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

Звери навсегда Звери навсегда

История трех евреев из Бруклина, неспособных постареть

Esquire
«Елизавета II не была большой любительницей балета». Балерина Наталья Осипова о карантине в Лондоне «Елизавета II не была большой любительницей балета». Балерина Наталья Осипова о карантине в Лондоне

Балерина Наталья Осипова о том, почему нельзя смотреть балет в записи

Forbes
Невидимый враг: «безобидные» привычки, которые могут привести к раку Невидимый враг: «безобидные» привычки, которые могут привести к раку

Проверьте, нет ли у вас этих смертельно опасных привычек

Cosmopolitan
Спустить с небес: 7 вещей, с которыми каблуки смотрятся нелепо — не делай так Спустить с небес: 7 вещей, с которыми каблуки смотрятся нелепо — не делай так

Гардероб современной женщины сложно представить без обуви на высоком каблуке

Cosmopolitan
Самоизоляция Путина. Куда делся президент после послания к нации Самоизоляция Путина. Куда делся президент после послания к нации

Обеспечение граждан всем необходимым в условиях карантина затруднительно

СНОБ
«Список Мидаса»: кто из венчурных инвесторов получил в прошлом году 1900-кратную доходность «Список Мидаса»: кто из венчурных инвесторов получил в прошлом году 1900-кратную доходность

Эти инвесторы построили головокружительную карьеры

Forbes
Разум и чувства Разум и чувства

Дмитрий Лысенков о театре, семье и сочетании несочетаемого в характере

OK!
«Копейке» — 50 лет. Вспоминаем все версии легендарного седана «Копейке» — 50 лет. Вспоминаем все версии легендарного седана

Версии «Копейки», о которых мечтал каждый советский гражданин

РБК
Пристегните ремни: на фондовом рынке начинается самое незабываемое приключение с 1930-х годов Пристегните ремни: на фондовом рынке начинается самое незабываемое приключение с 1930-х годов

Мировая экономика взяла курс на высокую инфляцию

Forbes
Имитация науки Хьюнко Ли Имитация науки Хьюнко Ли

Корейскому художнику Хьюнко Ли отчаянно хочется быть хоть кем-нибудь, кроме себя

Популярная механика
Не жизнь, а Долина. Что мы узнали из последнего фильма Юрия Дудя Не жизнь, а Долина. Что мы узнали из последнего фильма Юрия Дудя

Аудитории Дудя остро нужен рассказ о существовании где-то почти волшебной страны

СНОБ
8 бьюти-проблем, которые начнутся у тебя из-за карантина — ищем решение 8 бьюти-проблем, которые начнутся у тебя из-за карантина — ищем решение

Карантин повлиял на жизнь каждого человека и не прошел мимо нашей бьюти-рутины

Cosmopolitan
История маркетолога, который стал специалистом по ИТ-безопасности и учит сотрудников компаний противостоять мошенникам История маркетолога, который стал специалистом по ИТ-безопасности и учит сотрудников компаний противостоять мошенникам

Как увлечение поиском уязвимостей превратилось в бизнес

VC.RU
Сто лучших книг для детей до 7 лет Сто лучших книг для детей до 7 лет

Списки художественных детских книг для разного возраста

Cosmopolitan
Секреты короля: 6 загадок жизни и смерти Майкла Джексона Секреты короля: 6 загадок жизни и смерти Майкла Джексона

Помимо огромной популярности Майкл Джексон оставил нам множество загадок

Cosmopolitan
Вооружение Вооружение

Вторая часть ответов на вопросы о вооружении стран времен Второй мировой войны

Дилетант
5 необычных случаев из практики Зигмунда Фрейда 5 необычных случаев из практики Зигмунда Фрейда

Зигмунд Фрейд целыми днями общался со всякими несчастными психами

Maxim
Дальнозоркость и близорукость: отличие двух проблем со зрением простыми словами Дальнозоркость и близорукость: отличие двух проблем со зрением простыми словами

Чем отличается близорукость от дальнозоркости?

Playboy
Синдром пустого гнезда: как отпустить детей родителям-одиночкам Синдром пустого гнезда: как отпустить детей родителям-одиночкам

Когда повзрослевшие дети покидают дом, жизнь родителей резко меняется

Psychologies
«20 кг любви»: истории людей, взявших питомцев с улицы «20 кг любви»: истории людей, взявших питомцев с улицы

Личные истории москвичей, которые взяли собак и кошек из приютов и не пожалели

Psychologies
Здоровье Здоровье

Гениальные врачи встречаются не только в сериалах

Maxim
Биохакинг и вечная молодость: можно ли остановить старение с помощью технологий? Биохакинг и вечная молодость: можно ли остановить старение с помощью технологий?

Могут ли биохакеры от индустрии красоты остановить процессы старения?

Cosmopolitan
Те же грабли: чем 2020-й будет напоминать начало 1990-х Те же грабли: чем 2020-й будет напоминать начало 1990-х

С такой ситуацией экономика РФ имела дело лишь в 1992-м

Forbes
Одиночество – сволочь: 10 самых реалистичных фильмов об изоляции Одиночество – сволочь: 10 самых реалистичных фильмов об изоляции

Реалистичное изображение изоляции в фильмах может сильно нервировать

Cosmopolitan
Чувство ответственности за депрессию мамы вызывает у детей тревогу Чувство ответственности за депрессию мамы вызывает у детей тревогу

Дети часто винят себя в разводах родителей, болезнях близких и прочих проблемах

Psychologies
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
Как сделать мир лучше, пока вы на карантине Как сделать мир лучше, пока вы на карантине

Пандемия вызывает у многих из нас первобытный страх

Psychologies
Как правильно ходить в магазин во время эпидемии Как правильно ходить в магазин во время эпидемии

Поход в магазин в условиях пандемии становится уже не таким простым занятием

Популярная механика
Русские станут немножко китайцами. Как и когда страна будет выходить из карантина Русские станут немножко китайцами. Как и когда страна будет выходить из карантина

Каким станет этот «выход из самоизоляции» в нашей стране

СНОБ
Александр Тимофеевский. Человек со стороны Александр Тимофеевский. Человек со стороны

11 апреля на 62 году жизни скончался Александр Тимофеевский-младший

СНОБ
Открыть в приложении