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

Режиссер фильма «Верность» Нигина Сайфуллаева о женской измене, госфинансировании и о фразе «Давай поговорим» Режиссер фильма «Верность» Нигина Сайфуллаева о женской измене, госфинансировании и о фразе «Давай поговорим»

Как снимался фильм «Верность», и зачем там столько постельных сцен?

GQ
Машины-ликвидаторы. Техника, которая боролась в Чернобыле Машины-ликвидаторы. Техника, которая боролась в Чернобыле

Машины, которые боролись с распространением радиации после аварии на ЧАЭС

РБК
Lada Gorbi — история самой сумасшедшей «Нивы» Lada Gorbi — история самой сумасшедшей «Нивы»

200 лошадей плюс четыре поворотных колеса

Maxim
Смещение границ: как не потерять баланс между работой и личными делами в «домашнем офисе» Смещение границ: как не потерять баланс между работой и личными делами в «домашнем офисе»

Работа удаленно дает некоторые приятные бонусы.

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
Страна сказок Страна сказок

Где и как творилось волшебство советских мультфильмов

Караван историй
6 блокбастеров, которым пророчили провал 6 блокбастеров, которым пророчили провал

Фильмы, которым критики пророчили провал, оказались самыми кассовыми

Maxim
Купание младенцев: постарайтесь все превратить в игру Купание младенцев: постарайтесь все превратить в игру

Купание малыша – совсем не страшная процедура

Мама и малыш
Навстречу мечте Навстречу мечте

Интервью с Еленой Лысенко-Салтыковой – первой в России женщиной-машинистом

Cosmopolitan
«Если сдохну, значит, я этого достоин»: владелец Natura Siberica о том, почему пандемия оздоровит рынок «Если сдохну, значит, я этого достоин»: владелец Natura Siberica о том, почему пандемия оздоровит рынок

Андрей Трубников рассказал, как в разгар эпидемии собирается увеличить продажи

Forbes
«Завтра же позвоню Роджеру!» «Завтра же позвоню Роджеру!»

Тимур Бекмамбетов об «Историях карантина», будущем кино и школе Роджера Кормана

Weekend
Водная суспензия графена упростила нанесение электродов суперконденсатора Водная суспензия графена упростила нанесение электродов суперконденсатора

Способ, который позволяет сохранять структуру исходного графена

N+1
Работа по удаленке Работа по удаленке

Мы собрали самые актуальные вопросы про удаление волос в 2020 году

Glamour
Гордо реет Гордо реет

В интерьере этого дома задействованы реечные панели, имитирующие фактуру фасада

AD
«Математические трюки для быстрого счета» «Математические трюки для быстрого счета»

Метод скоростного счета в уме, придуманный математиком Яковом Трахтенбергом

N+1
Золото Калифорнии Золото Калифорнии

Креативный директор марки Agolde Эрин Миэн знает толк в винтаже

Vogue
20-летний Квентин Тарантино взял интервью у своего кумира, режиссера Джона Милиуса. Спустя 40 лет Квентин выложил расшифровку 20-летний Квентин Тарантино взял интервью у своего кумира, режиссера Джона Милиуса. Спустя 40 лет Квентин выложил расшифровку

Квентин Тарантино взял интервью у режиссера Джона Милиуса

Esquire
Три способа купить счастье — за деньги и без Три способа купить счастье — за деньги и без

Как правильно распорядиться деньгами, чтобы почувствовать себя лучше?

Psychologies
Как сохранять спокойствие, когда у ребенка истерика Как сохранять спокойствие, когда у ребенка истерика

Истерики — нормальное явление на ранних стадиях развития ребенка

Psychologies
Зачем пчелы объединяются Зачем пчелы объединяются

Натуралист и биолог Тор Хэнсон знакомит читателя с удивительным миром пчел

СНОБ
«В день я произношу всего 5 предложений»: как проводят карантин люди, застрявшие на лодках в море «В день я произношу всего 5 предложений»: как проводят карантин люди, застрявшие на лодках в море

Из-за пандемии люди застревают не только в квартирах и домах, но и на лодках

Forbes
Археологи протестировали бронзовые мечи в бою Археологи протестировали бронзовые мечи в бою

Археологи в полевых экспериментах воспроизвели 14 типов вмятин и зазубрин

N+1
Мини-арсенал Мини-арсенал

Точнейшие миниатюрные копии стрелкового оружия, из которых можно и пострелять

Популярная механика
Читмил – главное зло изоляции Читмил – главное зло изоляции

Как прекратить заедать стресс в это непростое время? Объясняют фитнес-эксперты

GQ
Схватить на лету: 5 компаний, которые начали выпускать «противовирусные» товары Схватить на лету: 5 компаний, которые начали выпускать «противовирусные» товары

Из-за эпидемии многим предприятиям пришлось перестроить свой бизнес

Forbes
Всё на свете из пластмассы: почему надо выучить фразу «Пакет не нужен» Всё на свете из пластмассы: почему надо выучить фразу «Пакет не нужен»

Как каждый из нас может снизить потребление пластика и уменьшить свой экослед

СНОБ
«Женщинам нечего совать нос». Вышло продолжение нашумевшей антиутопии «Рассказы служанки» «Женщинам нечего совать нос». Вышло продолжение нашумевшей антиутопии «Рассказы служанки»

Феминистка написала роман «Заветы» — о бесправии женщин, насилии и угнетении

Forbes
«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
А дома лучше А дома лучше

Основатель Capital Group Павел Тё построил самую дорогую квартиру в Москве

Tatler
Претендент на покупку «Ведомостей» пригрозил отказом от сделки Претендент на покупку «Ведомостей» пригрозил отказом от сделки

Алексей Голубович предупредил о возможном отказе от покупки «Ведомостей»

Forbes
Открыть в приложении