Pitture da esterno e termoriflettenza: uno studio ne chiarisce proprietà e performance | Ingegneri.info

Pitture da esterno e termoriflettenza: uno studio ne chiarisce proprietà e performance

Il rapporto tecnico delle analisi eseguite da Salentec, Spin Off dell'Università del Salento, esamina l’SRI di una pittura commerciale contenente le sfere 3M iM16K e altre pitture termoisolanti contenenti cariche di altra natura

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Con questo articolo prosegue il percorso iniziato su Ingegneri.info per affrontare il tema delle pitture come prima protezione (esterna e interna) degli edifici in cui viviamo o lavoriamo. Continua dunque il ciclo di articoli in cui s’indaga sulla capacità di pitture, vernici e rivestimenti di migliorare le prestazioni energetiche di un edificio, chiarendo alcuni aspetti che riguardano soprattutto filler e additivi nella formulazione delle pitture murali per esterni ed interni. Dopo aver presentato (qui) le Glass Bubbles 3M™, microsfere di vetro cave, “scoperte” da 3M™ e usate come additivi, di seguito pubblichiamo uno studio eseguito da Salentec in cui si analizzano le proprietà termoriflettenti delle pitture da esterno, formulate con diverse cariche inerti, utilizzate per incrementarne appunto la termoriflettenza.

Salentec è una società Spin Off dell’Università del Salento, fondata nel 2005 da un gruppo di ricercatori afferenti al Dipartimento di Ingegneria dell’Innovazione. La società si basa sull’eccellenza scientifica salentina nel settore dei nuovi materiali e delle tecnologie collegate al loro sviluppo.

Questo studio sulle proprietà termoriflettenti di pitture da esterno espone il rapporto tecnico delle analisi eseguite presso Salentec sulla caratterizzazione di questo tipo di pitture, formulate con diverse cariche inerti, utilizzate per incrementarne le capacità termoriflettenti.

A seguito di un’analisi delle cariche, il prof. Antonio Licciulli e l’Ing. Vincenzo Contaldi, autori della ricerca, hanno comparato le performance di differenti pitture disponibili sul mercato. Infine, sono state analizzate formulazioni sperimentali con differenti tipologie e quantità di 3M Glass Bubbles.

Lo studio

La norma ASTM E1980 introduce il fattore SRI (Solar Reflective Index) che combina in una formula il TSR e l’emissività, cioè la quota di radiazione assorbita dalla superficie e riemessa verso l’esterno.

Per come è definito, l’SRI può avere valori superiori a 100 nel caso di buoni materiali termoisolanti. Più è alta l’emissività, che è un valore compreso tra 0 e 1, maggiore è la quantità di energia riemessa verso l’esterno, minore è l’aumento di temperatura della parete causato dall’energia immagazzinata (cioè quella non riemessa) e minore il calore irraggiato all’interno dell’edificio dalla parete calda.

Nella pratica, tutte le pitture hanno un valore di emissività di circa 0,9, mentre il TSR dà un contributo molto più importante, per cui piccole differenze di emissività sono praticamente irrilevanti.

Per questo motivo, nell’ambito dei rivestimenti termoriflettenti, la cosa più importante è capire come funzionano i fenomeni di riflessione della radiazione incidente. È stato fatto un confronto tra una pittura commerciale contenente le sfere 3M iM16K (denominata “Pittura GB”) e altre pitture termoisolanti contenenti cariche di altra natura.

Le pitture sono state analizzate con il microscopio elettronico SEM per valutarne la morfologia ed è stata acquisita l’analisi composizionale su aree estese e su punti focali in corrispondenza delle cariche. Nel campione Pittura 1 sono evidenti, in superficie, microsfere di 20-60 μm. La microanalisi su una di queste rileva la tipica composizione del vetro soda-lime (Figura 2).

La Pittura 3 mostra microsfere di natura organica (che al SEM appaiono come macchie scure) di dimensioni 5-50 μm. In corrispondenza delle microsfere non si rilevano composti inorganici diversi da quelli della matrice (Figura 3).

Nella pittura 4 non sono presenti sfere, ma particelle piene di ossidi di Zn, Si e Al (Figura 4).

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È stata eseguita un’analisi spettrofotometrica per valutare le performance delle varie pitture. I risultati evidenziano l’efficacia delle sfere 3M iM16K (Tabella 1), il guadagno di riflettanza è particolarmente accentuato nella regione del NIR.

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Formulazioni sperimentali

Le microsfere sono state aggiunte in pitture acriliche sperimentali, preparate seguendo formulazioni standard, in sostituzione quasi totale del filler tradizionale (carbonato di calcio), come riportato in Tabella 2.

La riflettanza solare è stata determinata acquisendo lo spettro di riflettanza diffusa nel range di lunghezza d’onda 200-2500 nm usando uno spettrofotometro Agilent Cary 5000 UV-Vis- NIR con sfera integratrice rivestita di PTFE. Il valore di emissività usato per il calcolo dell’indice SRI è stato determinato acquisendo lo spettro IR (2.5 to 25 micron) con uno spettrofotometro FTIR Perkin Elmer Spectrum 2000 dotato di sfera integratrice con rivestimento in oro.

 

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I risultati esposti in Tabella 3 mettono in evidenza il beneficio apportato dall’aggiunta delle microsfere 3M, sia in termini di TSR che di SRI. In particolare, l’incremento di riflettanza è più accentuato nella regione del NIR. Inoltre si osserva che il valore di TSR aumenta al diminuire delle dimensioni delle microsfere (Figura 5).

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Le proprietà termoriflettenti di un rivestimento sono regolate da una serie di fenomeni fisici che aiutano a costruire un modello che ben simula il reale comportamento del sistema. Capire questi fenomeni è importante per predire la reale efficacia di un rivestimento termoriflettente o anche formularne uno che sia realmente performante. Quando un’onda elettromagnetica incontra un film di pittura, costituito da un certo numero di particelle di pigmento disperse in un mezzo continuo, subisce degli scattering multipli.

Ad ogni scattering l’onda viene deviata di un certo angolo dalla sua traiettoria precedente, come affermato dalla legge di Snell:

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dove θ1 e θ2 sono rispettivamente gli angoli formati dal raggio incidente e dal raggio rifratto con la normale all’interfaccia tra i due mezzi ed n1 ed n2 gli indici di rifrazione dei due mezzi (Figura 6).

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Dopo un certo numero di scattering, l’onda riemerge dal film e viene diffusa nello stesso mezzo di provenienza o in quello opposto. Maggiore è la differenza tra gli indici di rifrazione dei due mezzi, maggiore sarà lo scattering dell’onda elettromagnetica e dunque la probabilità che questa riemerga nello stesso mezzo di provenienza.

Le più comuni pitture hanno matrici con indici di rifrazione compresi tra 1,45 e 1,60. Introdurre cariche a basso indice di rifrazione può essere quindi una strategia per introdurre ulteriori eterogeneità nelle pitture e dunque nuove superfici scatteranti.

Quando l’onda elettromagnetica, proveniente da un mezzo ad indice di rifrazione relativamente alto, raggiunge la microsfera piena d’aria che ha un indice di rifrazione più basso, viene deviata con angoli di rifrazione maggiori, aumentando la probabilità che questa riemerga dal film.

È importante mantenere integre le sfere per preservare questo effetto.

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La capacità riflettente di una pittura in un intervallo spettrale di­pende dalla dimensione delle particelle scatteranti e dal loro in­dice di rifrazione, in relazione alla lunghezza d’onda. L’interpreta­zione della riflessione viene data dalla teoria di Mie che predice la trasmissione ottica in un mezzo di propagazione quale l’aria o il “vuoto”, dielettrico, trasparente, omogeneo, non dissipativo e non dispersivo, in cui sono presenti dei centri diffusori. Un raffi­namento della teoria di Mie, ovvero la legge di Weber, predice la dimensione ottimale delle particelle, che è data da (Figura 8):

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In accordo con la legge di Weber, i risultati migliori sono stati ottenuti con le sfere iM16K, che hanno dimensioni di poche decine di micron e si avvicinano più delle altre alle dimensioni ottimali.

Inoltre, a parità di volume totale di microsfere inserite, più piccole sono le loro dimensioni, più alta è la loro numerosità, è più alto il numero di scattering subiti dall’onda durante il suo percorso all’interno del film di pittura. Ciò aumenta la probabilità che essa riemerga dal film.

Conclusioni

Sono state testate pitture sperimentali contenenti diversi tipi di sfere 3M. I risultati ottenuti attestano il miglioramento delle proprietà termoriflettenti nelle pitture in cui sono state aggiunte microsfere di vetro al posto del carbonato di calcio. Inoltre è stato verificato che il TSR e l’SRI aumentano al diminuire delle dimensioni delle microsfere in accordo alla teoria dello scattering esposta.

Le microsfere che hanno dato risultati migliori sono le iM16K. Inoltre la pittura commerciale con le microsfere 3M iM16K ha ottenuto prestazioni migliori di tutte le pitture commerciali contenenti altri tipi di cariche.

Principali caratteristiche delle Glass Bubbles testate

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Dettagli sullo Studio delle proprietà termoriflettenti di pitture da esterno

Rapporto tecnico delle analisi eseguite presso Salentec
Rapporto tecnico dell’attività di consulenza svolta da Salentec per 3M e riguardante la caratterizzazione di pitture da esterno, formulate con diverse cariche inerti utilizzate per incrementarne le proprietà termoriflettenti.
A seguito di un’analisi delle cariche, sono state comparate le performance di differenti pitture disponibili sul mercato.
Infine, sono state analizzate formulazioni sperimentali con differenti tipologie e quantità di 3M Glass Bubbles
Autori Prof. Antonio Licciulli, Ing. Vincenzo Contaldi

Chi è Salentec

Salentec è una società Spin Off dell’Università del Salento. Fondata nel 2005 da un gruppo di ricercatori afferenti al Dipartimento di Ingegneria dell’Innovazione, si basa sulla eccellenza scientifica salentina nel settore dei nuovi materiali e delle tecnologie collegate al loro sviluppo. E’ una delle imprese Pugliesi più impegnate nella valorizzazione e nella diffusione della ricerca scientifica e tecnologica.

L’azienda effettua attività di ricerca industriale su commessa, sviluppa e trasferisce innovazioni di processo e di prodotto. Produce in piccola serie materiali e dispositivi tra i quali strumenti scientifici e forni ad alta temperatura. Vanta collaborazioni con importanti enti pubblici di ricerca e con grandi gruppi aziendali nazionali ed internazionali.

Core Business

Salentec svolge attività di ricerca industriale su commessa, sviluppo e trasferimento di innovazioni tecnologiche. La società è in grado di produrre e commercializzare prototipi e prime serie di materiali ceramici tecnici avanzati, tecnopolimeri, compositi termostrutturali. Nel campo delle alte e altissime temperature, la società è in grado di progettare, costruire e commercializzare macchinari, attrezzature ed impianti, ivi inclusi i servizi di manutenzione tecnica (meccanici, elettrici ed elettronici) ed effettua conto terzi attività analitiche, microstrutturali, macrostrutturali e funzionali su materiali e dispositivi.

In particolare, produce e commercializza: componenti speciali su misura per applicazioni strutturali e termostrutturali, anime e stampi per fonderia, crogioli, guaine per termocoppie, tubi e piastre in allumina, zirconia, carburo e nitruro di silicio; componenti realizzati in materiale composito a matrice ceramica, con fase rinforzante a fibra lunga e corta impianti di trattamento termico e strumentazione scientifica “custom”.

Campi di applicazione:

  • Energetico
  • Biotecnologie
  • Aerospaziale
  • Aeronautico
  • Edile
  • Industriale

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