Miglioramento dell’efficienza termica di roof-coatings attraverso una progettazione mirata ad aumentare la durabilità di pigmenti termocromici

Massimo Calovi – Department of Industrial Engineering – UNITN

Questo studio rappresenta un’ampia e approfondita indagine mirata al miglioramento dell’efficienza termica delle coperture organiche dei tetti, attraverso un’attenzione specifica alla consolidazione della durabilità dei pigmenti termocromatici. Questi pigmenti specializzati hanno la capacità unica di modificare il loro colore in risposta alle variazioni di temperatura, influenzando l’assorbimento e la riflessione della radiazione solare e, di conseguenza, incidendo sulla regolazione termica complessiva all’interno degli edifici. Tuttavia, nonostante il loro potenziale nell’ottimizzare le prestazioni termiche, una sfida persistente risiede nella loro suscettibilità alla degradazione nel tempo, ostacolando la loro efficacia duratura nel mantenere le proprietà termiche desiderate fondamentali per questi rivestimenti. L’obiettivo principale di questa ambiziosa e completa iniziativa di ricerca era sviluppare metodologie innovative e strategie progettuali che potessero efficacemente migliorare la durabilità dei pigmenti termocromatici, garantendo la loro prolungata funzionalità ed efficacia. Questo sforzo ha coinvolto un’esplorazione sistematica e rigorosa di diverse formulazioni e adattamenti progettuali su misura, meticolosamente studiati per rafforzare la resilienza di questi pigmenti contro un’ampia gamma di stress ambientali.

Produzione e caratterizzazione dei campioni
Lo studio approfondisce il mondo dei pigmenti termocromici incorporati all’interno dei rivestimenti, svelando un’ampia ed intricata esplorazione della loro composizione, comportamento e applicazione in vari contesti ambientali.
Al centro di questa ricerca si trovano le intricate microstrutture dei pigmenti termocromici, mettendo in luce le loro caratteristiche distintive, in particolare la composizione a particelle sferiche. Queste particelle, con un diametro inferiore a 10 µm, sono composte principalmente da carbonio e ossigeno, come rivelato dall’analisi elementare EDXS. La proprietà affascinante di questi pigmenti risiede nella loro capacità trasformativa, passando da uno stato colorato a completa trasparenza alla temperatura critica di 28° C. Questo comportamento unico, ampiamente documentato in ricerche precedenti, sottolinea il ruolo cruciale di queste particelle sferiche nel determinare le alterazioni cromatiche dei pigmenti, mostrando un interessante potenziale in un’ampia gamma di applicazioni.

Pertanto, lo studio esamina meticolosamente tre distinti campioni di rivestimento (B, T e TT), ognuno progettato con specifici strati e pigmenti, come descritto nella Tabella 1.
L’analisi esaustiva approfondisce le differenze strutturali, gli spessori dei rivestimenti e le conseguenti variazioni estetiche. Queste caratteristiche distintive sono intrinsecamente legate ai tipi di pigmenti utilizzati e alle composizioni degli strati, evidenziando il profondo influsso della formulazione sugli attributi visivi e sull’integrità strutturale. La Figura 1 mostra l’aspetto delle tre serie di campioni sia nello stato freddo che in quello caldo.
Espandendo il proprio orizzonte, la ricerca approfondisce le caratteristiche protettive di questi rivestimenti, impiegando la sofisticata Spettroscopia di Impedenza Elettrochimica (EIS) per ottenere profonde intuizioni. In particolare, il campione TT emerge come un elemento distintivo, mostrando capacità protettive superiori attribuibili all’inclusione di uno strato di finitura trasparente. Questo strato aggiuntivo rinforza il rivestimento contro gli agenti atmosferici, migliorandone la resilienza e aumentandone la longevità, come dimostrato dal grafico in Figura 2.

Inoltre, lo studio esamina attentamente la resistenza dei rivestimenti a diversi stress, inclusa l’esposizione a varie condizioni climatiche, alla radiazione UV-A e all’inquinamento/invecchiamento dovuto alle condizioni atmosferiche. La configurazione illustrata nella Figura 3 è stata utilizzata per valutare le caratteristiche termiche e la durabilità dei rivestimenti. I risultati sono affascinanti, con il campione TT che mostra un’eccezionale resistenza nel preservare le proprietà termocromiche dei pigmenti in condizioni avverse. Nonostante una leggera degradazione a seguito dell’esposizione ai raggi UV-A, il clearcoat nel campione TT gioca un ruolo fondamentale nel rafforzare la durabilità e la funzionalità dei pigmenti termocromici, superando le capacità mostrate dal campione T.

Durante il test di degradazione emergono comportamenti distinti tra i tre campioni di rivestimento – B, T e TT – evidenziando variazioni nelle soglie di temperatura e nella stabilità del colore. Il campione B, con il suo rivestimento nero, mostra temperature più elevate a causa di una maggiore assorbenza di energia, mentre i campioni T e TT, più chiari, assorbono meno energia, determinando temperature più basse sulla superficie esterna. Il campione TT, caratterizzato da un ulteriore strato di vernice trasparente, mostra capacità protettive potenziate, mantenendo stabilità nelle proprietà cromogeniche.

Analizzando i cambiamenti chimici e strutturali dei rivestimenti tramite misurazioni ATR prima e dopo i cicli di degradazione, si rilevano alterazioni minime. La matrice poliuretano-acrilica della vernice trasparente del top coat rimane resiliente contro la radiazione UV, mantenendo l’integrità dei rivestimenti. Tuttavia, le analisi colorimetriche dopo ciascun ciclo di degradazione rivelano notevoli cambiamenti nei campioni T e TT, come rappresentato nella Figura 4, indicando una riduzione della stabilità del colore nel tempo. Esponendo i pigmenti termocromatici a radiazioni UV-A per 100 ore, si evidenzia una degradazione strutturale osservata attraverso immagini al SEM e al microscopio stereoscopico, indicando un calo nella loro funzionalità termocromatica. Valutazioni colorimetriche quantitative confermano ulteriormente questa degradazione, mostrando una riduzione nell’oscurità dei pigmenti in entrambi gli stati termici, attribuendo la perdita di efficienza termocromatica a cambiamenti strutturali indotti dalla radiazione UV.

I risultati sottolineano il ruolo fondamentale del rivestimento trasparente nel campione TT, mitigando la degradazione del pigmento e preservando l’attività termocromatica nel tempo. Di conseguenza, il campione TT mostra prestazioni termiche superiori rispetto al campione T, evidenziando il ruolo del rivestimento trasparente come scudo protettivo per i pigmenti termocromatici.

Conclusioni
In sostanza, questo studio esaustivo mette in luce il promettente potenziale di questi rivestimenti, in particolare del campione TT, nel sostenere l’efficienza dei pigmenti termocromatici e nel rafforzare le caratteristiche protettive. Le implicazioni si estendono su diverse industrie, offrendo prospettive sul futuro delle tecnologie di rivestimento reattive, resilienti ed adattabili.
Questa ricerca pone una solida base per futuri studi, invitando a ulteriori esplorazioni per ottimizzare formulazioni, migliorare le qualità protettive ed ampliare i campi di applicazione di questi innovativi rivestimenti in diversi contesti ambientali. La natura esaustiva di questo studio costituisce un trampolino di lancio per futuri sforzi nel campo dei rivestimenti e materiali reattivi, promettendo progressi in funzionalità, resilienza ed adattabilità in diverse industrie.

Riferimenti
[1] Calovi, M., Zanardi, A., & Rossi, S. (2023). Improvement of the thermal efficiency of organic roof-coatings through design aimed at increasing the durability of thermochromic pigments. Progress in Organic Coatings, 185, 107928.

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