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

Глава 3: Нью-Йорк и Чикаго Глава 3: Нью-Йорк и Чикаго

– Вы гангстеры? – Нет. Мы русские

Esquire
Восемь мифов о «восьмерке» Восемь мифов о «восьмерке»

А ты знаешь что такое короткое и длинное крыло?

Maxim
Смертельный вирус для нефти 60+: как Россию вытесняли с китайского рынка и чем все закончилось Смертельный вирус для нефти 60+: как Россию вытесняли с китайского рынка и чем все закончилось

Стабильность 2019 года в отношениях России с ОПЕК оказалась мнимой

Forbes
Валентина Панина. На чемоданах Валентина Панина. На чемоданах

Валентина Панина на подмостках уже пятьдесят два года

Караван историй
Как правильно питаться в период менопаузы, чтобы сохранить здоровье Как правильно питаться в период менопаузы, чтобы сохранить здоровье

Как влияет менопауза на наш организм и как защитить его в важный период жизни?

Cosmopolitan
По стаканчику По стаканчику

Выводим распространенные мифы о воде на чистую воду

Лиза
Хроника чернобыльской катастрофы — в монументальном труде Адама Хиггинботама. Публикуем фрагмент книги Хроника чернобыльской катастрофы — в монументальном труде Адама Хиггинботама. Публикуем фрагмент книги

Фрагмент книги «Чернобыль. История катастрофы»

Esquire
Зачем в начале 1950-х в США детям делали татуировки с их группой крови Зачем в начале 1950-х в США детям делали татуировки с их группой крови

Программа по татуированию детей в США длилась до окончания Корейской войны

Maxim
Робот с ИИ научит детей эмоциям и поможет в социализации Робот с ИИ научит детей эмоциям и поможет в социализации

Как современные технологии помогают в области педагогики

Популярная механика
35 лет перестройке: от какого наследства отказался Путин 35 лет перестройке: от какого наследства отказался Путин

В отказе от наследия перестройки кроется возможное поражение Путина

Forbes
Как приготовить шурпу из баранины в казане: рецепт одного из вкуснейших супов мира Как приготовить шурпу из баранины в казане: рецепт одного из вкуснейших супов мира

Не только же шашлыки жарить на костре

Playboy
«Это звоночек — стань эффективнее» «Это звоночек — стань эффективнее»

Как малому и среднему бизнесу оперативно встать на рельсы цифровизации

РБК
Жизнь на автопилоте: как вернуть себе управление Жизнь на автопилоте: как вернуть себе управление

Когда на автопилоте проходит большая часть жизни, мы многое теряем

Psychologies
Планета ждет перемен? Планета ждет перемен?

Что и как изменится после пандемии

Лиза
Что делать, если во время карантина ты узнал об измене (а вы живете вместе) Что делать, если во время карантина ты узнал об измене (а вы живете вместе)

Узнавать об обмане близкого человека всегда больно

Playboy
Последствия Холодной Войны помогли установить возраст китовых акул Последствия Холодной Войны помогли установить возраст китовых акул

Ученые опробовали радиоуглеродный метод для определения возраста у китовых акул

N+1
Правила жизни Мика Джаггера Правила жизни Мика Джаггера

Правила жизни музыканта Мика Джаггера

Esquire
Когда дом равен работе: как заработать в самоизоляции Когда дом равен работе: как заработать в самоизоляции

Возможности заработка во время самоизоляции

Популярная механика
Вся правда о чип-тюнинге: риски, нюансы и таблица мощности Вся правда о чип-тюнинге: риски, нюансы и таблица мощности

Увеличение мощности двигателя может обернуться рядом проблем

РБК
Илана: «Волшебных пилюль для похудения не бывает!» Илана: «Волшебных пилюль для похудения не бывает!»

Глядя на красавиц «из телевизора», мы думаем, что им всё дано от рождения

Худеем правильно
Человек, культура, цифра: лучшие музейные проекты России Человек, культура, цифра: лучшие музейные проекты России

Современные музеи становятся частью информационного пространства

Популярная механика

Салли Руни — литературный феномен, "Сэлинджером для миллениалов"

Esquire
На свой страх и риск На свой страх и риск

Рассказываем, какие полисы могут пригодиться тебе в поездке

Cosmopolitan
Как использовать QR-генератор в браузере Microsoft Edge: простые советы Как использовать QR-генератор в браузере Microsoft Edge: простые советы

Как воспользоваться QR-генератором для создания графических ссылок

CHIP
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
Сельдерей — новый имбирь: 10 продуктов для поддержания иммунитета Сельдерей — новый имбирь: 10 продуктов для поддержания иммунитета

Самый простой способ укрепления иммунной системы – коррекция питания

Cosmopolitan
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
«Могут возникнуть какие-то технические проблемы»: Собянин утвердил порядок получения пропусков в Москве «Могут возникнуть какие-то технические проблемы»: Собянин утвердил порядок получения пропусков в Москве

Собянин утвердил порядок выдачи спецпропусков для передвижения по Москве

Forbes
Взлететь над водой: яхты на подводных крыльях Взлететь над водой: яхты на подводных крыльях

Добиться под парусом сумасшедших скоростей

Популярная механика
Жизнь для себя Жизнь для себя

Всё больше людей предпочитают жить в одиночестве

Здоровье
Открыть в приложении