硫酸バリウムは世界で最も白い塗料を生み出す

パデュー大学機械工学教授のシューリン・ルアン氏と彼の学生たちは、記録上最も白い塗料を作成した

 

パデュー大学機械工学のシューリン・ルアン教授とその学生たちはかつて、これまでに記録された中で最も白い絵の具を作成し、現在ではギネス世界記録に登録されています。この超白色塗料は可視光線を最大98.1%反射し、その強い反射率により塗装面からの赤外線熱も放出し、優れた輻射冷却性能を発揮します。

 

記録上最も白い塗料の研究室のサンプルを掲げるシウリン・ルアン

 

白はスペクトル内のすべての色を含む色です。私たちが日常生活で接する色の中では最も明度の高い色であり、特別な色でもあります。他の色と混ぜることはできません。美大生の絵の具箱の中で最も高価で大切な存在です。車用スプレー塗料や工業用塗料の中では比較的高価な塗料でもあります。

 

白の「価値」を高める理由はたくさんあります。業界で一般的に使用されている白色塗料を例に挙げます。他の塗料と比較して、その色は不純物の影響をより顕著に受けるため、その精製プロセスはより複雑になります。同時に、白い塗料は酸化しやすく、黄色に変色します。どのような材料を選択し、そのマトリックスをどのように安定させるかは技術的な困難でもあります。

 

つまり、塗料が白ければ白くなるほど、作るのは難しくなります。しかし、人間が可視光線の99.9%を吸収する最も黒い「ヴァンタブラック」を生み出したように、科学者たちは究極を追求することを決してやめなかった。対して、同じく究極の白を追求することに執念を燃やす男がいる。彼と彼のチームによる 6 年以上の努力を経て、最近ようやくそれを達成しました。彼は米国パデュー大学の阮秀林教授です。最近、彼はチームを率いて人類史上最も白い白い絵の具を作成しました。この超白色塗料は可視光線を最大98.1%反射するとともに、塗装面から赤外線熱を放出し、優れた輻射冷却性能を発揮します。

 

赤外線カメラは、最も白い白色塗料 (中央の濃い紫色の四角形) のサンプルが実際に基板を周囲温度以下に冷却する様子を示しています。これは、市販の「熱遮断」塗料ですらできないことです。

 

2008 年にパデュー大学に着任して以来、Xiulin Ruan 教授はエネルギーおよび熱物理工学の研究に専念してきました。最近スーパーホワイトペイントの研究結果を発表した後、彼は多くのメディアからのインタビューに応じ、このペイントを屋根の約1,{2}}平方インチに塗布すると、家の内部に10キロワットの電力を供給できることについて話しました。冷却能力は、セントラルエアコンを備えたほとんどの家よりもさらに涼しくなります。

 

これまでは、効率的な受動 (放射) 冷却を実現することは非常に困難でした。現在、比較的先進的な解決策は、複雑な多層構造または反射金属層を使用することですが、これにより多くの分野での応用が制限されます。もう1つは、ペイントを通じて受動的冷却を実現することですが、現在使用されているほとんどの白色ペイントの反射率は依然として80%-90%の範囲にあり、反射率が低いため表面を冷却することが困難です。これには非常に厚い塗料層を塗装する必要があり、無駄が多いだけでなく、非常に硬化しやすく、適用範囲が狭く、特定の気象条件下でのみ機能します。

 

この問題を解決するために、研究チームは反射率 95.5% の炭酸カルシウムベースの白色コーティングを発明しました。現在、彼らが発明した硫酸バリウムをベースにした新しいナノコンポジット超白色コーティングは、間違いなく受動的冷却技術の開発を大幅に促進しました。彼らの論文は、ジャーナル「American Chemical Society Applied Materials & Interfaces」の表紙記事として掲載されました。

 

「美白」の秘密

この超白色塗料には2つの白さの「秘密」があります。 1 つは、塗料マトリックスに高濃度の硫酸バリウムが添加されていることです。この化合物は、高い電子バンドギャップ、低い太陽光吸収、および高い反射率を持っています。粘稠度を変えるための充填剤としてよく使用され、一部の白い絵の具に添加されます。また、美白剤としても使用でき、写真用紙や化粧品に添加することもできます。

研究者らは、市場にある多数の白色製品をテストしたところ、硫酸バリウムを添加すると実際に物体の反射率が大幅に増加する、つまりより白く見えることがわかりました。 2つ目は、塗料中の硫酸バリウム粒子の大きさが異なり、粒子径の変動幅が大きいことです。各粒子が光を散乱する程度は粒子サイズによって変動するため、塗料内の粒子の粒径範囲分布が大きいほど、塗料が散乱できる可視光の量が多くなります。

高濃度と異なる粒子サイズの 2 つの「秘密」の重ね合わせ効果により、この新しい塗料は極めて高い反射率を実現します。もちろん、硫酸バリウムの濃度が高すぎることはできません。濃度が高いほど塗料は白くなりますが、濃度が高すぎると乾燥後にひび割れや剥がれが発生しやすくなり、使用感に大きな影響を与えます。

 

エアコンを交換する

ご存知のとおり、白色光は複雑な色の光であり、不透明な物体は異なる色の光を吸収し、同じ色の光を反射するため、白い物体の反射率が高くなります。屋根の塗装に白色塗料を使用すると、太陽の輻射熱を大幅に反射し、輻射熱伝達と対流熱伝達を効果的に低減します。

2010年にGeophysical Research Lettersに掲載された研究によると、都市の住宅の屋根が理想的な白色塗料で塗装されている場合、コンピューターシミュレーションにより、ヒートアイランド効果を33%削減し、全体の熱影響を削減できることが判明しました。都市の気温を0.4度下げ、室内温度を大幅に下げることでエアコンの使用率を減らし、省エネと排出削減の目的を達成します。

 

体積濃度60%の硫酸バリウム・アクリル酸複合皮膜の微細構造

 

パデュー大学が開発した塗料の反射率は、通常の市販塗料よりもはるかに高く、より優れた冷却効果があることを意味します。研究者らは、熱電対高精度温度検出装置を使用して、屋外で塗料の冷却性能をテストしました。実証実験では、この塗料をさまざまな環境で使用することができます。夜間は塗装面を周囲の温度より11度低くすることができ、昼の強い日差しの中でも塗装面を周囲の環境より5度低くすることができます。さらなる実験で研究者らは、冬の寒い環境（試験温度は約6度）でもサンプルの表面を10度下げることができることを発見し、この塗料が優れた反射冷却性能を持っていることを証明した。

 

パデュー大学の研究者、Xiulin Ruan 氏と Joseph Peoples 氏は、赤外線カメラを使用して、屋上の白色塗料サンプルの冷却性能を比較しました。

 

実際、この新しいタイプの超白色塗料は、もともと研究チームの思いつきから生まれました。彼らは当初、住宅の冷房用に従来のエアコンを置き換えるためにウルトラホワイトペイントを使用したいと考えていました。その後、1970年代に開発された輻射冷却塗料をベースに改良を重ね、6年以上に渡る比率の研究と実験を重ねた。塗料のベース素材の選択では、当初100種類以上の素材を検討しました。多くの実験を行った後、徐々に範囲を 10 に絞り込みました。その後、これら 10 の材料グループごとに 50 の異なる配合のクロステストを実施しました。

 

当初は炭酸カルシウム系の白色塗料を入手していましたが、酸性雨などの異常気象では炭酸カルシウムが反応して塗料の劣化を引き起こす可能性があるため、硫酸バリウム系の塗料を発売し、特に複雑な塗料に対する塗料の安定性を最適化しました。屋外環境への対応を検討し、最終的に体積濃度 60% の硫酸バリウム・アクリル酸複合塗料を選択しました。このことからも、炭酸カルシウムは硫酸バリウムに比べて耐酸性、耐アルカリ性が劣ることがわかる。

 

Xiulin Ruan教授は、彼らが発明した新しいタイプの塗料は、現在使用されている他の市販の白色塗料よりも反射率、冷却性能、安定性の点で優れていると述べた。同時に、その製造プロセスは通常の商業用塗装プロセスと互換性があり、コストを制御できます。したがって、この塗料には、空間冷却コストの削減、都市島効果への対処、および将来の地球温暖化の緩和において、幅広い応用の可能性が秘められています。 BBCとのインタビューで彼はまた、「我々は非常に大まかな計算を行ったが、地球の表面のわずか1％（おそらく無人地域のいくつかの岩石）だけがこの塗料でコーティングされれば、気候変動と戦う役割を果たすことができる」とも述べた。ある程度は。」

 

雲浮宏志新材料有限公司の沈降硫酸バリウムに注目してください。

Yunfu Honzhi New Materials Co., Ltd. は、平均粒径 30 ナノメートルから 10 ミクロンのさまざまな沈降硫酸バリウム製品を生産する能力を備えており、カスタマイズされた製品とサービスの提供に重点を置いています。お客様のニーズに応じて、製品にさまざまな表面処理を施すことができることも注目に値します。

 

Xiulin Ruan教授のチームの研究に基づくと、硫酸バリウムは世界で最も白い塗料を製造しており、これは雲浮宏志新材料有限公司の沈降硫酸バリウムが塗料用途における機能性添加剤として重要な役割を果たしていることを示しています。硫酸バリウムは白色度が高く、耐酸性、耐アルカリ性に優れています。異なる粒子サイズの粉末を組み合わせて製造され、コーティングのスペクトル散乱が最も広くなり、最も高い反射率を得ることができます。熱線反射塗装といいます。

 

Yunfu Honzhi New Materials Co., Ltd.のエンジニアはまた、高濃度の硫酸バリウムを添加し、異なる粒径の硫酸バリウムを組み合わせて粒子間の隙間を減らし、反射を改善することで、吸油量が低いため、より多くの硫酸バリウムを添加できると述べた。硫酸バリウムのこと。当社の沈降硫酸バリウムは粒度分布が狭く、粒子がより均一です。異なる粒径を組み合わせることで効果はさらに高まります。当社のウルトラ ホワイト硫酸バリウムは、高光沢が必要なコーティングで非常に人気があり、Extinction 硫酸バリウムもマットおよびセミマット コーティングで独自の機能を備えています。

 

 

Xiulin Ruan教授のチームは、建築用塗料だけでなく、自動車、飛行機、宇宙船用のスプレー塗料でも大きな成果を上げています。硫酸バリウムは固形分を増加させてVOCを低減するため、エアコンの消費量を削減できます。また、エアコンシステムは燃料を消費するため、ガソリンの節約にも役立ちます。コーティング用途では、機能性材料である沈降硫酸バリウムを添加すると、表面を十分に低温に保ち、内部の空調の必要性を減らすことができ、地球温暖化と戦うことができます。