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

Глава 4: Наследие Глава 4: Наследие

– Мальчик, ты не понял. Водочки нам принеси, мы домой летим!

Esquire
Чисто по-женски Чисто по-женски

Отвечаем на самые распространенные вопросы, которые волнуют всех женщин

Лиза
Как правильно готовиться к переговорам Как правильно готовиться к переговорам

Что делать, если деловые переговоры зашли в тупик

СНОБ
Забытая трагедия ленинградского троллейбуса №2 Забытая трагедия ленинградского троллейбуса №2

Маршрут повышенной опасности

Maxim
Выйти на воздух Выйти на воздух

Фитнес на улице – это самое модное увлечение тёплого сезона

Здоровье
Долг платежом красен: как дружить с теми, кому мы обязаны Долг платежом красен: как дружить с теми, кому мы обязаны

Можно ли сохранить с ними дружеские отношения, или ссора неизбежна

Psychologies
И вдруг запели птицы: как танкист Отрощенков узнал о Победе И вдруг запели птицы: как танкист Отрощенков узнал о Победе

Сергей Андреевич Отрощенков пошёл в армию в 1940 году

Популярная механика
Каким получился сериал «Зулейха открывает глаза» Каким получился сериал «Зулейха открывает глаза»

Ярослав Забалуев посмотрел первые серии сериала «Зулейха открывает глаза»

РБК
Полный дзен Полный дзен

Загородный интерьер в минималистском стиле

SALON-Interior
Тайна форсажного пламени Тайна форсажного пламени

Что такое форсаж?

Популярная механика
Не тяни резину: только самые интересные факты о презервативе Не тяни резину: только самые интересные факты о презервативе

Самые интересные факты об этом средстве контрацепции

Популярная механика
«Молния» безопасности: самая экзотическая дорожная машина «Молния» безопасности: самая экзотическая дорожная машина

Road Zipper – машина для перестановки барьеров

Популярная механика
Zivert, Шарлот, ФРЕНДЗОНА: 10 самых перспективных музыкантов России до 30 лет Zivert, Шарлот, ФРЕНДЗОНА: 10 самых перспективных музыкантов России до 30 лет

Рэперы, панки, поп- и электронные музыканты: рейтинг Forbes

Forbes
Александр Малой: «Даже если я не буду получать за это деньги, я буду выступать — и, может, даже умру на сцене» Александр Малой: «Даже если я не буду получать за это деньги, я буду выступать — и, может, даже умру на сцене»

Александр Малой о том, с какой стати считает стендаперов лучшими людьми на земле

Esquire
Уме Турман - 50! Авария, преследование и другие подробности ее насыщенной жизни Уме Турман - 50! Авария, преследование и другие подробности ее насыщенной жизни

Вспоминаем интересные моменты из насыщенной биографии Умы Турман

Cosmopolitan
«Что будут есть наши дети?» Как мы меняли резину в карантин «Что будут есть наши дети?» Как мы меняли резину в карантин

Почему шиномонтажи и автосервисы все равно продолжают работать в карантин

РБК
Мозговой имплант вернул парализованному человеку осязание Мозговой имплант вернул парализованному человеку осязание

Десять лет назад Ян Буркхарт во время дайвинга повредил спинной мозг

Популярная механика
Ученые нашли способ повысить безопасность квантовой криптографии Ученые нашли способ повысить безопасность квантовой криптографии

Разработан способ повысить уровень защищенности квантовой криптографии

Популярная механика
«Учителям сложно понять, как работать через Zoom и Skype»: как пандемия меняет российское онлайн-образование «Учителям сложно понять, как работать через Zoom и Skype»: как пандемия меняет российское онлайн-образование

Готовы ли российские учителя сменить классные комнаты на Zoom и Skype?

Forbes
Богатейшие женщины мира — 2020. Рейтинг Forbes Богатейшие женщины мира — 2020. Рейтинг Forbes

Список богатейших женщин мира — 2020 возглавила наследница бизнес-империи Walmar

Forbes
«Кризис не убьёт офлайн»: Андрей Себрант о том, как пандемия повлияет на бизнес и поиск работы «Кризис не убьёт офлайн»: Андрей Себрант о том, как пандемия повлияет на бизнес и поиск работы

Интервью с директором по маркетингу сервисов «Яндекса»

VC.RU
Как Хаяо Миядзаки создавал «Унесенных призраками»: фрагмент книги Как Хаяо Миядзаки создавал «Унесенных призраками»: фрагмент книги

Фрагмент книги, посвященный работе над картиной «Унесенные призраками»

Esquire
Клинт Иствуд знает, как одеваться на карантине Клинт Иствуд знает, как одеваться на карантине

Несколько образов из архивов Клинта Иствуда

GQ
Илана: «Волшебных пилюль для похудения не бывает!» Илана: «Волшебных пилюль для похудения не бывает!»

Глядя на красавиц «из телевизора», мы думаем, что им всё дано от рождения

Худеем правильно
Пример для подражания: Динара Сафина Пример для подражания: Динара Сафина

Динара Сафина о токсичных отношениях и о том, к чему приводят ограничения

Cosmopolitan
Российский процессор оказался мощнее чипов Intel в реальных тестах Российский процессор оказался мощнее чипов Intel в реальных тестах

Чип Baikal-M превзошел самые оптимистичные ожидания

Популярная механика
Как купить дешевой нефти: инструкция Как купить дешевой нефти: инструкция

Неочевидные, но доступные каждому способы развлечься

Esquire
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
От малой до Великой От малой до Великой

Эль Фэннинг. Актриса, начинающий фильммейкер и новая Екатерина II

Glamour
«Тотальная катастрофа»: в каких отраслях еще осталась работа и можно получить прибавку к зарплате «Тотальная катастрофа»: в каких отраслях еще осталась работа и можно получить прибавку к зарплате

Компании продолжают активный рекрутинг лишь в нескольких сферах

Forbes
Открыть в приложении