristalamiento en las envolventes de los edificios porque las ventanas mejoradas con aerogel pueden superar los objetivos actuales y futuros para los valores R del acristalamiento. La baja densidad de masa es clave para la compatibilidad estructural y la modernización de ventanas antiguas y para diseños de IGU de paneles múltiples no convencionales. La combinación de SiCellA de muy alta transparencia y baja conductividad térmica a escala de materiales de construcción es un gran avance, que abre oportunidades únicas para aprovechar y controlar la energía solar entregada a los edificios, dependiendo de las necesidades climáticas y estacionales. El rendimiento mejorado de las IGU basadas en SiCellA está directamente relacionado con la baja conductividad térmica y la alta transmisión visible de estos materiales cuando se utilizan como paneles intermedios de las IGU. El coeficiente de reflexión en la interfaz aire-SiCellA es aproximadamente diez veces menor que en la interfaz vidrio-aire, por lo que los conjuntos de paneles múltiples con paneles intermedios basados ​​en SiCellA exhiben una menor pérdida de luz debido a reflexiones en comparación con sus homólogos estándar. Para un conjunto de IGU de panel cuádruple, por ejemplo, la pérdida de luz se puede reducir en aproximadamente un 16 % al reemplazar dos paneles de vidrio intermedios con contrapartes de SiCellA (Fig. 8). Cada panel SiCellA adicional reduce la transmisión de luz en menos del 1%, por lo que, hipotéticamente, incluso pueden ser posibles IGU de diez paneles (no es posible para paneles intermedios de vidrio, ya que una IGU de diez paneles basada en vidrio evita que pase casi toda la luz debido a los reflejos). en 20 interfaces).

En las IGU basadas en SiCellA, los paneles se pueden separar mediante espacios de un espesor que varía entre 6 y 16 mm, que se pueden optimizar dependiendo del relleno de gas (Fig. 8b-f y Tabla complementaria 3). Por ejemplo, con vidrio exterior de ~3 mm y paneles de SiCellA de capa intermedia, se puede hacer que una IGU de triple panel tenga ~21 mm de espesor total de una IGU de doble panel estándar para reemplazar una y al mismo tiempo proporcionar un aislamiento mucho mejor con una transmisión óptica comparable. . Los diseños de IGU pueden combinar capas intermedias de SiCellA independientes y adheridas a paneles de vidrio en sus superficies internas. Con una conductividad térmica inferior a ~26 mW K-1 m-1 de aire en calma y sin transferencia convectiva, las IGU basadas en SiCellA pueden permitir un mejor aislamiento por pulgada de material que una ventana normal de doble panel con un espacio de aire7 (Fig. .8 y figuras complementarias 1 y 2). Se pueden aplicar revestimientos de baja emisividad a superficies de vidrio, como la superficie interior del panel de vidrio exterior (Fig. 8), aunque los revestimientos de baja emisividad proporcionan un menor impulso adicional de aislamiento para conjuntos IGU basados ​​en SiCellA con RS intrínseco > 1,6 m2 K W−1 (RB > 9 h pies2 °F Btu−1).

Aunque la implementación inicial de productos de acristalamiento basados ​​en SiCellA probablemente se centrará en ventanas convencionales, SiCellA también puede diseñarse para que sea translúcido y con retrodispersión para otros usos de acristalamiento, como tragaluces y ventanas de privacidad, en cuyo caso SiCellA puede hacerse deliberadamente más turbio. Los valores altos de R serán atractivos para la integración de IGU basadas en SiCellA con tecnologías electrocrómicas y otras para privacidad y control de ganancia solar33,34,36, especialmente en los diseños de IGU de paneles múltiples (Fig. 8), de modo que las IGU todo en uno Se pueden realizar soluciones para una alta eficiencia energética. El acristalamiento habilitado con SiCellA puede permitir que las envolventes del edificio aprovechen mejor las condiciones externas al mismo tiempo que brindan comodidad natural a los ocupantes y potencialmente incluso aprovechan la energía del medio ambiente.

En resumen, demostramos la fabricación escalable de aerogeles de celulosa silanizada altamente transparentes, llamados SiCellAs, para aplicaciones de acristalamiento. Las películas SiCellA se pueden utilizar como rellenos de IGU y en diseños de IGU de paneles múltiples para reemplazar los paneles de vidrio internos y son totalmente compatibles con las soluciones existentes para la emisividad del rango térmico y el control de la ganancia solar. La penetración en el mercado de los productos basados ​​en SiCellA dependerá de la capacidad de fabricarlos a bajo coste, lo que requerirá más investigación y desarrollo.

Métodos

Materiales de origen y oxidación de la celulosa.

La pulpa de celulosa de madera dura nunca secada se obtuvo de Nine Dragons Paper (División Rumford). Esta pulpa kraft de madera dura con un contenido de agua del 92 % se había mantenido en una etapa húmeda después del tratamiento de blanqueo. La pulpa se desmineralizó agitándola en una solución de HCl (0,1 M) durante 1 h, luego de lo cual se lavó con agua desionizada (DI) mediante filtración y luego se almacenó a 4 °C sin secar. La oxidación TEMPO de la pulpa de celulosa se inició en un medio básico con un pH de 10 (Figura complementaria 3d, e). Se añadieron TEMPO (28,92 mg, 0,094 mmol) y NaBr (317,64 mg) a la suspensión, seguido de la adición de una solución de NaOCl 1 M (10 ml). Cuando la caída del pH fue inferior a 0,01 por minuto, la solución se transfirió a una licuadora y se mezcló durante varios minutos con una fuerza centrífuga relativa de 300 g (a 1500 rpm) (Figura complementaria 3f). Esto descompone los aglomerados de fibras de celulosa y permite una penetración más profunda del agente oxidante. Después de un tiempo total de mezclado de 15 minutos, la solución se volvió a colocar en una placa de agitación y el pH se ajustó nuevamente a 10.

Este proceso se repitió hasta que el pH de la solución cayó a menos de 0,5 después de la mezcla. Cuando el pH de la solución bajó a menos de 0,03 en una hora, se consideró que la reacción había terminado. Luego, la solución se centrifugó a 10.800 g (9.000 rpm) durante 20 minutos para filtrar el exceso de productos químicos de la solución de celulosa. Este proceso se repitió varias veces, reemplazando cada vez el líquido residual con agua desionizada para eliminar los productos químicos restantes de la solución hasta que solo quedaron fibras de celulosa puras y oxidadas. Luego, la nanocelulosa oxidada se recuperó mediante centrifugación y se lavó minuciosamente con agua desionizada, que luego se trituró mecánicamente con un molinillo de 1500 W (Figura complementaria 3g), seguido de sonicación con Branson Sonifier durante 15 minutos con una amplitud del 30%. La oxidación de los grupos hidroxilo C6 de celulosa que no reaccionaron en grupos carboxilato C6 se realizó adicionalmente utilizando NaClO2 como oxidante primario, con cantidades catalíticas de TEMPO y NaClO en agua a un pH de 4,8 a 6,8. TEMPO nuevamente permitió la conversión selectiva y eficiente de los grupos hidroxilo C6.

Se agregaron soluciones de fosfato de sodio dibásico M (2,35 ml) y fosfato de sodio monobásico 1 M (2,65 ml) a 1 g de solución de nanofibras de celulosa oxidada con TEMPO (Figura complementaria 3h) para actuar como tampón durante la reacción. Esto se agitó a 15 g (500 rpm) durante aproximadamente 5 minutos y luego se retiraron 20 ml y se reservaron para diluir el hipoclorito de sodio más tarde antes de agregarlo al recipiente de reacción. Luego se agregaron TEMPO (25 mg) y clorito de sodio (1,13 g) a las dispersiones de nanofibras de celulosa oxidadas y se agitaron a 15 g (500 rpm) durante aproximadamente 20 minutos hasta que estos aditivos se disolvieron completamente. Después se añadió hipoclorito de sodio (0,455 ml) a los 20 ml de solución separada.

Luego se añadió el hipoclorito de sodio diluido a la dispersión de nanofibras de celulosa y el recipiente de reacción se selló inmediatamente. La solución se colocó en un baño de agua a temperatura ambiente y se agitó a 15 g (500 rpm) durante aproximadamente 30 minutos. Luego se calentó el baño de agua a 60 °C y se dejó que la reacción transcurriera continuamente durante 72 h. La solución se centrifugó a 10.800 g (9.000 rpm) durante 20 minutos para filtrar el exceso de productos químicos de la solución de celulosa. Este proceso se repitió varias veces, reemplazando cada vez el líquido residual con agua desionizada para eliminar los productos químicos restantes hasta que solo quedaron fibras de celulosa puras y oxidadas. A continuación, la dispersión se sonicó con un sonificador Branson durante 30 minutos y se filtró con papel de filtro Whatman 2 para obtener la dispersión final de nanofibras de celulosa oxidada en agua.

Preparación de aerogeles

Se vertieron dispersiones acuosas de nanofibras de celulosa oxidadas con TEMPO con concentraciones que oscilaban entre el 0,5% y el 2% en moldes de plástico del espesor deseado que oscilaba entre 1 mm y 25 mm (Figuras complementarias 4a, b). Para iniciar la gelificación, se roció HCl 0,5 M en la dispersión durante unos segundos con una pulverización fina. Manteniendo el HCl pulverizado repartido sobre la dispersión, se dejó reposar durante 30 min sin ninguna alteración. Luego, el hidrogel resultante se trasladó a un baño de disolvente de HCl 0,1 M durante 24 h para asegurarse de que se completara la gelificación. El hidrogel rígido resultante se sacó del molde y luego el ácido se lavó con agua desionizada y se trasladó a una mezcla de agua y etanol (50 % en volumen cada uno) seguido del intercambio de disolvente a etanol (Fig. 2a y Fig. 4b complementaria). -d). Debido a que el etanol forma un azeótropo con agua, utilizamos una temperatura elevada de 60 °C durante el intercambio de agua a etanol (Figuras complementarias 4c, d). Luego, el alcogel resultante se enrolla y se traslada a una cámara de CPD para que se seque (Figuras complementarias 4g y Figuras complementarias 5a-c), con la temperatura y presión iniciales de la cámara establecidas en 5 °C y 800 psi (libra por pulgada cuadrada). respectivamente. El siguiente paso implicó purgar el etanol de la cámara y reemplazarlo con CO2 líquido.

Luego, la temperatura se elevó a 40 °C y la presión se fijó en 1500 psi, y el etanol sobrante se purgó mientras estaba dentro de la fase supercrítica durante 30 min. El paso final del proceso, la purga de CO2 supercrítico, se inició lentamente, a 25 psi min-1, y la cámara se despresurizó gradualmente en aproximadamente 1 h. Los aerogeles resultantes se mantuvieron a 60 °C durante 1 día antes de la caracterización y funcionalización (Fig. 4i, h complementaria). Se utilizaron cámaras CPD con un volumen interno en forma de cilindro de dos dimensiones diferentes (tamaños de diámetro × altura de 16,5 cm × 2,5 cm y 16,5 cm × 104 cm), dependiendo del tamaño de SiCellA que se secó (Figuras complementarias 4g-k y 5c). -F). En la Nota complementaria 2 se proporcionan detalles adicionales sobre el secado de CPD mientras se reciclan solventes mediante una operación sin bomba. También observamos que un procedimiento de fabricación ligeramente modificado en comparación con lo descrito anteriormente puede implicar primero hacer rodar el gel sobre el soporte de plástico en su estado de hidrogel mientras se usa. espaciadores y luego hacer intercambios de solventes en recipientes cilíndricos antes de obtener nuevamente un alcogel enrollado para el secado CPD.

Silanización de aerogeles secos.

La deposición química de vapor de 1H,1H,2H,2H-perfluorooctiltrietoxisilano (PFOES) en los aerogeles oxidados con TEMPO no modificados se realizó para transformar la celulosa anfifílica en una con superficie hidrófoba mediante la funcionalización con silano de las nanofibras de celulosa. El aerogel de nanofibra de celulosa oxidada con TEMPO no modificado se colocó sobre una malla de teflón sostenida con una malla de acero inoxidable. Luego se colocó en el medio de un desecador de vacío de policarbonato transparente de 3 l con la muestra así suspendida para funcionalizarla mediante la interacción con las moléculas de silano en fase de vapor (Figura complementaria 11a). Previamente se colocó PFOES líquido (1 mmol g−1 de aerogel no modificado) dentro de la parte inferior del desecador con un vaso de precipitado de teflón y PTFE de 5 ml. El desecador se selló, se evacuó y se trasladó a un horno que se precalentó a 95–99 °C mientras se mantenía la temperatura por debajo de 100 °C (se observó que temperaturas superiores a 100 °C reducen la transmitancia del aerogel silanizado). El tiempo de reacción y la temperatura dependen del espesor de la muestra de aerogel no modificada (Figura complementaria 11b), que se optimizó en base a experimentos de prueba repetidos54. Las moléculas de PFOES se someten a reacciones de hidrólisis y condensación química con nanofibras de celulosa oxidadas con TEMPO no modificadas para injertos.

Luego se sacó el desecador del horno y se dejó enfriar hasta temperatura ambiente. Se introdujo gas nitrógeno en el desecador enfriado para liberar el vacío. El aerogel superhidrófobo resultante dentro del desecador se purgó una vez más con más gas nitrógeno para limpiar el aerogel con gas inerte. La efectividad y universalidad de la funcionalización de silano en muestras gruesas se examinaron con espectros infrarrojos de transmitancia de sonda y mediciones del ángulo de contacto con el agua (Fig. 2g, h). Los aerogeles modificados se mantuvieron en el horno a 50 °C durante 24 h para su posterior caracterización y aplicación. Más comúnmente (y para todas las muestras de SiCellA caracterizadas en las figuras 1 a 8), la silanización de las moléculas de celulosa se realizó después de fabricar aerogeles, como se muestra en la figura 2f y en las figuras complementarias 4g-k, aunque también se puede realizar la modificación en la etapa de hidrogel. hecho (Fig. 4e, f, h). Se analizaron la uniformidad y universalidad de las propiedades ópticas de una muestra de SiCellA de un metro cuadrado (2 mm de espesor) para 20 áreas de muestra seleccionadas al azar de las diferentes regiones del aerogel. El resumen de las 20 mediciones de transmitancia se proporciona en la figura complementaria 11c. Los materiales superhidrófobos de SiCellA obtenidos (Fig. 2h y video complementario 1) exhibieron las propiedades físicas deseadas, comparables o mejores que los aerogeles de celulosa no modificados, como se detalla a continuación.

Las propiedades mecánicas y ópticas de SiCellA están fuertemente influenciadas por la silanización. El efecto sinérgico de la silanización y el diseño estructural nanoporoso dio como resultado una elasticidad y propiedades ópticas optimizadas de SiCellA. Los aerogeles silanizados exhibieron un rendimiento mecánico mejorado (200-300% del aumento en la tensión de tracción y compresión de SiCellA que el aerogel no modificado), con una estructura porosa a nanoescala modificada que también se logró mediante la silanización (Fig. 3). El SiCellA tiene valores más altos de tensión de tracción (270 kPa) y deformación (8,8%) que sus correspondientes contrapartes no modificadas (Fig. 6a, b, f). La tensión de compresión última del SiCellA es de 1,5 MPa, que es tres veces mayor que la del respectivo aerogel no modificado. La interacción mejorada de las cadenas de celulosa silanizada dentro de la red después de la silanización dio como resultado un aumento sustancial en la resistencia a la deformación, la ductilidad y la tenacidad de SiCellA (Fig. 6). No se detectó ninguna diferencia notable en las propiedades ópticas de SiCellA y los aerogeles de celulosa no modificados para las muestras estudiadas preparadas en condiciones optimizadas. El proceso de silanización hace que los aerogeles a base de nanocelulosa sean retardantes del fuego y no inflamables, lo que significa que no se encienden ni arden cuando se exponen a una llama abierta, aunque pueden dañarse y eventualmente destruirse con el fuego.

Silanización en etapa de hidrogel

Como alternativa a la modificación de aerogeles secos, también se realizó silanización en la etapa de hidrogel, lo que arrojó resultados similares en términos de propiedades del aerogel. En este caso, la silanización de las moléculas de celulosa del hidrogel fabricado se realizó utilizando viniltrimetoxisilano como agente de acoplamiento (Figuras complementarias 4e-h). Los hidrogeles de celulosa oxidados con TEMPO fabricados se sumergieron en un baño circulante de una mezcla de etanol/agua en una proporción de 60:40 con la concentración optimizada (5%) del agente de acoplamiento durante 4 h (ref. 55). Para garantizar un recubrimiento eficaz de agente de acoplamiento de viniltrimetoxisilano en las nanofibras de celulosa expuestas individuales, el pH de la solución se mantuvo entre 3,5 y 4 utilizando los tampones METREPAK Phirion55. Posteriormente, la mezcla de etanol y agua se drenó y se reemplazó con etanol puro mediante lavados repetidos. Los alcogeles de celulosa oxidados con TEMPO silanizados resultantes se secaron en una cámara de CPD (Figura complementaria 4f-h). Los aerogeles modificados con viniltrimetoxisilano producidos después del secado con CPD se mantuvieron en el horno a 60 °C durante 24 h antes de aplicarlos a ventanas y caracterizaciones adicionales.

Caracterización térmica

La conductividad térmica, k, de los aerogeles se caracterizó mediante dos métodos: utilizando un medidor de flujo de calor comercial Netzsch HFM 446 o midiendo el flujo de calor a través de la muestra utilizando un sensor (FluxTeq), dependiendo de las dimensiones de las muestras. En el primer caso, los aerogeles se prepararon con las dimensiones especificadas en las directrices del instrumento, con un tamaño lateral que oscilaba entre 10 cm x 10 cm y 20 cm x 20 cm, mientras que el último método se utilizó para muestras de tamaños desde pulgadas cuadradas hasta metros cuadrados.

La conductividad térmica de películas de aerogel de gran superficie y los valores U de los prototipos de aerogel SiCellA se determinaron midiendo el flujo de calor a través de las muestras56,57,58. Para estudiar el intercambio de calor entre los ambientes interior y exterior separados por una ventana adaptada con una película SiCellA y medir su valor U, hemos construido un aparato de caja ambiental caliente/fría (Figura complementaria 9). Las dimensiones totales de la caja fueron 1,3 m × 1,3 m × 0,5 m, con sus paredes dobles aislantes construidas con una espuma de poliestireno comercial de 38 mm de espesor de pared y RS ≈ 1,8 m2 K W−1 / RB = 10 h ft2 °F Btu− 1 (NGX ESPUMAULAR). La caja de frío/calor puede albergar muestras de diferentes proporciones y áreas de hasta 1 m2. Para imitar el intercambio de calor entre el interior del edificio y el ambiente exterior en diferentes condiciones, el interior de la caja se calentó con una banda calefactora controlada electrónicamente o se enfrió con hielo seco.

Por lo tanto, la temperatura interna de la caja, que corresponde a la temperatura ambiente exterior, podría cambiarse dentro de un amplio rango de aproximadamente -70 °C a 100 °C. Se controlaron continuamente con termopares la temperatura del aire interior, Te, y exterior, Ti, de la caja y de las superficies de las ventanas. El sensor de flujo de calor (FluxTeq) se usó para medir el flujo de flujo de calor, q, a través del conjunto medido o IGU. Los datos de los sensores de flujo de calor y los termopares se recopilaron mediante una computadora utilizando un software de adquisición automática de datos (Figura complementaria 9). El flujo de calor a través del material, ensamblaje o IGU caracterizado de SiCellA podría monitorearse durante horas o días, si fuera necesario. Este sistema se utilizó para medir la conductividad térmica, la conductancia térmica y los valores U y R. Por ejemplo, el valor U de nuestra ventana modernizada con una película de aerogel o IGU se calculó como56,57,58 U = 1 / R = q / (Ti − Te) utilizando los valores medidos de q, Ti y Te.

Caracterización óptica

Los espectros ultravioleta a través del visible y del infrarrojo cercano se midieron mediante un espectrofotómetro de barrido Cary 500 en modo de transmisión. Los espectros de transmisión total y difusa en la región visible (400–800 nm) de películas de aerogel se registraron con una esfera integradora (Labsphere DRA-CA-5500) con un diámetro interior de 150 mm y recubierta con sulfato de bario. Los valores del coeficiente de turbidez, que cuantifican las cantidades de luz dispersada, se calcularon en base a las mediciones de transmisión total y difusa utilizando la esfera integradora siguiendo la norma ASTM D1003 (Método de prueba estándar para turbidez y transmitancia luminosa), comúnmente utilizado para mediciones de turbidez en aplicaciones de ventanas. Para las mediciones de transmitancia óptica y turbidez, las muestras se montaron en el puerto de entrada de la esfera integradora y la calibración se realizó utilizando estándares de reflectancia difusa. Las muestras, con un área de 10 cm × 10 cm para muestras independientes y adaptadas y de 10 cm × 10 cm × 3,6 cm para IGU de triple panel, normalmente se insertaban en el compartimento de muestra estándar del instrumento. Para permitir el montaje de estas muestras modestamente grandes, se quitaron las cubiertas estándar del compartimento de muestras y se utilizó una carcasa personalizada hermética a la luz.

Se realizaron experimentos de espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier en la región del infrarrojo medio (2,5–25 µm) utilizando un espectrómetro infrarrojo por transformada de Fourier Nicolet 6700 con un detector de sulfato de triglicina deuterado (4000–400 cm−1) en modo de transmisión. Se utilizó una esfera integradora recubierta de oro con un diámetro de 75 mm (PIKE Technologies, Mid-IR Upward-looking InegratIR) en modos de reflexión y transmisión con un detector de telururo de mercurio y cadmio de banda ancha (4000–500 cm-1). Estas mediciones permitieron caracterizar la transmisividad térmica en el rango infrarrojo de varios aerogeles SiCellA y no modificados que se muestran en la Fig. 5d. La emitancia transmisiva ponderada (W m−2 µm−1), es decir, la relación entre la transmitancia térmica de los aerogeles y la radiación de un cuerpo negro ideal a la misma temperatura, se calculó multiplicando la emitancia del cuerpo negro a 300 K por la transmitancia promedio de aerogeles en cada longitud de onda (Fig. 5e). Esos datos se utilizaron como insumo para modelar el rendimiento térmico de los productos de acristalamiento fabricados.

La apariencia del color de los objetos vistos a través de materiales y IGU se describe cuantitativamente mediante un índice de reproducción cromática38,39. El índice de reproducción cromática de las películas SiCellA y las IGU de SiCellA se determinó basándose en la transmisión de luz medida con un espectrofotómetro de escaneo Cary 500 siguiendo los estándares ASTM38,39,59,60 y se encontró que era >99 %, cumpliendo con los requisitos para las IGU.

Las observaciones de microscopía óptica de muestras de hidrogel, alcogel y aerogel se realizaron utilizando un microscopio vertical Olympus BX-51. Se utilizó una cámara digital Nikon D50 montada en el microscopio y objetivos Olympus de pequeño aumento (2× o 4×) para tomar fotografías de gotas de agua en la superficie de las películas de SiCellA, lo que permitió medir un ángulo de contacto y determinar la humectabilidad de la superficie usando ImageJ. software (software gratuito, Institutos Nacionales de Salud). Los valores del índice de refracción de los aerogeles SiCellA se obtuvieron midiendo un ángulo de desviación mínimo mediante un prisma hecho de este material61,62,63, donde un rayo láser de helio-neón de 632 nm (Edmund Optics) se desvió mediante un prisma de aerogel colocado sobre un soporte giratorio (Olympus). Al medir un ángulo de desviación mínimo de un haz y un ángulo de incidencia correspondiente, se determinaron con alta precisión los valores del índice de refracción de aerogeles transparentes61,62,63. Además, se obtuvo una dispersión espectral de un índice de refracción (Fig. 4d) a partir de los datos de absorción medidos de películas de aerogel utilizando la relación Kramers-Krönig61,64. Para medir la birrefringencia óptica en muestras de aerogel de 12 mm de espesor con una porosidad del 99,1%, utilizamos un compensador Berek U-CTB (Olympus) montado en un microscopio en una trayectoria óptica inmediatamente después de una muestra de SiCellA.

Caracterización mecánica

Las mediciones mecánicas de tracción se realizaron utilizando un aparato DMA 850 (TA Instruments) con un accesorio de abrazadera de tensión estándar. La compresión, la flexión en tres puntos y los ciclos de compresión y elongación se registraron utilizando el analizador de sólidos RSA-G2. Se utilizaron las dimensiones iniciales de las muestras para convertir estas mediciones en tensión y deformación con el software TRIOS (TA Instruments). Las propiedades mecánicas también se probaron bajo tensión/compresión cíclica hasta una tensión máxima del 6% para aerogeles silanizados (Fig. 6c y Fig. 8 complementaria). En cada ciclo, la tensión aumentó linealmente al aumentar la deformación hasta un valor máximo, en el cual se eliminó la carga y la tensión generalmente volvió al valor original (Figuras complementarias 7 y 8), lo que indica que no hay comportamiento de histéresis hasta en un 6 %. tensión en compresión y elongación. Por debajo del 6% de tensión, el valor máximo de tensión permaneció constante al aumentar el número de ciclos, lo que confirma el sólido rendimiento mecánico general de los materiales SiCellA (Fig. 6 y Figs. complementarias 7 y 8).

Estabilidad del material y durabilidad del producto de ventana.

Se realizó TGA para aerogeles no modificados y silanizados en una atmósfera de N2 a 25–500 °C. Los experimentos de TGA se realizaron con un termogravímetro Netsch STA 449 F1 Jupiter con un crisol de alúmina a una velocidad de calentamiento de 10 °C min-1 en atmósfera de argón. La estabilidad térmica se caracterizó utilizando una tasa de pérdida de masa básica, dm/dt, normalizada por la masa total perdida. La DSC se realizó utilizando el instrumento Q1000 (TA Instruments) con un crisol hermético de aluminio. Todas las pruebas se realizaron en un entorno de N2, con velocidades de calentamiento y enfriamiento establecidas en 10 °C min-1 y con un aumento de temperatura entre 30 °C y 250 °C para un ciclo total.

Los entornos de alta humedad relativa (RH) son comunes para las IGU, especialmente cuando se instalan en regiones de clima tropical o subtropical. El exceso de humedad y oxígeno en el aire pueden reaccionar, por ejemplo, con el sellador de silicona secundario, acelerando su proceso de envejecimiento y degradando el rendimiento de la IGU. En nuestro estudio, se utilizó una cámara de prueba ambiental de alta humedad relativa para generar un régimen de temperatura de 80 °F (27 °C) a una humedad relativa alta del 80 %. Se colocaron IGU que contenían SiCellA en la cámara durante 14 días. Luego se midieron las propiedades de las IGU antes y después de la prueba, lo que reveló un rendimiento sólido (Fig. 7e). La prueba de nebulización (también conocida como "prueba de desgasificación química") tiene como objetivo determinar la resistencia de las IGU selladas y preensambladas al empañamiento, que podría ocurrir debido a la desgasificación química de los materiales y componentes del ensamblaje dentro de la IGU.

La prueba se realiza durante 14 días en una caja especial equipada con una fuente de luz ultravioleta, un ventilador de circulación de aire y una placa de enfriamiento de acuerdo con la norma ASTM E2189, y los resultados no revelan degradación de las propiedades físicas (Fig. 7d). Para la prueba de exposición ultravioleta, las IGU se colocaron en la cámara de iluminación ultravioleta y se expusieron a un radiador ultravioleta de 500 W con una potencia de salida de 40 W m-2 o superior, donde los fotones de exposición ultravioleta tienen energías comparables a las energías de disociación del polímero. enlaces (300–1000 kJ mol-1). Las IGU que contenían SiCellA se mantuvieron en la cámara a 50 ± 3 °C durante 30 días de exposición y luego se caracterizaron, sin revelar ninguna degradación sustancial de la propiedad (Fig. 7f).

Resistencia a la condensación

Las temperaturas frías de la superficie interior de una ventana pueden hacer que la humedad del interior de una habitación se condense en ella en forma de gotas de agua cuando estas temperaturas están por debajo del punto de rocío. Al ser muy probable que con una humedad relativa alta en el interior, la condensación afecte la transparencia de las ventanas y la humedad interior, lo que puede degradar la calidad del aire interior. Para comparar la resistencia a la condensación de los productos de ventanas basados ​​en SiCellA y sus homólogos, medimos su CRF65,66, que cuantifica qué tan bien resiste una ventana la condensación en la superficie orientada hacia el interior. Los valores típicos de CRF son 5 a 15 para IGU de panel simple, 35 a 50 para IGU de panel doble y 60 a 80 para IGU de panel triple. Para medir la CRF, utilizamos un aparato de caja fría hecho en casa (Figura complementaria 9a).

La temperatura dentro del aparato, que representa el ambiente exterior y la temperatura exterior, se redujo usando hielo seco y las temperaturas de todas las superficies de la IGU se monitorearon continuamente mediante termopares (FluxTeq). La Figura 7c muestra las dependencias de la temperatura de la superficie del panel interior con respecto a la temperatura exterior para diferentes fenestraciones caracterizadas. La CFR se calculó como CRF = 100 (Tc − Te) / (Ti − Te), donde Tc, Ti y Te son, respectivamente, la temperatura de la superficie interna de la IGU que mira hacia la habitación, la temperatura interna de la habitación y la temperatura externa medidas experimentalmente cuando el agua se condensa en la IGU. La condensación se detectó visualmente y también midiendo la caída de intensidad de un rayo láser de 632 nm (Edmund Optics) que pasaba por el centro de IGU66.

Caracterización a nanoescala

La caracterización por microscopía electrónica de transmisión (TEM) se realizó registrando series de inclinación en un Titan Krios G3i a 300 kV en condiciones de dosis bajas. Se utilizó SerialEM para registrar la serie de inclinación y la reconstrucción de los datos tomográficos se realizó utilizando el software de procesamiento de imágenes IMOD67,68. Las nanofibras de celulosa individuales dentro de las dispersiones acuosas se tiñeron negativamente con ácido fosfotúngstico al 1% antes de la obtención de imágenes TEM utilizando un Tecnai ST20 de 200 kV (Fig. 3a-d). Se fabricaron aerogeles delgados y se secaron en rejillas TEM de película de carbono Au de malla 300 para obtener imágenes y evitar posibles cambios de la estructura interna durante las transferencias y el procesamiento.

La caracterización de la porosidad a nanoescala de los aerogeles también se llevó a cabo con mediciones de adsorción-desorción de nitrógeno, que se realizaron en un analizador de poros táctil Quantachrome NOVA a 77 K. Antes de estas mediciones, las muestras de aerogel (aproximadamente 50 mg cada una) se mantuvieron a 60 °C. durante 48 h, se desgasificó al vacío a 50 °C durante al menos 24 h y luego se exprimió en soportes de muestras en forma de tubo. Utilizando el software ASiQwin, el área de superficie específica se calculó según el método multipunto Brunauer-Emmett-Teller (BET) y luego se evaluó la distribución del tamaño de los poros de acuerdo con los modelos de teoría funcional de la densidad implementados en el software del instrumento. El área de superficie específica se determinó mediante los métodos BET a partir de la región lineal de las isotermas en el rango de presión relativa (P/P0) de 0,03 a 0,3. Las mediciones del área de superficie específica y de la distribución del tamaño de los poros se evaluaron mediante el método de la teoría funcional de la densidad. Los volúmenes totales de poros se estimaron a partir de la cantidad de N2 adsorbido a P/P0 = 0,99 para porosidades de los aerogeles estudiados que oscilan entre 99,3 y 97,5%. Se caracterizaron las isotermas de adsorción, el área de superficie total, el área de superficie de poro individual y acumulada del aerogel no modificado y silanizado (Fig. 3f, gy Fig. complementaria 6).

Modelado y caracterización de productos basados ​​en SiCellA.

Se realizaron simulaciones numéricas de unidades de acristalamiento aisladas con SiCellA (Fig. 8 y Tabla complementaria 3) utilizando el software Berkeley Lab WINDOW 7.769, asumiendo dimensiones laterales de 1000 mm por 1000 mm y una conductividad térmica de SiCellA de ~0,014 W K-1 m-1 (Fig. .5a,b). Todas las características espectrales se obtuvieron experimentalmente usando espectrómetros, como se describió anteriormente, y luego se cargaron en la entrada definida por el usuario de la Base de datos internacional de vidriados mientras se usaba Berkeley Lab Optics 6 para definir capas ópticas y calcular datos espectrales69. Se supuso que los paneles de vidrio estaban hechos de un vidrio transparente genérico (3 mm de espesor), a menos que se indique lo contrario. Para las modernizaciones, se utilizó un vidrio delgado genérico (0,5 mm de espesor) o una película de tereftalato de polietileno de 0,2 mm de espesor como capas protectoras de soporte posterior de los prototipos de modernización basados ​​en SiCellA. Para los paneles de vidrio revestidos de baja emisividad, utilizamos productos de ventana LoĒ-180, 272 y 366 de 3 mm de espesor de Cardinal Glass Industries, con las características físicas disponibles en la base de datos internacional de acristalamiento.

Fabricación de productos basados ​​en SiCellA.

Los SiCellA se fabricaron y adhirieron a sustratos plásticos utilizados como molde durante la fabricación y como capa protectora en el producto de actualización. Alternativamente, las películas independientes de SiCellA podrían adherirse electrostáticamente fácilmente a sustratos de vidrio y capas de soporte de plástico durante la instalación de modernización, de modo que solo los bordes de las ventanas modernizadas necesitaran sellarse. Para los paneles de vidrio revestidos de baja emisividad, utilizamos productos de ventana LoĒ-180, 272 y 366 de 3 mm de espesor de Cardinal Glass Industries. Se fabricaron y caracterizaron experimentalmente IGU con diferentes dimensiones laterales, que van desde 10 cm × 10 cm hasta 100 cm × 100 cm, y el número de paneles de vidrio o SiCellA. Los aerogeles SiCellA independientes de 3 mm de espesor se utilizaron como paneles intermedios de IGU de triple panel basadas en SiCellA. El espesor del espacio entre el vidrio y los paneles de SiCellA se definió mediante espaciadores de Super Spacer SS1466 Gray Edgetech con 6,3 mm y 12,7 mm de ancho. Los límites de las IGU se sellaron herméticamente con espuma de silicona y sellador IG con espaciador metálico (CR Laurence Co.).

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en el artículo publicado y en sus archivos de información complementaria y datos originales. Información adicional está disponible del autor correspondiente previa solicitud razonable. Los datos originales se proporcionan con este documento.

Agradecemos a B. Borak, K. Burrows, T. Culp, J. Gerbi, B. Fleury, A. Hess, P. de Melo, E. Schiff, M. Sofos, R. Tenent y A. Repula por las discusiones. IIS agradece la hospitalidad del Instituto Internacional para la Sostenibilidad con Knotted Chiral Meta Matter en Japón durante parte de su estadía sabática, durante la cual se preparó este artículo para su publicación. Reconocemos el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU., en virtud del premio DE-AR0000743 de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E).

Autores y afiliaciones

http://dx.doi.org/10.1037/0033-295X.108.1.103 Eldho Abraham, Vladyslav Cherpak, Bohdan Senyuk, Jan Bart ten Hove, Taewoo Lee, Qingkun Liu e Ivan I. Smalyukh

Instituto Internacional para la Sostenibilidad con Metamateria Quiral Anudada, Universidad de Hiroshima, Higashihiroshima, Japón - Bohdan Senyuk & Ivan I. Smalyukh

Programa de Ingeniería y Ciencia de Materiales, Universidad de Colorado, Boulder, CO, EE. UU. - Ivan I. Smalyukh

Instituto de Energía Renovable y Sostenible, Laboratorio Nacional de Energía Renovable y Universidad de Colorado, Boulder, CO, EE. UU. - Ivan I. Smalyukh

Contribuciones

EA, BS, VC, JBtH, TL, QL e IIS realizaron trabajos experimentales y analizaron datos. TL y BS realizaron modelos numéricos del rendimiento de la barrera térmica de IGU y modernizaciones basadas en SiCellA. IIS concibió y diseñó el proyecto y escribió el artículo, con contribuciones de todos los autores.

Autor correspondiente

Correspondencia a Ivan I. Smalyukh.

Conflicto de intereses

Los autores declaran los siguientes intereses financieros en competencia: IIS, QL, EA, BS, VC y TL presentaron solicitudes de patente relacionadas con la tecnología de aerogel de celulosa presentadas por la Universidad de Colorado, y se presenta una patente adicional al mismo tiempo que este documento. Los demás autores no declaran tener intereses en competencia.

Información de revisión por pares

Nature Energy agradece a Cinzia Buratti, Roel Loonen y los demás revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo.

nota del editorSpringer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Información suplementaria

Dato suplementario