Aérogels de cellulose silanisée hautement transparents pour améliorer l'efficacité énergétique des vitrages des bâtiments

Date : 18 août 2023

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

Source:Nature Energy, volume 8, pages 381 à 396 (2023)

EST CE QUE JE:https://doi.org/10.1038/s41560-023-01226-7

Pour maintenir des conditions intérieures confortables, les bâtiments consomment environ 40 % de l’énergie produite dans le monde. En termes d'isolation passive des intérieurs de bâtiments du froid ou de la chaleur extérieure, les fenêtres et les lucarnes sont les parties les moins efficaces de l'enveloppe du bâtiment, car atteindre simultanément une transparence élevée et une isolation thermique des vitrages reste un défi. Nous décrivons ici des aérogels hautement transparents fabriqués à partir de cellulose, un biopolymère abondant sur Terre, en utilisant des approches telles que l'auto-assemblage colloïdal et des procédures compatibles avec le traitement rouleau à rouleau. Les aérogels ont une transmission lumineuse dans le visible de 97 à 99 % (meilleure que le verre), une brume d'environ 1 % et une conductivité thermique inférieure à celle de l'air immobile. Ces matériaux légers peuvent être utilisés comme vitrages à l’intérieur de vitrages isolants à plusieurs carreaux et pour rénover les fenêtres existantes. Nous démontrons comment les aérogels améliorent l'efficacité énergétique et peuvent permettre des solutions techniques avancées pour les vitrages isolants, les lucarnes, l'éclairage naturel et le vitrage des façades, augmentant potentiellement le rôle du vitrage dans les enveloppes des bâtiments.

Pour fournir les conditions intérieures souhaitées quel que soit l'environnement extérieur avec peu ou pas d'apport d'énergie supplémentaire, les enveloppes des bâtiments doivent minimiser l'échange d'énergie intérieur-extérieur par conduction thermique, convection et émission1,2,3,4. Y parvenir avec le vitrage est particulièrement difficile en raison des exigences strictes en matière de transparence et de voile dans le domaine visible5,6. Alors que les approches actuelles pour relever ce défi utilisent des unités de vitrage isolant (IGU) avec de l'air ou du gaz de remplissage5,6,7,8, les performances élevées de barrière thermique de ces IGU nécessitent une grande épaisseur d'espace entre les vitres, qui à son tour est limitée par la convection du gaz. , nombre de vitres et contraintes structurelles. L’utilisation de vitrages isolés sous vide beaucoup plus minces, en revanche, est limitée par l’intégrité du joint et les coûts élevés9,10. L'argent à faible émissivité et d'autres revêtements permettent de limiter la perte d'énergie due à l'émissivité électromagnétique de type corps noir provenant de l'intérieur du bâtiment à température ambiante5,6,7,8,9,10, bien qu'ils ne puissent capter qu'une fraction de la fuite. l'énergie au prix d'une détérioration de la transparence du domaine visible.

Les aérogels, matériaux hautement isolants thermiquement utilisés dans des applications allant de l'isolation de tuyaux à un rover martien11,12,13, ont été très recherchés pour les applications à l'intérieur des IGU en tant que matériau solide de remplacement des charges de gaz14,15,16,17,18,19 car ils se distinguent comme une classe de matériaux capables de surpasser l'air calme et les autres gaz de remplissage en tant que barrières thermiques efficaces20,21,22,23,24. Cependant, les aérogels sont généralement mécaniquement fragiles et diffusent fortement la lumière12,13,25,26,27,28,29. La fabrication d’aérogels présentant un faible voile, une transparence élevée et une robustesse mécanique à des échelles et à des coûts adaptés au bâtiment restait également un défi30. Le développement d'aérogels transparents, y compris ceux à base de cellulose25,28,29,30,31, est resté limité à de petites échelles tout en présentant des caractéristiques de voile et de transparence encore insuffisantes pour une utilisation dans la plupart des types de vitrages. Bien que les solutions technologiques pour contrôler l’émissivité thermique soient très adéquates et largement utilisées5,6,7,8,9, et que l’avènement récent des approches électrochromiques promettent de répondre aux besoins de gain solaire et de contrôle de la vie privée32,33,34, le le manque de bonnes barrières thermiques transparentes limite fortement l’efficacité énergétique des technologies de fenêtres5,6,7,8,9.

Nous démontrons ici la fabrication évolutive d’aérogels de cellulose silanisée (SiCellAs) hautement transparents avec des caractéristiques matérielles adéquates pour les applications de vitrage. Ces matériaux SiCellA hautement isolants thermiquement, pris en sandwich entre des vitres, peuvent permettre la réalisation de fenêtres présentant une haute résistance R au flux de chaleur, telle que RB = 5 h pi2 °F Btu−1 (unités impériales courantes en Amérique du Nord, où Btu représente une valeur britannique). unité thermique) et RS ≈ 0,9 m2 K W−1 (unités SI). SiCellA peut aider à obtenir une telle isolation à R élevé pour un facteur de forme géométrique d'une IGU à double vitrage conventionnelle et peut permettre l'utilisation de vitrages pour l'éclairage naturel et les lucarnes, dépassant potentiellement les normes et objectifs actuels non seulement pour les fenêtres mais même pour les murs des bâtiments1,2, 3,4,7. Bien que le déploiement d'IGU avec des charges d'air ou d'autres gaz soit limité par la convection au niveau des grands espaces entre les panneaux et par les réflexions de la lumière provenant des interfaces verre-air des IGU à plusieurs panneaux, aucune limitation intrinsèque de ce type n'existe pour les IGU à base de SiCellA.