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

6 невинных привычек, которые раздражают окружающих (пора с ними попрощаться) 6 невинных привычек, которые раздражают окружающих (пора с ними попрощаться)

Эти вредные привычки кажутся невинными, но раздражают окружающих

Playboy
Гигантская. Критические дни Бетельгейзе Гигантская. Критические дни Бетельгейзе

Разбираемся с причинами глубокого «обморока» Бетельгейзе

Наука и жизнь
Коллекция автомобилей Роберта Дауни-младшего Коллекция автомобилей Роберта Дауни-младшего

Роберт Дауни-младший остается верен своей главной слабости – автомобилям

GQ
Константин Хабенский: «Страшнее всего стать ментором» Константин Хабенский: «Страшнее всего стать ментором»

Константин Хабенский — о правилах профессии, рефлексии и дружбе с автомобилем

РБК
Оно вам надо? Самые бесполезные органы человеческого тела Оно вам надо? Самые бесполезные органы человеческого тела

Когда-то нынешние рудименты человеческого организма помогали нашим предкам

Популярная механика
Спасите мои ногти! Почему сильно слоятся ногти и как их вылечить Спасите мои ногти! Почему сильно слоятся ногти и как их вылечить

Слоящиеся, желтые или нерастущие ногти на руках? У нас есть решение!

Cosmopolitan
Брошенные виллы в Испании: что станет с «запасными аэродромами» богатых россиян за рубежом Брошенные виллы в Испании: что станет с «запасными аэродромами» богатых россиян за рубежом

Состоятельные россияне вынуждены менять долгосрочную жизненную стратегию

Forbes
20 кг за месяц! Как работает диета «Зигзаг»? 20 кг за месяц! Как работает диета «Зигзаг»?

Чередуйте белковые дни с углеводными, чтобы быстро похудеть. И голодать не нужно

Cosmopolitan
Российский процессор оказался мощнее чипов Intel в реальных тестах Российский процессор оказался мощнее чипов Intel в реальных тестах

Чип Baikal-M превзошел самые оптимистичные ожидания

Популярная механика
Еще 7 хороших детективных сериалов, которые ты мог пропустить Еще 7 хороших детективных сериалов, которые ты мог пропустить

Хорошая компания для самоизоляции

Maxim
Как создать личный бренд: 5 шагов Как создать личный бренд: 5 шагов

Разбираемся, почему на пути к бизнесу важно ответить на вопрос «Кто ты?»

РБК
Комета Борисова оказалась богата замороженной окисью углерода Комета Борисова оказалась богата замороженной окисью углерода

Это говорит о составе протопланетного диска, где она образовалась

N+1
Обвал на 30-50%: что останется от российского авторынка к концу года Обвал на 30-50%: что останется от российского авторынка к концу года

PwC прогнозирует сокращение продаж новых легковых автомобилей в России

Forbes
Посягнули на святое: что делать, если вам сокращают зарплату во время пандемии Посягнули на святое: что делать, если вам сокращают зарплату во время пандемии

Как вести себя, если руководство объявило, что ваш доход придется сократить

Forbes
Соусеп из тропиков Соусеп из тропиков

Поводом к написанию статьи послужила покупка зелёного чая с непривычным ароматом

Наука и жизнь
Сколько зарабатывают животные-актёры и как снять своего питомца в кино или рекламе Сколько зарабатывают животные-актёры и как снять своего питомца в кино или рекламе

О съемках животных в кино рассказывают агенства и хозяева

VC.RU
Прогулки по пляжу оказались угрозой для животных Прогулки по пляжу оказались угрозой для животных

Найдены новые неизвестные науке микроскопические животные

Популярная механика
«Ангел из гетто». История женщины, которая создала подпольную ячейку антифашистов «Ангел из гетто». История женщины, которая создала подпольную ячейку антифашистов

Фрагмент книги «Дети Ирены» Тилар Маццео

Forbes
Какая фитолампа лучше: советы от профи и проверенные бренды Какая фитолампа лучше: советы от профи и проверенные бренды

Как выбрать фитолампу для растений?

CHIP
Десять детей и вечные скандалы: история бурных отношений Эдди Мерфи с женщинами Десять детей и вечные скандалы: история бурных отношений Эдди Мерфи с женщинами

Личная жизнь Эдди Мерфи была не менее бурной, чем в кино

Cosmopolitan
Как «Барселона» превратилась из образцового футбольного клуба в обитель скандалов Как «Барселона» превратилась из образцового футбольного клуба в обитель скандалов

В устройстве клуба «Барселона» наметились серьезные проблемы

GQ
Американская связь для Путина: как президент общается со страной во время пандемии Американская связь для Путина: как президент общается со страной во время пандемии

Путин использует для переговоров по видеоконференцсвязи оборудование Polycom

Forbes
10 советских актрис с нестандартной внешностью 10 советских актрис с нестандартной внешностью

Они не соответствовали канонам красоты своего времени

Cosmopolitan
Легче, чем кажется: как правильно сортировать мусор Легче, чем кажется: как правильно сортировать мусор

Как вести экологичный образ жизни, каждый выбирает сам. Нужно просто начать!

Cosmopolitan
Бьюти-чекап, или сдаем анализы: главные показатели твоей красоты в организме Бьюти-чекап, или сдаем анализы: главные показатели твоей красоты в организме

Наш внешний вид — результат внутренних процессов в организме

Cosmopolitan
Что мешает голливудской улыбке? Развеиваем мифы о здоровье зубов Что мешает голливудской улыбке? Развеиваем мифы о здоровье зубов

Разоблачаем мифы о здоровье зубов и учимся ухаживать за ними с умом

Cosmopolitan
Все они одинаковые Все они одинаковые

Раз за разом ты создаешь отношения, которые обречены на провал

Cosmopolitan
«ОПГ Добрых дел»: как и зачем Евгений Хитьков и команда строят свою альтернативную реальность «ОПГ Добрых дел»: как и зачем Евгений Хитьков и команда строят свою альтернативную реальность

«Пить вино и не сдаваться» — лозунг «ОПГ Добрых дел»

Собака.ru
Ты мой кумир! Ты мой кумир!

Вспоминаем, от кого мы сходили с ума в 1990-х годах

Лиза
Кризис, похожий на девальвацию 2014 года: через что прошли банки в марте 2020 года Кризис, похожий на девальвацию 2014 года: через что прошли банки в марте 2020 года

Похожи ли два валютных кризиса — декабря 2014-го и марта 2020-го?

Forbes
Открыть в приложении