Pitture antincondensa da interno: uno studio sulle proprietà di vernici caricate con sfere cave di vetro | Ingegneri.info

Pitture antincondensa da interno: uno studio sulle proprietà di vernici caricate con sfere cave di vetro

In questo lavoro congiunto di 3M e Salentec si studiano le proprietà anticondensa di pitture da interno caricate con diversi tipi di filler. Le pitture con Glass Bubbles 3M™ di maggiori dimensioni riducono la conducibilità termica e incrementano l’area superficiale

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Siamo alla quarta tappa del percorso tematico sulle pitture, vernici e rivestimenti per indagarne caratteristiche e vantaggi come prima protezione di un edificio. Dopo aver esaminato attraverso uno studio eseguito da Salentec, Spin Off dell’Università del Salento, le proprietà termoriflettenti delle pitture da esterno, contenenti Glass Bubbles 3M™, passiamo ad analizzare le pitture anticondensa da interno. Quali vantaggi emergono per il comfort abitativo dall’uso delle microsfere di vetro cave usate come additivi in pitture, vernici e rivestimenti da interno? Ecco i dati rilevati da Salentec.

Le proprietà anticondensa di pitture da interno caricate con diverse tipologie di filler sono state studiate in questo lavoro congiunto di 3M e Salentec.
Per offrire un criterio quantitativo in merito all’efficacia anticondensa è stata adottata una metodica sviluppata da Nordtest, ente normatore dei paesi nord europei. La norma Nordtest è legata alla determinazione della capacità della pittura di trattenere acqua in superficie senza gocciolare. Lo studio ha messo in evidenza alcuni trend e in particolare le migliori capacità anticondensa delle glass bubbles di maggiori dimensioni. E’ stato verificato sperimentalmente che la presenza di glass bubbles di maggiori dimensioni riduce significativamente la conducibilità termica e simultaneamente incrementa l’area superficiale, pertanto risulta vantaggiosa nelle specifica funzione anticondensa.

Introduzione: generalità sulle pitture anticondensa
Quando la temperatura delle superfici raggiunge il punto di rugiada, il vapore acqueo contenuto nell’atmosfera condensa per formare piccole gocce che fluiscono per gravità e/o in presenza di ponti termici determinando accumuli di acqua che non vengono evaporati. In casa, il fenomeno della condensa avviene in ambienti molto umidi come la cucina o il bagno, oppure sulle superfici e sugli angoli più freddi come le finestre o le pareti esposte a nord o nei punti in cui si hanno ponti termici.
La presenza di condensa sulle pareti può causare danni alle finiture, come il distaccamento della pittura, o favorire la proliferazione di muffe che rendono l’ambiente insalubre e spesso causano alle persone l’insorgere di allergie.
In passato il problema della muffa sulle pareti era affrontato con pitture antimuffa, cioè pitture con additivi chimici con azione biocida. L’efficacia dell’additivo chimico si affievolisce nel tempo ed agisce comunque nel momento in cui la muffa si sta già formando.
Un approccio più moderno è quello di prevenire la formazione di muffa utilizzando speciali pitture capaci di eliminare o ridurre la condensa grazie ad additivi che limitano il gradiente di temperatura tra l’ambiente e le parti fredde della casa e incrementano la capacità della superficie di trattenere temporaneamente l’acqua condensata senza farla gocciolare.
Le capacità anticondensa vengono pertanto associate sia alla alla ridotta conducibilità termica della vernice applicata che alla quantità di acqua trattenuta stabilmente a bassa temperatura.

Descrizione del test anticondensa
Diverse sono le metodiche di misura delle capacità anticondensa. La maggior parte di questi si basa sulla valutazione della quantità di acqua assorbita e trattenuta su campioni in forma di coni o piramidi invertite tenute a 0°C all’interno di camere climatiche in cui vengono raggiunte condizioni di umidità e temperatura controllate.
In questo studio il metodo utilizzato per stimare la capacità anticondensa di un film si conforma ad una procedura sviluppata dall’ente certificatore Nordtest (NT Poly 170) che simula il processo fisico di formazione della condensa. La procedura prevede l’utilizzo di quattro contenitori di metallo cilindrici con fondo conico rivestiti esternamente con la pittura da testare. I contenitori vengono riempiti di ghiaccio e acqua, in modo da assicurarne all’interno la temperatura costante di 0°C, e posti simultaneamente in una camera climatica tenuta alla temperatura di 23 °C con 50% di umidità relativa. Dopo qualche decina di minuti comincia a formarsi la condensa, che inizia a gocciolare dalla punta dei coni e viene raccolta in contenitori posti su una bilancia elettronica che ne acquisisce il peso ogni 10 minuti (Figura 1).
Le valutazioni ponderali relative alla quantità di acqua assorbita vengono effettuate quando la quantità di acqua gocciolata diviene costante nel tempo e possono dunque assumersi condizioni stazionarie di condensa e gocciolamento. Il test prevede la determinazione dell’acqua assorbita come media dei quattro campioni.
Il coefficiente di assorbimento acqua (Water Percentage Absorption Coefficient, WPAC) è definito come il rapporto percentuale tra il peso dell’acqua assorbita dalla pittura (Wwa) e il peso del film di pittura umida applicato (Wwp): in condizioni stazionarie.

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Perché il test sia valido, la deviazione standard deve essere inferiore al 5% del valore medio, ed in questo studio sono state rilevate sempre deviazioni standard inferiori al 2%. Il metodo Nordtest stabilisce che la capacità anticondensa è migliore se il WPAC è più alto, perché l’acqua condensata può facilmente rievaporare quando, con l’alternarsi del ciclo giorno-notte, le condizioni climatiche ritornano favorevoli. Un ulteriore dato ricavato dalle misure è stato quello della quantità di acqua assorbita dalla pittura per unità di superficie WS.
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Figura 1 - Particolare dell’apparato di misura anticondensa condotto

Figura 1 – Particolare dell’apparato di misura anticondensa condotto

Confronto tra prodotti commerciali
Una prima campagna sperimentale è stata condotta testando una serie di pitture anticondensa commerciali scelte tra i marchi più conosciuti in Italia. Alcune di queste contengono sfere cave di vetro 3M, altre invece contengono altri tipi di cariche, non necessariamente di vetro. I grafici di Figura 5 e 6 riassumono i risultati raccolti. I campioni PC_1 – 4 contengono cariche generiche, mentre i campioni PC_5 – 8 contengono sfere di vetro 3M di diverse tipologia. Sebbene non sia possibile conoscere con precisione la tipologia e la quantità di cariche presenti nelle varie pitture, è possibile rilevare che in linea di massima i prodotti con sfere 3M Glass Bubbles mostrano un migliore comportamento anticondensa in accordo al test utilizzato, infatti ottengono valori di WPAC elevati rispetto alle pitture che utilizzano cariche differenti.

Figura 5 - Risultati test condotti su 8 differenti pitture anticondensa disponibili sul mercato

Figura 5 – Risultati test condotti su 8 differenti pitture anticondensa disponibili sul mercato

 

Figura 6 - Quantità di acqua trattenuta per m2 (WS) sulla superficie di alcune pitture anticondensa commerciali

Figura 6 – Quantità di acqua trattenuta per m2 (WS) sulla superficie di alcune pitture anticondensa commerciali

Test della conducibiltà termica
La proprietà fisica di riporti e superfici più associata alla capacità anticondensa è generalmente la capacità di isolamento termico che aumenta il gradiente termico tra il ponte termico e la temperatura interna di un ambiente, ritardando il raggiungimento del punto di rugiada.
Come noto, la presenza di sfere cave nella finitura fa diminuire la conducibilità della parete, per cui quando la temperatura esterna si abbassa, la temperatura sul lato interno la segue più lentamente e rimane più alta rispetto ad una pittura tradizionale, ritardando così la formazione della condensa.
Le misure di conducibilità termica condotte con strumento TCi della Quantachrome hanno evidenziato che le pitture con sfere cave hanno conducibilità 0,15 – 0,25 W/m°K a fronte di quella senza sfere che ha 0,5 W/m°K.
Le Glass Bubbles dunque migliorano di almeno un fattore 2 la capacità di isolamento delle vernici a parità di spessore.

Correlazione dell’assorbimento d’acqua alle dimensioni delle Glass Bubbles
Utilizzando Glass Bubbles 3M di diverse dimensioni è stato condotto uno studio approfondito sull’influenza della granulometria delle sfere cave sulla capacità anticondensa di pitture acriliche. Le cariche selezionate sono le Glass Bubbles denominate K15, K25, K37, S22 e iM16K, le cui specifiche tecniche sono riportate in Tabella 1. Le pitture sono state formulate in modo che il volume percentuale delle cariche nella pittura sia costante, pari al 32%.

Tabella 1 - Specifiche tecniche delle cariche studiate

Tabella 1 – Specifiche tecniche delle cariche studiate

I dati raccolti hanno evidenziato che la quantità di acqua assorbita per unità di superficie delle pitture contenenti sfere cave aumenta all’aumentare delle dimensioni delle sfere (Figura 2). I valori di WPAC seguono praticamente lo stesso trend a meno di alcune eccezioni legate alle diverse densità delle pitture esaminate. Secondo il test, pertanto, il campione di pittura con le Glass Bubbles K25 (quelle con diametro 55 µm) ha una capacità anticondensa migliore.

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Correlazione della capacità anticondensa alla rugosità delle vernici
Emerge chiaramente che l’introduzione di sfere cave nella pittura contribuisce ad aumentare l’assorbimento di acqua per quantità di vernice applicata allo stato umido (WPAC): maggiore è la dimensione media delle sfere, maggiore è la quantità di acqua trattenuta stabilmente sulla superficie e di conseguenza minore è il gocciolamento.
La riduzione di conducibilità termica è un parametro chiave del funzionamento delle pitture anticondensa. Tuttavia la conducibilità termica delle vernici non varia significativamente con le dimensioni delle glass bubbles, invece i test anticondensa condotti indicano che Glass Bubbles di maggiori dimensioni migliorano la capacità di trattenere acqua.
Per interpretare i dati relativi alla maggiore capacità di assorbimento delle vernici contenenti Glass Bubbles sono state effettuate delle misure di rugosità utilizzando un profilometro a contatto KLA-Tencor P-16+. Lo strumento è in grado, mediante un tastatore, di mappare in 3D la superficie del campione e calcolare il fattore Sdr (developed interfacial area ratio) definito come:

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che rappresenta l’incremento percentuale dell’area superficiale (Asup) rispetto all’area di scansione (Asc).
E’ stato utilizzato un tastatore di 4 µm di diametro soggetto a 2 mg di forza peso con il quale sono state scansionate alla velocità di 50 µm/s aree di 500 x 500 µm suddivise in 168 tracce. E’ stato trovato che nei campioni con microsfere, l’area superficiale a seconda della distribuzione dimensionale è 2-2,7 volte più estesa di quella del campione con solo carbonato di calcio (Tabella 2) ed in genere aumenta all’aumentare del diametro delle sfere. In Figura 3 è mostrata la morfologia in 3D delle pitture esaminate.

Tabella 2 - Misure di area superficiale delle pitture con Glass Bubbles e relativi incrementi rispetto alla pittura di riferimento

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In base a questi dati, si può estrapolare una correlazione tra i valori di acqua condensata (WPAC e WS) e i valori di rugosità e di area superficiale (Figura 4).
Secondo la teoria del moto laminare di un fluido su lastra piana, la velocità di un fluido che scorre su una parete varia con la distanza dalla superficie di contatto ed esiste uno strato sottile a velocità nulla, cioè una parte di fluido che rimane solidale alla parete, denominato boundary layer o strato stagnante. Poiché lo spessore del boundary layer è sempre uguale, e a parità di tutti gli altri fattori, la quantità d’acqua che rimane adesa alla pittura dipende dall’area superficiale e dalla rugosità.

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L’aumento di area superficiale determina un miglioramento dello scambio termico convettivo della parete e di conseguenza il processo di rievaporazione della condensa è facilitato.
L’ottimizzazione dell’area superficiale dipende da molti fattori. In linea di massima aumenta all’aumentare delle dimensioni delle particelle, ma dipende anche dalla distribuzione granulometrica perché incide sul fattore di impacchettamento. Di fondamentale importanza è la resistenza meccanica delle sfere, perché più è alta la percentuale di sfere rotte, più la superficie tende ad appiattirsi con conseguente riduzione dell’area superficiale e dei valori WPAC e WS.
Il test utilizzato fornisce in maniera semplice un’indicazione dell’area superficiale misurando la quantità massima di acqua che è in grado di trattenere sulla superficie in condizioni di saturazione.
La misura dell’area superficiale effettuata con il profilometro a contatto effettuata sui campioni più significativi ha confermato l’esistenza della correlazione tra la quantità di acqua assorbita dal rivestimento (Figura 7) e il la superficie specifica WS. Sebbene in questo caso non sia noto il diametro delle microsfere contenute nelle pitture, una valutazione qualitativa dei profili tridimensionali ha confermato che l’area superficiale, e quindi la quantità di acqua assorbita per unità di superficie, aumenta all’aumentare delle dimensioni delle sfere (Figura 8).

Figura_7

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Conclusioni
Sono state valutate le proprietà anticondensa di pitture acriliche contenenti varie tipologie di cariche inerti ed in particolare sfere cave di vetro (Glass Bubbles) prodotte da 3M.
Il metodo utilizzato associa le proprietà anticondensa alla quantità d’acqua stabilmente trattenuta sulla superficie della vernice (Nordtest NT POLY 170) su un cono cilindrico invertito tenuto a 0°C. Maggiore è questa quantità maggiore è la capacità anticondensa.
I test condotti su campioni di pittura contenenti vari tipi di cariche hanno dimostrato che l’acqua trattenuta sulla superficie è maggiore in tutti i campioni che contengono sfere cave.
Misure di conducibilità termiche su pitture contenenti Glass Bubbles e su pitture senza sfere di vetro indicano che l’isolamento termico delle vernici con Glass Bubbles è significativamente migliore.
I test anticondensa condotti indicano che Glass Bubbles di maggiori dimensioni migliorano la capacità di trattenere acqua. Il fenomeno è stato interpretato ed associato all’incremento di area superficiale e rugosità dovuto alla presenza di sfere di maggiore diametro e confermata da misure profilometriche.
La capacità di trattenere acqua senza gocciolare risulta inoltre proporzionale al diametro medio delle sfere e, tra quelle testate, le K25 hanno avuto le prestazioni migliori.
Tali dati sperimentali confermano i risultati ottenuti testando diversi campioni di pitture commerciali: le migliori performance anticondensa sono ottenute dalle pitture formulate con microsfere cave di vetro.

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