Щороку на опалення та охолодження приміщень витрачається ~13% світової енергії. Розробка передових матеріалів, які сприяють економії енергії при опаленні та охолодженні, привертає все більше уваги. Теплоізоляція проблемного простору та мінімізація теплообміну з зовнішнім середовищем визнані одним з ефективних рішень
Вчені розглянули універсальну категорію барвистих фарб з низьким рівнем випромінювання для формування двошарових покриттів, що складаються з інфрачервоного (ІЧ) нижнього шару, що відбиває та ІЧ-прозорого верхнього шару в кольорах. Барвистий зовнішній вигляд забезпечує естетичний ефект, який можна порівняти зі звичайними фарбами. Досягається високий коефіцієнт відбиття середнього інфрачервоного випромінювання (до ~ 80%), що більш ніж у 10 разів перевищує показники звичайних фарб у тих же кольорах, що ефективно зменшує як надходження, так і втрати тепла з/в зовнішнє середовище. Високий коефіцієнт відбиття в ближньому ІЧ-діапазоні також сприяє зниженню сонячного тепла в спекотні дні. Переваги цих фарб встановлюють баланс між економією енергії та штрафними санкціями за опалення та охолодження протягом року, забезпечуючи комплексне цілорічне енергозберігаюче рішення, адаптоване до різноманітних кліматичних зон.
Підтримка теплового середовища з температурою в певному діапазоні є важливою для людського суспільства, що не тільки безпосередньо впливає на тепловий комфорт людського тіла та ефективність роботи, але також відіграє важливу роль у зберіганні та транспортуванні. Величезна кількість енергії споживається щороку для евакуації або протидії додатковому надходженню та втрат тепла до/з проблемних приміщень для збереження відповідного теплового середовища, утворюючи величезну кількість парникових газів. Наприклад, у Сполучених Штатах на частку будівель припадає близько 40% загального споживання енергії, а на їхні системи опалення, вентиляції та кондиціонування повітря (HVAC) припадає близько 40% кінцевого споживання енергії будівлями; Витрати на охолодження при транспортуванні вантажу можуть становити 50% від загальної вартості транспортування. Відповідно, питання як ефективно зменшити теплообмін між відповідним простором навколишнім середовищем, привертає все більше уваги, нові матеріали для покращеної теплоізоляції мають попит.
На відміну від стратегії радіаційного охолодження, яка використовує переваги холодного всесвіту для максимального розсіювання тепла, покращена теплоізоляція може загалом сприяти економії енергії, як на охолодження, так на нагрівання, що застосовується до місць у різних кліматичних зонах протягом різних сезонів. Матеріали з низькою теплопровідністю пригнічують теплопровідність, затримуючи повітря у своїй високопористій структурі, наприклад, скловолокно, целюлоза, полімерна піна та аерогелі, а також шляхом подальшого зменшення зіткнення молекул газу через відкачування повітря, наприклад, вакуумна ізоляція панелі. Їх часто встановлюють сантиметровою товщиною всередині закритих приміщень, щоб забезпечити додаткову теплоізоляцію. Навпаки, радіаційні бар'єрні ізоляційні матеріали наділені спеціальними оптичними властивостями, які демонструють бажаний контроль над отриманим випромінюванням на поверхні. Наприклад, для створення прозорих конвертів було докладено значних зусиль для розробки скла з низьким рівнем випромінювання (low-e) та гнучких плівок для вікон з низьким рівнем випромінювання для модернізації, які призначені для зменшення інфрачервоного (ІЧ) випромінювання, але залишаються помітно прозорими. Для непрозорих конвертів продемонстровані стратегії включають встановлення металізованої/металевої фольги всередині стін, використання порожнистої цегли з відбивними внутрішніми поверхнями та нанесення фарб, що містять тепловідбиваючі металеві матеріали.
Однак найсучасніші низькоемісійні матеріали, які зазвичай використовуються для непрозорих конвертів, часто розроблені таким чином, щоб мати високу відбивну здатність як у видимому, так в ІЧ-випромінюванні. Зазвичай це дає їм металевого сріблястого або сірого кольору, що призводить до значних естетичних обмежень. Їх заборонено використовувати там, де декоративний зовнішній вигляд не має значення, наприклад, у приміщеннях на горищах або пустотах у стінах, як зазначено вище. У практичному застосуванні естетичний ефект, який забезпечують кольори, вважається важливим або навіть більш критичним, ніж тепловий ефект, який забезпечують матеріали. Кольори формують зовнішній вигляд навколишнього середовища, задовольняють візуальний досвід людей і забезпечують необхідний символізм за певних обставин. Важливість кольорів привертає увагу, коли розробляються нові матеріали. Наприклад, з метою покращення теплоізоляції було нещодавно розроблено тонкі плівки з низьким рівнем випромінювання з діапазоном візуальних кольорів для нанесення на стіни будівель. Тим не менш, форма тонкої плівки все ще накладає обмеження на сферу її застосування. Розробка кольорових низькоемісійних матеріалів, які можна ширше застосовувати в практичних енергозберігаючих програмах, продовжує залишатися серйозною проблемою.
Тут, прагнучи забезпечити універсальне енергозберігаюче рішення, запропоновано категорію барвистих фарб з низьким рівнем випромінювання, які є альтернативою звичайним фарбам. Вони демонструють високу гнучкість монтажу на поверхні різних форм і матеріалів. Крім того, вони універсальні, підходять для різноманітних сценаріїв застосування, включаючи будівлі, транспортування, зберігання та пакування. Фарби не тільки задовольняють основні функції звичайних фарб, але також зменшують обмін тепловим випромінюванням, щоб заощаджувати енергію опалення або охолодження.
Як приклад огороджувальних конструкцій будівлі, які показано на Рис. 1 А, ці фарби призначені для створення покриттів на поверхнях огороджувальних конструкцій, таких як стіни та дахи, щоб запобігти обміну тепловим випромінюванням з оточенням, розташованим у середньому інфрачервоному (MIR) діапазоні довжин хвиль (в основному від 7 до 14 мкм). У спекотну погоду покриття зменшує пропускну здатність теплового випромінювання від гарячого навколишнього середовища та від сонячного ближнього інфрачервоного випромінювання (NIR), щоб зменшити приплив тепла. У холодну погоду покриття перешкоджає радіаційній втраті тепла (MIR) з внутрішнього середовища до зовнішнього середовища. Тим часом барвистий вигляд також реалізується шляхом вибіркового відбивання видимого світла потрібного кольору. Іншими словами, сформоване покриття націлене на підвищення стійкості до теплопередачі випромінювання для підвищення енергоефективності охолодження та обігріву приміщення без шкоди для порівняного зовнішнього вигляду зі звичайними фарбами.
Рис. 1. Схематичне зображення принципу конструкції та виставка зразків
А) Графічне пояснення механізму роботи барвистих фарб з низьким рівнем випромінювання. Фарби протистоять обміну теплового випромінювання з гарячим середовищем, щоб зменшити приплив тепла, з холодним середовищем, для того, щоб зменшити втрати тепла. Ця категорія фарб підходить не тільки для теплових огороджень будівель, як зображено, але й для інших об'єктів.
В) Схематичне пояснення розробленої двошарової структури для нанесення фарб. Нижній шар - ІЧ-відбиваюче покриття на основі АІ МF. Верхній шар — це ІЧ-прозоре кольорове покриття, яке створює бажаний візуальний вигляд, але майже не руйнує високий коефіцієнт відбиття ІЧ-променів, що є результатом нижнього шару. РВ, Fe2O3, α-FeOOH та ZnO використовуються для синього, червоного, жовтого білого кольорів відповідно.
С) Фотографія готових розчинів фарби для нижнього шару (крайній зліва) для верхнього шару (різних кольорів: білий, синій, червоний, жовтий, зелений, оранжевий, фіолетовий темно-сірий, зліва направо відповідно). (Масштабна шкала, 5 см.)
D) Фотографії покриття нижнього шару (крайній зліва) двошарових низькоемісійних покриттів (BLC) у різних кольорах, утворених розчинами фарби. (Е) Фотографії, що демонструють процес виготовлення та остаточний логотип Стенфордського університету за допомогою наших барвистих фарб з низьким рівнем випромінювання. (Масштаб 5 см.)
Економія на опаленні та охолодженні: матеріальний дизайн
Для досягнення цієї мети була створена двошарова структура покриття з бажаною оптичною властивістю, яку можна легко підготувати методом розпилення (Рис. 1В). Розроблений ІЧ-відбиваючий шар як нижній шар для отримання високого ІЧ-відбиття, таким чином,стійкогонадходження та втрати тепла за рахунок значного зменшення поглинання та випромінювання інфрачервоного випромінювання MIR. Крім того, це зменшує надходження тепла від сонця в NIR. Верхній шар служить ІЧ-прозорим кольоровим шаром, що вибірково відбиває бажані видимі кольори, але дозволяє високу пропускну здатність ІЧ-випромінювання для збереження високої відбивної здатності нижнього шару. Відповідно, розроблено дві групи фарб, які можна легко використовувати для формування запропонованих двошарових покриттів. Розроблено ІЧ-відбиваючу алюмінієву (АІ) фарбу з мікролусками (MF), яка може створювати тепловідбивне покриття (крайні ліворуч, Рис. 1 С та D). ІЧ-прозорі барвисті фарби на основі неорганічних наночастинок, розроблені в різних кольорах для барвистого покриття верхнього шару (інші, Рис. 1 С та D). Берлінська лазурь (РВ), оксид заліза (Fe2O3), гетит (α-FeOOH) та оксид цинку (ZnO) використовуються для створення основних кольорів (синього, червоного, жовтого та білого відповідно), за допомогою яких можна створити інші кольори, шляхом змішування. Кольорові фарби з низьким рівнем випромінювання, що містять дві вищезгадані групи фарб, є відповідною заміною звичайних фарб. Вони не тільки зберігають естетичний ефект, але також забезпечують додаткову теплоізоляцію. Бажані графічні візерунки в різних кольорах можна легко створити. На Рис. 1Е представлені фотографії процесу виготовлення та підготовлений логотип Стенфордського університету з двошаровою структурою, отриманою за допомогою фарбових розчинів, що демонструє, що вони можуть бути багатообіцяючою альтернативою звичайним фарбам.
Більш точно, недорогі лусочки алюмінію мікророзміру (десятки мкм у бічному розмірі) використовуються як функціональний компонент тепловідбивної фарби для нижнього шару. Вони дисперговані в бінарній системі розчинників (р-ксилол та метиленхлорид) з розчиненим нітрил-бутадієн-каучуком сечовиною (NBR-U) як сполучний полімерний. Лусочки алюмінію мікророзміру з великим співвідношенням сторін та модифікованою поверхнево-активною речовиною, та полімерною поверхнею мають тенденцію до накопичення та орієнтації для створення щільної та гладкої поверхні, як показано на зображенні морфології поверхні покриття Al MF, отриманому скануючим електронним мікроскопом (SEM) (Рис. 2А). Таке покриття Al MF показує відбивну здатність MIR ~ 85% (Рис. 2D), що є комплексним результатом вибору типу частинок АІ, розчинника та полімерного сполучного, а також оптимізації їх співвідношення. В якості підкладки було прийнято скло з високим ІЧ-випромінюванням і видимою прозорістю.
Щоб зберегти ІЧ-відбивну здатність покриття Al MF під час нанесення кольорів, було вибрано неорганічні ІЧ-прозорі наночастинки як пігменти для створення барвистих ІЧ-прозорих фарб. Інфрачервоні спектри ослабленого повного відбиття-перетворення Фур'є (ATR-FTIR) вибраних пігментів підтверджують, що ці неорганічні тверді речовини мають незначне поглинання в діапазоні довжин хвиль MIR, за винятком інтенсивного та вузького піку РВ при 4,8 мкм через вібрацію розтягування-С Ξ N та два слабкі широкі піки в α-FeOOH через згинальну вібрацію - ОН. Розміри їх частинок знаходяться в діапазоні від 20 до 1000 нм, що набагато менше, ніж довжини хвиль випромінювання MIR; таким чином, сильного розсіювання можна значно уникнути для високої ІЧ-прозорості. Один або декілька типів неорганічних ІЧ-прозорих пігментів наночастинок дисперговані в системі NBR-U (сполучна речовина)-ацетон (розчинник). За допомогою розпилення наночастинки диспергуються на верхню поверхню орієнтовану Al MF (Рис. 2В). SEM-зображення поперечного перерізу типового двошарового (червоного) низькоемісійного покриття показано на Рис. 2 С. Поєднання шару АІ МР, товщиною приблизно від 5 до 10 мкм та кольорового шару, товщиною лише кілька мікрометрів, є достатнім для створення видимих кольорів досить високого коефіцієнта відбиття в MIR- променях. Було позначено BLC різними кольорами як «кольоровий» BLC, наприклад синій BLC.
Рис. 2. Характеристика морфології та оптичних властивостей
А) SEM-зображення, що показує морфологію поверхні гладкого покриття Al MF. (Масштабна шкала, 50 мкм.)
В) СЕМ-зображення кольорового (червоного) BLC, нижня частина якого - покриття Al MF, а верхня - покриття з наночастинок Fe2O3 (NР). (Масштабна шкала, 20 мкм.)
С) SEM зображення поперечного перерізу двошарового червоного покриття з низьким рівнем випромінювання. Сині пунктирні лінії позначають покриття Al MF, тод як червоні пунктирні лінії позначають шар покриття Fe2O3 NP. (Шкала , 10 мкм.)
D) Виміряний загальний коефіцієнт відбиття в діапазоні довжин хвиль MIR на скляній підкладці для одношарового покриття Al MF BLC синього, червоного, жовтого та білого кольорів.
Е) Виміряний загальний коефіцієнт відбиття у видимому діапазоні та діапазонах довжин хвиль ближнього інфрачервоного випромінювання на скляній підкладці для одношарового покриття Al MF та BLC синього, червоного, жовтого та білого кольорів.
F) Виміряний загальний коефіцієнт відбиття в діапазоні довжин хвиль MIR для барвистих двошарових покриттів з низьким рівнем випромінювання на різних підкладках.
Оптична характеристика. На Рис. 2D зображено виміряний загальний коефіцієнт відбиття МІR за допомогою FTIR-спектрометра, оснащеного дифузною золотою інтегруючою сферою. Звичайний нижній шар покриття АІ MF на скляній підкладці демонструє близько 85% відбиття, що еквівалентно ~ 0,15 випромінювання. Додавання верхнього кольорового шару зменшує загальний коефіцієнт відбиття MIR через неминуче поглинання тепла полімерним сполучним і пористою морфологією, але загальний коефіцієнт відбиття MIR може досягати ~ 80%. На відміну від цього, звичайні фарби в тих же кольорах демонструють коефіцієнт відбиття нижче 10% в діапазоні довжин хвиль MIR, які сильно поглинають теплове випромінювання. Крім того, була виміряна загальна відбивна здатність цих кольорових покриттів з низьким рівнем випромінювання у видимому та ближньому інфрачервоному діапазонах довжин хвиль за допомогою спектрометра UV-Vіs-NIR, оснащеного приладдям для дифузного відбиття. Як показано на Рис. 2Е, одношарове покриття Al MF демонструє ~ 80% відбивної здатності у всьому видимому та ближньому інфрачервоному діапазонах довжин хвиль. Спектри двошарових покриттів в основних кольорах демонструють відбиття від 65 до 75% у діапазоні ближніх довжин хвиль, одночасно виявляючи різні довжини хвиль домінуючого відбиття для синього, червоного та жовтого кольорів. Звичайні фарби також демонструють вибіркові піки відбиття, що відповідають їхнім кольорам, тоді як їх відбиття як у видимому, так в ближньому інфрачервоному діапазонах загалом значно нижче. Варто зазначити, що зміна маси навантаження барвистого покриття може призвести до різноманітних відтінків для різних кольорів. Незважаючи на те, що спостерігаються деякі варіації спектрів, досить високий коефіцієнт інфрачервоного відбиття може зберігатися навіть для дуже темних відтінків.
Крім того, було перевірено ефективність відбиття теплового випромінювання складених барвистих низькоемісійних фарб на різних підкладках (пластик, дерево, кераміка, метал, скло). Було зроблено спостереження, що майже ідентичний коефіцієнт відбиття ІЧ-випромінювання в середній довжині хвиль досягається на всіх випробуваних матеріалах. Це пов'язано з тим, що фарба Al MF для покриття нижнього шару може добре поєднуватися з різними підкладками та змінювати морфологію їх поверхні, щоб бути схожою на зібрану та орієнтовану збірку АІ MF. Як наслідок, коефіцієнт відбиття кольорових BLC на різноманітних підкладках демонструє подібні спектри до спектрів на скляній підкладці, як показано на Рис. 2F.
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: 2 983
