建物のガラスのエネルギー効率を高めるための、透明度の高いシラン化セルロースエアロゲル

日付: 2023 年 8 月 18 日

著者: Eldho Abraham、Vladyslav Cherpak、Bohdan Senyuk、Jan Bart ten Hove、Taewoo Lee、Qingkun Liu、Ivan I. Smalyukh

ソース：Nature Energy、第 8 巻、381 ～ 396 ページ (2023)

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

快適な室内条件を維持するために、建物は世界中で生成されるエネルギーの約 40% を消費します。 建物の内部を屋外の寒さや暑さから受動的に隔離するという点では、ガラスの高い透明性と断熱性を同時に達成することが依然として課題であるため、窓と天窓は建物の外壁の中で最も効率の悪い部分です。 今回我々は、コロイド自己集合法やロールツーロール処理と互換性のある手順などのアプローチを利用して、地球上に豊富に存在する生体高分子であるセルロースから作製した透明性の高いエアロゲルについて説明します。 エアロゲルの可視光線透過率は 97 ～ 99% (ガラスよりも優れています)、ヘイズは約 1%、熱伝導率は静止空気よりも低いです。 これらの軽量材料は、複層ガラス断熱ガラスユニット内の窓ガラスとして使用したり、既存の窓を改造したりすることができます。 私たちは、エアロゲルがどのようにエネルギー効率を高め、断熱ガラスユニット、天窓、採光、ファサードガラスの高度な技術ソリューションを可能にし、建物外壁におけるガラスの役割を潜在的に高める可能性があることを実証します。

屋外環境に関係なく、追加のエネルギー供給をほとんどまたはまったく行わずに、望ましい屋内条件を提供するには、建物外壁は、熱伝導、対流、および放出による内部と外部のエネルギー交換を最小限に抑える必要があります1、2、3、4。 可視領域の透明性とヘイズに関する典型的な厳しい要件のため、ガラスでこれを達成することは特に困難です5,6。 この課題に対する現在のアプローチは、空気または充填ガスを備えた断熱ガラスユニット (IGU) を利用しています 5、6、7、8 が、そのような IGU の高い遮熱性能にはガラス間の大きなギャップ厚が必要であり、そのギャップはガス対流によって制限されます。 、ペインの数と構造上の制約。 一方、はるかに薄い真空断熱ガラスユニットの使用は、シールの完全性と高コストによって制限されます9,10。 低放射率の銀やその他のコーティングは、室温の建物の内部から発生する黒体のような電磁放射によるエネルギー損失を制限できます5、6、7、8、9、10。ただし、逃がす光の一部しか捕捉できません。可視領域の透明性を悪化させるという犠牲を払ってエネルギーを消費します。

パイプ断熱から火星探査機に至るまでの用途で使用される高断熱材料であるエアロゲル 11、12、13 は、ガス充填材の固体材料の代替品として IGU 内での用途に非常に求められています 14、15、16、17、18、19。これらは、効率的な断熱層として静止空気や他のガス充填材よりも優れた性能を発揮できる材料の一種として際立っています20、21、22、23、24。 ただし、エアロゲルは通常、機械的に壊れやすく、光を強く散乱します12、13、25、26、27、28、29。 低ヘイズ、高透明度、機械的堅牢性を備えたエアロゲルを建築関連の規模とコストで製造することも依然として課題でした 30。 セルロースベースのエアロゲル 25、28、29、30、31 を含む透明エアロゲルの開発は依然として小規模に限定されており、曇りや透明性の特性もほとんどのタイプのガラスでの使用にはまだ不十分です。 温度範囲の放射率を制御するための技術ソリューションは非常に適切で広く使用されています 5,6,7,8,9 が、最近のエレクトロクロミック アプローチの出現により、太陽光利得とプライバシー制御のニーズに対処できることが期待されています 32,33,34。優れた透明な断熱材が不足しているため、窓技術のエネルギー効率が大きく制限されます5、6、7、8、9。

ここでは、ガラス用途に適した材料特性を備えた、透明性の高いシラン化セルロース エアロゲル (SiCellAs) のスケーラブルな製造を実証します。 これらの断熱性の高い SiCellA 材料をガラス板の間に挟むと、熱流に対する抵抗 R が高くなります。たとえば、RB = 5 h ft2 °F Btu−1 (北米で一般的なインペリアル単位。Btu は英国の単位を表します)熱単位）および RS ≈ 0.9 m2 K W−1（SI 単位）。 SiCellA は、従来の二重窓 IGU の幾何学的形状ファクターでこのような高 R 断熱を実現するのに役立つ可能性があり、採光や天窓のガラス使用を可能にする可能性があり、窓だけでなく建物の壁の現在の基準や目標を超える可能性があります 1,2。 3、4、7。 空気または他のガス充填材を使用した IGU の展開は、大きなガラス間ギャップでの対流や、複数ガラス IGU のガラスと空気の境界面からの光の反射によって制限されますが、SiCellA ベースの IGU にはそのような本質的な制限は存在しません。