Прагнучи створити традиційну альтернативу фарбі та універсальне енергозберігаюче рішення, були розроблені барвисті фарби з низьким рівнем випромінювання.
Вони можуть бути використані для створення двошарових покриттів, які демонструють низьку випромінювальну здатність (тобто високу відбивну здатність) в інфрачервоному (ІЧ) діапазоні довжин хвиль, демонструючи барвистий візуальний вигляд. Високий коефіцієнт відбиття в середньому інфрачервоному діапазоні значно покращує радіаційну теплоізоляцію закритих просторів, які ефективно протистоять надходженню або втрат тепла від/до зовнішнього середовища. Водночас високий коефіцієнт відбиття в ближньому ІЧ-діапазоні зменшує надходження сонячного тепла під час спекотної погоди. Окрім естетичної привабливості, оптична конструкція встановлює ефективний баланс між економією енергії та компромісами, пов'язаними з нагріванням та охолодженням, зменшуючи річне споживання енергії для підтримки теплового середовища в приміщенні.
Як наслідок, розглянута стратегія пропонує переваги для економії енергії при обігріві / охолодженні приміщень та вуглецевої нейтральності
Продовження. Початок читай за посиланням.
Оцінка можливості практичного застосування
Доцільність практичного використання перевірялася шляхом визначення властивостей поверхні, а також оптичних властивостей. Спочатку вимірювалися контактні кути води як для звичайного покриття Al MF, так і для двошарових покриттів. Як показано на рис. ЗА, покриття демонструють середній кут контакту з водою 118°. Така пристойна гідрофобність свідчить про те, що покриття відштовхують воду, що потенційно підвищує його стабільність у вологому середовищі. Для оцінки довговічності покриттів у різних середовищах зразки покриттів витримували у високій температурі (80 °С), низькій температурі (рідкий азот), кислоті (сірчана кислота, pH = 4) і лузі, (гідроксид калію, pH = 10) безперервно протягом одного тижня. Було виміряно MIR-спектри та спостерігався візуальний вигляд зразків до та після кожного тесту. Спектри MIR не змінилися після високотемпературних і низькотемпературних випробувань (рис. З В), а фотографії демонструють, що зовнішній вигляд покриття залишився незмінним (вставка на рис. З В). Зберігалися ІЧ-спектри та зовнішній вигляд зразків покриттів також після впливу кислоти та лугу (рис. 3 C). Ці результати ілюструють достатню екологічну стійкість двошарових покриттів. Крім того, стійкість кольору була перевірена тестом, показаним на вставці Рис. 3D, під час якого покриття промивалося постійним потоком води і вимірювалася маса зразка. Як показано на рис. 3 D, маса зразка майже не змінилася під час випробування, показуючи, що було досягнуто гідної адгезії між частинками/пластівцями для запобігання вицвітанню кольору. Крім того, поверхню покриття можна легко очистити вологою серветкою або промити водою (рис. З Е та фільми S 3 S 4). Запропонована фарба також універсальна для нанесення на різноманітні поверхні різних форм матеріалів (рис. 3 F), слугуючи додатковим тепловим бар'єром у багатьох різних сценаріях.
Рис. 3. Оцінка можливості практичного застосування
(А) Виміряні контактні кути води для звичайного покриття Al MF та фарб BLC pізних кольорів. Усі зразки демонструють пристойну гідрофобність. Смужки похибок вказують на значення стандартного відхилення кількох вимірювань. (В та С) Виміряні MIR-спектри для зразків до і після випробування високою/низькою температурою (В) та випробування кислотою/лугом (С). Явної зміни спектру не спостерігалося. На вкладці представлені фотографії зразків до та після випробувань, які демонструють збереження зовнішнього вигляду. (D) Виміряна маса зразка під час випробування на стійкість кольору безперервним промиванням водою. Маса зразка майже не змінилася. (Е) Фотографії, на яких показано, що забруднені зразки можна легко очистити вологим протиранням та промиванням водою. (F) Фотографія предметів з різних матеріалів різної форми, покритих нашими барвистими низькоемісійними фарбами.
Демонстрація ефекту теплоізоляції
Потім було досліджено теплоізоляційний ефект покриттів. Було створено імітатори будівель, кожен з яких оснащено вставленим електричним нагрівачем, здатним генерувати тепло. Зовнішні поверхні цих імітаторів були оброблені одним з чотирьох способів: немодифіковані, покриті комерційною блакитною фарбою, покриті одним шаром звичайного покриття Al MF або покриті синьою фарбою BLC, відповідно (рис. 4 А). Як показано на рис. 4 В, було виміряно необхідну питому потужність нагрівача, щоб протистояти втратам тепла та підтримувати однакову внутрішню температуру імітаторів будівлі на рівні 25°С (виміряно за допомогою вставлених термопар у імітаторів будівлі) у холодному середовищі (5°С). Розташування нагрівачів і термопар було однаковим у кожному імітаторі будівлі для різних зразків покриття, для паралельного порівняння. Звичайне покриття AI MF синьою фарбою BLC можуть значно знизити попит на питому потужність нагрівача, порівняно з імітатором порожньої будівлі та комерційною синьою фарбою (рис. 4 С). Порівняно з комерційною синьою фарбою, синя фарба BLC зменшила необхідну питому потужність нагрівача приблизно на 36%. Це підтверджує зниження теплообміну з навколишнім середовищем та великий потенціал енергозбереження будівлі.
Завдяки гнучкості монтажу та універсальності розглянуті барвисті фарби з низьким рівнем випромінювання придатні для використання в інших сценаріях, які вимагають регулювання температури. Наприклад, їх можна використовувати на вантажних автомобілях для транспортування холодним ланцюгом, зберігаючи вантаж всередині з меншим споживанням енергії на охолодження, водночас забезпечуючи величезну гнучкість дизайну зовнішнього вигляду вантажівки. Крім того, вантажівки практично не будуть навантажені додатковою вагою та об'ємом. Як показано на рис. 4 D, було підготовлено три моделі вантажівок з пофарбованими вантажними боксами (три сторони) відповідно комерційною білою фарбою, фарбою Al MF та білою фарбою BLC. Вони були випробувані в штучно створеному гарячому середовищі (40°С).
Очікувалося, що біла фарба BLC забезпечить такий же теплоізоляційний ефект, як фарба Al MF, оскільки вона може забезпечити такий самий естетичний ефект, як комерційна біла фарба. Щоб продемонструвати їх термостійкість, спочатку вимірювали збільшення внутрішньої температури після того, як зразки помістили в гаряче середовище, Звичайна фарба Al MF та біла фарба BLC спричинили набагато повільніше підвищення внутрішньої температури, на відміну від комерційної білої фарби, як показано на рис. 4 Е. Це добре підтверджує, що високий коефіцієнт тепловідбиття цих фарб може ефективно зменшити радіаційне надходження тепла з навколишнього середовища. Крім того, було проведено випробування, щоб охарактеризувати зміну маси матеріалів зі зміною фази, які зазвичай використовуються під час транспортування холодним ланцюгом. Кубики льоду були обрані як представник матеріалу зі зміною фази та зберігалися всередині вантажних ящиків у тому самому гарячому навколишньому середовищі (вставка на рис. 4 F). На рис. 4 F показано виміряну масу льоду, а на рис. 4 G показані фотографії кубиків льоду до та після 40-хвилинного періоду тестування (відображає фотографії з інтервалом 10 хв). Було помічено, що як звичайне покриття Al MF, так біла фарба BLC можуть значно сповільнити швидкість танення льоду приблизно на 20,8%. Наприкінці випробування маса кубиків льоду всередині вантажних ящиків з низькоемісійним покриттям була приблизно вдвічі більша, ніж у комерційної білої фарби. Це вказує на те, що під час транспортування можна заощадити велику кількість енергії на охолодження або матеріалів фазової зміни для підтримки температури.
Експерименти, проведені в штучних гарячих/холодних середовищах, ефективно демонструють теплоізоляційні властивості запропонованих матеріалів. Для подальшої оцінки їхньої ефективності охолодження в спекотні дні були проведені випробування на відкритому повітрі за реальних літніх погодних умов (травень, Каліфорнія), де були задіяні сонячне випромінювання та доступ до неба. Було здійснено порівняння комерційних фарб товщиною ~10 мкм (так само, як BLC) з BLC. У проведених тестах BLC показали нижчі температури. Це пов'язано з тим, що їх високий коефіцієнт відбиття в ближньому інфрачервоному діапазоні зменшує надходження сонячного тепла, а високий коефіцієнт відображення в ближньому інфрачервоному діапазоні перешкоджає надходженню тепла від навколишнього середовища (наприклад, землі). Ці переваги переважують обмеження обмеженого випромінювання MIR в небо.
Рис. 4. Демонстрація теплоізоляції в штучному холодному/гарячому середовищі
(А) Схема випробуваного імітатора будівлі з вставленим електричним нагрівачем і фотографії з різними покриттями поверхні. (В) Схематична ілюстрація випробування втрати тепла в холодному середовищі. Питома потужність обігрівачів була налаштована для постійної підтримки внутрішньої температури на рівні 25°С. (С) Виміряна необхідна питома потужність нагрівачів. Звичайне покриття Al MF синьою фарбою - BLC значно зменшили необхідну щільність потужності. Це означає, що вони можуть ефективно зменшити втрати тепла в приміщенні. (D) Схематичне зображення випробування посилення тепла в гарячому середовищі. На його правій панелі показано фотографії моделей вантажівок з вантажними боксами, покритими комерційною білою фарбою, звичайним покриттям Al MF та білим покриттям BLC відповідно. (Масштаб, 5 см.) (Е) Виміряні криві підвищення температури для моделей вантажівок з різними покриттями поверхні. Звичайне покриття Al MF та біле BLC можуть значно зменшити підвищення температури, протистоячи радіаційному нагріванню від навколишнього середовища. (F) Виміряна маса льоду протягом періоду випробування додаткового випробування на посилення тепла. Звичайне покриття Al MF і білий колір BLC, очевидно, уповільнили швидкість танення льоду. Вставка ілюструє тест: ті самі моделі вантажівок були використані та випробувані в навколишньому середовищі 40°С, але, для порівняння, у вантажні ящики завантажували кубики льоду як фазоперемінні матеріали, що буферизують теплообмін. (G) Фотографії, що показують танення кубиків льоду в вантажних ящиках з різними покриттями поверхні протягом 40-хвилинного періоду тестування.
Далі буде.
Джерело: The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)
Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!
Переглянуто: 2 120
