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

Страна 30 Страна 30

Esquire публикует новый рассказ писателя Алексея Сальникова – «Страна 30»

Esquire
«Не дотянули»: аналитики предупредили о риске падения цен на нефть даже после сделки России и ОПЕК «Не дотянули»: аналитики предупредили о риске падения цен на нефть даже после сделки России и ОПЕК

Крупнейшее сокращение добычи не убережет нефтяные цены от нового падения

Forbes
Имитация науки Хьюнко Ли Имитация науки Хьюнко Ли

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

Популярная механика
Как главная советская газета освещала аварию на Чернобыльской АЭС Как главная советская газета освещала аварию на Чернобыльской АЭС

Первое сообщение появилось в «Правде» через четыре дня после аварии 26 апреля

Maxim
«После карантина станет хуже»: Анастасия Татулова и еще три женщины во главе компаний о том, как выжить в этот кризис «После карантина станет хуже»: Анастасия Татулова и еще три женщины во главе компаний о том, как выжить в этот кризис

Проблемы, с которыми их бизнес столкнулся из-за пандемии

Forbes
Оптомеханический резонатор измерил частоту колебаний одной бактерии Оптомеханический резонатор измерил частоту колебаний одной бактерии

Бактерия совершает в основном изгибовые и сфероидальные колебания

N+1
Археологи протестировали бронзовые мечи в бою Археологи протестировали бронзовые мечи в бою

Археологи в полевых экспериментах воспроизвели 14 типов вмятин и зазубрин

N+1
Страстная неделя Страстная неделя

Половина гостей Недель моды взбунтовалась против самого факта их существования

Vogue
Простая профилактика Простая профилактика

Чтобы снизить риски распространения вируса, соблюдай эти простые правила

Лиза
Метеориты выдали несколько изолированных резервуаров воды в мантии Марса Метеориты выдали несколько изолированных резервуаров воды в мантии Марса

Формирование Марса не сопровождалось активным перемешиванием мантии

N+1
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
7 подкастов о том, как бизнесмены и стартаперы переживают кризис и пандемию 7 подкастов о том, как бизнесмены и стартаперы переживают кризис и пандемию

Подкасты про бизнес, где звучат голоса тех, кто сейчас работает на износ

Forbes
Что влияет на выбор партнера: факторы привлекательности Что влияет на выбор партнера: факторы привлекательности

Психологические и физиологические факторы, влияющие на наш выбор партнера

Популярная механика
Ноев ковчег ХХ века: в чем секрет успеха «Титаника» Джеймса Кэмерона? Ноев ковчег ХХ века: в чем секрет успеха «Титаника» Джеймса Кэмерона?

Каким получился фильм «Титаника» и в чем секрет успеха картины

Esquire
Заявка на успех Заявка на успех

Перенос старта проката только повысил градус споров вокруг «Черной Вдовы»!

Grazia
Приснился будущий сын - удивительная судьба Натальи Белохвостиковой Приснился будущий сын - удивительная судьба Натальи Белохвостиковой

Её благородную красоту зрители впервые увидели на экране в картине «У озера»

Cosmopolitan
Мини-арсенал Мини-арсенал

Точнейшие миниатюрные копии стрелкового оружия, из которых можно и пострелять

Популярная механика
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
Дюссельдорфский вампир: кровавая история серийного убийцы из Германии Дюссельдорфский вампир: кровавая история серийного убийцы из Германии

Он родился в 1883 году в маленьком городке и стал одним из самых жутких убийц

Cosmopolitan
Елена Аникеева: Как женщине добиться успеха в бизнесе Елена Аникеева: Как женщине добиться успеха в бизнесе

Как в реалиях российского рынка превратить себя в бизнес-леди

СНОБ
5 казахстанских дизайнеров, о которых вы не знали 5 казахстанских дизайнеров, о которых вы не знали

Они в курсе, что такое восточный стритвир и азиатская роскошь

GQ
Как реагируют на обратную связь люди разных полов Как реагируют на обратную связь люди разных полов

Эффективная работа компании невозможна без обратной связи сотрудников

СНОБ

Устройство диагностирует заболевания во время регулярных гигиенических процедур

Популярная механика
Десять детей и вечные скандалы: история бурных отношений Эдди Мерфи с женщинами Десять детей и вечные скандалы: история бурных отношений Эдди Мерфи с женщинами

Личная жизнь Эдди Мерфи была не менее бурной, чем в кино

Cosmopolitan
Гены выживших видов не дали достоверной информации о вымираниях прошлого Гены выживших видов не дали достоверной информации о вымираниях прошлого

Способ определять скорость появления новых видов и вымирания старых

N+1
Обзор шутера Doom:Eternal - прямиком из преисподней Обзор шутера Doom:Eternal - прямиком из преисподней

Думаете, что Doom 2016 - это самая брутальная и пафосная игра

CHIP
MAXIM рецензирует фильм «Джим Маршалл: Рок-н-ролл в объективе» MAXIM рецензирует фильм «Джим Маршалл: Рок-н-ролл в объективе»

Кино о человеке, создавшем запоминающихся фото больше, чем The Beatles песен

Maxim
Так и манит Так и манит

Нарочито вычурный дом под Парижем очаровал дизайнера Пьера Гоналона

AD
Письма из холлерной Москвы 1830-го: эпидемия глазами очевидца Письма из холлерной Москвы 1830-го: эпидемия глазами очевидца

Переписка братьев, которую они вели в «холерные месяцы» 1830-го года

Maxim
«Мама танцует, а у меня конференц-колл»: истории топ-менеджеров, которые самоизолировались с родителями «Мама танцует, а у меня конференц-колл»: истории топ-менеджеров, которые самоизолировались с родителями

Как оставаться независимым и продуктивным, если вернулся в родительский дом

Forbes
Открыть в приложении