science >> Wetenschap >  >> Chemie

Polymeercoating koelt gebouwen af

Wanneer blootgesteld aan de lucht, de poreuze polymeer PDRC-coating reflecteert zonlicht en straalt warmte uit om aanzienlijk lagere temperaturen te bereiken dan typische bouwmaterialen of zelfs de omgevingslucht. Krediet:Jyotirmoy Mandal/Columbia Engineering

Met stijgende temperaturen en hittegolven die levens over de hele wereld verstoren, koeloplossingen worden steeds belangrijker. Dit is een kritieke kwestie, vooral in ontwikkelingslanden, waar de zomerhitte extreem kan zijn en naar verwachting zal toenemen. Maar gangbare koelmethoden zoals airconditioners zijn duur, veel energie verbruiken, gemakkelijke toegang tot elektriciteit nodig hebben, en vereisen vaak koelvloeistoffen die ozon afbreken of een sterk broeikaseffect hebben.

Een alternatief voor deze energie-intensieve koelingsmethoden is passieve daytime radiative cooling (PDRC), een fenomeen waarbij een oppervlak spontaan afkoelt door zonlicht te reflecteren en warmte uit te stralen naar de koudere atmosfeer. PDRC is het meest effectief als een oppervlak een hoge zonnereflectie (R) heeft die de zonnewarmtewinst minimaliseert, en een hoge, thermische emissie (ε) die het stralingswarmteverlies naar de lucht maximaliseert. Als R en ε voldoende hoog zijn, er kan een netto warmteverlies optreden, zelfs onder zonlicht.

Het ontwikkelen van praktische PDRC-ontwerpen was een uitdaging:veel recente ontwerpvoorstellen zijn complex of duur, en kan niet op grote schaal worden geïmplementeerd of toegepast op daken en gebouwen, die verschillende vormen en texturen hebben. Tot nu toe, witte verf, die goedkoop en gemakkelijk aan te brengen zijn, zijn de maatstaf geweest voor PDRC. Witte verven, echter, hebben meestal pigmenten die UV-licht absorberen, en reflecteren langere zonnegolflengten niet goed, dus hun prestaties zijn op zijn best bescheiden.

Onderzoekers van Columbia Engineering hebben een hoogwaardige PDRC-polymeercoating aan de buitenkant uitgevonden met luchtholtes op nano- tot microschaal die als een spontane luchtkoeler fungeert en kan worden gefabriceerd, geverfd, en aangebracht als verf op daken, gebouwen, watertanks, voertuigen, zelfs ruimtevaartuigen - alles dat kan worden geverfd. Ze gebruikten een op oplossing gebaseerde fase-inversietechniek die het polymeer een poreuze schuimachtige structuur geeft. De luchtholtes in het poreuze polymeer verstrooien en reflecteren zonlicht, vanwege het verschil in de brekingsindex tussen de luchtholtes en het omringende polymeer. Het polymeer wordt wit en vermijdt zo zonneverwarming, terwijl zijn intrinsieke emissie ervoor zorgt dat het efficiënt warmte aan de lucht verliest. De studie is vandaag online gepubliceerd in Wetenschap .

Krediet:Jyotirmoy Mandal/Columbia Engineering

Het team - Yuan Yang, assistent-professor materiaalkunde en techniek; Nanfang Yu, universitair hoofddocent toegepaste natuurkunde; en Jyotirmoy Mandal, hoofdauteur van de studie en een doctoraatsstudent in de groep van Yang (alle afdelingen toegepaste natuurkunde en toegepaste wiskunde) - voortgebouwd op eerder werk dat aantoonde dat eenvoudige kunststoffen en polymeren, inclusief acryl, siliconen, en PET, zijn uitstekende warmtestralers en kunnen worden gebruikt voor PDRC. De uitdagingen waren hoe je deze normaal transparante polymeren het zonlicht kunt laten reflecteren zonder zilveren spiegels als reflectoren te gebruiken en hoe ze gemakkelijk inzetbaar te maken.

Ze besloten om fase-inversie te gebruiken omdat het een eenvoudige, oplossingsgebaseerde methode voor het maken van lichtverstrooiende luchtholtes in polymeren. Polymeren en oplosmiddelen worden al gebruikt in verven, en de Columbia Engineering-methode vervangt in wezen de pigmenten in witte verf door luchtholten die alle golflengten van zonlicht reflecteren, van UV naar infrarood.

"Deze eenvoudige maar fundamentele wijziging levert uitzonderlijke R en ε op die gelijk zijn aan of beter zijn dan die van ultramoderne PDRC-ontwerpen, maar met een gemak dat bijna verfachtig is, ' zegt Mandal.

De onderzoekers vonden de hoge zonnereflectie van hun polymeercoating (R> 96%) en hoge thermische emissie (ε ~ ​​97%) hielden het aanzienlijk koeler dan zijn omgeving onder zeer verschillende luchten, bijv. bij 6 C in de warme, dorre woestijn in Arizona en 3 C in de mistige, tropische omgeving van Bangladesh. "Het feit dat koeling wordt bereikt in zowel woestijn- als tropische klimaten, zonder enige thermische bescherming of afscherming, demonstreert de bruikbaarheid van ons ontwerp overal waar koeling vereist is, ’ merkt Yang op.

Vis-versie:bij blootstelling aan de lucht, de poreuze polymeer PDRC-coating reflecteert zonlicht en straalt warmte uit om aanzienlijk lagere temperaturen te bereiken dan typische bouwmaterialen of zelfs de omgevingslucht. Krediet:Jyotirmoy Mandal/Columbia Engineering

Het team creëerde ook gekleurde polymeercoatings met koelmogelijkheden door kleurstoffen toe te voegen. "Het bereiken van een superieure balans tussen kleur en koelprestaties ten opzichte van huidige verven is een van de belangrijkste aspecten van ons werk, " merkt Yu op. "Voor buitencoatings, de kleurkeuze is vaak subjectief, en verffabrikanten hebben geprobeerd gekleurde coatings te maken, zoals die voor daken, al decenia."

De groep nam milieu- en operationele kwesties, zoals recyclebaarheid, bio-compatibiliteit, en inzetbaarheid bij hoge temperaturen, in overweging, en toonden aan dat hun techniek kan worden gegeneraliseerd naar een reeks polymeren om deze functionaliteiten te bereiken. "Polymeren zijn een verbazingwekkend diverse klasse van materialen, en omdat deze techniek generiek is, extra gewenste eigenschappen kunnen gemakkelijk worden geïntegreerd in onze PDRC-coatings, indien geschikte polymeren beschikbaar zijn, ' voegt Mandal toe.

"De natuur biedt vele mogelijkheden voor verwarming en koeling, waarvan sommige buitengewoon goed bekend en veel bestudeerd zijn en andere slecht bekend zijn. Stralingskoeling - door de lucht als koellichaam te gebruiken - behoort tot de laatste groep, en het potentieel ervan werd tot een paar jaar geleden vreemd genoeg over het hoofd gezien door materiaalwetenschappers, " zegt de natuurkundehoogleraar Claes-Göran Granqvist van de Universiteit van Uppsala, een pionier op het gebied van stralingskoeling, die niet bij het onderzoek betrokken was. "De publicatie van Mandal et al. benadrukt het belang van stralingskoeling en vertegenwoordigt een belangrijke doorbraak door aan te tonen dat hiërarchisch poreuze polymeercoatings, die goedkoop en gemakkelijk kan worden bereid, geven uitstekende koeling, zelfs in de volle zon."

Yang, Ja, en Mandal verfijnen hun ontwerp in termen van toepasbaarheid, terwijl we mogelijkheden onderzoeken zoals het gebruik van volledig biocompatibele polymeren en oplosmiddelen. Ze zijn in gesprek met de industrie over vervolgstappen.

Passieve stralingskoeling overdag (PDRC) houdt in dat tegelijkertijd zonlicht wordt gereflecteerd en warmte naar de koude lucht wordt uitgestraald om een ​​netto warmteverlies te bereiken. Het proces, wat spontaan is, kan structuren afkoelen tot sub-omgevingstemperaturen. Krediet:Jyotirmoy Mandal

"Het is nu een kritiek moment om veelbelovende oplossingen te ontwikkelen voor een duurzame mensheid, " Yang merkt op, "Dit jaar, we waren getuige van hittegolven en recordtemperaturen in Noord-Amerika, Europa, Azië, en Australië. Het is essentieel dat we oplossingen vinden voor deze klimaatuitdaging, en we zijn erg enthousiast om te werken aan deze nieuwe technologie die dit aanpakt."

Yu voegt eraan toe dat hij vroeger dacht dat wit de meest onbereikbare kleur was:"Toen ik jaren geleden aquarel studeerde, witte verf was het duurst. Cremnitz wit of loodwit was de keuze van grote meesters, waaronder Rembrandt en Lucian Freud. We hebben nu aangetoond dat wit in feite de meest haalbare kleur is. Het kan worden gemaakt met niets meer dan luchtholtes van de juiste grootte ingebed in een transparant medium. Luchtholtes maken sneeuwwit en zilvermieren uit de Sahara zilverachtig."

De studie is getiteld "Hiërarchisch poreuze polymeercoatings voor zeer efficiënte passieve stralingskoeling overdag".