Разработан новый подход к нанесению цветных двухслойных поверхностей

N+1Наука

Слой инфракрасного отражателя под краской охладил черную поверхность на 15 градусов

Артем Моськин

Внешний вид покрытий разных цветов: слева - видимый диапазон, справа - ближний и коротковолновый диапазон инфракрасного излучения. Yuan Yang et al. / Science Advances, 2020

Материаловеды разработали новый подход к нанесению цветных двухслойных поверхностей, в которой нижний полимерный слой увеличивает отражение солнечного света в инфракрасном диапазоне, при этом в качестве верхнего слоя можно использовать латексную краску. С помощью такого подхода ученые смогли достичь для черной краски понижения температуры на 15,6 градуса Цельсия в закрытых условиях и на 6,4 градуса на открытом воздухе. Статья опубликована в журнале Science Advances.

Инженеры часто используют энергозатратные способы для охлаждения зданий, машин и серверов. В США, например, 15 процентов всей энергии для домашнего использования затрачивается на охлаждение домов. Более того, эти охладительные установки самостоятельно производят тепла больше, чем охлаждают, и используют реагенты, разрушающие озоновый слой или увеличивающие количество парниковых газов.

Охлаждение за счет излучения с помощью специальных покрытий считается одним из перспективных подходов. Высокая отражающая способность поверхности уменьшает нагрев от солнечного излучения, а ее большая излучательная способность позволяет эффективно отводить лишнее тепло. Такой способ позволяет поверхности и скрываемому ей объему оставаться холодными даже под прямыми солнечными лучами. Например, ученые используют металлические зеркала или белую краску с высокой отражающей способностью, но в реальном применении они ограничивают возможные цвета зданий и лишают их эстетики и функциональности. Более того, отражаемый свет может раздражать глаза проходящих мимо людей. По этой причине в последнее время получили развитие окрашенные излучательные охладители, в которых часть видимого света поглощается краской для получения желаемого цвета, а остальная часть солнечного света — в частности, область между ближним и коротковолновым ИК, отвечающая за 51 процент солнечного света, — отражается. В таких системах за стандарт отражателя волн ИК-диапазона принято считать диоксид титана, но он поглощает в коротковолновой части ИК диапазона, а потому не до конца выполняет свои функции отражателя теплового излучения. Проблема охлаждения такими системами состоит в масштабировании многослойных структур на пористые и текстурные поверхности сложной формы домов и автомобилей.

Юань Ян (Yuan Yang) с коллегами разработал двухслойное красочное покрытие с излучательным охладителем из пористого сополимера винидиленфторида и гексафторопроилена (ПВдФ-ГФП) и сравнил его с диоксидом титана. Такие покрытия визуально практически не отличаются от обычной краски, но позволяют понизить температуру на 15,6 градуса Цельсия относительно чистой краски.

Чтобы получить такое покрытие, ученые сделали раствор полимера в воде и ацетоне, нанесли его на поверхность, а затем покрыли слоем цветной краски. Существующие краски выбраны потому, что они уже обладают хорошей излучательной способностью. Ученые пытались подобрать состав и структуру покрытия, чтобы отражение солнечного света было максимальным. Сначала они сравнили отражение разных длин волн света от 150-микрометрового монослоя латексной краски из пигмента или красителя в полимерной матрице и двухслойное покрытие, где 145 микрометров занимал ПВдФ-ГФП, а пять микрометров слой краски. И хотя разница в количестве краски была большой, такого количества все равно достаточно, чтобы сохранять свои способности отражения в видимой части спектра и тем самым давать тот же самый цвет. Стоит отметить, что авторы тестировали краску на латексной основе, поэтому неизвестно, как с покрытием будут сочетаться другие типы красок.

Материаловеды рассмотрели два типа материалов для нижнего рассеивающего слоя: диоксид титана и вышеуказанный полимер. Они нанесли 500 микрометров полимера с пористостью в 50 процентов, а диоксид титана слоем в 250 микрометров, чтобы сравнивать одинаковые объемы рассеивателей. На образцы наносились одинаковые слои краски с толщиной в 55, 16, 40 и 40 микрометров для черной (периленовый черный краситель), синей (2066-30 Big Country Blue), красной (2086-30 Rosy Blush) и желтой латексной краски (2021-30 Sunshine) соответственно. При сравнении таких покрытий с монослоем чистой краски оба образца выглядели практически так же, однако увеличилась их отражательная способность в ближнем и коротковолновом ИК, при этом в образце с полимерным нижним слоем коэффициент отражения был больше, чем с диоксидом титана. Разница между ними достигается за счет рассеивания волн ИК диапазона на больших микропорах полимерного материала, а не на маленьких кристаллах диоксида титана. Такой эффект рассеивания позволяет достичь матовости покрытия и отсутствия блеска при любом угле падения света. Вдобавок к этому, двухслойное покрытие обладает высокой термической излучательной способностью из-за своей полимерной структуры.

Эксперименты подтверждают значительное рассеяние света и отсутствие бликов на пористой поверхности полимерного слоя. Yuan Yang et al. / Science Advances, 2020

Ученые продемонстрировали, что улучшенные отражающие и излучательные свойства ведут к существенному охлаждению поверхности в течение дня. Для этого они поместили однослойные и двухслойные образцы с диоксидом титана и полимером на подложку из пенопласта и накрыли конструкцию конвекционным щитом из прозрачного полиэтилена, чтобы достичь одинаковых окружающих условий. В случае слоев на основе черной краски полимер и диоксид титана снизили температуру на 15,6 и 13,2 градуса Цельсия относительно однослойной черной краски, для остальных цветов разница оказалась меньше: синяя — на 6,6 и 4,3; красная — на 3 и 1,8; желтая — на 7,3 и 5,2 градуса Цельсия, соответственно. Такие значения хорошо совпадают с теоретической оценкой конвективного коэффициента теплопередачи в 5-7 ватт на квадратный метр на кельвин. Чтобы приблизить условия к более реальным, материаловеды провели эксперимент без конвекционного щита, полимерный подслой снизил температуру поверхности от 2,6 градуса Цельсия для красной краски до 6,4 — для черной. Использование таких красок на зданиях, автомобилях и других наземных объектах позволит не только сохранить желаемый цвет, но и ощутимо понизить температуру поверхности. Однако о применении пока что говорить рано — авторы статьи не привели оценок экономической выгоды таких поверхностей в сравнении с обычными красками и не указали, каким образом стоит наносить слои на поверхности.

Чтобы еще больше повысить охлаждающие способности покрытий, ученые предложили оптимизировать такое покрытие за счет красок, которые в отличие от используемых не содержат пигменты, рассеивающие и поглощающие свет в ближнем ИК диапазоне. Идеальное верхнее покрытие по их мнению должно показывать высокую избирательность поглощения в видимом диапазоне при минимальном поглощении в ближнем ИК диапазоне. Например, такими свойствами обладает пленка диэлектрика с покрытием из металлических хлопьев. Минимального рассеяния света ближнего ИК диапазона можно достичь с помощью пигментов малых размеров (до ста нанометров) или органических красителей, растворенных в полимерах. Материаловеды решили использовать краситель судановый синий (II), растворенный в полимере, из которого сделан нижний слой, и получили охлаждение в коробе на 12 градусов, а в открытых условиях на 6 градусов Цельсия.

Специальная краска может не только охлаждать поверхность. Четыре года назад физики представили краску на основе полупроводниковых термоэлектрических материалов, чтобы преобразовывать остаточное тепло на поверхностях зданий в электричество.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Валерия Розов: Как неудачное интервью может погубить HR-бренд компании Валерия Розов: Как неудачное интервью может погубить HR-бренд компании

Как соискателю защититься, если HR играет не по правилам

СНОБ
Не только платье Меган Маркл: чем запомнится работа дизайнера Клэр Уэйт Келлер в модном доме Givenchy Не только платье Меган Маркл: чем запомнится работа дизайнера Клэр Уэйт Келлер в модном доме Givenchy

Значимые заслуги дизайнера Клэр Уэйт Келлер

Esquire
Управлять можно каждым: как правильно манипулировать знаками зодиака Управлять можно каждым: как правильно манипулировать знаками зодиака

Где у знаков зодиака кнопка, на которую нажмешь – и получишь всё, что хочешь

Cosmopolitan
Судороги от свежего воздуха помешали голым землекопам уйти из дома Судороги от свежего воздуха помешали голым землекопам уйти из дома

Судя по всему, землекопы «сэкономили» на механизмах торможения нейронов

N+1
20 фактов о Pixar 20 фактов о Pixar

Занятные сведения о твоих любимых аниматорах и мастерах спецэффектов

Maxim
Война и мир, или три встречи с Кустурицей Война и мир, или три встречи с Кустурицей

Репортаж из Боснии и Герцеговины глазами Эмира Кустурицы

Вокруг света
Ломоносов, Шекспир и другие гении, которые увлекались алкоголем не на шутку Ломоносов, Шекспир и другие гении, которые увлекались алкоголем не на шутку

Говорят, что алкоголики — бездарные люди. Но исследования доказывают обратное

Cosmopolitan
Почему СУ-76 называли братской могилой Почему СУ-76 называли братской могилой

Несколько слов в защиту советской самоходки СУ-76

Maxim
Трехмерные люди Трехмерные люди

Свободное лазание, или climbing, — один из самых захватывающих видов спорта.

National Geographic
Чего вы там не видели Чего вы там не видели

Невероятный город Санкт-Петербург всегда найдёт, чем ещё вас удивить

National Geographic Traveler
Сахароспирт пригласил листоядных гусениц полакомиться грибами Сахароспирт пригласил листоядных гусениц полакомиться грибами

В листьях, пораженных ржавчинными грибами, оказалось больше соединений азота

N+1
Раскрыта тайна исчезнувшей в «Оке Саурона» экзопланеты Раскрыта тайна исчезнувшей в «Оке Саурона» экзопланеты

Экзопланеты Дагон и вовсе не было

National Geographic
Взлететь над водой: яхты на подводных крыльях Взлететь над водой: яхты на подводных крыльях

Добиться под парусом сумасшедших скоростей

Популярная механика
Писатель Алексей Поляринов — об инженерном подходе к книгам, пользе инстаграма и писательстве как терапии Писатель Алексей Поляринов — об инженерном подходе к книгам, пользе инстаграма и писательстве как терапии

Алексей Поляринов: как литература помогает ему справляться с нервозностью

Esquire
«Дeлай что должен» «Дeлай что должен»

Софья Каштанова об эволюции ее героини, сегодняшних реалиях и абсолютном счастье

OK!
Альянсы и союзы Альянсы и союзы

Первая часть ответов на вопросы об альянсах союзников против нацистской Германии

Дилетант
Кто лыко вяжет? Как выживает древний русский промысел Кто лыко вяжет? Как выживает древний русский промысел

Есть в России деревня, где живут люди редкой древней профессии – мочальники

National Geographic
Технологии армрестлинга: правила, приемы, тактика Технологии армрестлинга: правила, приемы, тактика

Армрестлинг — идеальное сражение для небольшого помещения

Популярная механика
Тату для Вайнштейна и страх темноты: неожиданные факты об актрисе Джуди Денч Тату для Вайнштейна и страх темноты: неожиданные факты об актрисе Джуди Денч

Джуди Денч – известная актриса, но мировой успех пришел к ней не сразу

Cosmopolitan
Заявка на успех Заявка на успех

Перенос старта проката только повысил градус споров вокруг «Черной Вдовы»!

Grazia
Соусеп из тропиков Соусеп из тропиков

Поводом к написанию статьи послужила покупка зелёного чая с непривычным ароматом

Наука и жизнь
Война, родившая джип Война, родившая джип

Наибольшее число типов армейского автотранспорта породила Вторая мировая война

Популярная механика
Дэвид Митчелл: Под знаком черного лебедя Дэвид Митчелл: Под знаком черного лебедя

«Сноб» публикует первую главу книги Дэвида Митчелла «Под знаком черного лебедя»

СНОБ
«Жилетка для слез»: как помочь подростку не утонуть в чужих проблемах «Жилетка для слез»: как помочь подростку не утонуть в чужих проблемах

Быть единственной опорой для друга нелегко

Psychologies
Задачи космического масштаба: учеба на карантине Задачи космического масштаба: учеба на карантине

Gопробуем решить несколько космических задач? Поехали!

Популярная механика
Гиперпетлю между Амстердамом и Парижем построят к 2028 году Гиперпетлю между Амстердамом и Парижем построят к 2028 году

Идея Илона Маска по-прежнему жива

National Geographic
Здесь сохранилась история: посмотрите на старые кратовские дачи в фотопроекте Фёдора Савинцева Здесь сохранилась история: посмотрите на старые кратовские дачи в фотопроекте Фёдора Савинцева

Фотограф Федор Савинцев попытался передать атмосферу настоящих кратовских дач

Esquire
Марина Зудина: жена без привилегий Марина Зудина: жена без привилегий

У актрисы Зудиной сейчас открылось второе дыхание

Cosmopolitan
Русская культура заговора: Враги Путина Русская культура заговора: Враги Путина

Как в России зарождались конспирологические теории в книге Ильи Яблокова

СНОБ
Что осталось от малого бизнеса в Ухане после карантина Что осталось от малого бизнеса в Ухане после карантина

После снятия карантина в Ухане открыться смогли только треть малых предприятий

Forbes
Открыть в приложении