HPC-Cellulose-Additiv für passive Strahlungskühlbeschichtungen: Angesichts der weltweit steigenden Temperaturen und der Maßnahmen zur CO₂-Neutralität haben sich passive Strahlungskühlbeschichtungen für den Tagesbetrieb (stromfreie Kühlbeschichtungen) zur gängigsten energiesparenden Kühllösung für Industriegebäude, Öllagertanks, Photovoltaikmodule und Versandcontainer entwickelt. Indem sie den Großteil der Sonneneinstrahlung reflektieren und Wärme über das atmosphärische Infrarotfenster im Bereich von 8–13 μm direkt in den Weltraum ableiten, senken sie die Oberflächentemperatur der Untergründe um 10 bis 25 °C – ganz ohne Ventilatoren oder Klimaanlagen – und sorgen so für langfristige Einsparungen bei den Stromkosten sowie eine Reduzierung der CO₂-Emissionen.

Die endgültige Leistungsfähigkeit der Beschichtung hängt nicht nur von Fluorkohlenstoff- oder Acrylharzen, Nano-Titandioxid und infrarotstrahlenden Füllstoffen auf Basis von Seltenen Erden ab, sondern entscheidend auch vom System der Hilfsadditive. Mit einzigartigen Eigenschaften wie der Löslichkeit sowohl in kaltem als auch in heißem Wasser, der thermisch induzierten Gelierung, dem scherverdünnenden Verhalten und der Selbstorganisation über schwache Wasserstoffbrückenbindungen zeichnet sich Hydroxypropylcellulose (HPC) als bevorzugter Celluloseether-Zusatzstoff für hochwertige, stromfreie Strahlungskühlbeschichtungen aus.

Probleme bei der Formulierung von Beschichtungen zur passiven Strahlungskühlung (Warum HPC erforderlich ist)

Ein typisches wasserbasiertes, stromfreies Kühlbeschichtungssystem besteht aus einer filmbildenden Emulsion, hochreflektierenden Nanopulvern, infrarotstrahlenden Füllstoffen, Benetzungs- und Dispergiermitteln, Entschäumern, Verdickungsmitteln und Wasserrückhaltemitteln. Die Branche sieht sich häufig mit folgenden Herausforderungen konfrontiert:

1. Nano-Titandioxid, ultrafeines Siliziumdioxid und Füllstoffe aus Seltenen Erden weisen eine hohe Dichte auf, wodurch sie sich im Ruhezustand leicht absetzen und ablösen und das Reflexionsvermögen beeinträchtigen;

2. Eine zu hohe Viskosität führt beim Spritzlackieren mit hoher Geschwindigkeit und beim Walzlackieren zu Orangenhaut-Fehlern, während es nach dem Stillstand der Anlage zu Läuferbildung kommt;

3. Eine instabile Porenbildung und unregelmäßige Strukturen geschlossener Mikroporen führen zu einer direkten Verringerung der Infrarot-Emissionsfähigkeit;

4. Die Beschichtung verliert unter intensiver Sonneneinstrahlung im Freien schnell Wasser, was zu Rissbildung und einer schlechten Witterungsbeständigkeit führt;

5. Thermoresponsive adaptive Kühlformulierungen erfordern einen reversiblen Wechsel zwischen hydrophilen und hydrophoben Zuständen bei Temperaturänderungen.

Vier Kernfunktionen von HPC in stromlosen Kühlbeschichtungen

1. Stabilisierung von Suspensionen und Dispersionen zur Erhaltung der wesentlichen optischen Kühlleistung

• Der passive Kühleffekt beruht auf der homogenen Verteilung der Nano-Füllstoffe. Sobald es zu Agglomeration und Sedimentation kommt, sinkt der Sonnenreflexionsgrad von über 95% auf unter 85%, wodurch die passive Kühlleistung vollständig verloren geht.
• Die zahlreichen Hydroxylgruppen an den Molekülketten von HPC lagern sich über Wasserstoffbrückenbindungen an der Oberfläche von Nanopulvern an, bilden so eine sterische Barriere und verhindern die Agglomeration und Sedimentation der Partikel;
• Es löst sich in kaltem Wasser auf und bildet ein stabiles Kolloid, bei dem auch nach längerer Lagerung keine Entmischung oder harte Ablagerungen auftreten;
• Es zeichnet sich durch eine bessere Elektrolytbeständigkeit als CMC und HEC bei hochsalzhaltigen, modifizierten Formulierungen aus und eignet sich ideal für Außenbeschichtungen, die in Küstengebieten sowie in salz- und alkalihaltigen Umgebungen zum Einsatz kommen.

2. Einzigartige rheologische Eigenschaften, ideal für automatisierte Beschichtungsprozesse

• HPC weist ein duales rheologisches Profil auf, das sich durch typische Scherverdünnung und thermoreversible Gelierung auszeichnet, was für die Optimierung der Verarbeitbarkeit von Beschichtungen von entscheidender Bedeutung ist:
• Die Viskosität nimmt unter Scherbeanspruchung beim Rühren mit hoher Geschwindigkeit und beim Sprühen rasch ab, was ein reibungsloses Pumpen und die Bildung gleichmäßiger, porenfreier Schichten ermöglicht;
• Die Viskosität stellt sich sofort wieder her, sobald die Scherspannung nachlässt, um ein starkes Absacken an senkrechten Wänden und Dachflächen zu verhindern;
• Es verfestigt sich bei 40–60 °C, um die Feuchtigkeit in der Anfangsphase der Sommerbelastung einzuschließen, wodurch das durch Wasserverlust verursachte Schrumpfen und Reißen der Folie verlangsamt und die Lebensdauer im Außenbereich verlängert wird.

3. Optimierung der mikroporösen Struktur zur Verbesserung der Infrarot-Strahlungseffizienz

• Eine hohe Emissivität hängt von gleichmäßig verteilten, geschlossenen Mikroporen innerhalb der Beschichtung ab. HPC fungiert in diesem System als flexibles Gerüst und Schaumstabilisator:
•  Winzige Luftblasen während des Rührens stabilisieren und das Zusammenwachsen sowie das Entweichen großer Blasen verhindern;
• Bildung eines hierarchischen porösen Netzwerks nach der Filmbildung, um die Emissivität im mittleren Infrarotbereich von 8–13 μm zu erhöhen (auf bis zu 0,94 und darüber hinaus);
•  Als Selbstorganisationsvorlage für ultradünne Kühlbeschichtungen auf Aerogel-Basis dienen, um transparente Deckschichten mit cholesterischen Flüssigkristallstrukturen für Photovoltaikmodule und Glasfassaden herzustellen.

4. Entwicklung intelligenter, thermoresponsiver, adaptiver Kühlbeschichtungen (innovative Forschungs- und Entwicklungsrichtung)

• Herkömmliche statische Kühlbeschichtungen leiten auch im Winter weiterhin Wärme ab und erhöhen den Heizverbrauch, während HPC der wichtigste Rohstoff für adaptive Temperaturregelsysteme ist:
• Es ist bei niedrigen Temperaturen hydrophil und transparent, um die Wärme im Innenraum zu speichern, und wird bei erhöhten Temperaturen hydrophob und weiß, um die Sonnenreflexion und die Abgabe von Infrarotwärme zu verstärken;
• Häufig wird es mit Natriumalginat gemischt, um intelligente kühlende Hydrogel-Beschichtungen für Photovoltaikmodule und Fahrzeugoberflächen herzustellen, die eine ganzjährige automatische Temperaturregulierung ermöglichen;
• Es hält wiederholten thermischen Ausdehnungen und Kontraktionen stand und behält seine Wirksamkeit auch nach Hunderten von Temperaturwechselzyklen bei.