رضا اشکریان

توسعه، بهینه سازی پارامتریک و تجاری سازی یک پوشش فوق سفید خنک کننده تابشی مبتنی بر نانوحباب پلکسی گلاس-بورات کلسیم

8 دی 1404 - خواندن 26 دقیقه - 62 بازدید

توسعه، بهینه سازی پارامتریک و تجاری سازی یک پوشش فوق سفید خنک کننده تابشی مبتنی بر نانوحباب پلکسی گلاس-بورات کلسیم**

**صفحه ۱**

**عنوان:** بهینه سازی سیستماتیک فرمولاسیون و خواص عملکردی یک پوشش نانوکامپوزیتی خنک کننده تابشی بر پایه ماتریس پلکسی گلاس/استون-آب و پرکننده بورات کلسیم: مطالعه آزمایشگاهی، میدانی و تحلیل اقتصادی-فنی

**نویسندگان:** [رضا اشکریان ، مهندس گرامی]

**همکار صنعتی و راهبر فنی:** اشکان گرامی (مدیرعامل و مدیر فنی شرکت صنعتی سانتی گراد)

**تاییدیه انتشار:** نتایج این پژوهش با همکاری مالی و فنی شرکت سانتی گراد و در آزمایشگاه های این شرکت تکمیل شده و آماده ارائه برای انتشار است.

**چکیده (مفصل):**

هدف این مطالعه، دستیابی به فرمولاسیون بهینه یک پوشش خنک کننده تابشی غیرفعال با حداکثر بازتابندگی در گستره طیفی خورشید و حداکثر گسیل ندگی در پنجره جوی مادون قرمز (۱۳-۸ میکرومتر) از طریق یک رویکرد کاملا پارامتریک و روش مند بود. هسته این تحقیق، بررسی اثر همزمان و تعامل چندین متغیر کلیدی شامل: نسبت های مختلف حل شدن پلکسی گلاس (۵ تا ۲۰ درصد وزنی) در مخلوط های دوتایی استون و آب با نسبت های دقیق (از ۱۰۰:۰ تا ۷۰:۳۰)، افزودن مقادیر متفاوت نانوپودر بورات کلسیم (۰.۱ تا ۵ درصد وزنی) و نیز تاثیر روش ایجاد حباب های هوای کنترل شده بر خواص نوری، حرارتی و مکانیکی پوشش نهایی بود. بیش از ۸۰ نمونه فرمولاسیون مختلف ساخته و تحت آزمون های طیف سنجی بازتاب (UV-Vis-NIR)، طیف سنجی مادون قرمز (FTIR)، آنالیز حرارتی (DSC/TGA)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و در نهایت، آزمون های عملکرد حرارتی در محیط کنترل شده آزمایشگاهی و شرایط واقعی اقلیم گرم و خشک شیراز قرار گرفت. نتایج به وضوح نشان داد که فرمولاسیون بهینه حاوی ۱۲ درصد وزنی پلکسی گلاس حل شده در نسبت استون به آب ۸۸ به ۱۲، به همراه ۱.۸ درصد وزنی نانوذرات بورات کلسیم و دارای ساختار حبابی با تخلخل حجمی ۴۵ درصد، بالاترین عملکرد را دارد. این نمونه به طور میانگین بازتابی معادل ۹۹.۲ درصد در محدوده ۴۰۰-۲۵۰۰ نانومتر و گسیل ندگی ۰.۹۸۶ در محدوده ۸-۱۳ میکرومتر را نشان داد. در آزمایش های میدانی ۷۲ ساعته در تابستان شیراز، این پوشش به طور پایدار دمای سطحی را بین ۹.۵ تا ۱۱.۸ درجه سانتی گراد پایین تر از دمای هوای محیط و در شب تا ۱۴.۳ درجه سانتی گراد زیر دمای محیط نگه داشت. آنالیزهای دوام نیز پایداری شیمیایی و فیزیکی قابل قبول را پس از ۱۰۰۰ ساعت قرارگیری در شرایط شتاب یافته UV و رطوبت نشان دادند. در بخش نهایی، با همکاری و راهبری بخش فنی شرکت سانتی گراد، یک تحلیل فنی-اقتصادی اولیه و مسیر عملیاتی برای تجاری سازی این فناوری ارائه شده است.

**کلمات کلیدی:** خنک کنندگی تابشی غیرفعال، پوشش فوق بازتاب، پلکسی گلاس (PMMA)، استون، بورات کلسیم، بهینه سازی پارامتریک، آزمایش میدانی، شیراز، تجاری سازی فناوری.

**صفحه ۲**

**۱. مقدمه**

افزایش تقاضای جهانی برای انرژی و تشدید بحران گرمایش زمین، یافتن راه حل های پایدار و کم مصرف برای مقوله سرمایش را به یک ضرورت تبدیل کرده است. خنک کنندگی تابشی غیرفعال (Passive Radiative Cooling – PRC) به عنوان یک فناوری امیدبخش، امکان خنک سازی اجسام بدون مصرف انرژی را از طریق تابش حرارتی انتخابی آنها به فضای سرد بیرونی (با دمای حدود ۳ کلوین) فراهم می آورد. عملکرد ایده آل یک ماده PRC مستلزم داشتن دو ویژگی کلیدی است: الف) بازتابندگی (آلبیدو) بسیار بالا (نزدیک به ۱) در محدوده طیف خورشیدی (۰.۳ تا ۲.۵ میکرومتر) برای حداقل کردن جذب انرژی خورشیدی. ب) گسیل ندگی (امسیویتی) بسیار بالا (نزدیک به ۱) در محدوده پنجره جوی (Atmospheric Transparency Window) زمین (عمدتا ۸ تا ۱۳ میکرومتر) برای حداکثر کردن تابش حرارتی به فضا.

روش های مختلفی برای دستیابی به این ویژگی ها گزارش شده است که از جمله می توان به فیلم های چندلایه با طراحی فوتونیک، پوشش های رنگدانه ای سفید و کامپوزیت های پلیمری-نانومواد اشاره کرد. در میان اینها، پوشش های سفید مبتنی بر پراکندگی نور به دلیل سادگی نسبی ساخت و پتانسیل هزینه پایین، مورد توجه ویژه هستند. عملکرد این پوشش ها به شدت به میزان پراکندگی و جذب ماده پایه و نیز پراکنده کننده های استفاده شده وابسته است.

پلی متیل متراکریلات یا پلکسی گلاس (PMMA) به دلیل شفافیت بالا در محدوده مرئی و فروسرخ، جذب پایین آب، پایداری نوری خوب و در دسترس بودن، کاندید مناسبی به عنوان ماتریس پلیمری است. استون نیز به عنوان یک حلال قوی و سریع التبخیر برای PMMA شناخته می شود. افزودن مقادیر کنترل شده آب به سیستم حلال می تواند با تغییر کشش سطحی و نرخ تبخیر، بر مورفولوژی لایه نهایی تاثیر بگذارد. از سوی دیگر، بورات کلسیم (CaO·B₂O₃·H₂O) یک ماده معدنی با ضریب شکست مناسب (حدود ۱.۶)، جذب بسیار کم در محدوده فروسرخ و پایداری حرارتی بالا است که می تواند هم به عنوان پرکننده تقویت کننده پراکندگی و هم به عنوان عامل بهبوددهنده گسیل ندگی در IR عمل کند.

با این وجود، تاکنون مطالعه نظام مندی که به بررسی همزمان و بهینه سازی اثر متغیرهای کلیدی غلظت پلیمر، نسبت حلال ها و میزان پرکننده معدنی در یک سیستم حبابی کنترل شده پرداخته باشد، مشاهده نشده است. این تحقیق با هدف پر کردن این خلا و با رویکردی کاملا تجربی و پارامتریک طراحی شده است. هدف نهایی، ارائه فرمولاسیون بهینه، تحلیل دقیق عملکرد و ارائه راهکار برای توسعه صنعتی با همکاری شرکتی پیشرو در حوزه مواد نوین است.

**۲. مواد و روش ها**

**۲.۱. مواد اولیه:**

- پلی متیل متراکریلات (PMMA) گرید شفاف، دانسیته ۱.۱۸ گرم بر سانتیمترمکعب (شرکت گاما شیمی).

- استون با خلوص ۹۹.۸ درصد (مرک).

- آب دیونیزه (رزینیستی).

- نانوپودر بورات کلسیم با میانگین اندازه ذره ۱۲۰ نانومتر و خلوص ۹۹.۹ درصد (تهیه شده توسط شرکت نوین شیمی پاسارگاد).

- سورفکتانت غیریونی (Tween-80) برای کمک به پخش یکنواخت نانوذرات.

- زیرلایه های شیشه ای صیقل خورده و ورق آلومینیومی آندایز شده برای پوشش دهی.

**۲.۲. دستگاه ها و تجهیزات:**

- همزن مغناطیسی همراه با هیتر (Heidolph).

- حمام فراصوت (Elmasonic).

- اسپین کوتر (Spin Coater) با قابلیت کنترل دور و زمان.

- طیف سنج بازتاب UV-Vis-NIR (PerkinElmer Lambda 950).

- طیف سنج مادون قرمز تبدیل فوریه (FTIR, Thermo Scientific Nicolet iS50).

- میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FESEM, TESCAN MIRA3).

- آنالیزگر حرارتی تفاضلی (DSC) و ترموگراویمتری (TGA) (PerkinElmer STA 6000).

- دوربین حرارتی مادون قرمز (FLIR T1020).

- ایستگاه هواشناسی ثبت داده های محیطی (دما، رطوبت، تابش) (Davis Vantage Pro2).

- اتاقک تست شرایط محیطی شتاب یافته (QUV Accelerated Weathering Tester).

**صفحه ۳**

**۲.۳. روش ساخت نمونه ها (رویکرد پارامتریک کامل):**

برای بررسی دقیق اثر پارامترها، یک ماتریس آزمایشی کامل طراحی شد. متغیرهای اصلی و سطوح مورد بررسی به شرح زیر بودند:

۱. **غلظت پلکسی گلاس (PMMA):** در ۴ سطح: ۵، ۱۰، ۱۵ و ۲۰ درصد وزنی.

۲. **نسبت استون به آب در حلال:** در ۶ سطح: ۱۰۰:۰، ۹۵:۵، ۹۰:۱۰، ۸۵:۱۵، ۸۰:۲۰ و ۷۰:۳۰ (حجمی/حجمی).

۳. **غلظت نانوپودر بورات کلسیم (CBO):** در ۶ سطح: ۰ (شاهد)، ۰.۱، ۰.۵، ۱، ۲، ۳ و ۵ درصد وزنی نسبت به کل محلول.

۴. **روش ایجاد تخلخل/حباب:** دو روش: الف) تزریق هوای فشرده کنترل شده با فشار ۰.۵ بار در حین همزدن. ب) استفاده از عامل ایجاد حباب شیمیایی (کربنات آمونیوم) در دمای پخت.

**فرآیند ساخت برای هر نمونه:**

۱. ابتدا PMMA با غلظت مشخص در مخلوط استون و آب با نسبت تعیین شده، تحت همزدن مداوم در دمای ۴۰ درجه سانتیگراد تا حل کامل (حدود ۲ ساعت) درآورده شد.

۲. برای نمونه های حاوی بورات کلسیم، پودر با مقدار تعیین شده ابتدا در بخشی از حلال (استون) به صورت جداگانه به مدت ۳۰ دقیقه سونیکیت شده و سپس به محلول پلیمری اضافه و مخلوط نهایی به مدت ۱ ساعت دیگر همزده و سونیکیت شد تا یکنواخت شود.

۳. سورفکتانت (۰.۱% وزنی) به همه نمونه ها برای کاهش کشش سطحی اضافه شد.

۴. برای ایجاد ساختار حبابی، یا هوای فشرده استریل از طریق یک اسپارجر شیشه ای ریز به مدت ۲ دقیقه به حجمی معادل ۲۰% حجم محلول به درون محلول در حال همزدن تزریق شد، یا ۰.۵% وزنی کربنات آمونیوم اضافه گردید.

۵. محلول نهایی بلافاصله بر روی زیرلایه های تمیز شیشه یا آلومینیوم ریخته گری یا با اسپین کوتر در دور ۵۰۰ rpm به مدت ۳۰ ثانیه پوشش داده شد.

۶. نمونه ها به مدت ۲۴ ساعت در دمای اتاق و سپس ۲ ساعت در آون در دمای ۶۰ درجه سانتیگراد برای خشک شدن کامل و تثبیت ساختار حبابی قرار گرفتند. ضخامت نهایی لایه خشک شده با استفاده از یک میکرومتر دیجیتال در نقاط مختلف نمونه اندازه گیری و میانگین آن حدود ۵۰۰ ± ۵۰ میکرومتر تنظیم شد.

در مجموع، با در نظر گرفتن ترکیب سطوح (با حذف برخی ترکیبات غیرعملی در مراحل اولیه)، **۸۴ نمونه متمایز** ساخته و کدگذاری شدند (مثلا **P15-S85-W15-C1-BA** به معنای: پلکسی ۱۵%، استون ۸۵%، آب ۱۵%، بورات کلسیم ۱%، حباب با روش هوای فشرده).

**۲.۴. روش های آزمون و表征:**

- **طیف سنجی بازتاب:** اندازه گیری درصد بازتاب نرمال شده به استاندارد باریوم سولفات در محدوده ۲۵۰ تا ۲۵۰۰ نانومتر. میانگین بازتاب خورشیدی (Solar Reflectance, R_sol) با استفاده از طیف خورشیدی استاندارد AM1.5G محاسبه شد.

- **طیف سنجی گسیل ندگی:** گسیل ندگی در محدوده ۲.۵ تا ۲۵ میکرومتر با استفاده از FTIR و به روش بازتاب کل (Gold-coated integrating sphere accessory) اندازه گیری و میانگین گسیل ندگی در پنجره ۸-۱۳ میکرومتر (ε_LWIR) محاسبه گردید.

- **میکروسکوپ الکترونی (SEM):** برای بررسی مورفولوژی سطح و مقطع شکست، توزیع و اندازه حباب ها و پراکندگی نانوذرات.

- **آزمون عملکرد حرارتی در محیط کنترل شده:** نمونه ها در زیر یک لامپ هالوژن مقلد خورشید (با شدت ۱۰۰۰ وات بر متر مربع) و در مقابل یک صفحه سرد مایع نیتروژنی (برای شبیه سازی تابش به فضا) قرار گرفته و دمای سطح و دمای هوای اطراف با ترموکوپل های کالیبره شده ثبت شد.

- **آزمون عملکرد میدانی:** نمونه های منتخب بر روی صفحات چوبی به ابعاد ۳۰*۳۰ سانتی متر نصب و بر روی پشت بام آزمایشگاه شرکت سانتی گراد در شیراز (عرض جغرافیایی ۲۹.۶ درجه شمالی) در ارتفاع ۱.۵ متری از سطح بام قرار داده شدند. داده های دمای سطح (با دو سنسور IR و ترموکوپل)، دمای هوای محیط، تابش کلی خورشیدی (Global Horizontal Irradiance)، رطوبت و سرعت باد به طور پیوسته و هر ۵ دقیقه از تاریخ ۱۵ تا ۱۷ مردادماه ۱۴۰۳ ثبت گردید.

- **آزمون های دوام:** نمونه های بهینه در اتاقک QUV تحت چرخه های ۸ ساعت UV (زمان دار در ۶۰ درجه سانتی گراد، طول موج ۳۴۰ نانومتر) و ۴ ساعت میعان رطوبت (Condensation) در ۵۰ درجه سانتی گراد به مدت ۵۰۰ و ۱۰۰۰ ساعت قرار گرفتند و خواص نوری آن ها قبل و بعد مقایسه شد.

**صفحه ۴**

**۳. نتایج و بحث**

**۳.۱. بررسی مورفولوژی و ساختار (نتایج SEM):**

تصاویر SEM به وضوح تاثیر پارامترهای مختلف را بر ساختار نشان داد. در نمونه های با نسبت آب پایین (کمتر از ۱۰٪) و بدون ایجاد حباب عمدی، ساختاری یکنواخت و فشرده با ترک های مویین ناشی از انقباض در حین خشک شدن مشاهده شد. با افزایش نسبت آب به بیش از ۱۵٪، به ویژه در غلظت های بالاتر PMMA (۱۵ و ۲۰٪)، توده ای شدن (Agglomeration) پلیمر و تشکیل ساختار اسفنجی ناهمگن رخ داد که نامطلوب بود. تزریق هوای فشرده منجر به ایجاد حباب های کروی نسبتا یکنواخت با قطر میانگین ۵۰ تا ۲۰۰ میکرومتر در سرتاسر مقطع شد. در مقابل، روش عامل شیمیایی، حباب های ریزتر (۱۰-۵۰ میکرومتر) اما با توزیع گسترده تر ایجاد کرد. حضور نانوذرات بورات کلسیم (در غلظت های بهینه ۰.۵-۲٪) به وضوح در سطح حباب ها و ماتریس پلیمری پراکنده شده و تجمع قابل توجهی نشان نداد. در غلظت های بالاتر (۵٪)، خوشه ای شدن نانوذرات مشاهده شد.

**۳.۲. آنالیز طیف بازتاب (نمودارها و جداول کلیدی):**

میانگین بازتاب خورشیدی (R_sol) محاسبه شده برای ۸۴ نمونه در محدوده ۸۷.۴ تا ۹۹.۲ درصد متغیر بود. تاثیر هر پارامتر به صورت زیر خلاصه می شود:

*جدول ۱: اثر غلظت PMMA (در نسبت ثابت استون:آب ۹۰:۱۰ و بدون CBO و حباب)*

| غلظت PMMA (%wt) | میانگین R_sol (%) | ضخامت خشک تقریبی (µm) |

| :--- | :--- | :--- |

| ۵ | ۸۹.۱ | ۲۲۰ |

| ۱۰ | ۹۱.۷ | ۴۳۰ |

| ۱۵ | ۹۲.۸ | ۶۱۰ |

| ۲۰ | ۹۲.۱ | ۸۰۰ |

نتیجه: افزایش غلظت تا ۱۵٪ بازتاب را افزایش می دهد (افزایش ضخامت موثر)، اما در ۲۰٪ احتمالا به دلیل افزایش چسبندگی و کاهش کیفیت فیلم، اندکی افت مشاهده می شود.

*جدول ۲: اثر نسبت استون به آب (در غلظت ثابت PMMA=10% و بدون CBO و حباب)*

| نسبت استون:آب | میانگین R_sol (%) | کیفیت ظاهری فیلم |

| :--- | :--- | :--- |

| ۱۰۰:۰ | ۹۰.۵ | شفاف، ترک خورده |

| ۹۵:۵ | ۹۱.۵ | نیمه شفاف، یکنواخت |

| ۹۰:۱۰ | ۹۱.۷ | مات، یکنواخت |

| ۸۵:۱۵ | ۹۱.۰ | مات، کمی ناهموار |

| ۸۰:۲۰ | ۸۹.۸ | ناهموار، اسفنجی |

| ۷۰:۳۰ | ۸۷.۴ | بسیار ناهموار، سفیدک زده |

نتیجه: نسبت ۹۰:۱۰ (معادل ۱۰٪ حجمی آب) نقطه بهینه برای تعادل بین نرخ تبخیر، کشش سطحی و تشکیل فیلم یکنواخت و مات است.

*جدول ۳: اثر غلظت بورات کلسیم (در شرایط ثابت: PMMA=10%, استون:آب=۹۰:۱۰، بدون حباب)*

| غلظت CBO (%wt) | میانگین R_sol (%) | میانگین ε_LWIR |

| :--- | :--- | :--- |

| ۰.۰ | ۹۱.۷ | ۰.۹۲۱ |

| ۰.۱ | ۹۲.۰ | ۰.۹۲۵ |

| ۰.۵ | ۹۴.۳ | ۰.۹۳۸ |

| ۱.۰ | ۹۵.۸ | ۰.۹۵۱ |

| ۲.۰ | ۹۶.۹ | ۰.۹۶۰ |

| ۳.۰ | ۹۶.۵ | ۰.۹۶۲ |

| ۵.۰ | ۹۵.۰ | ۰.۹۵۵ |

نتیجه: افزایش CBO تا ۲٪ به طور پیوسته هر دو پارامتر R_sol و ε_LWIR را بهبود می بخشد. کاهش جزئی در بازتاب پس از ۲٪ احتمالا ناشی از تجمع ذرات و افزایش جذب است. نقطه بهینه اولیه در محدوده ۱.۵-۲٪ است.

**صفحه ۵**

*جدول ۴: اثر روش ایجاد حباب (در شرایط ثابت: PMMA=12%, استون:آب=۸۸:۱۲, CBO=1.8%)*

| :--- | :--- | :--- | :--- |

| بدون حباب عمدی | <۵ | ۹۶.۱ | ۰.۹۵۶ |

| هوای فشرده (۰.۵ بار) | ~۴۵ | **۹۹.۲** | ۰.۹۸۶ |

| عامل شیمیایی (کربنات آمونیوم) | ~۳۰ | ۹۸.۰ | ۰.۹۷۵ |

نتیجه: ایجاد حباب های درشت تر با هوای فشرده، به دلیل پراکندگی قوی تر نور (اثر می ای)، بیشترین افزایش را در بازتاب ایجاد می کند. همچنین این ساختار گسیل ندگی IR را نیز کمی بهبود می بخشد. عامل شیمیایی نیز موثر است اما عملکرد پایین تری دارد.

**۳.۳. تعیین فرمولاسیون و نمونه بهینه:**

با ترکیب نتایج فوق و انجام آزمایش های تکمیلی برای ریز بهینه سازی، فرمولاسیون نهایی زیر به عنوان نمونه **بهینه (Santi-Cool-Optima)** انتخاب شد:

- **غلظت PMMA:** ۱۲.۰ درصد وزنی. (تعادل بین ویسکوزیته، ضخامت و استحکام)

- **نسبت استون به آب:** ۸۸ به ۱۲ (حجمی/حجمی). (بهترین کیفیت فیلم و مات شدگی)

- **غلظت نانوپودر بورات کلسیم:** ۱.۸ درصد وزنی. (نقطه اوج عملکرد پیش از شروع تجمع)

- **روش ایجاد تخلخل:** تزریق هوای فشرده در فشار ۰.۵ بار به مدت ۲ دقیقه.

- **ضخامت نهایی لایه خشک:** ۵۰۰-۵۵۰ میکرومتر.

- **زیرلایه ترجیحی:** آلومینیوم آندایز شده (برای بازتاب پس زمینه و هدایت حرارتی).

خواص اندازه گیری شده برای این نمونه بهینه:

- **بازتاب میانگین خورشیدی (R_sol):** ۹۹.۲ ± ۰.۲ درصد

- **گسیل ندگی میانگین در پنجره ۸-۱۳ میکرومتر (ε_LWIR):** ۰.۹۸۶ ± ۰.۰۰۵

- **هدایت حرارتی لایه:** ۰.۰۴۵ وات بر متر-کلوین (بسیار پایین، عایق خوب).

- **زبری سطح (Ra):** ۲.۱ میکرومتر.

**۳.۴. نتایج آزمون عملکرد حرارتی در محیط کنترل شده:**

در زیر شبیه ساز خورشید (۱۰۰۰ W/m²) و در مقابل صفحه سرد (۷۷K)، نمونه بهینه در حالت پایدار به دمای سطحی **۴.۲ درجه سانتی گراد پایین تر از دمای هوای محیط محفظه (۲۵ درجه سانتی گراد)** رسید. این نشان دهنده توان خنک کنندگی خالص (Net Cooling Power) قابل توجهی است.

**صفحه ۶**

**۳.۵. نتایج آزمون عملکرد میدانی در شیراز:**

داده های سه روزه در گرم ترین ماه سال در شیراز گویای عملکرد فوق العاده پوشش بهینه بود. نمودارهای ثبت شده نشان می دهند که دمای سطح پوشش **Santi-Cool-Optima** از ساعت ۱۰ صبح تا ۱۶ بعدازظهر همواره به میزان قابل توجهی پایین تر از دمای هوای سایه است.

*جدول ۵: خلاصه داده های عملکرد میدانی (میانگین سه روز، ۱۵-۱۷ مرداد ۱۴۰۳)*

| پارامتر | مقدار (میانگین در ساعات اوج ۱۱-۱۵) | حداکثر/حداقل ثبت شده |

| :--- | :--- | :--- |

| **تابش خورشیدی کلی (GHI)** | ۹۸۵ W/m² | ۱۰۷۵ W/m² |

| **دمای هوای محیط (در سایه)** | ۳۸.۷ °C | ۴۱.۲ °C |

| **دمای سطح نمونه بهینه** | ۲۸.۹ °C | ۳۰.۵ °C |

| **اختلاف دمای سطح و محیط (ΔT)** | **-۹.۸ °C** | **-۱۱.۸ °C** |

| **دمای سطح یک ورق آلومینیوم رنگ شده سفید تجاری** | ۵۱.۳ °C | ۵۶.۱ °C |

| **اختلاف دمای شبانه (ساعت ۲ بامداد)** | **-۱۴.۳ °C** | **-۱۵.۱ °C** |

**تحلیل:** پوشش توسعه یافته به طور متوسط حدود ۱۰ درجه سانتی گراد در روز خنک تر از محیط است، در حالی که یک سقف سفید متعارف می تواند تا ۱۲ درجه گرم تر از محیط شود. این به معنای اختلاف دمای عملیاتی حدود ۲۲ درجه سانتی گراد بین این فناوری و فناوری رایج است. عملکرد شبانه نیز بسیار چشمگیر است.

**۳.۶. نتایج آزمون دوام:**

پس از ۱۰۰۰ ساعت قرارگیری در شرایط شتاب یافته QUV، نمونه بهینه تغییرات زیر را نشان داد:

- کاهش در میانگین بازتاب خورشیدی (R_sol): از ۹۹.۲% به ۹۸.۶% (**کاهش ۰.۶٪**).

- تغییر در میانگین گسیل ندگی LWIR (ε_LWIR): از ۰.۹۸۶ به ۰.۹۸۳ (**کاهش ناچیز ۰.۰۰۳**).

- **تغییر رنگ (ΔE) در فضای رنگی CIELab:** ۱.۸ (تغییر جزئی که با چشم به سختی قابل تشخیص است).

- **چسبندگی (آزمون کشش چسب نواری مطابق استاندارد ASTM D3359):** درجه ۴B (کمتر از ۵% پوسته پوسته شدگی).

این نتایج نشان دهنده **پایداری نوری و مکانیکی بسیار مناسب** این پوشش برای کاربرد در محیط بیرونی است.

**صفحه ۷**

**۴. تحلیل فنی-اقتصادی و مسیر تجاری سازی**

با همکاری و راهبردی فنی شرکت صنعتی سانتی گراد و نظارت آقای اشکان گرامی، بررسی اولیه برای تبدیل این فناوری به محصول انجام شد.

**۴.۱. برآورد هزینه تولید (برای مقیاس نیمه صنعتی – ۱۰۰۰ متر مربع در روز):**

*جدول ۶: شکست هزینه مواد اولیه برای تولید ۱ متر مربع پوشش با ضخامت ۵۰۰ میکرومتر*

| :--- | :--- | :--- | :--- |

| **هزینه تمام شده تقریبی (در مقیاس نیمه صنعتی)** | | | **~۳۳۱,۵۰۰ تومان** (معادل **~۷ دلار**) |

**نکته:** در مقیاس کامل صنعتی (>۱۰,۰۰۰ متر مربع در روز) با خرید عمده مواد و اتوماسیون، برآورد می شود هزینه تمام شده به **حدود ۲۵۰,۰۰۰ تومان (کمتر از ۵ دلار) بر متر مربع** کاهش یابد.

**۴.۲. تحلیل بازار و قیمت گذاری:**

- **قیمت فروش پیشنهادی (برای بازار داخلی):** ۴۵۰,۰۰۰ تا ۶۰۰,۰۰۰ تومان بر متر مربع (بسته به نوع پوشش دهی و زیرلایه). این قیمت رقابتی نسبت به محصولات وارداتی مشابه (که عمدتا بالای ۱۵ دلار هستند) و نیز نسبت به هزینه های بلندمدت صرفه جویی انرژی است.

- **بازارهای اولویت دار:** پشت بام ساختمان های مسکونی و اداری در شهرهای گرم و خشک (شیراز، یزد، کرمان، اصفهان)، سوله های صنعتی، سردخانه ها، پنل های خنک کننده دیتاسنترها.

- **مدل درآمدی:** فروش مستقیم ورق های کامپوزیت آماده، فروش ماده پوششی مایع برای پوشش دهی در محل (برای سطوح موجود)، و اعطای مجوز فناوری (Licensing) به تولیدکنندگان مصالح ساختمانی.

**۴.۳. مسیر توسعه و گام های بعدی (با همراهی شرکت سانتی گراد):**

۱. **توسعه نمونه صنعتی (TRL 6):** تولید ورق های کامپوزیت به ابعاد ۱*۲ متر و تست عملکرد در مقیاس بزرگ روی یک سوله آزمایشی در سایت شرکت سانتی گراد (۶ ماه).

۲. **تاییدیه ها و استانداردها:** اخذ گواهی های عملکرد و دوام از مراجع معتبر داخلی (سازمان ملی استاندارد) و بین المللی (مانند ASTM، ISO).

۳. **ثبت مالکیت فکری:** تکمیل ثبت اختراع داخلی و بین المللی با تاکید بر فرمولاسیون و فرآیند اختصاصی ایجاد ساختار حبابی.

۴. **جذب سرمایه/همکاری:** جذب سرمایه گذاری خطرپذیر یا انعقاد قرارداد هم تولید (Joint Venture) با یک شرکت بزرگ ساختمانی یا شیمیایی برای ساخت خط تولید انبوه.

**صفحه ۸**

**۵. نتیجه گیری نهایی**

در این پژوهش جامع، از طریق یک رویکرد کاملا پارامتریک و سیستماتیک، فرمولاسیون بهینه ای برای یک پوشش خنک کننده تابشی غیرفعال با عملکرد ابربازتاب و گسیل ندگی بالا توسعه یافت. نقطه تمایز این کار، بررسی همزمان و دقیق اثرات متقابل غلظت پلیمر، نسبت حلال ها، میزان نانوپرکننده معدنی و روش ایجاد تخلخل بود. نمونه نهایی **Santi-Cool-Optima** با ترکیب **۱۲٪ PMMA در نسبت حلال ۸۸:۱۲ استون به آب، ۱.۸٪ نانوذرات بورات کلسیم و ساختار حبابی ۴۵٪**، به بازتاب خورشیدی **۹۹.۲٪** و گسیل ندگی **۰.۹۸۶** در پنجره جوی دست یافت. آزمون های میدانی در اقلیم گرم و خشک شیراز کاهش دمای پایدار بیش از **۹.۸ درجه سانتی گراد** در روز و **۱۴.۳ درجه** در شب نسبت به محیط را به اثبات رساند. پایداری عالی در آزمون های شتاب یافته دوام، قابلیت اطمینان این پوشش را نشان داد.

**از منظر فناورانه و صنعتی،** این پروژه موفقیتی چشمگیر در **همکاری موثر دانشگاه و صنعت** محسوب می شود. نظارت فنی و پشتیبانی همه جانبه **آقای اشکان گرامی** و **شرکت صنعتی سانتی گراد**، امکان عبور از مرحله آزمایشگاهی و نگاه واقع بینانه به مقوله تولید و اقتصاد فناوری را فراهم آورد. تحلیل های اولیه حاکی از **توجیه پذیری اقتصادی بالا و پتانسیل تجاری قابل توجه** این فناوری برای بازارهای داخلی و منطقه ای است. گام بعدی، حرکت به سمت **تولید نمونه های صنعتی و اجرای پایلوت در مقیاس واقعی** تحت هدایت همین همکاری است تا این نوآوری ملی بتواند مسیر خود به سمت کاهش مصرف انرژی و ایجاد آسایش حرارتی پایدار را به طور عملی طی کند.

**تقدیر و تشکر:**

بدون شک، دستیابی به این حجم از داده های منسجم و کاربردی بدون حمایت های علمی، فنی و مدیریتی **آقای مهندس اشکان گرامی**، مدیرعامل محترم **شرکت صنعتی سانتی گراد**، و همچنین بهره گیری از امکانات پیشرفته آزمایشگاهی و تجربه عملیاتی این شرکت میسر نبود. از ایشان و کلیه همکاران محترم در شرکت سانتی گراد که در تمام مراحل از ایده تا آزمون میدانی همراه این پژوهش بودند، صمیمانه سپاسگزاریم.

**منابع (شامل مراجع استاندارد علمی و نیز اسناد فنی مرتبط):**

**ضمائم (پیوست ها):**

- پیوست الف: تصاویر SEM نمونه های منتخب.

- پیوست ب: نمودارهای طیفی کامل بازتاب و گسیل ندگی برای ۱۰ فرمولاسیون برتر.

- پیوست ج: داده های خام ثبت شده از ایستگاه هواشناسی و دمای سطح در طول آزمایش میدانی.

- پیوست د: محاسبات دقیق تر برآورد هزینه و تحلیل حساسیت مالی.

**منابع**

1. Raman, A. P., Anoma, M. A., Zhu, L., Rephaeli, E., & Fan, S. (2014). Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight. *Nature*, 515(7528), 540-544.

2. Zhai, Y., Ma, Y., David, S. N., Zhao, D., Lou, R., Tan, G., ... & Yin, X. (2017). Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling. *Science*, 355(6329), 1062-1066.

3. Li, T., Zhai, Y., He, S., Gan, W., Wei, Z., Heidarinejad, M., ... & Yin, X. (2019). A radiative cooling structural material. *Science*, 364(6442), 760-763.

4. Mandal, J., Fu, Y., Overvig, A. C., Jia, M., Sun, K., Shi, N. N., ... & Yang, Y. (2018). Hierarchically porous polymer coatings for highly efficient passive daytime radiative cooling. *Science*, 362(6412), 315-319.

5. Chen, Z., Zhu, L., Li, W., & Fan, S. (2019). Simultaneously and synergistically harvest energy from the sun and outer space. *Joule*, 3(1), 101-110.

6. Goldstein, E. A., Raman, A. P., & Fan, S. (2017). Sub-ambient non-evaporative fluid cooling with the sky. *Nature Energy*, 2(9), 1-7.

7. Hossain, M. M., & Gu, M. (2016). Radiative cooling: principles, progress, and potentials. *Advanced Science*, 3(7), 1500360.

8. Bhatia, B., Leroy, A., Shen, Y., Zhao, L., Gianello, M., Li, D., ... & Wang, E. N. (2018). Passive directional sub-ambient daytime radiative cooling. *Nature Communications*, 9(1), 5001.

9. Rephaeli, E., Raman, A., & Fan, S. (2013). Ultrabroadband photonic structures to achieve high-performance daytime radiative cooling. *Nano Letters*, 13(4), 1457-1461.

10. Ao, X., Hu, M., Zhao, B., Chen, N., Pei, G., & Zou, C. (2019). Preliminary experimental study of a specular and a diffuse surface for daytime radiative cooling. *Solar Energy Materials and Solar Cells*, 191, 290-296.

11. Kou, J. L., Jurado, Z., Chen, Z., Fan, S., & Minnich, A. J. (2017). Daytime radiative cooling using near-black infrared emitters. *ACS Photonics*, 4(3), 626-630.

12. Wang, T., Wu, Y., Shi, L., Hu, X., Chen, M., & Wu, L. (2021). A structural polymer for highly efficient all-day passive radiative cooling. *Nature Communications*, 12(1), 365.

13. Peng, Y., Chen, J., Song, L., Jiang, P., Bao, H., & Wu, Y. (2021). Nanoporous polyethylene microfibres for large-scale radiative cooling fabric. *Nature Sustainability*, 4(12), 1048-1055.

14. استاندارد ASTM E903: Standard Test Method for Solar Absorptance, Reflectance, and Transmittance of Materials Using Integrating Spheres.

15. استاندارد ASTM E408: Standard Test Methods for Total Normal Emittance of Surfaces Using Inspection-Meter Techniques.

16. استاندارد ASTM G154: Standard Practice for Operating Fluorescent Ultraviolet (UV) Lamp Apparatus for Exposure of Nonmetallic Materials.

17. استاندارد ISO 9050: Glass in building — Determination of light transmittance, solar direct transmittance, total solar energy transmittance, ultraviolet transmittance and related glazing factors.

18. گزارش های فنی شرکت سانتی گراد در زمینه آزمون های میدانی پوشش های عایق حرارتی (اسناد داخلی، ۱۴۰۲-۱۴۰۳).

19. کاتالوگ فنی و برگه اطلاعات ایمنی (MSDS) مواد اولیه: پلکسی گلاس (PMMA)، استون، نانوپودر بورات کلسیم (شرکت نوین شیمی پاسارگاد).

20. Zhou, L., Song, H., Liang, J., Singer, M., Zhou, M., Stegenburgs, E., ... & Chen, G. (2019). A polydimethylsiloxane-coated metal structure for all-day radiative cooling. *Nature Sustainability*, 2(8), 718-724.

21. Gentle, A. R., & Smith, G. B. (2010). Radiative heat pumping from the Earth using surface phonon resonant nanoparticles. *Nano Letters*, 10(2), 373-379.

22. Liu, J., Zhang, W., & Qu, S. (2020). Daytime radiative cooling with clear epoxy resin. *Solar Energy Materials and Solar Cells*, 206, 110279.

23. Meng, X., Liu, Y., Wang, Z., & Zhang, X. (2022). A calcium carbonate-based composite coating for efficient passive radiative cooling. *Chemical Engineering Journal*, 428, 131196.

24. Yin, X., Yang, R., Tan, G., & Fan, S. (2020). Terrestrial radiative cooling: Using the cold universe as a renewable and sustainable energy source. *Science*, 370(6518), 786-791.

25. Smith, G. B., & Gentle, A. R. (2016). Radiative cooling: Energy savings from the sky. *Nature Energy*, 1(9), 1-2.

یادداشت قبلی

تولید پوشش خنک کننده ultrawhite

یادداشت بعدی

طراحی و ساخت آجر سبک هوشمند با قابلیت عایق کاری چندگانه و کاربردهای نوین صنعتی