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

Третий лишний Третий лишний

Рассказ Ксении Букши, в котором на месте героя мог оказаться любой из нас

Esquire
Чем прославился Анатолий Кашпировский Чем прославился Анатолий Кашпировский

Мы ударились в ностальгию и вспомнили подвиги главного волшебника позднего СССР

РБК
«Миру придется рискнуть еще раз» «Миру придется рискнуть еще раз»

Экономист Николай Диденко — о причине, регулярно запускающей кризисный механизм

Огонёк
Свет в конце тоннеля: налаживаем контакт с собой в самоизоляции Свет в конце тоннеля: налаживаем контакт с собой в самоизоляции

Сохранить равновесие помогут внимательное отношение к собственным потребностям

Psychologies
Ложная опора Ложная опора

Что говорить ребенку, если семья распалась по причине физического насилия?

Домашний Очаг
15 главных битв 1939–1945 15 главных битв 1939–1945

Вторая часть списка самых крупных сражений и операций Второй мировой войны

Дилетант
Забудьте про жизнь на 26 000 рублей в месяц: каким будет новый застой после пандемии Забудьте про жизнь на 26 000 рублей в месяц: каким будет новый застой после пандемии

Режим самоизоляции придает нынешнему кризису новые черты

Forbes
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
В изоляции растет уровень угрозы домашнего насилия: что делать и куда обращаться за помощью В изоляции растет уровень угрозы домашнего насилия: что делать и куда обращаться за помощью

Изоляция страшна длят тех, кто заперт в квартире с партнером, склонным к насилию

Forbes
«Мы застряли в раю». Истории российских туристов на карантине за границей «Мы застряли в раю». Истории российских туристов на карантине за границей

Путешественники, оставшиеся за границей в период пандемии, отказываются улетать

СНОБ
«Лица века»: как изменились долгожители с возрастом «Лица века»: как изменились долгожители с возрастом

Проект фотографа Яна Лангера «Лица века» получил мировую известность

Cosmopolitan
Как Миннесотский эксперимент по голоданию объясняет, почему мы скупаем гречку Как Миннесотский эксперимент по голоданию объясняет, почему мы скупаем гречку

Почему не нужно смеяться над теми, кто делает запасы

Maxim
Обстоятельства женского образа действия Обстоятельства женского образа действия

Алиса Таежная о новой «Эмме» и старых проблемах эмансипации

Weekend
От робота до утюга: 5 самых странных высотных здания мира От робота до утюга: 5 самых странных высотных здания мира

Что будет, если к Останкинской башне прикрутить пару высотных зданий

Популярная механика
На свою голову На свою голову

Модные укладки без ущерба для природы

Vogue
«Ненавижу машины, которые напоминают мне Брежнева», и другие незабвенные цитаты Джереми Кларксона «Ненавижу машины, которые напоминают мне Брежнева», и другие незабвенные цитаты Джереми Кларксона

Джереми Кларксон о любви и ненависти к автомобилям и людям

Maxim
Теснота и инфернальные машины: как кинематограф обнажает наш страх перед будущим Теснота и инфернальные машины: как кинематограф обнажает наш страх перед будущим

Какие лейтмотивы мрачного города просматриваются в киноработах современности

Forbes
«Дeлай что должен» «Дeлай что должен»

Софья Каштанова об эволюции ее героини, сегодняшних реалиях и абсолютном счастье

OK!
Как парижские рестораны переживают кризис: 4 истории французских шефов Как парижские рестораны переживают кризис: 4 истории французских шефов

Как владельцы ресторанов во Франции справляются с кризисом

Esquire
Донатисты и новациане: немилость к падшим Донатисты и новациане: немилость к падшим

Кто такие «новациане» и «донатисты»

Weekend
Как управлять удаленной командой: 9 советов от Давида Яна Как управлять удаленной командой: 9 советов от Давида Яна

Как не растерять в период кризиса человеческий капитал — главный актив бизнеса?

Forbes
Порознь, но вместе: как пережить изоляцию, не теряя связи с другими Порознь, но вместе: как пережить изоляцию, не теряя связи с другими

Вирус вынуждает нас изолироваться. Но человеку необходимо общение с другими

Psychologies
5 самых забавных научных иллюстраций: рыба в космосе и морж-супермен 5 самых забавных научных иллюстраций: рыба в космосе и морж-супермен

Некоторые научные концепции проще нарисовать, чем объяснить

Популярная механика
Новый мир Новый мир

Покрас Лампас един в ролях пифии, футуролога и антикризисного менеджера

Собака.ru
Курс молодого самоизолированного бойца: оружие ближнего боя Курс молодого самоизолированного бойца: оружие ближнего боя

Продолжаем курс молодого самоизолированного бойца в домашних условиях

Популярная механика
Человечество и пандемия: подготовила ли нас эволюция? Человечество и пандемия: подготовила ли нас эволюция?

Настроены ли мы психологически на борьбу с эпидемиями

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

Возможности заработка во время самоизоляции

Популярная механика
Одна вокруг света: поставить кругосветку на паузу и вспомнить о прошлых приключениях Одна вокруг света: поставить кругосветку на паузу и вспомнить о прошлых приключениях

67-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко

Forbes
Борьба за историческую правду Борьба за историческую правду

Евросоюз переписывает под себя историю Второй мировой войны

Эксперт
Ученые нашли способ повысить безопасность квантовой криптографии Ученые нашли способ повысить безопасность квантовой криптографии

Разработан способ повысить уровень защищенности квантовой криптографии

Популярная механика
Открыть в приложении