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 1: Москва Глава 1: Москва

Ты говорил, город – сила. А здесь слабые все

Esquire
Пока сидим дома: 10 длинных (и великих) сериалов, на которые стоит потратить время Пока сидим дома: 10 длинных (и великих) сериалов, на которые стоит потратить время

Только современная классика — смотрим, пересматриваем, вдохновляемся и смеемся

Esquire
Травля в школе, депрессия и миллионы: история актера и борца Дуэйна Джонсона Травля в школе, депрессия и миллионы: история актера и борца Дуэйна Джонсона

Не простой путь Дуэйна Джонсона к славе

Cosmopolitan
«Война Алана» Эмманюэля Гибера «Война Алана» Эмманюэля Гибера

Французский комиксист Эмманюэль Гибер разбирает «чужие воспоминания»

Weekend
Toyota Land Cruiser 300: все факты о будущей новинке Toyota Land Cruiser 300: все факты о будущей новинке

Каким будет следующее поколение легендарного внедорожника Toyota Land Cruiser?

РБК
Как сделать турник своими руками: подробная инструкция Как сделать турник своими руками: подробная инструкция

Сейчас самое время взяться за спорт

Playboy
Сценарий Людмилы Улицкой «Чума» по мотивам событий 1939 года в Москве Сценарий Людмилы Улицкой «Чума» по мотивам событий 1939 года в Москве

Отрывок из киносценария «Чума» Людмилы Улицкой

СНОБ
10 редчайших моделей АвтоВАЗа 10 редчайших моделей АвтоВАЗа

Об этих моделях АвтоВАЗа вы могли даже и не знать

Популярная механика
Мануэла Бортоламеолли о главных трендах, вкусах клиентов и работе с семьей Мануэла Бортоламеолли о главных трендах, вкусах клиентов и работе с семьей

Мануэла Бортоламеолли – о личной жизни и главных трендах 2020 года

Cosmopolitan
Секс на карантине: да, нет, не знаю Секс на карантине: да, нет, не знаю

Изоляция с любимым человеком — что может быть приятнее

Psychologies
«Интриги и расследования мне не близки» «Интриги и расследования мне не близки»

Елена Летучая рассказывает о новых проектах и давней мечте

Лиза
Прикованные к земле: вторая жизнь самолетов и вертолетов Прикованные к земле: вторая жизнь самолетов и вертолетов

Самые интересные самолеты и вертолеты, вышедшие на пенсию

Популярная механика
Протоиерей Александр Абрамов: С кем разговаривает Церковь. Ответ Александру Усатову — клирику, отказавшемуся от сана Протоиерей Александр Абрамов: С кем разговаривает Церковь. Ответ Александру Усатову — клирику, отказавшемуся от сана

«Сноб» попросил протоиерея Александра Абрамова отреагировать на монолог Усатова

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

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

Forbes
Как поцеловать девушку в первый раз (инструкция) Как поцеловать девушку в первый раз (инструкция)

Условия для первого поцелуя должны быть идеальными

Maxim
Познать дзен: 12 простых привычек, которые снимают стресс Познать дзен: 12 простых привычек, которые снимают стресс

Полчаса в день - и спокойствие, только спокойствие

Cosmopolitan
Предотвратить болезни и сохранить молодость: как тебе поможет биохакинг Предотвратить болезни и сохранить молодость: как тебе поможет биохакинг

Как стать биохакером и есть ли в этом вообще смысл?

Cosmopolitan
Ложный результат Ложный результат

Зачастую мы даже не догадываемся, как что может повлиять на результат анализа

Лиза
Исландия на будущее Исландия на будущее

Северный яхтинг давно захватил сердца любителей паруса

Robb Report
Обезлесение Европы связали с миграцией индоевропейцев Обезлесение Европы связали с миграцией индоевропейцев

Распространение генома представителей ямной культуры совпало с поредением лесов

N+1
Во дворах штрафуют и эвакуируют. Как избежать проблем Во дворах штрафуют и эвакуируют. Как избежать проблем

Опасные места, где можно получить штраф

РБК
Печать с умом: как сэкономить на оригинальных картриджах Печать с умом: как сэкономить на оригинальных картриджах

Эксперты о картриджах для принтеров

Популярная механика
Домашний офис Домашний офис

Плодотворно трудиться на удаленке способен не каждый

Лиза
Как отрастить волосы на карантине и потом жить с ними: берем пример с Киану Ривза, Джейсона Момоа и других Как отрастить волосы на карантине и потом жить с ними: берем пример с Киану Ривза, Джейсона Момоа и других

Что делать с прической, сидя в самоизоляции

Esquire
«Язык мой — враг мой»: как Тина Канделаки, Ксения Собчак, Александра Митрошина и другие блогеры и звезды отреагировали на скандал с Региной Тодоренко «Язык мой — враг мой»: как Тина Канделаки, Ксения Собчак, Александра Митрошина и другие блогеры и звезды отреагировали на скандал с Региной Тодоренко

Самые яркие мнения о скандале с Региной Тодоренко

Esquire
Рианна, Опра Уинфри и еще 8 актрис — участниц конкурсов красоты Рианна, Опра Уинфри и еще 8 актрис — участниц конкурсов красоты

Известные актрисы, которые побеждали на конкурсах красоты до начала карьеры

РБК
«Деньги — это ловушка». Французский писатель Жан-Кристоф Гранже о нацизме, депрессии и жизни по Фрейду «Деньги — это ловушка». Французский писатель Жан-Кристоф Гранже о нацизме, депрессии и жизни по Фрейду

Жан-Кристоф Гранже рассказывает, как боролся с депрессией и искал отца

Forbes
«Угандийские неудержимые»: как в Африке снимают боевики за 200 долларов «Угандийские неудержимые»: как в Африке снимают боевики за 200 долларов

Вакаливуд — киностудию из трущоб Уганды, снимающую невероятные фильмы

Maxim
Глобальная трансформация: три проблемы, которые придется решить властям во всем мире Глобальная трансформация: три проблемы, которые придется решить властям во всем мире

Три серьезные проблемы после пандемии

Forbes
8 привычных продуктов, которые могут убить (а ты и не знал) 8 привычных продуктов, которые могут убить (а ты и не знал)

Продукты, от которых ты не ждал подвоха

Playboy
Открыть в приложении