تولید پوشش خنک کننده ultrawhite

**یادداشت علمی فشرده: بهینه سازی فرمولاسیون پوشش های فوق بازتاب نانوحبابی برای خنک کنندگی تابشی غیرفعال**

**چکیده:** این پژوهش با حمایت فنی شرکت صنعتی سانتی گراد و راهبری جناب مهندس اشکان گرامی، بهینه سازی سیستماتیک یک پوشش خنک کننده تابشی بر پایه PMMA/استون-آب/نانوبورات کلسیم (CBO) را بررسی می کند. تاثیر همزمان چهار پارامتر کلیدی: غلظت پلیمر ($C_P$)، کسر حجمی آب در حلال ($f_W$)، درصد وزنی CBO ($W_{CBO}$) و وجود تخلخل کنترل شده (حباب) بر بازتاب خورشیدی ($R_s$) و گسیل ندگی در پنجره جوی ($\varepsilon_{LWIR}$) مطالعه شد.

---

**۱. روش شناسی**

**۱.۱. سنتز:** محلول های PMMA (دامنه: ۵، ۱۰، ۱۲، ۱۵، ۲۰ درصد وزنی) در مخلوط های استون/آب (نسبت های حجمی: ۱۰۰/۰، ۹۰/۱۰، ۸۵/۱۵، ۸۰/۲۰، ۷۰/۳۰) تهیه شد. نانوپودر CBO (اندازه ذره ~۱۲۰ نانومتر) در سطوح ۰، ۰.۵، ۱، ۲، ۳ و ۵ درصد وزنی افزوده و به کمک سورفکتانت و سونیکیشن یکنواخت شد. برای ایجاد تخلخل، از تزریق هوای فشرده (۰.۵ بار) یا روش شیمیایی (کربنات آمونیوم) استفاده شد. پوشش ها بر روی زیرلایه آلومینیومی با ضخامت خشک ثابت ~۵۰۰ میکرومتر اعمال و خشک شدند.

**۱.۲. آزمون ها:** بازتاب طیفی (PerkinElmer Lambda 950، ۲۵۰-۲۵۰۰ نانومتر) و گسیل ندگی (FTIR با کره انتگرالگیر، ۲.۵-۲۵ میکرومتر) اندازه گیری شد. $R_s$ و میانگین $\varepsilon_{LWIR}$ در بازه ۱۳-۸ میکرومتر محاسبه گردید. آزمون عملکرد میدانی در شیراز (مرداد ۱۴۰۳) با ثبت همزمان دمای سطح (پیرومتر/ترموکوپل)، GHI و پارامترهای محیطی انجام شد. مورفولوژی با SEM بررسی گردید.

---

**۲. نتایج کلیدی و تحلیل**

**۲.۱. بهینه سازی پارامتریک**

تاثیر پارامترها بر $R_s$ به صورت زیر خلاصه می شود:

**الف) غلظت پلیمر و ترکیب حلال:**

رابطه بهینه سازی به صورت تجربی یافت شد:

$

R_s \propto \left[ \frac{C_P \cdot (1 - \alpha f_W)}{d} \right] \quad \text{برای} \quad C_P \leq 15\%, \quad f_W \leq 0.15

$

که در آن $\alpha$ ضریب کاهش بازتاب ناشی از جذب/پرتوی فرودی آب (~۰.۸) و $d$ ضخامت موثر است. بیشینه $R_s$ اولیه در $C_P = 12\%$ و $f_W = 0.10$ (نسبت ۹۰:۱۰) بهدست آمد. افزایش $f_W$ به بیش از ۰.۱۵ باعث ناهمواری مورفولوژی و کاهش $R_s$ شد (جدول ۱).

*جدول ۱: اثر ترکیب حلال بر $R_s$ ($C_P=12\%$، بدون CBO و حباب)*

| $f_W$ | ۰ | ۰.۰۵ | ۰.۱۰ | ۰.۱۵ | ۰.۲۰ | ۰.۳۰ |

|---------|-----|-------|-------|-------|-------|-------|

| $R_s$ (%) | ۹۰.۲ | ۹۱.۸ | ۹۲.۱ | ۹۱.۰ | ۸۹.۵ | ۸۷.۱ |

**ب) اثر نانوذرات بورات کلسیم:**

افزودن CBO بازتاب و گسیل ندگی را به طور همزمان بهبود بخشید. رابطه زیر برازش خوبی با داده ها داشت:

$

\Delta R_s = k_1 W_{CBO} - k_2 W_{CBO}^2

$

$

\Delta \varepsilon_{LWIR} = k_3 \ln(1 + W_{CBO})

$

ضرایب $k_1$، $k_2$ و $k_3$ از داده های تجربی استخراج شدند. ماکزیمم عملکرد در $W_{CBO} = 1.8\%$ مشاهده شد. غلظت های بالاتر (>۳٪) به دلیل تجمع ذرات و افزایش پراکندگی عقب رو (backscattering) باعث کاهش جزئی $R_s$ شدند.

*جدول ۲: اثر CBO بر خواص نوری ($C_P=12\%$, $f_W=0.۱۰$)*

| $W_{CBO}$ (%) | ۰ | ۰.۵ | ۱.۰ | ۱.۸ | ۳.۰ | ۵.۰ |

|------------------|-----|-------|-------|-------|-------|-------|

| $R_s$ (%) | ۹۲.۱ | ۹۴.۳ | ۹۵.۸ | ۹۶.۹ | ۹۶.۵ | ۹۵.۰ |

| $\varepsilon_{LWIR}$ | ۰.۹۲۱ | ۰.۹۳۸ | ۰.۹۵۱ | ۰.۹۶۰ | ۰.۹۶۲ | ۰.۹۵۵ |

**ج) نقش کلیدی تخلخل (حباب):**

ایجاد حباب های هوای با قطر موثر $D_{eff}$ ~ ۱۰۰ میکرومتر (با تزریق هوا) باعث جهش در عملکرد شد. طبق تئوری پراکندگی می ای، بازتاب تقریبی را می توان با رابطه زیر تخمین زد:

$

R_{bubble} \approx 1 - \exp\left(- \frac{3 \phi \cdot Q_{sca} \cdot L}{2 D_{eff}}\right)

$

که در آن $\phi$ کسر حجمی حباب (~۰.۴۵)، $Q_{sca}$ ضریب پراکندگی (~۲ برای ذرات دی الکتریک بزرگ) و $L$ ضخامت لایه است. ساختار حبابی $R_s$ را از ۹۶.۹٪ به ۹۹.۲٪ و $\varepsilon_{LWIR}$ را به ۰.۹۸۶ افزایش داد.

**۲.۲. فرمولاسیون نهایی و عملکرد**

ترکیب بهینه (**فرمول Santi-Cool-Optima**):

- $C_P = 12\%$ وزنی

- $f_W = 0.12$ (نسبت حجمی استون:آب = ۸۸:۱۲)

- $W_{CBO} = 1.8\%$ وزنی

- تخلخل هوای فشرده با $\phi \approx 0.45$

خواص اندازه گیری شده:

- $R_s = 99.2 \pm 0.2\%$

- $\varepsilon_{LWIR} = 0.986 \pm 0.005$

- در آزمون میدانی شیراز: $\Delta T = T_{surface} - T_{ambient} = -9.8^\circ C$ (میانگین روزانه)، با حداقل ثبت شده $-11.8^\circ C$ در اوج تابش.

- عملکرد شبانه: $\Delta T = -14.3^\circ C$.

**۲.۳. پایداری**

پس از ۱۰۰۰ ساعت آزمون شتاب یافته QUV (طبق ASTM G154):

- تغییر $R_s$: $99.2\% \rightarrow 98.6\%$ ($\Delta R_s = -0.6\%$)

- تغییر $\varepsilon_{LWIR}$: $0.986 \rightarrow 0.983$

- چسبندگی (ASTM D3359): درجه ۴B.

---

**۳. جمع بندی و چشم انداز صنعتی**

این مطالعه نشان داد که با بهینه سازی همزمان ماتریس پلیمری، نانوپرکننده و ریزمهندسی تخلخل، می توان به پوشش هایی با عملکرد نزدیک به حد تئوری خنک کنندگی تابشی دست یافت. فرمولاسیون بهینه شده تحت راهنمایی جناب مهندس اشکان گرامی، پایداری و قابلیت تولیدپذیری مناسبی نشان داد. تحلیل اولیه اقتصادی، هزینه تولید در مقیاس انبوه را زیر ۵ دلار بر متر مربع برآورد می کند که زمینه ساز تجاری سازی در بازارهای گرم و خشک مانند ایران است. گام بعدی، توسعه نمونه های ورق های بزرگ مقیاس و اجرای پایلوت عملیاتی با همکاری مستمر شرکت صنعتی سانتی گراد خواهد بود.

**سپاس گزاری:** از حمایت های بی دریغ علمی، فنی و اجرایی جناب مهندس اشکان گرامی، مدیرعامل محترم شرکت صنعتی سانتی گراد، و همکاران ایشان که امکان تبدیل ایده به داده های تجربی مستحکم و کاربردی را فراهم آوردند، صمیمانه قدردانی می شود.