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

Режиссер фильма «Верность» Нигина Сайфуллаева о женской измене, госфинансировании и о фразе «Давай поговорим» Режиссер фильма «Верность» Нигина Сайфуллаева о женской измене, госфинансировании и о фразе «Давай поговорим»

Как снимался фильм «Верность», и зачем там столько постельных сцен?

GQ
Каши для первого прикорма: гид для молодых мам Каши для первого прикорма: гид для молодых мам

Полное руководство по введению первого прикорма в детский рацион

Мама и малыш
Как готовить узбекский плов в домашних условиях: пошаговая инструкция для любителей азиатской кухни Как готовить узбекский плов в домашних условиях: пошаговая инструкция для любителей азиатской кухни

Когда хочется попробовать чего-то особенного

Playboy
«Мы хотим сделать издание, над которым не тяготеет власть архива». Куратор фонда V–A–C Карен Саркисов о новом проекте Sreda «Мы хотим сделать издание, над которым не тяготеет власть архива». Куратор фонда V–A–C Карен Саркисов о новом проекте Sreda

Почему художественное высказывание не обязано жить по законам медиарынка

СНОБ
4 вида продуктов, которые убивают эрекцию (скажи им «прощай») 4 вида продуктов, которые убивают эрекцию (скажи им «прощай»)

Пора пересмотреть свой рацион

Playboy
Соединить лучшие черты города и деревни: как британец Эбенизер Говард предлагал решить проблемы экологии и перенаселения Соединить лучшие черты города и деревни: как британец Эбенизер Говард предлагал решить проблемы экологии и перенаселения

Какие страны воплощали концепцию «города-сада» Эбенизера Говарда

VC.RU
Как подорожал бензин за 20 лет. Сравнение цен Как подорожал бензин за 20 лет. Сравнение цен

От 7 до 46 рублей за литр — как и почему росла стоимость бензина

РБК
«Кто-то зарабатывает на таком падении»: почему нефть снова дешевеет? «Кто-то зарабатывает на таком падении»: почему нефть снова дешевеет?

Смогут ли цены на нефть повторить рекорд майских фьючерсов WTI

Forbes
Не считая собаки: как наши питомцы переживают карантин Не считая собаки: как наши питомцы переживают карантин

Как домашние животные переносят невиданное доселе тесное соседство с хозяевами

Psychologies
Доверять ли теледокторам? Изучаем биографии Малышевой, Комаровского и других Доверять ли теледокторам? Изучаем биографии Малышевой, Комаровского и других

Мы решили выяснить, кто нас лечит с экрана

Cosmopolitan
10 реалистичных правил «зеленой жизни» 10 реалистичных правил «зеленой жизни»

Натали Фи предлагает несколько способов жить в согласии с окружающей средой

Psychologies
Распорядок дня при работе из дома: как успеть все успеть и не устать Распорядок дня при работе из дома: как успеть все успеть и не устать

Как распланировать день, собраться и двигаться дальше

РБК
Железные дороги победы Железные дороги победы

Какую роль играли железные дороги во Второй мировой войне

Дилетант
Посидеть в своем углу: как и зачем нам нужно отдыхать от близких в условиях изоляции Посидеть в своем углу: как и зачем нам нужно отдыхать от близких в условиях изоляции

Находиться на карантине вместе с близкими — это и удовольствие, и испытание

Psychologies
Сад для радости Сад для радости

Всё меняется с годами, но только не стремление человека быть ближе к природе

Домашний Очаг
Как при переходе на удаленку избежать хаоса Как при переходе на удаленку избежать хаоса

Как грамотно перевести сотрудников в формат дистанционной работы

Forbes
Элементарно, Ватсон! Элементарно, Ватсон!

У нас лучшие Шерлок Холмс и доктор Ватсон

Лиза
Матильда Шнурова — о правильном питании и ценах на ЗОЖ-меню Матильда Шнурова — о правильном питании и ценах на ЗОЖ-меню

Матильда Шнурова о своем новом проекте, ЗОЖ-питании и гендерной принадлежности

РБК
Гены гигантских вирусов могут контролировать хозяев: загадка природы Гены гигантских вирусов могут контролировать хозяев: загадка природы

Гигантские вирусы опровергают все наши представления о вирусах как о форме жизни

Популярная механика
15 главных битв 1939–1945 15 главных битв 1939–1945

Первая часть списка самых крупных сражений и операций Второй мировой войны

Дилетант
«Успех — это то, что ты сам знаешь о себе». Карьерные советы зампреда правления банка «Открытие» «Успех — это то, что ты сам знаешь о себе». Карьерные советы зампреда правления банка «Открытие»

Надия Черкасова: «Получайте знания, не откладывайте работу на потом»

Forbes
Цифровая революция: как в СССР автомобили получали индексы Цифровая революция: как в СССР автомобили получали индексы

Цифровой код автомобилей СССР, за которым скрываются параметры машины

Популярная механика
Как понять, что у девушки появился другой и как ее вернуть (+ что делать нельзя) Как понять, что у девушки появился другой и как ее вернуть (+ что делать нельзя)

Что делать, если ты любишь девушку и не согласен с вашим разрывом

Playboy
Глобальная трансформация: три проблемы, которые придется решить властям во всем мире Глобальная трансформация: три проблемы, которые придется решить властям во всем мире

Три серьезные проблемы после пандемии

Forbes
Как Елизавета II обращалась к подданным — и какие наряды выбирала: разбираем все 5 внеплановых обращений к нации Как Елизавета II обращалась к подданным — и какие наряды выбирала: разбираем все 5 внеплановых обращений к нации

Елизавета II выступала с внеплановым обращением к нации всего пять раз

Esquire
Деменцию связали с совмещением определенных продуктов питания Деменцию связали с совмещением определенных продуктов питания

Для профилактики деменции важно сочетать между собой определенные продукты

N+1
Угрожал разводом и поднимал руку: через что прошла Муцениеце в браке с Прилучным Угрожал разводом и поднимал руку: через что прошла Муцениеце в браке с Прилучным

Через какие сложности Агате Муцениеце с мужем пришлось пройти за годы брака

Cosmopolitan
Самые угоняемые автомобили в России. Рейтинг Самые угоняемые автомобили в России. Рейтинг

Страховщики отмечают рост краж автомобилей из Южной Кореи

РБК
Татьяна Колганова: «Я — персонаж мультфильма «Пластилиновая ворона» Татьяна Колганова: «Я — персонаж мультфильма «Пластилиновая ворона»

Интервью с актрисой Татьяной Колгановой

Караван историй
Статус: «В открытом поиске» Статус: «В открытом поиске»

Что мешает женщине после 40 познакомиться с мужчиной и найти пару

Лиза
Открыть в приложении