I cool roof che conservano la freschezza: ottimizzare la riflettività a lungo termine nelle formulazioni dei rivestimenti cool roof

Brent Crenshaw – ENGINEERED POLYMER SOLUTIONS (EPS)

Introduzione
I rivestimenti acrilici bianchi per tetti sono noti a tutti per la loro abilità di ridurre le temperature dei tetti, di migliorare il comfort all’interno dell’abitazione, di ridurre i costi energetici e di mitigare l’effetto delle isole di calore. Questi rivestimenti sono particolarmente apprezzati per la loro riflettanza solare iniziale e per l’aspetto bianco luminoso. Tuttavia, mantenere quella prestazione nel tempo è una sfida e si rivela nella formulazione. L’esposizione all’ambiente deteriora gradualmente la riflettività.
L’accumulo di impurità, la crescita di microorganismi e le perdite interne dai materiali sottostanti possono contribuire tutti ad una perdita della prestazione. In questo articolo si spiega come la scelta del lattice acrilico risulta essere fondamentale per mantenere il colore bianco e la prestazione solare in tutto il ciclo di vita utile del tetto.

Spiegare la rifettività
L’energia solare raggiunge la Terra come radiazione elettromagnetica (EM). Quando questa energia colpisce una superfice, essa viene absorbita, contribuendo ad accrescere il calore oppure viene riflessa. Mentre il sole è la fonte primaria della radiazione EM, tutti gli oggetti con una temperatura al di sopra dello zero assoluto emettono la stessa energia, motivo per il quale la creazione di immagini termiche funziona. La prestazione solare dei rivestimenti per tetti è una combinazione dell’abilità di un materiale di riflettere e di emettere le radiazioni EM. Sono utilizzati tre criteri per descriverla come riportato in queste 3 note e in Figura 1.

• Riflettanza solare (SR): la frazione di energia solare riflessa dalla superficie. I valori SR più elevati stanno a significare una quantità inferiore di energia assorbita e temperature del tetto più fresche.
• Emissione termica (TE): l’abilità di una superficie di rilasciare il calore assorbito. Gli alti valori TE contribuiscono a mantenere il tetto fresco in modo più efficace.
• Indice di riflettanza solare (SRI): un metodo idoneo che associa SR e TE ad indicare l’abilità generale del materiale a rifiutare il calore del sole.

La maggior parte dei rivestimenti acrilici per tetti presentano una riflettanza solare pari a circa lo 0,9, che rimane relativamente stabile nel tempo. Quindi, questa trattazione si incentra principalmente sulla SR. Un rivestimento acrilico cool roof è costituito principalmente da pigmenti riflettenti e da altri riempitivi dispersi in un legante polimerico acrilico. Il biossido di titanio (TiO₂) è il pigmento principalmente responsabile dell’elevata riflettività dei rivestimenti bianchi.
Se è vero che i valori iniziali SR sono tipicamente alti, essi non sono statici. La revisione dei valori SR iniziali e dopo 3 anni riferiti ai rivestimenti bianchi acrilici brillanti registrati nell’Annuario dei prodotti per tetti del Cool Roof Rating Council mostra che si verifica un decremento di SR che varia dallo 0,02 a 0,4 con un decremento medio dello 0,13 (Fig. 2).

Una diminuzione di 0,13 della SR equivale a un aumento della temperatura superficiale pari a circa 7° C.
Una riduzione di 0,4 si traduce in un aumento medio della temperatura di 16° C! Quindi, mantenere la SR alta nel tempo è essenziale perché un rivestimento venga considerato una vera soluzione ‘cool roof’. Per capire come ciò possa succedere, è necessario comprendere come si deteriora la riflettività.

Quali sono le cause della degradazione della riflettività?
Sebbene il TiO₂ conservi la riflettività nel tempo, altri componenti e fattori ambientali possono interferire con la sua abilità di riflettere la luce. I tre meccanismi più comuni della degradazione della riflettività dei rivestimenti per tetti sono i seguenti:
– sanguinamento interno: migrazione di composti dal substrato all’interno del rivestimento. Questi composti possono absorbire la luce spontaneamente, modificare le proprietà del rivestimento in modo che siano più sensibili ad altri meccanismi di degradazione della riflettività o entrambi.
– Riproduzione microorganica: i funghi e le alghe che crescono sulla superficie del rivestimento bloccando l’accesso della luce al rivestimento
– Assorbimento delle impurità: l’accumulo di particelle organiche e inorganiche che bloccano l’accesso alla superficie della luce.
Ciascuno di questi meccanismi riduce la quantità di luce in accesso ed è riflessa dal TiO₂ rendendo il rivestimento meno riflettente e meno efficace.

Componenti chiave della formulazione e loro impatto
Ogni componente di un rivestimento per tetti gioca un ruolo importante nel conservare il potere riflettente. Se è vero che la maggior parte dei lettori di questo articolo conoscono molto bene la composizione di un rivestimento acrilico a base acquosa, la Figura 3 e la Tabella 1 aiutano a comprendere come ogni componente di una formulazione di rivestimento acrilico per tetti possa influire sulla resistenza del rivestimento alla degradazione della riflettività.

Risultati illustrati del test
Resistenza al sanguinamento interno
Il lattice utilizzato è fondamentale ai fini della resistenza al sanguinamento interno. Dal momento che il polimero del lattice forma la fase continua intorno ai pigmenti e ai riempitivi, qualsiasi composto che evapora deve attraversarli per produrre un effetto sulla superficie. Esistono due substrati particolarmente critici:
i substrati di bitume: essi contengono oli che migrano verso l’alto e che assorbono energia solare.
Membrane in PVC: contengono plastificanti che rendono molle il rivestimento, aumentando potenzialmente lo sporco e la suscettibilità ai microbi.
Nei test di esposizione in ambiente esterno, i rivestimenti applicati al bitume modificato con APP e le membrane PVC hanno dato prova di notevoli differenze prestazionali in base al lattice utilizzato.
In Figura 4 è presentato uno studio comparato dei rivestimenti realizzati con differenti lattici, tutti formulati con la stessa formulazione di base. Questi rivestimenti sono stati applicati in sezioni di 15 cm x 15 cm su pannelli di 76 cm x 15 cm di tre comuni substrati di tetti: poliolefine termoplastiche (TPO), bitume modificato APP (APP-MB) e membrane per tetti di polivinilcloruro (PVC). Ogni pannello è stato posizionato all’esterno nell’Illinois settentrionale, negli Stati Uniti ad un angolo di 5° per simulare l’esposizione nel mondo reale. Come riferimento, la sezione più a sinistra di ciascun pannello (A) è un campione controllo a prova di superamento del test, formulato con polimero di rivestimento per tetti di alta prestazione EPS^®, noto per essere molto resistente al sanguinamento interno. La sezione più a destra è un controllo che mostra degradazione, contenente una resina comparata nota per la scarsa resistenza al sanguinamento interno. I rivestimenti delle tre sezioni centrali (B,C,D) contengono 9 differenti resine sperimentali. La stessa configurazione del rivestimento è stata utilizzata in tutti e tre i substrati per garantire coerenza. Nel corso del tempo, i pannelli sono stati regolarmente valutati per verificare le variazioni evidenti. I risultati dimostrano chiaramente l’impatto della migrazione specifica del substrato sulla riflettività. Sui pannelli TPO (pannelli 4-6), i campioni di controllo pass e fail mostrano alcune differenze dopo 38 mesi, ma in generale, il colore dei pannelli risulta essere comparativamente uniforme, passando da una sezione all’altra.
Per contro, sui pannelli APP-MB (pannelli 13-15) diverse sezioni in pochi giorni hanno iniziato a mostrare una tonalità gialla. Entro i 13 mesi, la decolorazione si è mostrata in modo chiaro nei campioni di controllo verso la degradazione e nella maggior parte delle sezioni al centro e dopo 38 mesi soltanto il polimero del rivestimento per tetti EPS e la sezione 14D sono rimasti ampiamente intaccati dal sanguinamento interno dell’asfalto.

I pannelli delle membrane PVC (pannelli 10-12) inizialmente sono apparsi uniformi. Entro 13 mesi, si è sviluppata la formazione di notevoli impurità sulla maggior parte delle sezioni, ed entro 38 mesi, soltanto il polimero del rivestimento per tetti e la sezione 12 C hanno mantenuto un buon grado di pulizia. Questi dati sottolineano l’importanza di selezionare il lattice adeguato ad ogni substrato specifico. Notoriamente, il lattice sperimentale che ha resistito al sanguinamento interno dell’asfalto su bitume (14D) non si è rivelato uguale a quello che ha resistito bene alla migrazione del plastificante su PVC (12C) mettendo così in luce la necessità di mettere a punto strategie di formulazioni personalizzate.

Riproduzione microorganica
Non sorprende che funghi e alghe, note comunemente come incrostazioni vegetative, possono ridurre in modo significativo la riflettività dei rivestimenti bianchi. Mentre i conservanti del film secco sono essenziali nelle aree che sono favorevoli alla crescita microorganica, la scelta della resina gioca un ruolo molto importante.
In Figura 5 sono rappresentati i risultati del test dell’esposizione a lungo termine in ambiente esterno eseguiti in Florida e negli Stati Uniti d’America, di tre rivestimenti basati su formulazioni identiche e composizioni di conservanti, ma lattici differenti hanno mostrato risultati molto diversi fra loro dopo 71 mesi. Il rivestimento al centro, realizzato con una resina equivalente, è risultato completamente ricoperto di microorganismi. Il rivestimento sperimentale a sinistra ha mostrato una crescita moderata, mentre quello a destra, contenente il polimero per rivestimenti per tetti EPS^®, è rimasto sostanzialmente privo di crescita biologica.

Ciò dimostra chiaramente che alcune resine sono molto più resistenti di altre alla riproduzione vegetativa, anche quando si utilizza la composizione del conservante del film secco.

Resistenza all’assorbimento di impurità (DPUR)
L’assorbimento di impurità è forse la causa più visibile e ampiamente discussa della perdita di riflettività. La sfida sta proprio nella temperatura di transizione vetrosa bassa richiesta (Tg) ai fini della flessibilità dei rivestimenti elastomerici. Sfortunatamente, questa consistenza molle può rendere la superficie collosa, perfetta per intrappolare le particelle aeree.

Una soluzione comune consiste nell’aggiungere il benzofenone (BP), un fotoiniziatore che si attiva in presenza della luce UV nella formulazione del rivestimento. BP funziona attivando la reticolazione sulla superficie del rivestimento, riducendo la collosità e migliorando il DPUR.
Se è vero che è efficace, BP presenta anche degli inconvenienti:
– può attivare l’esigenza di etichettatura.
– È considerato un VOC in base ad ASTM D6886 e deve essere elencato nella Scheda Dati sulla Sicurezza (SDS).
– È un solido a temperatura ambiente, e ne rende difficile l’incorporazione nelle formulazioni.
EPS utilizza una nuova tecnologia DPUR creata direttamente nel lattice acrilico. Queste resine offrono un DPUR migliorato senza le complessità aggiuntive di BP. In Figura 6 sono presentati i risultati di un test comparato in cui sei rivestimenti sono stati applicati su pannelli ed esposti nella California del sud negli Stati Uniti per sei mesi. Le tre sezioni a sinistra (A-C) presentano tutte una Tg di -26° C, mentre le tre sezioni a destra (D-F) presentano una Tg di -10° C. I risultati dimostrano che:
– i rivestimenti non basati sulla tecnologia DPUR (A ed F) presentano un sostanziale accumulo di impurità.
– I rivestimenti contenenti BP (C e D) offrono una prestazione migliore.
– I rivestimenti realizzati con i lattici EPS integrati DPUR (B ed E) hanno offerto la prestazione migliore, dimostrando che il lattice a destra può fare la differenza.

Conclusioni
Tra tutti i componenti del rivestimento acrilico cool roof, la scelta del legante al lattice si configura come il fattore più critico che influenza la riflettività a lungo termine. Nella fase continua del rivestimento, il lattice non solo determina la flessibilità del rivestimento, ma gioca anche un ruolo importante nel resistere ai comuni meccanismi di degradazione della riflettività, come il sanguinamento interno, la riproduzione microrganica e l’assorbimento delle impurità.
Scegliendo il processo chimico corretto del legante, i produttori possono estendere in modo significativo la prestazione riflettente e la durabilità dei rivestimenti cool roof fornendo prodotti che non solo sono bianchi all’inizio ma che mantengono la colorazione bianca.

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