DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-48621-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38796451
تاريخ النشر: 2024-05-25
المؤلف: Dongpyo Hong وآخرون
الموضوع الرئيسي: الإشعاع الحراري وتقنيات التبريد
نظرة عامة
تناقش هذه الفقرة إمكانيات مواد التبريد الإشعاعي السلبي خلال النهار (PDRC)، وخاصة الطلاءات البوليمرية المسامية (PPC)، كبديل فعال من حيث الطاقة لواجهات المباني. على الرغم من قابليتها الواعدة للتوسع والأداء، تواجه PPC تحديات كبيرة تتعلق بالرطوبة خلال عملية التجفيف، مما يمكن أن يقلل بشكل كبير من فعاليتها. تكشف الدراسة أن الانعكاسية الشمسية لـ PPC تنخفض بشكل حاد مع مستويات الرطوبة التي تتجاوز 30% رطوبة نسبية (RH)، مما يؤدي إلى فقدان كامل لقدرة PDRC عند 45% RH، وحتى تسببها في العمل كمواد تسخين شمسية عند مستويات رطوبة أعلى.
لمعالجة هذه المشكلة، يقترح المؤلفون حلاً يتضمن إضافة كمية صغيرة من تعزيز البوليمر إلى PPC، مما يسمح لها بالاحتفاظ بأداء PDRC حتى 60% RH. تؤدي هذه التعديلات إلى زيادة ملحوظة بنسبة 950% في التغطية المقدرة مقارنةً بـ PPC القياسي في الولايات المتحدة. تسلط النتائج الضوء على مشكلة التناسق الحرجة في تطبيق تكنولوجيا PDRC وتوفر رؤى هندسية ضرورية لتطوير دهانات PDRC موثوقة للاستخدام الصناعي، مما يساهم في الجهود الرامية إلى تقليل استهلاك الطاقة والتخفيف من ظاهرة الاحتباس الحراري.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والطرق المستخدمة في تصنيع نوعين من الطلاءات البوليمرية المسامية: الطلاء البوليمري المسامي المضاف إليه السيليكا المدخنة (FSPPC) والطلاء البوليمري المسامي (PPC). تضمنت المواد الأساسية بولي (فلوريد الفينيليدين-كوهكسافلوروبروبيلين) (P(VdF-HFP))، السيليكا المدخنة، والأسيتون، المأخوذة من سيغما-ألدريتش وDUKSAN PURE CHEMICALS Co., Ltd. تم تحضير محلول FSPPC عن طريق توزيع P(VdF-HFP) والسيليكا المدخنة في الأسيتون عند 40 درجة مئوية، مع نسب كتلة السيليكا المدخنة تتراوح من 2.5% إلى 10%. ثم أضيف الماء منزوع الأيونات قطرة قطرة لإنشاء محلول متجانس، مع الحفاظ على نسبة الكتلة من P(VdF-HFP):أسيتون:ماء تبلغ 1:8:1.
شمل عملية الصب تجفيف الخليط في قالب PTFE مقاس 75 × 75 × 2 مم. بالنسبة لعينات PPC، تم اتباع نفس الإجراء، باستثناء إضافة السيليكا المدخنة. لضمان التطبيق العملي، قام المؤلفون بالتحكم في سمك الفيلم الرطب عند 2 مم، ملتزمين بالنطاق الأقصى المحدد بواسطة ASTM D4414-95 لمنع الترهل. تم إجراء التجفيف في بيئة مفتوحة مع جهاز تحكم حراري ورطوبي لمحاكاة الظروف الواقعية، مما يقلل من تأثير تبخر المذيب على التركيب الجوي.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. يسلط الضوء على النتائج المهمة التي تدعم الفرضيات أو أسئلة البحث المطروحة سابقًا في الدراسة. عادةً ما تكون النتائج مصحوبة ببيانات إحصائية ذات صلة، وأشكال، وجداول توضح الاتجاهات والأنماط الملاحظة.
في هذا القسم، قد يناقش المؤلفون أيضًا تداعيات نتائجهم، مقارنتها بالدراسات السابقة لوضع مساهماتهم في السياق. النتائج حاسمة لفهم فعالية المنهجيات المستخدمة وصحة الاستنتاجات المستخلصة في البحث. بشكل عام، يعمل هذا القسم كأساس للنقاش والتفسير اللاحق للبيانات.
نقاش
في هذه الدراسة، تم التحقيق في تأثير رطوبة التجفيف على الخصائص البصرية وأداء التبريد للطلاءات البوليمرية المسامية (PPC) والطلاءات البوليمرية المسامية المضافة إليها السيليكا المدخنة (FSPPC). تكشف النتائج أن PPC تظهر انخفاضًا كبيرًا في الانعكاسية الشمسية ($R_{\text{solar}}$) مع زيادة رطوبة التجفيف، وخاصةً بعد 30% رطوبة نسبية (RH)، حيث ينخفض $R_{\text{solar}}$ من 95.7% إلى 77% عند 67% RH. بالمقابل، تظهر FSPPC استقرارًا معززًا، حيث تحافظ على $R_{\text{solar}}$ فوق 94% حتى 60% RH بفضل التعزيز المقدم من السيليكا المدخنة، مما يقلل من انكماش المسام وتشوه الشكل خلال عملية التجفيف. كما قدمت الدراسة مقياسًا لأداء التبريد الإشعاعي، مما يشير إلى أنه بينما تتحول PPC إلى مادة تسخين شمسية عند الرطوبة العالية، تحتفظ FSPPC بأداء تبريد إيجابي حتى 60% RH.
كشفت التحليلات الهيكلية أن توبولوجيا المسام الدقيقة تؤثر بشكل كبير على الأداء البصري، حيث تصبح مسام PPC أكثر تسطحًا وأصغر مع زيادة الرطوبة، بينما تحافظ FSPPC على هيكل مسام أكثر استقرارًا. لا تعزز إضافة السيليكا المدخنة الاستقرار الميكانيكي لمصفوفة البوليمر فحسب، بل تحافظ أيضًا على حجم المسام الدقيقة، وهو أمر حاسم للحفاظ على تشتت الضوء الفعال وأداء التبريد. تؤكد الأبحاث على إمكانية FSPPC لتوسيع تطبيقات الطلاءات الإشعاعية في البيئات ذات الرطوبة العالية، متوقعة زيادة بنسبة 950% في المساحة القابلة للتطبيق عبر الولايات المتحدة مقارنةً بـ PPC. توفر هذه الدراسة رؤى أساسية للتطبيق العملي والتسويق لهذه الطلاءات في البيئات الواقعية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-48621-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38796451
Publication Date: 2024-05-25
Author(s): Dongpyo Hong et al.
Primary Topic: Thermal Radiation and Cooling Technologies
Overview
The section discusses the potential of passive daytime radiative cooling (PDRC) materials, particularly porous polymer coatings (PPC), as an energy-efficient alternative for building envelopes. Despite their promising scalability and performance, PPC faces significant challenges related to humidity during the drying process, which can severely diminish its effectiveness. The study reveals that the solar reflectance of PPC declines sharply with humidity levels above 30% relative humidity (RH), leading to a complete loss of PDRC capability at 45% RH, and even causing it to act as a solar-heating material at higher humidity levels.
To address this issue, the authors propose a solution involving the addition of a small amount of polymer reinforcement to the PPC, which allows it to retain its PDRC performance up to 60% RH. This modification results in a remarkable 950% increase in estimated areal coverage compared to standard PPC in the United States. The findings highlight a critical consistency issue in the application of PDRC technology and provide engineering insights necessary for developing reliable PDRC paints for industrial use, thereby contributing to efforts aimed at reducing energy consumption and mitigating global warming.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods used to fabricate two types of porous polymer coatings: fumed silica added porous polymer coating (FSPPC) and porous polymer coating (PPC). The primary materials included poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (P(VdF-HFP)), fumed silica, and acetone, sourced from Sigma-Aldrich and DUKSAN PURE CHEMICALS Co., Ltd. The FSPPC solution was prepared by dispersing P(VdF-HFP) and fumed silica in acetone at 40 °C, with fumed silica mass fractions ranging from 2.5% to 10%. Deionized water was then added dropwise to create a homogeneous solution, maintaining a mass ratio of P(VdF-HFP):acetone:water of 1:8:1.
The casting process involved drying the mixture in a PTFE mold measuring 75 × 75 × 2 mm. For the PPC samples, the same procedure was followed, excluding the addition of fumed silica. To ensure practical applicability, the authors controlled the wet film thickness at 2 mm, adhering to the maximum range specified by ASTM D4414-95 to prevent sagging. Drying was conducted in an open environment with a thermo-hygrostat to replicate real-world conditions, minimizing the impact of solvent evaporation on atmospheric composition.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments or analyses. It highlights the significant outcomes that support the hypotheses or research questions posed earlier in the study. The results are typically accompanied by relevant statistical data, figures, and tables that illustrate the trends and patterns observed.
In this section, the authors may also discuss the implications of their findings, comparing them with previous studies to contextualize their contributions to the field. The results are crucial for understanding the effectiveness of the methodologies employed and the validity of the conclusions drawn in the research. Overall, this section serves as a foundation for the subsequent discussion and interpretation of the data.
Discussion
In this study, the influence of drying humidity on the optical properties and cooling performance of porous polymer coatings (PPC) and fumed silica added porous polymer coatings (FSPPC) was investigated. The findings reveal that PPC exhibits a significant decline in solar reflectance ($R_{\text{solar}}$) as drying humidity increases, particularly beyond 30% relative humidity (RH), where $R_{\text{solar}}$ drops from 95.7% to 77% at 67% RH. In contrast, FSPPC demonstrates enhanced stability, maintaining $R_{\text{solar}}$ above 94% up to 60% RH due to the reinforcement provided by fumed silica, which mitigates pore shrinkage and shape distortion during the drying process. The study also introduced a figure of merit for radiative cooling performance, indicating that while PPC transitions to a solar-heating material at high humidity, FSPPC retains a positive cooling performance up to 60% RH.
Structural analysis revealed that the micropore topology significantly affects optical performance, with PPC pores becoming flatter and smaller as humidity increases, while FSPPC maintains a more stable pore structure. The addition of fumed silica not only enhances the mechanical stability of the polymer matrix but also preserves the size of micropores, which is critical for maintaining effective light scattering and cooling performance. The research underscores the potential for FSPPC to expand the applicability of radiative cooling coatings in environments with higher humidity, projecting a 950% increase in applicable area across the United States compared to PPC. This work provides essential insights for the practical application and commercialization of these coatings in real-world settings.