4 minute read
THERMOCHROME COATINGS: DE SLEUTEL TOT DUURZAME GEBOUWEN
Energiezuinig wonen staat hoog op de politieke agenda in Europa. Zo streeft de Europese Commissie naar een uiterst energie-efficiënt gebouwenbestand tegen 2050. Een coating, die afhankelijk van de buitentemperatuur warmte kan aantrekken of afstoten, kan hierbij een belangrijke rol spelen. Xinyu Guo (26), doctoraatsstudent binnen de functionele materialen (SIEM), verdiept zich in het ontwikkelen van zo’n slimme thermochrome coating voor een verbeterde warmteregulatie in gebouwen.
Xinyu studeerde in 2023 af als master in de polymeerchemie en -fysica aan Fudan University in Shanghai, China. In haar master voerde ze experimenten uit met phase changing materials (PCM), stoffen die door een faseverandering energie kunnen opslaan en vrijgeven. Ook het topic van haar doctoraat houdt verband met die PCM’s. Zo experimenteert ze met vanadiumdioxide om een slimme thermochrome coating te ontwikkelen die de energie-efficiëntie van gebouwen moet optimaliseren.
Extreem weer
Door de klimaatopwarming worden we wereldwijd steeds vaker geconfronteerd met extreem weer. Om de temperatuur in onze gebouwen aangenaam te houden, draaien onze HVAC-systemen op volle toeren. “Verwarmings-, koelings- en ventilatiesystemen zijn verantwoordelijk voor meer dan de helft van het totale energieverbruik van gebouwen. Bovendien is het energieverbruik van gebouwen goed voor zo’n 30 à 40% van het wereldwijde energieverbruik en voor zo’n 30% van de CO2-uitstoot”, licht Xinyu toe. Xinyu wil dit energieverbruik verminderen met een slimme thermochrome coating. “De thermochrome coating zal warmte aantrekken of afstoten afhankelijk van de buitentemperatuur en verbruikt zo geen elektriciteit. Mijn onderzoek biedt dan ook een duurzame oplossing voor het hoge energieverbruik van HVAC-systemen in gebouwen”, aldus Xinyu.
Van transmissie naar reflectie
Xinyu gebruikt het PCM vanadiumdioxide als cruciaal bestanddeel van de coating. “De optische eigenschappen van vanadiumdioxide veranderen bij temperatuurverschillen. Bij lage temperaturen is de coating hoog-transmissief en laat die infraroodlicht door, zodat dit het onderliggende oppervlak kan bereiken en opwarmen.
Bij hoge temperaturen is de coating net reflecterend en kaatst die hitte terug”, legt Xinyu uit. De kleur van vanadiumdioxide, en ook van de coating, verandert niet bij een faseovergang. “Je zou kunnen denken dat de stof wit wordt bij hoge temperaturen en zwart bij lage temperaturen, maar de verandering van de optische eigenschappen bevindt zich niet in het visuele, maar in het infrarood-spectrum. In het infraroodspectrum zal de stof bij een faseovergang transparant, reflecterend of absorberend worden”, aldus Xinyu.
De optische eigenschappen van vanadiumdioxide veranderen normaal op 68 °C. Deze transitietemperatuur ligt veel hoger dan onze typische buitentemperaturen, waardoor deze verlaagd moet worden om effectief te zijn in ons klimaat.
“Door een wolfraamatoom toe te voegen aan het vanadium, kan ik efficiënt de transitietemperatuur verlagen naar een temperatuur tussen 20 en 30° C”, licht Xinyu toe. Het vanadiumdioxide wordt uiteindelijk ook vermengd met bindmiddelen zoals epoxy, een materiaal dat vaak gebruikt wordt in coatings. “Zo komen we tot een vloeibare coating die net als verf op de buitengevel van gebouwen kan worden aangebracht”, aldus Xinyu.
Oxidatie, hechting en properheid
Om de duurzaamheid van de coating te garanderen, focust Xinyu op drie belangrijke factoren: oxidatie, hechting en het schoonhouden van de coating.
“Wanneer het vanadiumdioxide uit de coating blootgesteld wordt aan zuurstof in de lucht kan het verder oxideren naar vanadiumpentoxide, waarbij er geen faseovergang meer zal plaatsvinden en de thermochrome eigenschappen verloren gaan. Daarom zal ik een schild ontwikkelen dat de zuurstof weghoudt van de coating”, licht Xinyu toe.
Daarnaast is het cruciaal dat de coating zich goed hecht aan ondoorzichtige oppervlakken, zoals beton of textiel. “Een hoog vochtgehalte van beton bijvoorbeeld kan bubbels creëren of de coating doen afbladderen, en een hoge porositeit zorgt voor een ongelijke applicatie van de coating. Daarom gebruik ik epoxy en PDMS als bindmiddelen en pas ik de formule aan waar nodig voor een goede hechting”, vult Xinyu aan.
Tot slot is het belangrijk dat het oppervlak van de coating schoon blijft. “Stof of bacteriën kunnen het licht reflecteren wanneer dit niet de bedoeling is. Om dat te vermijden zal ik de coating superhydrofoob maken”, aldus Xinyu.
False switching
Een recent fenomeen dat Xinyu later in haar doctoraat zou willen tackelen is false switching, waarbij de coating op het verkeerde moment van optische eigenschap verandert.
“Op een koude winterdag met fel zonlicht kan de temperatuur van de coating op bepaalde plaatsen hoger klimmen dan de transitietemperatuur, waardoor de coating ongewenst het zonlicht zal reflecteren”, legt Xinyu uit.
Om dit probleem op te lossen zal Xinyu inzetten op de thermische geleidbaarheid van de coating, zodat de warmte niet ophoopt op bepaalde oppervlakken.
Aan het einde van haar doctoraat hoopt Xinyu een thermochrome, esthetisch aantrekkelijke coating te verkrijgen die tegemoetkomt aan de huidige uitdagingen. “Ik hoop ook dat we de coating effectief kunnen inzetten in realistische toepassingen, zoals bouwmuren of voertuigen, en dat het natuurlijk ook een steentje kan bijdragen in de strijd tegen de klimaatopwarming”, besluit Xinyu.
- Pauline Van Springel
