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
Как изменится Евро-2020 из-за переноса на следующий год Как изменится Евро-2020 из-за переноса на следующий год

Пытаемся понять, какие изменения претерпит главный футбольный турнир

GQ
6 блокбастеров, которым пророчили провал 6 блокбастеров, которым пророчили провал

Фильмы, которым критики пророчили провал, оказались самыми кассовыми

Maxim
«Для вас карантин — это шок, а для нас это обычная жизнь». Эксперты об изоляции семей с аутичными детьми «Для вас карантин — это шок, а для нас это обычная жизнь». Эксперты об изоляции семей с аутичными детьми

Почему опыт особых семей сегодня актуален для всех

СНОБ
Одна вокруг света: как проходят карантинные будни в США Одна вокруг света: как проходят карантинные будни в США

Новая серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко

Forbes
Пандемия, ядерный удар и отключение электричества: лучшие сериалы о конце света Пандемия, ядерный удар и отключение электричества: лучшие сериалы о конце света

Собрали лучшие сериалы, в которых конец света очень похож на настоящий

Cosmopolitan
5 советов, как сохранить любовь в условиях изоляции 5 советов, как сохранить любовь в условиях изоляции

Рады ли вы тому, что сбылась ваша мечта остаться только вдвоем?

Psychologies
4 лихих подразделения спецназа в мире 4 лихих подразделения спецназа в мире

Добро пожаловать в элиту мирового полицейского спецназа!

Maxim
Смотрю Дудя и слушаю «Нирвану»: звезда «Зенита» о жизни на карантине Смотрю Дудя и слушаю «Нирвану»: звезда «Зенита» о жизни на карантине

Александр Ерохин явно не теряет времени на самоизоляции!

Playboy
Быт военного времени Быт военного времени

Первая часть ответов на вопросы о повседневной жизни в условиях военного времени

Дилетант
На колесах. Как журналистка запустила производство самых легких инвалидных колясок и велосипедов На колесах. Как журналистка запустила производство самых легких инвалидных колясок и велосипедов

Компания Kinesis производит эргономичные коляски из карбона и алюминия

Forbes
Безразличные матери. Как проработать детские травмы в зрелом возрасте Безразличные матери. Как проработать детские травмы в зрелом возрасте

Отрывок из книги «Безразличные матери. Исцеление от ран родительской нелюбви»

Forbes
Лист графена почистили вольфрамовой наношваброй Лист графена почистили вольфрамовой наношваброй

Вольфрамовая игла успешно убрала загрязнения с поверхности листа графена

N+1
Силы добра. Можно ли преуспеть в неспокойные времена Силы добра. Можно ли преуспеть в неспокойные времена

Руководители НКО дают несколько важных уроков преуспевания в неспокойные времена

Forbes
Стареть по-королевски: 10 бьюти-секретов Елизаветы II Стареть по-королевски: 10 бьюти-секретов Елизаветы II

Её Величеству королеве Великобритании исполнилось 94

Cosmopolitan
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
5 знаменитых фокусов Гарри Гудини, секрет которых удалось раскрыть 5 знаменитых фокусов Гарри Гудини, секрет которых удалось раскрыть

Вот что профессор Воланд называл «сеанс черной магии с разоблачением!»

Maxim
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
Почему Меркель решила смягчить карантин в Германии Почему Меркель решила смягчить карантин в Германии

За этот успех крупнейшая экономика Европы расплачивается рецессией

Forbes
Это нереально реально: как снимают VR-порно Это нереально реально: как снимают VR-порно

Реальному сексу осталось жить недолго — виртуальная реальность лучше обычной

Популярная механика
Служение музе: Данте Алигьери и Беатриче Портинари Служение музе: Данте Алигьери и Беатриче Портинари

Муза Данте Алигьери

Cosmopolitan
Экологией едины: 10 звезд, выступающих за защиту окружающей среды Экологией едины: 10 звезд, выступающих за защиту окружающей среды

10 звезд, с которых стоит брать пример в деле осознанного потребления

Cosmopolitan
Как известные мужчины борются со стрессом? Советы от 11 звезд Как известные мужчины борются со стрессом? Советы от 11 звезд

Звездные способы борьбы со стрессом, которыми ты тоже можешь воспользоваться

Playboy
История летчика, который на спор дважды приземлился на улицах Нью-Йорка пьяным История летчика, который на спор дважды приземлился на улицах Нью-Йорка пьяным

На дворе стояла теплая сентябрьская ночь 1956 года

Maxim
Переходный период Переходный период

Философ Александр Нечаев: как получилось, что миропорядок пришел в беспорядок

Esquire
Бесполезные машины механика Ника Ремеджа: торжество абсурда Бесполезные машины механика Ника Ремеджа: торжество абсурда

Ржавые колеса, полиэтиленовые пакеты, стоптанная обувь – в дело идет все

Популярная механика
Кабаны начали вытеснять других животных из зоны отчуждения Фукусимы Кабаны начали вытеснять других животных из зоны отчуждения Фукусимы

Резко возросшее поголовье кабанов угрожает другим видам животных

N+1
Элитная брага: война с крахмалом и сладкие отходы Элитная брага: война с крахмалом и сладкие отходы

Из чего же гонят в наши дни некоторые популярные в мире типы крепких напитков

Популярная механика
Как клетки иммунной системы помогают друг другу в борьбе с врагом Как клетки иммунной системы помогают друг другу в борьбе с врагом

Необычные взаимодействия между клетками иммунной системы, способствующие защите

Популярная механика
Что, если бы Ан-225 “Мрия” был пассажирским: A380 на зависть Что, если бы Ан-225 “Мрия” был пассажирским: A380 на зависть

Ан-225 “Мрия” - самый большой и грузоподъемный самолет в мире

Популярная механика
Открыть в приложении