IT202000013057A1 - Additivo per ricoprimenti e vernici che riflette la radiazione termica - Google Patents

Description

Additivo per ricoprimenti e vernici che riflette la radiazione termica

(Additive for coatings and paints that reflects thermal radiation)

1.3 DESCRIZIONE

a)L?invenzione riguarda additivi per vernici e ricoprimenti che abbiano la capacit? di riflettere la componente termica della radiazione solare o la componente termica che derivi da suddetta radiazione per processi dissipativi a contatto con la superficie. L?utilizzo di tali vernici o ricoprimenti ? adatto per la carrozzeria di veicoli quali automobili ed autocarri, tetti in lamiera o superfici metalliche o pareti esposte al sole in modo da ridurre la trasmissione del calore dovuto alla radiazione solare verso l?interno degli abitacoli o degli ambienti interni di edifici.

La radiazione solare attraverso pareti di edifici, soprattutto tetti in lamiera metallica, le carrozzerie dei veicoli ed altre superfici esposte al sole provoca, infatti, un surriscaldamento degli interni a causa dell?assorbimento della frazione infrarossa di suddetta radiazione o del decadimento causato nell?infrarosso dovuto all?assorbimento di altre regioni dello spettro solare.

Questa radiazione infrarossa viene prontamente trasformata in calore che si trasmette anche per via conduttiva e successivamente convettiva agli interni delle stanze o dell?abitacolo nel caso dei veicoli, provocando un aumento di temperatura degli interni.

b) Questo surriscaldamento viene normalmente contrastato con metodi attivi come il condizionamento d?aria con dispendio di ulteriore energia, in questo caso elettrica, ed emissione di calore verso l?esterno come conseguenza del raffreddamento interno. Ultimamente di fronte all?innalzamento delle temperature dovute al cambio climatico, ? diventato impellente sfruttare di pi? i metodi passivi come l?isolamento termico e la riflessione della parte termica della radiazione solare o della radiazione termica che ne derivi. L?obiettivo viene spesso raggiunto usando materiali isolanti, in quanto la loro capacit? di isolare termicamente ? intrinsecamente connessa a quella di riflettere la radiazione termica che corrisponde a stati vibrazionali delle molecole che costituiscono il materiale. Infatti il calore di un materiale ? connesso all?intensit? delle sue vibrazioni molecolari che sono attivate dalla radiazione infrarossa. Un efficiente riflessione della radiazione termica implica che la temperatura della superficie esterna esposta alla radiazione diminuisca e di conseguenza anche il gradiente di temperatura tra superficie esterna ed interna permettendo di poter usare ricoprimenti molto sottili e con concentrazioni di materiale riflettente relativamente basse rispetto ad un caso in cui lo strato isolante sia poco efficiente. Spesso le vernici o ricoprimenti riflettenti fanno uso di particelle cave di silice o di resina o altro materiale sia inorganico che organico (brevetti CN103666147, JP2018193441) oppure perline di vetro (CN105802415) che sono per lo pi? isolanti e di dimensioni anche relativamente grandi come di 50 ?m o pi? e fanno uso anche di altre cariche isolanti secondarie. In questo caso la silice ? in grado di assorbire radiazione infrarossa soprattutto tra 1000 e 1200 cm<-1 >ma essa non viene trasmessa per la barriera isolante costituita dallo spazio cavo interno alle particelle. Nel suddetto caso l?isolamento per riflessione non ? sempre efficiente perch? le particelle assorbono radiazione aumentando la temperatura della superficie esterna e conseguentemente aumentando il gradiente termico. Si ricorda che il flusso di calore dipende in maniera direttamente proporzionale dal gradiente di temperatura, rappresentato dalla differenza di temperatura ?T= T1-T2 tra le due superfici, fluendo il calore dalla parete pi? calda esposta al sole (T1) a quella interna pi? fredda (T2). Alcuni dei materiali utilizzati inoltre sono il diossido di titanio (CN108893020) o l?ossido di zinco (CN101341218) che, se hanno buone capacit? riflettenti nella radiazione visibile, assorbono sia nell?infrarosso sia nel visibile che nell?ultravioletto (UV) essendo dei semiconduttori a banda larga, con band gap maggiore a 2 o 3 eV. Quest?assorbimento nell?ultravioletto causa poi prevalentemente un decadimento dell?elettrone alla banda di valenza attraverso meccanismi dispersivi che provocano vibrazioni e conseguentemente emissioni nell?infrarosso con ulteriore riscaldamento. Il brevetto US4916014A propone invece un substrato di un metallo nobile ricoperto da dielettrici silicati, solfuro di zinco ed altri materiali ceramici o allumino silicati minerali quali la mica. L?uso dei metalli nobili ? stato scelto per evitare il problema dell?ossidazione mal al contempo introduce sia materiali sia metodi costosi. infatti queste soluzioni propongono tutti materiali abbastanza complessi come particelle cave di varia natura, pigmenti come l?ossido di titanio che tra l?altro ? sospetto cancerogeno, tutti per lo pi? materiali sintetici o ricoprimenti metallici di metalli nobili pi? o meno complessi che raggiungono anche costi elevati o non agiscono efficacemente (si veda il discorso dei semiconduttori).

c) Per ovviare ai problemi menzionati si propone come soluzione di usare materiali ceramici come l?allumina con assorbimento nell?infrarosso molto basso, quasi nullo, e un?ampiezza di banda elettronica praticamente proibitiva ad energie troppo alte per lo spettro solare come per la mica per cui riflettono molto bene anche la radiazione visibile o ultravioletta. Nel nostro caso il fattore isolamento non ? dato solo dal carattere refrattario dell?allumina ma anche dalla sua morfologia lamellare ad alto sviluppo superficiale che agisce come ?specchio? riflettendo nella direzione opposta a quella della superficie, mentre particelle irregolari diffonderebbero la radiazione in tutte le direzioni intrappolandone una parte internamente al ricoprimento. D?altra parte, la mica ha a sua volta una spiccata caratteristica lamellare; ambedue i materiali pertanto si adagiano sulla superficie del substrato, creando uno strato che fa da barriera termica e specchio per la radiazione infrarossa. Infatti l?allumina ha un?alta capacit? riflettente nell?infrarosso e nel visibile, bench? la mica assorba come ogni silicato nell?infrarosso tra i 1000-1200 cm<-1 >per via della vibrazione di stretching Si-O, compensa ci? con le sue propriet? spiccatamente lamellari per cui il calore assorbito viene diffuso principalmente in direzione parallela alla superficie allontanandolo quindi dal substrato. Si preferiscono pertanto le miche con particelle rapporto di forma superiore a 30 (rapporto tra diametro e spessore delle particelle) per avere un maggiore sviluppo superficiale che agisca come specchio e diffusione preferenziale del calore sulla duperficie. L?utilizzo di particelle con dimensioni molto piccole tra 2 ? 3 ?m in media e concentrazioni di solido tra 2 e 10% in massa permettono inoltre di ottenere ricoprimenti trasparenti o semitrasparenti, venendo le particelle molto disperse. L?abbattimento del flusso di calore pu? raggiungere il 40 o 50% per esempio con una miscela al 50% in massa dei due prodotti (su base solida senza contare il solvente) in resina epossidica.

e) Esempio 1 di preparazione dell?additivo: 150g di allumina con area superficiale di circa 30 m<2>/g e D50 di 3,0 ?m e mica muscovite con D50 di 2,8 ?m e rapporto di forma di circa 50 sono miscelati meccanicamente per 5 min ed aggiunti ad una resina epossidica bicomponente denominata Kemiepox 140 ad elevata trasparenza con indurente EH22 forniti da Poolkemie S.r.l. Torino. Nel grafico di Figura 1 si mostrano le curve della temperatura in funzione del tempo dei due lati di due lamine di alluminio ciascuna di superficie di 100 cm<2 >e spessore di 0.180 mm, esposte ad una lampada di 55 W tipo Xe alla distanza di 5 cm dalla faccia con il ricoprimento, in un caso con l?additivo summenzionato miscelato alla resina epossidica e nell?altro con la sola resina. Balza agli occhi che nel caso con l?additivo non solo le due temperature T1 e T2 allo stato stazionario sono inferiori rispetto al caso senza additivo, ma anche la loro differenza ? inferiore cio? il gradiente termico. Questo significa che il flusso di calore attraverso la lamina ? inferiore. I calcoli (il rapporto tra i gradienti termici) mostrano che il flusso di calore in condizioni stazionarie ? solo il 62% nel caso con l?additivo rispetto a quello senza. Inoltre in Figura 2 si mostra la riflettanza nell?infrarosso del ricoprimento con additivo al 5% che ? del 100% per lunghezza d?onda inferiori ai 6 ?m e mai inferiore all?80% per lunghezze d?onda maggiori. Il risultato ? conforme al fatto che essendo in media le particelle di 3?m la diffusione ? maggiore al di sotto di lunghezze d?onda 5?m come ottenuto dalla sezione trasversale per la diffusione di Rayleigh. Le lunghezze d?onda inferiori a 5?m sono quelle pi? energetiche (cio? numeri d?onda maggiori di 2000 cm<-1>). Tutte le bande che si osservano sono dovute alla resina epossidica. Nel caso del ricoprimento di sola resina la riflettanza scende per alcune bande al di sotto dell?80% indicando che l?effetto dell?additivo riflettente agisce direttamente sulle bande di assorbimento della resina principale agente assorbente della radiazione infrarossa.

Esempio 2 di preparazione dell?additivo. Si segue lo stesso procedimento dell?Esempio 1 solo che si aggiunge l?additivo al 10% nella stessa resina epossidica dell?esempio 1. Nel grafico di Figura 3 si mostrano le curve della temperatura in funzione del tempo dei due lati di due lamine di alluminio ciascuna di superficie di 100 cm<2 >e spessore di 0.180 mm, esposte ad una lampada di 55 W tipo Xe alla distanza di 5 cm dalla faccia con il ricoprimento, in un caso con l?additivo summenzionato miscelato alla resina epossidica e nell?altro con la sola resina come nell?Esempio 1. Il flusso di calore in questo caso ? solo del 57% rispetto alla lamina con solo resina. In Figura 4 si mostra la riflettanza nell?infrarosso del ricoprimento con additivo al 10%. L?effetto dell?additivo al 10% sulla riflettanza ? inferiore di quello dell?additivo al 5%.La maggiore efficienza nel ridurre il flusso di calore in questo caso ? dovuto pi? alla barriera costituita dalla maggiore concentrazione di particelle (quindi alla minore conduzione termica) che alla riflessione della radiazione.

f) La preparazione industriale dell?additivo della presente invenzione richiede di un miscelatore industriale di polveri che pu? essere a tamburo, o un miscelatore con vomeri, o un miscelatore a nastri contrapposti. I suddetti miscelatori possono essere a lotto o continui ed il tempo di miscelazione pu? variare a seconda dei volumi coinvolti tra i 15 ed i 60 minuti.

Claims (5)

Additivo per ricoprimenti e vernici che riflette la radiazione termica (Additive for coatings and paints that reflects thermal radiation) RIVENDICAZIONI

1. Una miscela di polveri aventi per componenti principale ossido di alluminio, ad alta area superficiale >20 m<2>/g, e mica (silicato di potassio) preferibilmente muscovite di origine minerale, ambedue i materiali con particelle tra gli 0 e 20 ?m con mediana di 2-3 ?m, e di morfologia lamellare. Avendo la mica un rapporto di forma (tra diametro e spessore) maggiore a 30, preferibilmente di 50. Questa miscela viene usata come additivo per vernici o ricoprimenti trasparenti o semitrasparenti con leganti organici ed eventualmente altri coadiuvanti come agenti tixotropici con lo scopo di riflettere la radiazione termica (cio? la radiazione infrarossa).

2. La miscela dei componenti della rivendicazione 1 con rapporto A/B (A: ossido di alluminio, B: mica) tra 0,4 e 0,8.

3. L?additivo costituito dalla miscela decritta nelle rivendicazioni 1 e 2 inserito in vernici o ricoprimenti in percentuali di solido (rispetto al legante) tra il 2 e il 15% in massa per ottenere un ricoprimento trasparente o semitrasparente.

4. Il ricoprimento o vernice preparato secondo la rivendicazione 3 deve causare una riduzione di almeno il 30% del flusso di calore dovuto all?esposizione alla luce solare diretta della superficie ricoperta con la vernice suddetta rispetto ad una superficie con ricoprimento trasparente o semitrasparente solo organico

5. Un ricoprimento secondo la rivendicazione 4 di spessore tra 1 e 100 ?m.