用于节能建筑的BNNS/PVA复合气凝胶:保温、绝热、红外隐身

在全球碳中和的大背景下,追求舒适的生活环境,同时消耗更少的能源是一个不可避免的趋势。在发达地区或国家,建筑物耗能甚至超过了全球总能耗的40%。新型复合气凝胶具有优异隔热性能和高太阳光反射率,在节能建筑方面表现出巨大的应用潜力。但是制备具有高太阳反射率的隔热材料仍十分具有挑战,尤其是对于超绝热气凝胶而言。为确保高的太阳光反射率,我们采用具有白色外观的PVA和BNNS作为原材料,通过溶剂辅助冰模板策略制备了具有各向异性的多孔复合气凝胶。高度取向的孔道结构可促进沿取向方向的传热,同时产生超低的横向导热系数。此外,我们探索了该高太阳光反射率超绝热BNNS/PVA复合气凝胶在红外隐身、保温、节能建筑方面的应用潜力。
Superinsulating BNNS/PVA Composite Aerogels with High Solar Reflectance for Energy‑Efficient Buildings

Jie Yang, Kit‑Ying Chan, Harun Venkatesan, Eunyoung Kim, Miracle Hope Adegun, Jeng‑Hun Lee, Xi Shen*, Jang‐Kyo Kim*

Nano-Micro Letters (2022)14: 54

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00797-6

本文亮点

1. 采用溶剂辅助单向冷冻法制备了具有晶须状结构的高度取向多孔BNNS/PVA复合气凝胶。

2. 制备的复合气凝胶具有优异的隔热和太阳光反射能力,热导率为23.5 mW m⁻¹ K⁻¹,低于空气热导率,同时,其太阳光反射率达到93.8%。

3. 高太阳光反射率超绝热复合气凝胶不仅具有红外隐身和保温功能,而且在节能建筑中也展现出巨大的应用潜力。

内容简介

高太阳光反射率超绝热复合气凝胶对节能建筑发展意义重大。香港科技大学沈曦(现为香港理工大学助理教授)、Jang-Kyo Kim教授团队,使用溶剂辅助冰模板策略制备了具有高度取向通道结构的BNNS/PVA复合气凝胶,并研究了丙酮和BNNS填料对其微结构和性能的影响。结果表明,向PVA水溶液中加入丙酮,会增加气凝胶孔壁厚度,抑制体积收缩,从而有效降低了气凝胶的密度,提高了气凝胶孔隙率,减弱了最终气凝胶产品的传热能力。BNNS填料的加入,进一步降低了复合气凝胶的密度(37.5 mg cm⁻³),提高了复合气凝胶的孔隙率,达到97.4%;并诱导其在相邻孔壁之间形成晶须状结构,断开了孔壁间的联系,极大地改善了垂直于孔壁取向方向上的隔热性能。最终,制备的BNNS/PVA复合气凝胶具有23.5 mW m⁻¹ K⁻¹ 的超低导热系数,低于空气的热导率(24 mW m⁻¹ K⁻¹ );超低的热导率赋予了该复合气凝胶红外隐身和保温功能。此外,该BNNS/PVA复合气凝胶在整个太阳光波长范围内具有93.8%的高太阳光反射率,远远优于商业化的带有反射涂层的发泡聚苯乙烯泡沫,在节能建筑中展现出了巨大的应用潜力。
图文导读

BNNS/PVA复合气凝胶结构

首先,采用尿素辅助的球磨法制备了带氨基的少层BNNS,其能很好地分散于PVA水溶液中;然后,通过丙酮辅助的冰模板技术制备了具有高度取向多孔结构的BNNS/PVA复合气凝胶。加入丙酮和BNNS对复合气凝胶结构进行优化(如图1)。纯PVA气凝胶在冷冻方向上具有排列整齐的多孔通道结构,且在横向上连接互通。加入少量低冰点温度的丙酮后,冷冻速率降低,孔壁厚度增加;加入BNNS后,诱导形成了长而中空的通道结构,相邻取向排列的孔壁被密集的晶须状结构所隔断。这些微观结构的差异对最终复合材料的性能产生了重大影响。

图1. (a) 高太阳光反射率隔热复合气凝胶在节能建筑中热调控的示意图;(b) 溶剂辅助单向冷冻法制备高度取向复合气凝胶;(c) 超轻BNNS/PVA复合气凝胶实物图;(d) 复合气凝胶在加入丙酮和BNNS后的结构演化。
II BNNS/PVA复合气凝胶物理/机械性能

气凝胶的热导率与其孔隙率密切相关,但通过冷冻干燥技术制备的气凝胶容易发生体积收缩,因此我们首先研究了溶剂和BNNS的加入对所得复合气凝胶孔隙率的影响(如图2)。引入丙酮和BNNS,气凝胶的收缩明显减缓;加入5 vol%丙酮后,由于孔壁厚度增加,PVA气凝胶的收缩率从70%降至60%;单独添加20 wt% BNNS后,其收缩率降低至54%。因此,在丙酮和BNNS的共同作用下,BNNS/PVA复合气凝胶的收缩率降低至46%。相应地,BNNS/PVA复合气凝胶的密度随着丙酮和BNNS含量的增加而迅速降低,比纯PVA气凝胶相比降低了32%;同时,其孔隙率也从95.6%提高到了97.4%。

通过添加丙酮和BNNS来降低气凝胶密度,进而降低其热导率,但密度降低通常会导致机械性能恶化。然而,在此工作中BNNS/PVA气凝胶的性能改变恰恰相反,即使在较低的密度条件下,其机械性能也显著提高,且能够承受超过其自身重量1900倍的压力。BNNS/PVA复合气凝胶的力学性能表现出各向异性,取向方向的模量远高于横向方向。与纯PVA气凝胶相比,尽管密度降低了32%,BNNS/PVA复合气凝胶的轴向压缩模量和横向压缩模量分别提高了210%和280%。力学性能的提高主要由于丙酮诱导孔壁增厚和BNNS的增强效应。经过进一步计算发现,复合气凝胶的比压缩模量(压缩模量与表观密度之比)在轴向和横向上比纯PVA气凝胶高出4.5倍。

图2. (a) 复合气凝胶的收缩率和密度;(b) 复合气凝胶的孔隙率;(c) 复合气凝胶在轴向和横向的应力-应变曲线(插图为复合气凝胶在500 g重压下的实物图);(d) 复合气凝胶在轴向和横向的压缩模量。
III BNNS/PVA复合气凝胶隔热性能

同样,高度取向结构使BNNS/PVA复合气凝胶具有显著的各向异性隔热性能,横向热导率显著低于冻结方向(轴向)热导率(如图3)。因此,在隔热应用时选择与多孔通道横向的方向,在本文的讨论中也将重点放在气凝胶横向的传热上。在丙酮和BNNS的共同作用下,复合气凝胶的横向隔热性能得到了协同增强,表现出了23.5 mW m⁻¹ K⁻¹ 的超低热导率,甚至比空气的热导率还低。超绝热性能的实现主要归因于高度取向结构、高孔隙率、孔壁上介孔结构、BNNS和PVA之间界面热阻等因素的协同效应。使用热红外成像仪,对复合气凝胶和商用聚苯乙烯泡沫(EPS)的隔热性能进行对比。结果发现,无论使用接触热源还是非接触热源,复合气凝胶都表现出更优异的隔热性能。

图3. (a) PVA气凝胶横向和轴向热导率;(b) BNNS/PVA复合气凝胶横向和轴向热导率;(c) 超绝热BNNS/PVA复合气凝胶的工作机理;(d-h) BNNS/PVA复合气凝胶和商用EPS泡沫隔热性能比较。

优异的隔热性能赋予了BNNS/PVA复合气凝胶红外隐身功能,可应用于温度相对较低或较高的目标的红外隐身方面;与EPS泡沫相比,复合气凝胶也表现出更好的保温功能(如图4)。

图4. 超绝热BNNS/PVA复合气凝胶的(a-b) 红外隐身和(c-d) 保温功能。

IV BNNS/PVA复合凝胶的太阳光反射率

UV–vis–NIR谱图(如图5)表明相同厚度的BNNS/PVA复合气凝胶在0.3-2.5 μm整个太阳光波长范围内的反射率明显高于商用EPS泡沫和带有反射涂层的EPS泡沫(EPS@Coatings)。经计算,在整个太阳光波长范围内,复合气凝胶的加权反射率达到93.8%。进行实地测试后发现,复合气凝胶用作建筑材料时比传统的玻璃和商用的 EPS@Coatings表现出更好的冷却效果,平均温度分别降低约10 ℃和3 ℃(相当于22%和8%的降幅)。与文献中报道的绝热材料和其他商业产品相比,BNNS/PVA复合气凝胶的隔热和光反射综合性能均达到了前沿领先水平。

图5. BNNS/PVA复合气凝胶、EPS泡沫和EPS@Coatings的(a) UV–vis–NIR谱图、(b) 太阳光加权反射率和(c-e) 现场试验(包括试验装置、太阳光强和实时温度);(f) BNNS/PVA复合气凝胶与文献报道的隔热材料和商业产品在太阳光反射率与热导率两个方面的综合比较。

作者简介

杨洁

本文第一作者

香港科技大学博士后

(现为四川大学特聘研究员)

主要研究领域
热管理高分子材料(导热&绝热)和相变储能材料。

沈曦

本文通讯作者

香港理工大学 助理教授

主要研究领域

新型低维纳米材料在高分子复合材料中的可控合成及多功能应用。

主要研究成果

香港理工大学助理教授,曾任香港科技大学研究助理教授、德国凯泽斯劳滕工业大学复合材料研究所洪堡学者。主持香港研究资助局优配研究金(RGC GRF)2项、香港创新科技署创新及科技基金(ITF)1项,已发表SCI论文50多篇,其中高被引论文5篇,SCI引用超过4000次。获得的学术奖励包括Hong Kong PhD Fellowship (2011-2015),Tsai Award (2015),Humboldt Research Fellowship (2017-2018)等。

Email: xi.shen@polyu.edu.hk

个人主页

https://www.polyu.edu.hk/aae/people/academic-staff/dr-xi-shen/

Jang-Kyo Kim

本文通讯作者

香港科技大学 荣休教授

主要研究领域

先进材料,包括纤维增强复合材料和纳米复合材料的制备、表征与应用。

主要研究成果

香港科技大学荣休教授,曾任香港科技大学讲座教授、Finetex-香港科技大学研发中心和先进工程材料研究所(AEMF)主任,主要从事石墨烯、碳纳米管、纳米粘土和二维材料在多功能复合材料以及储能方面的应用。已发表了400多篇期刊论文,12本书籍章节,3本研究专著,并拥有13项专利。他的研究团队获得了12项国际会议和竞赛最佳论文奖。目前担任Composites Part A的编辑(Editor),Aerospace Science and Technology的副编辑(Associate Editor)和12个期刊的编委,包括Nanoscale Horizons(RSC)和Energy Storage Materials (Elsevier)。Kim教授是香港工程科学院(HKAES)、皇家航空学会(RAeS)、皇家化学学会(RSC)和香港工程师学会(HKIE)的会/院士(Fellow),并曾担任亚澳复合材料协会(AACM)主席(2008-2010)。他被Clarivate Analytics(Web of Science)评为2018、2020和2021年的高被引学者(Highly Cited Researcher)。

Email: mejkkim@ust.hk

个人主页

https://www.mae.ust.hk/en/people/faculty/detail/kim-jang-kyo
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编辑:《纳微快报(英文)》编辑部
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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, etc),包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录,2020JCR影响因子达16.419,学科排名Q1区前10%,中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉,2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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