Laboratorij za vede o okolju in življenju

Poročilo o dosežkih na projektu v 2017

DS 0: Koordinacija in vodenje projekta
UNG kot vodilni partner skrbi, da vse potrebne aktivnosti potekajo po planu in da s partnerji sproti rešujemo probleme in razpravljamo o rezultatih. V prvem letu projekta smo imeli štiri projektne sestanke predstavnikov celega konzorcija (UNG, KI, FKKT, FGG in M SORA), in sicer 8. 3. 2016 pri industrijskem partnerju in sofinancerju M SORA, 1. 6. 2016 na UNG, 13. 9. 2016 na KI in 20. 1. 2017 na FKKT.

DS 1: Vzorčno okno in računalniško modeliranje
Pregrevanje stavb v poletnem času predstavlja težavo z gledišča kvalitete notranjega bivalnega okolja v stavbah, hkrati pa ima tudi zelo velik vpliv na porabo energije za kondicioniranje stavb. Zato je bil primarni cilj raziskav preveriti, kakšen vpliv ima pasivno hlajenje z intenzivnim prezračevanjem na toplotni odziv različnih konstrukcijskih sistemov zunanjega fasadnega ovoja. Analiza je bila izvedena s pomočjo uporabe metode končnih elementov pri nestacionarnih robnih pogojih. Rezultati analize so pokazali, da imajo na toplotni odziv stavbnega ovoja v poletnem času izjemno velik vpliv intenziteta prezračevanja kot tudi količina notranjih toplotnih virov. Identificirana je bila jasna razlika v toplotnem odzivu lahkih in masivnih zasnov stavbnega ovoja. Največji vpliv sta imela toplotna kapaciteta ovojnega elementa ter pozicija toplotne izolacije.

DS 2: Razvoj funkcionalnih materialov in prevlek
V letu 2016 smo začeli raziskovati različne postopke za pripravo termokromnih VO2 prahov, pa tudi za pripravo VO2 prahov, dopiranih s kositrom in volframom. Če je za VO2 značilen prehod med polprevodnikom in kovino pri 68 °C, pa se le-ta temperatura lahko ob primernem dopiranju zniža, kar je bolj primerno ob nanosih termokromnih plasti na steklo. Izvedli smo pripravo VO2 prahov neposredno iz solov na osnovi vanadija, ki smo jih termično tretirali pri 650 °C v dušikovi atmosferi; pripravo iz amonijevega metavanadata v prisotnosti reducenta kalijevega borohidrida v glicerolu; hidrotermalne postopke v avtoklavu pri 270 °C, kjer smo izhajali iz vanadijevega(V) oksida in amonijevega metavanadata v prisotnosti ocetne ali oksalne kisline. Hidrotermalno sintezo smo uporabili tudi za pripravo dopiranih prahov. Preizkus različnih sinteznih postopkov je vsekakor omogočil izbiro bolj optimalnih, na osnovi katerih bomo tudi pripravili pigmentne prevleke. Prve prevleke na osnovi komercialnega VO2 smo z uporabo mletja v alkoholu že pripravili.

Za pripravo samočistilnih prevlek smo izvedli sintezo TiO2-SiO2 in TiO2-ZrO2-SiO2 popolnoma prepustnih tankih plasti s sol-gel procesiranjem pri nizkih temperaturah (temperatura utrjevanja plasti le 150°C oz. zadošča tudi že sušenje ob grelnem telesu ali izpostavitev sončnim žarkom). Izhajali smo iz alkoksidnih prekurzorjev in z uporabo dolgotrajnega refluksa pripravili stabilne koloidne raztopine, ki že vsebujejo fotokatalitsko aktivne nanokristalinične delce TiO2 anatazne faze. Sol-gel sintezo transparentnih tankih plasti TiO2-ZrO2-SiO2 s samočistilno učinkovitostjo smo že v prvem letu optimizirali v tolikšni meri, da smo oplaščena vzorčna okna velikosti 30 cm x 30 cm proizvajalca M SORA pripravili za vremensko izpostavitev in terenske meritve na treh lokacijah v Sloveniji – na strešnih ploščadah stavb partnerjev UNG, FGG in M SORA (Nova Gorica, Ljubljana, Žiri). Pred tem smo testno oplaščili s TiO2-SiO2 tanko plastjo tudi že težko dostopne steklene površine objekta v Idriji, na katerem lahko opazujemo delovanje optimiziranega materiala v realnem okolju.

DS 3 Karakterizacija materialov in prevlek
Pripravljene potencialno termokromne prahove smo analizirali z različnimi tehnikami (XRD, IR, SEM, DSC), da smo določili strukturo, obliko delcev in temperaturo faznega prehoda. V nekaterih primerih smo kot produkt dobili vanadijev(V) oksid, v drugih pa mešanico monoklinske in tetragonalne VO2 faze. Prahove smo segrevali še v toku Ar/H2, vendar je bila ta atmosfera preveč reduktivna in je prišlo v večini primerov do nastanka V2O3 strukture. DSC analiza je pokazala fazni prehod pri nekaterih prahovih VO2, nekoliko tudi v primeru dopiranja s kositrom, medtem ko faznega prehoda nismo zaznali pri dopiranju z volframom.

Za določevanje toplotne kapacitete vzorcev stekla s fotokatalitskimi prevlekami, ki je pomemben parameter za delovanje termokromnih oken, smo razvili metodo optotermičnega odklona, ki omogoča izračun toplotne kapacitete preko izmerjene toplotne prevodnosti in toplotne difuzivnosti materialov. Toplotno difuzivnost smo določili iz naklona funkcije, ki opisuje odvisnost faze signala od oddaljenosti osi tipalnega in vzbujevalnega žarka. Za določevanje toplotne prevodnosti pa smo razviti teoretični model prilagajali eksperimentalnim podatkom amplitude in faze signala pri različnih frekvencah modulacije (1 Hz – 3 kHz) vzbujevalnega žarka.
Fotokatalitskim prevlekam TiO2-SiO2 in TiO2-ZrO2-SiO2 smo določali strukturne in površinske lastnosti ter fotokatalitske (samočistilne) lastnosti in opravili tudi prve študije toksičnosti na sladkovodne organizme (vodne bolhe). Potrdili smo, da so nanodelci dovolj dobro pritrjeni na steklenih nosilcih, da ne pride do njihovega znatnega prehajanja v okolje in s tem potencialne nevarnosti za organizme. Fotokatalitsko aktivnost smo določili z meritvami kontaktnih kotov maščobne prevleke, spektrofluorometrično z uporabo tereftalne kisline in z EPR spektroskopijo, s katero smo posredno zasledovali tvorbo kratkoživih radikalov. Večja količina Zr poslabša fotokatalitsko aktivnost, vendar izboljša mehansko stabilnost nastalih tankih plasti. Optimalna vsebnost Zr okoli 10 mol% glede na Ti predstavlja dober kompromis med fotokatalitsko aktivnostjo in mehansko odpornostjo tankih plasti.