Humidity-Dependent Thermal Boundary Conductance Controls Heat Transport of Super-Insulating Nanofibrillar Foams

材料科学 热导率 复合材料 水分 相对湿度 湿度 热的 纳米纤维素 纤维素 化学工程 热力学 物理 工程类
作者
Varvara Apostolopoulou‐Kalkavoura,Shiqian Hu,Nathalie Lavoine,Mohit Garg,Mathieu Linares,Pierre Munier,Igor Zozoulenko,Junichiro Shiomi,Lennart Bergström
出处
期刊:Matter [Elsevier]
卷期号:4 (1): 276-289 被引量:42
标识
DOI:10.1016/j.matt.2020.11.007
摘要

Cellulose nanomaterial (CNM)-based foams and aerogels with thermal conductivities substantially below the value for air attract significant interest as super-insulating materials in energy-efficient green buildings. However, the moisture dependence of the thermal conductivity of hygroscopic CNM-based materials is poorly understood, and the importance of phonon scattering in nanofibrillar foams remains unexplored. Here, we show that the thermal conductivity perpendicular to the aligned nanofibrils in super-insulating ice-templated nanocellulose foams is lower for thinner fibrils and depends strongly on relative humidity (RH), with the lowest thermal conductivity (14 mW m−1 K−1) attained at 35% RH. Molecular simulations show that the thermal boundary conductance is reduced by the moisture-uptake-controlled increase of the fibril-fibril separation distance and increased by the replacement of air with water in the foam walls. Controlling the heat transport of hygroscopic super-insulating nanofibrillar foams by moisture uptake and release is of potential interest in packaging and building applications.
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