Aerogéis de celulose silanizada altamente transparentes para aumentar a eficiência energética de envidraçados em edifícios

Data: 18 de agosto de 2023

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

Fonte:Nature Energy, volume 8, páginas 381–396 (2023)

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

Para manter condições interiores confortáveis, os edifícios consomem cerca de 40% da energia gerada globalmente. Em termos de isolamento passivo dos interiores dos edifícios do exterior frio ou quente, as janelas e as claraboias são as partes menos eficientes da envolvente do edifício, porque alcançar simultaneamente elevada transparência e isolamento térmico dos vidros continua a ser um desafio. Aqui descrevemos aerogéis altamente transparentes fabricados a partir de celulose, um biopolímero abundante na Terra, utilizando abordagens como automontagem coloidal e procedimentos compatíveis com processamento rolo a rolo. Os aerogéis têm transmissão de luz na faixa visível de 97–99% (melhor que o vidro), neblina de aproximadamente 1% e condutividade térmica inferior à do ar parado. Esses materiais leves podem ser usados ​​como painéis dentro de unidades de vidro isolante com vários painéis e para reformar janelas existentes. Demonstramos como os aerogéis aumentam a eficiência energética e podem permitir soluções técnicas avançadas para unidades de vidro isolante, clarabóias, iluminação natural e envidraçamento de fachadas, aumentando potencialmente o papel do envidraçamento na envolvente dos edifícios.

Para proporcionar as condições interiores desejadas, independentemente do ambiente exterior, com pouco ou nenhum fornecimento de energia adicional, as envolventes dos edifícios necessitam de minimizar a troca de energia interior-exterior através da condução térmica, convecção e emissão1,2,3,4. Conseguir isso com envidraçamento é especialmente desafiador devido aos requisitos rigorosos típicos de transparência e turbidez na faixa visível5,6. Embora as abordagens atuais para este desafio utilizem unidades de vidro isolante (IGUs) com ar ou gás de enchimento5,6,7,8, o alto desempenho da barreira térmica de tais IGUs requer uma grande espessura de folga entre os painéis de vidro, que por sua vez é limitada pela convecção de gás , número de painéis e restrições estruturais. O uso de unidades de vidro isoladas a vácuo muito mais finas, por outro lado, é limitado pela integridade da vedação e pelos altos custos9,10. A prata de baixa emissividade e outros revestimentos permitem limitar a perda de energia devido à emissividade eletromagnética semelhante ao corpo negro originada do interior do edifício à temperatura ambiente 5,6,7,8,9,10, embora possam capturar apenas uma fração da energia que escapa. energia ao custo da deterioração da transparência na faixa visível.

Aerogéis, materiais altamente isolantes térmicos usados ​​em aplicações que vão desde isolamento de tubos até um rover de Marte 11,12,13, têm sido muito procurados para aplicações dentro de IGUs como um substituto de material sólido para enchimentos de gás 14,15,16,17,18,19 porque eles se destacam como uma classe de materiais capazes de superar o ar parado e outros enchimentos de gás como barreiras térmicas eficientes20,21,22,23,24. No entanto, os aerogéis são tipicamente frágeis mecanicamente e dispersam fortemente a luz . A fabricação de aerogéis com baixa turbidez, alta transparência e robustez mecânica em escalas e custos relevantes para a construção também continuou sendo um desafio30. O desenvolvimento de aerogéis transparentes, incluindo os à base de celulose25,28,29,30,31, permaneceu limitado a pequenas escalas, ao mesmo tempo que apresentava características de turvação e transparência ainda inadequadas para uso na maioria dos tipos de envidraçamento. Embora as soluções tecnológicas para controle da emissividade na faixa térmica sejam altamente adequadas e amplamente utilizadas5,6,7,8,9, e o recente advento das abordagens eletrocrômicas prometam atender às necessidades de ganho solar e controle de privacidade32,33,34, o a falta de boas barreiras térmicas transparentes limita fortemente a eficiência energética das tecnologias de janelas5,6,7,8,9.

Aqui demonstramos a fabricação escalonável de aerogéis de celulose silanizada altamente transparentes (SiCellAs) com características de material adequadas para aplicações de envidraçamento. Esses materiais SiCellA altamente isolantes termicamente, imprensados ​​entre painéis de vidro, podem permitir janelas com alta resistência R ao fluxo de calor, como RB = 5 h ft2 °F Btu−1 (unidades imperiais comuns para a América do Norte, onde Btu significa britânico unidade térmica) e RS ≈ 0,9 m2 K W−1 (unidades SI). SiCellA pode ajudar a alcançar esse isolamento de alto R para um formato geométrico de uma IGU convencional de painel duplo e pode permitir envidraçamento para iluminação natural e claraboias, excedendo potencialmente os padrões e metas atuais não apenas para janelas, mas até mesmo para paredes de edifícios1,2, 3,4,7. Embora a implantação de IGUs com ar ou outros enchimentos de gás seja limitada pela convecção em grandes lacunas entre painéis e por reflexos de luz das interfaces vidro-ar de IGUs de múltiplos painéis, não existem tais limitações intrínsecas para IGUs baseados em SiCellA.