HPC — целлюлозная добавка для пассивных радиационных охлаждающих покрытий. На фоне усиления глобальной тепловой волны и политики достижения углеродной нейтральности пассивные дневные радиационные охлаждающие покрытия (охлаждающие покрытия, не требующие электроэнергии) стали основным энергосберегающим решением для охлаждения промышленных зданий, нефтяных резервуаров, фотоэлектрических панелей и транспортных контейнеров. Отражая большую часть солнечной радиации и рассеивая тепло непосредственно в космическое пространство через инфракрасное окно атмосферы в диапазоне 8–13 мкм, эти покрытия снижают температуру поверхности оснований на 10–25 °C без использования вентиляторов или кондиционеров, обеспечивая долгосрочное сокращение расходов на электроэнергию и выбросов углерода.

Конечные эксплуатационные характеристики покрытия зависят не только от фторуглеродных или акриловых смол, нанодиоксида титана и редкоземельных инфракрасных излучающих наполнителей, но и в значительной степени от системы вспомогательных добавок. Благодаря таким уникальным свойствам, как растворимость как в холодной, так и в горячей воде, термоиндуцированное гелеобразование, сдвиговое разжижение и самоорганизация за счет слабых водородных связей, гидроксипропилцеллюлоза (HPC) выделяется в качестве предпочтительной целлюлозной эфирной добавки для высококачественных покрытий с радиационным охлаждением, не требующих электроэнергии.

Проблемы при разработке рецептуры пассивных радиационных охлаждающих покрытий (почему необходим HPC)

Стандартная система охлаждающих покрытий на водной основе, не требующая электроэнергии, состоит из пленкообразующей эмульсии, нанопорошков с высоким коэффициентом отражения, наполнителей, излучающих инфракрасное излучение, смачивающих диспергаторов, пеногасителей, загустителей и веществ, удерживающих воду. В данной отрасли обычно возникают следующие проблемы:

1. Нанодиоксид титана, ультрадисперсный диоксид кремния и редкоземельные наполнители обладают высокой плотностью, вследствие чего в состоянии покоя они легко оседают и расслаиваются, что ухудшает оптический коэффициент отражения;

2. Чрезмерная вязкость приводит к появлению дефектов типа «апельсиновая корка» при высокоскоростном нанесении распылением и валиком, а после остановки оборудования возникает стекание;

3. Нестабильное образование пор и нерегулярные структуры закрытых микропор непосредственно снижают инфракрасную излучательную способность;

4. Под воздействием интенсивного солнечного света на открытом воздухе покрытие быстро теряет влагу, что приводит к растрескиванию и снижению атмосферостойкости;

5. Термочувствительные адаптивные охлаждающие составы должны обеспечивать обратимое переключение между гидрофильным и гидрофобным состояниями при изменении температуры.

Четыре основные функции HPC в охлаждающих покрытиях, не требующих электроэнергии

1. Стабилизация суспензии и дисперсии для сохранения ключевых характеристик оптического охлаждения

• Эффект пассивного охлаждения зависит от однородного распределения нанонаполнителей. При возникновении агломерации и осаждения коэффициент солнечного отражения снизится с уровня выше 95% до уровня ниже 85%, что полностью лишит материал способности к пассивному охлаждению.
• Многочисленные гидроксильные группы на молекулярных цепях HPC адсорбируются на поверхности нанопорошков посредством водородных связей, образуя барьер стерического препятствия и предотвращая агломерацию и осаждение частиц;
• Он растворяется в холодной воде с образованием стабильного коллоида, при этом даже после длительного хранения не наблюдается расслоения или образования твердого осадка;
• Он обладает более высокой стойкостью к воздействию электролитов по сравнению с CMC и HEC при использовании составов с высоким содержанием соли, что делает его идеальным выбором для наружных охлаждающих покрытий, применяемых в прибрежных и соле-щелочных зонах.

2. Уникальные реологические свойства, идеально подходящие для автоматизированных процессов нанесения покрытий

• HPC обладает двойным реологическим профилем, характеризующимся типичным сдвиговым разжижением и термообратимым гелеобразованием, что имеет решающее значение для оптимизации технологичности нанесения покрытия:
• Вязкость быстро снижается под действием сдвиговой силы при высокоскоростном перемешивании и распылении, что обеспечивает плавную перекачку и получение однородных пленок без микроотверстий;
• Вязкость мгновенно восстанавливается после снятия сдвигового напряжения, что позволяет предотвратить сильное стекание материала по вертикальным стенам и поверхностям крыши;
• При температуре 40–60 °C он превращается в гель, удерживая влагу на ранней стадии воздействия летних условий, что замедляет усадку и растрескивание пленки, вызванные потерей влаги, и продлевает срок службы при эксплуатации на открытом воздухе.

3. Оптимизация микропористой структуры для повышения эффективности излучения в инфракрасном диапазоне

• Высокая излучательная способность зависит от равномерного распределения закрытых микропор внутри покрытия. HPC выступает в системе в качестве гибкого каркаса и стабилизатора пены:
•  Обеспечить стабилизацию мелких пузырьков воздуха во время перемешивания и предотвратить слияние и улетучивание крупных пузырьков;
• После образования пленки сформировать иерархическую пористую структуру для повышения коэффициента излучаемости в диапазоне среднего инфракрасного излучения 8–13 мкм (до 0,94 и выше);
•  Использовать в качестве шаблона для самосборки ультратонких охлаждающих покрытий на основе аэрогеля с целью изготовления прозрачных верхних слоев с холестерическими жидкокристаллическими структурами для фотоэлектрических панелей и стеклянных фасадных систем.

4. Разработка интеллектуальных термочувствительных адаптивных охлаждающих покрытий (передовые направления научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ)

• Обычные статические охлаждающие покрытия продолжают отводить тепло зимой и увеличивают расход тепла, а HPC является основным сырьем для систем адаптивного регулирования температуры:
• При низких температурах он обладает гидрофильными свойствами и прозрачен, что позволяет удерживать тепло в помещении, а при повышенных температурах становится гидрофобным и белым, что усиливает отражение солнечного излучения и отвод инфракрасного тепла;
• Часто смешивается с альгинатом натрия для создания гидрогелевых покрытий с интеллектуальным охлаждением на фотоэлектрических панелях и поверхностях кузовов с целью обеспечения круглогодичного автоматического регулирования температуры;
• Выдерживает многократное тепловое расширение и сжатие и сохраняет свои свойства даже после сотен циклов перехода от высоких к низким температурам.