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

6 невинных привычек, которые раздражают окружающих (пора с ними попрощаться) 6 невинных привычек, которые раздражают окружающих (пора с ними попрощаться)

Эти вредные привычки кажутся невинными, но раздражают окружающих

Playboy
Властелин земли: самый тяжелый бульдозер Властелин земли: самый тяжелый бульдозер

"Четра" Т40 — самый тяжелый, серийно выпускаемый в России, гусеничный трактор

Популярная механика
Кровавый рассвет после пандемии. Почему за кризисом может последовать большой передел собственности Кровавый рассвет после пандемии. Почему за кризисом может последовать большой передел собственности

Какие схемы поглощений используются «захватчиками» чаще всего?

Forbes
Что забыли динозавры в глубоких пещерах: тайны прошлого Что забыли динозавры в глубоких пещерах: тайны прошлого

В нескольких глубоких пещерах Франции были найдены следы динозавров

Популярная механика
Защищают ли медицинские маски на самом деле: исследование ученых Защищают ли медицинские маски на самом деле: исследование ученых

Стоит ли носить маску или лучше кашлять в сгиб локтя, как советует ВОЗ

CHIP
Наследницей якобы заболевшего Ким Чен Ына называют его сестру Ким Ё Чжон. Что о ней известно Наследницей якобы заболевшего Ким Чен Ына называют его сестру Ким Ё Чжон. Что о ней известно

В случае кончины Ким Чен Ына власть перейдет к его младшей сестре

Maxim
Тайна форсажного пламени Тайна форсажного пламени

Что такое форсаж?

Популярная механика
Лучи света и вращение Земли: как устроены часы Марселя Бетризе Лучи света и вращение Земли: как устроены часы Марселя Бетризе

Швейцария славится своими банками, складными ножами, сыром и сверхточными часами

Популярная механика
«50 оттенков серого» эпохи VHS: почему «9 ½ недель» — все еще актуальное кино про страсть и расставания «50 оттенков серого» эпохи VHS: почему «9 ½ недель» — все еще актуальное кино про страсть и расставания

«9 ½ недель» — страшная психологическая драма про два одиночества

Esquire
Идея: Читать живопись Идея: Читать живопись

Инсталляция «Апология иммерсивной пустоты» – искусство не для всех

Maxim
«Уснуть в этой ситуации  — значит умереть». Как осознанно управлять здоровьем во время кризиса и самоизоляции «Уснуть в этой ситуации  — значит умереть». Как осознанно управлять здоровьем во время кризиса и самоизоляции

Как противостоять мощнейшему стрессу, которому мы подвергаемся на самоизоляции

Forbes
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
Самый крупный кратер Аррокота рассказал о его ударном прошлом Самый крупный кратер Аррокота рассказал о его ударном прошлом

Транснептуновые двойные системы прочнее, чем кажется на первый взгляд

N+1
Каким получился сериал «Зулейха открывает глаза» Каким получился сериал «Зулейха открывает глаза»

Ярослав Забалуев посмотрел первые серии сериала «Зулейха открывает глаза»

РБК
Чем прославился Анатолий Кашпировский Чем прославился Анатолий Кашпировский

Мы ударились в ностальгию и вспомнили подвиги главного волшебника позднего СССР

РБК
Олимпийский код Олимпийский код

Спортивное программирование – спорт высоких достижений

Популярная механика
Самые известные кроссовки из фильмов Самые известные кроссовки из фильмов

Вспоминаем, какие кеды носил ДиКаприо и какой моделью мог похвастаться Том Хэнкс

GQ
«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
Моя крепость: как создать уют дома — 9 простых советов Моя крепость: как создать уют дома — 9 простых советов

Как превратить дом в оплот безопасности и комфорта посреди нестабильного мира

Esquire
8 любимых блюд киногероев, которые легко приготовить дома 8 любимых блюд киногероев, которые легко приготовить дома

Блюда из популярных фильмов и сериалов, которые легко повторить у себя на кухне

РБК
Антропологи описали три способа ритуального вырезания человеческого сердца у ацтеков и майя Антропологи описали три способа ритуального вырезания человеческого сердца у ацтеков и майя

Сердцем и кровью жертв ацтеки и майя кормили богов

N+1
Метаанализ насчитал 10,6 процента левшей Метаанализ насчитал 10,6 процента левшей

Сколько среди людей левшей?

N+1
Знакомьтесь, Николас Дейли – английский дизайнер, влюбленный в регги, твид и Шотландию Знакомьтесь, Николас Дейли – английский дизайнер, влюбленный в регги, твид и Шотландию

Николас Дейли объединяет культуры народов мира и создает собственные ткани

GQ
Термогальванический элемент из гидрогеля преобразовал нагрев аккумулятора в электричество Термогальванический элемент из гидрогеля преобразовал нагрев аккумулятора в электричество

Химики разработали термогальванический элемент на основе гидрогеля

N+1
Театр на карантине. Новая digital-эпоха или перезагрузка Театр на карантине. Новая digital-эпоха или перезагрузка

Театры по всему миру открывают доступ к бесплатным онлайн-трансляциям

СНОБ
«Катастрофическая оторванность от земли»: бизнес о новых мерах поддержки от Путина «Катастрофическая оторванность от земли»: бизнес о новых мерах поддержки от Путина

Правительство лишь оттягивает «момент массовой смерти» малого бизнеса

Forbes
Лайфхаки от космонавтов: как Гагарин и Леонов справлялись с самоизоляцией Лайфхаки от космонавтов: как Гагарин и Леонов справлялись с самоизоляцией

Чему мы можем поучиться у космонавтов, подводников и полярников?

Psychologies
Не выживать, а жить: как копинг-стратегии помогают добиваться целей в кризис Не выживать, а жить: как копинг-стратегии помогают добиваться целей в кризис

Как выработать стратегии, чтобы увидеть и использовать возможности кризиса

Forbes
Дмитрий Ковпак: Какие уроки извлек Китай из пандемии Дмитрий Ковпак: Какие уроки извлек Китай из пандемии

Как Китай смог справиться с кризисной воронкой

СНОБ
Богаты и одиноки: 17 миллиардеров-холостяков из России Богаты и одиноки: 17 миллиардеров-холостяков из России

Кто из богатейших россиян не спешит связывать себя узами брака?

Forbes
Открыть в приложении