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

Трубка мира Трубка мира

Автор «Сталингулаг» объясняет, как гаджеты могут создать проблемы

Esquire
Как отключить обновление Windows 10: самые действенные способы Как отключить обновление Windows 10: самые действенные способы

Надоели долгие обновления, возникающие в самый неподходящий момент?

CHIP
Весь мир живет, как женщины после родов: как  карантин может изменить общество Весь мир живет, как женщины после родов: как  карантин может изменить общество

Весь мир сейчас, сам того не желая, оказался в уникальной ситуации

Cosmopolitan
5 случаев, когда сериалы провоцировали взрывы продаж 5 случаев, когда сериалы провоцировали взрывы продаж

Можно бесплатно попасть в популярный сериал и прославиться на весь мир

Maxim
Спутник помог обнаружить крупную утечку метана из Пермского бассейна Спутник помог обнаружить крупную утечку метана из Пермского бассейна

Sentinel-5 Precursor установил повышение концентрации метана

N+1
У Окси – биполярка, у Гуфа – шизофрения: психические проблемы наших звезд У Окси – биполярка, у Гуфа – шизофрения: психические проблемы наших звезд

Звезды часто сталкиваются с проблемами психологического характера

Cosmopolitan
Новая «Волга». Какой она могла стать в 2020 году Новая «Волга». Какой она могла стать в 2020 году

Почему легковой «Волге» не суждено было стать полноприводной и мощной

РБК
16 фильмов 2016 года, которые ты мог пропустить 16 фильмов 2016 года, которые ты мог пропустить

Вспоминаем фильмы, мимо которых ты мог пройти в не таком уж далеком 2016-м году

Maxim
Море зовёт Море зовёт

Традиционный яхтенный обзор в майском номере Robb Report

Robb Report
Артем Нарышкин: Божественные диссертации. Что происходит с наукой в РПЦ Артем Нарышкин: Божественные диссертации. Что происходит с наукой в РПЦ

Готовы ли церковные ученые говорить на одном языке со светской наукой

СНОБ
Чем полезен рыбий жир для школьника? Чем полезен рыбий жир для школьника?

Как помочь ребенку пережить трудный конец года?

Cosmopolitan
Пересадка стволовых клеток от одного стерильного самца другому восстановила фертильность мышей Пересадка стволовых клеток от одного стерильного самца другому восстановила фертильность мышей

Восстановление фертильности произошло в результате изменения баланса клаудинов

N+1
Ложный результат Ложный результат

Зачастую мы даже не догадываемся, как что может повлиять на результат анализа

Лиза
9 мифов об Альберте Эйнштейне 9 мифов об Альберте Эйнштейне

Правда и мифы о создателе теории относительности

Вокруг света
Будущее рядом: роботы из биологических тканей Будущее рядом: роботы из биологических тканей

Сокращением выращенных мышц удалось управлять с помощью спинного мозга крысы

Популярная механика
Правила жизни Андрея Миронова Правила жизни Андрея Миронова

Андрей Миронов умер 16 августа 1987 года в возрасте 46 лет в Риге, Латвия.

Esquire
Smart ЗОЖ: Мой путь к здоровью Smart ЗОЖ: Мой путь к здоровью

Алёна Мурлаева рассказывает свою историю болезни и создания системы питания

Домашний Очаг
Карантинное чтение: научно-фантастический рассказ Карантинное чтение: научно-фантастический рассказ

Научно-фантастический рассказ, который поможет вам скрасить домашнюю изоляцию

Популярная механика
Древние южноафриканцы оказались ценителями шкур ночных кошек-одиночек Древние южноафриканцы оказались ценителями шкур ночных кошек-одиночек

Новая глава истории отношений доисторических людей и хищных млекопитающих

N+1
Сахароспирт пригласил листоядных гусениц полакомиться грибами Сахароспирт пригласил листоядных гусениц полакомиться грибами

В листьях, пораженных ржавчинными грибами, оказалось больше соединений азота

N+1
Бурозубки со сжатым на зиму мозгом пошли против известных правил метаболизма Бурозубки со сжатым на зиму мозгом пошли против известных правил метаболизма

Скорость метаболизма бурозубок, вопреки экологическим правилам, не растет

N+1
Третий после Alibaba и JD: китайский магазин Pinduoduo вырос вдвое за год благодаря группам охотников за экономией Третий после Alibaba и JD: китайский магазин Pinduoduo вырос вдвое за год благодаря группам охотников за экономией

Как устроен магазин с полумиллиардом клиентов

VC.RU
Сижу на удаленке, ничего не успеваю: как справиться с работой и домашними делами Сижу на удаленке, ничего не успеваю: как справиться с работой и домашними делами

Как правильно наладить жизнь и работу на удаленке

Cosmopolitan
Простые видеотренировки: функциональный тренинг Простые видеотренировки: функциональный тренинг

Как правильно заниматься функциональным тренингом во время вынужденной изоляции

Psychologies
8 по-настоящему безумных ученых 8 по-настоящему безумных ученых

Помимо полезных изобретений ученые порой занимались очень странными вещами

Maxim
От перевала Дятлова до Несси: 5 загадок, которые никто не раскрыл От перевала Дятлова до Несси: 5 загадок, которые никто не раскрыл

О событиях, по поводу которых продолжают спорить ученые и энтузиасты

РБК
«В 90-е я бы носил малиновый пиджак». Правила потребления сооснователя Skillbox Дмитрия Крутова «В 90-е я бы носил малиновый пиджак». Правила потребления сооснователя Skillbox Дмитрия Крутова

Дмитрий Крутов рассказывает, как человека могут раздавить большие деньги

Forbes
«Водители соглашаются на все». Мошенники придумали новую схему «Водители соглашаются на все». Мошенники придумали новую схему

Мошенники просят по 5–7 тысяч рублей, но, получив деньги, они исчезают

РБК
Арманьяк: что это за напиток и как его правильно пить Арманьяк: что это за напиток и как его правильно пить

Напиток, в который легко влюбиться

Playboy
Правила жизни Джека Николсона Правила жизни Джека Николсона

Актер, Нью-Йорк, 83 года

Esquire
Открыть в приложении