为了解决这些问题，来自科罗拉多大学的Ivan I. Smalyukh团队开发出一种由生物聚合物纤维素制成的高度透明的气凝胶，通过利用胶体自组装和与卷对卷加工兼容的程序等方法制备出了新型的基于气凝胶的窗户。气凝胶的可见光透过率为97–99%（高于玻璃的性能），雾度约为1%，热导率低于静止空气。这些轻质材料可以用作多窗格中空玻璃单元内的窗格玻璃，也可以用于改造现有的窗户。该论文以“Highly transparent silanized cellulose aerogels for boosting energy efficiency of glazing in buildings”为题发表在Nature Energy期刊上。
图1 基于SiCellA的窗口改造和IGU
基于SiCellA的窗口制备和设计
本文制备的气凝胶由直径为纳米级别的纤维素纳米纤维制成，这些纤维可以从木材中提取，也可以由细菌在类似于食品工业的过程中生产。然后，纤维在水分散体中交联形成水凝胶，然后通过仔细优化的程序，包括溶剂交换和超临界干燥，用空气代替纤维周围的流体介质，转化为气凝胶。气凝胶薄膜可以粘附在塑料基底上并进行轧制从而提换玻璃单元（图1a，b）。通过评估热量从热侧传递到冷侧的能力，作者证明了SiCellA材料提高了窗户的隔热性能（图1c–e）。
图2 窗口尺度下超疏水SiCellAs的制备
为了制备SiCellA材料，作者在制备过程中使用通过2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基（TEMPO）介导的天然纤维素氧化处理木浆衍生的纤维素纳米纤维。因此，与羧酸根阴离子相关的表面电荷阻止了纳米纤维的聚集，并允许形成不同浓度的稳定胶体水分散体，这些水分散体可以倒入所需形状和尺寸的模具中。添加酸通过羧基之间的氢键将这些纳米纤维连接起来，将胶体分散体转化为水凝胶，具有稀疏纳米纤维网络。接下来，作者通过用异丙醇或乙醇代替水来交换凝胶内的流体介质，然后超临界干燥凝胶以形成气凝胶（图2）。其中硅烷化过程使SiCellAs具有超疏水性，这是窗户应用的一种非常理想的性质。
SiCellA的光学、热学和力学性能
作者发现SiCellA的独立板具有非常高的可见范围透射率，在97-99%之间，远高于单个透明玻璃的~92%（图3）。此外，雾度系数较低，通常在1–3%以内，这取决于SiCellA板的厚度。此外，SiCellA的孔隙率非常高，固体含量仅为~1%，空气含量约为99%，这使得SiCellA材料和空气的有效折射率接近。由于这种低折射率~1.0025（与空气~1.003和玻璃~1.52相比），SiCellA–空气界面比玻璃–空气界面反射的光少得多，因此SiCellA的光透射在整个可见光和近红外光谱范围内都很高（图3）。最后由于SiCellA的显色指数（量化材料或窗口对自然颜色感知的影响）38，39非常高，约为99%，因此自然颜色得以保留。
图3 SiCellA材料的光学性能
SiCellA可以作为一种出色的热屏蔽材料，能够提高窗口的传热电阻R，并降低测量窗口绝缘程度的U因子。SiCellA的纳米级形态使得空气分子与纤维素网络的碰撞比彼此碰撞更频繁，因此与本体空气相比，气体热传导大大降低，而纤维素网络的纤维之间较差的热接触使通过（约1%体积）固体组分的热传导最小化。
图4 SiCellA材料的拉伸性能
虽然传统气凝胶的机械稳定性差阻碍了许多技术应用，但SiCellA材料的机械稳定性得益于硅烷化过程得到加强（图4）。压缩和弯曲变形表明，这种材料可以承受各种窗户产品制造和使用过程中预期的基本机械载荷。压缩的周期性循环没有显示出机械性能随时间的可检测退化。毫米至厘米厚度的SiCellA薄膜和板可以弯曲甚至轧制，同时保持高透明度，不会出现裂纹或性能下降。由于机械性能取决于孔隙度，因此也可以通过制备具有不同孔隙度和固体含量的样品来调整所需的机械性能。
图5 SiCellA和窗户产品的耐用性、稳定性和耐冷凝性
SiCellA和窗户产品的应用
对于应用于窗口的材料往往有许多严格的要求，远远超出了上述的光学、热和机械特性。其中一些与材料本身的耐久性以及使用这些材料的整体玻璃产品有关。硅烷化和未改性纤维素气凝胶的表征表明，它们在环境温度和高温下是稳定的（图5）。SiCellA气凝胶在用作改装和IGU内时提高了窗户的抗冷凝性能，SiCellA改装的单窗格玻璃显示出与商用双窗格IGUs1-9相当的抗冷凝系数（CRF）。用SiCellA代替空气填充物的薄双层板IGU显示出82的CFR，比商业双层板IGU5-9已知的35-50要好得多。SiCellA显著提高了窗户产品的耐冷凝性，包括在用气凝胶膜改造时的单窗格窗户和在将气凝胶插入双层IGU的间隙时的IGU。在SiCellA IGU的化学雾化测试后，没有可检测到的性能退化（图6），这与它们的超疏水性质有关。测试表明SiCellA IGU的光学或热性能没有显著/可检测的退化。通过用间隙内含有SiCellA的IGU进行美国材料试验协会（ASTM）标准试验ASTM 2189和ASTM 2190-19，作者发现IGU内部没有冷凝，光传输和热性能也没有因化学过程或紫外线照射等因素而发生显著变化。
图6 含有SiCellA的窗户产品
作者在本文中展示了气凝胶如何提高能源效率，并可能为中空玻璃单元、天窗、采光和立面玻璃提供先进的技术解决方案，从而有可能增加玻璃在建筑围护结构中的作用。
Nature Energy还在同一期期刊上发表了一份研究简报，概述了该团队所做的工作。“Abraham等人的这项工作对我来说很突出，因为它为窗户提供了隔热，同时保持了高透明度和低雾度，这一点迄今为止一直很有挑战性。气凝胶可以在现有和新的窗户中使用，这是提高建筑围护结构能效的可行解决方案。”该工作得到了Nature Energy期刊编辑Giulia Tregnago的高度评价。
--纤维素推荐--
--测试服务--
--荐号--
https://www.nature.com/articles/s41560-023-01229-4
https://www.nature.com/articles/s41560-023-01226-7
https://techxplore.com/news/2023-03-team-see-through-aerogel-wood-insulates.html