ITBO20000571A1 - Prodotto verniciante altamente riflettante, particolarmente adatto come rivestimento per sfere integratrici - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo: “Prodotto verniciante altamente riflettente, particolarmente adatto come rivestimento per sfere integratrici”

La presente invenzione si riferisce in generale ad un prodotto vemiciante altamente riflettente. L’invenzione è stata sviluppata con particolare riguardo, anche se non esclusivamente, ad un prodotto verniciante adatto come rivestimento per sfere integratrici di spettrofotometri e simili, destinate a raccogliere e misurare radiazioni luminose riflesse diffusivamente in tutte le direzioni da un generico campione. L’impiego del suddetto prodotto verniciante può naturalmente estendersi ad altri impieghi, ad esempio ma non esclusivamente, per il rivestimento della superficie di campioni standard di riflettanza nota, utilizzati ad esempio per la calibrazione di spettrofotometri, oppure come rivestimento di sfere che costituiscono sorgenti di luce amplificata e omogenea.

In generale le sfere integratrici raccolgono e integrano spazialmente un flusso radiante. Il flusso può essere misurato direttamente, oppure dopo che ha interagito con un campione di materiale. La sfera come parte di un radiometro o fotometro può direttamente raccogliere ad amplificare il flusso originato da lampade o laser o la densità di flusso prodotta da una illuminazione emisferica. Forse la maggiore applicazione delle sfere integratrici è la misura della riflettanza totale o della trasmittanza dai materiali diffusivi o dispersivi. Una applicazione alternativa utilizza i fori di una sfera integratrice illuminata internamente come una fonte di radianza uniforme. Queste fonti possono essere utilizzate per calibrare dispositivi elettronici ad immagine e sistemi o semplicemente come retroilluminatori uniformi.

E’ da tempo noto che negli spettrofotometri sono utilizzate sfere integratrici aventi una cavità sferica interna rivestita da uno strato o da una pellicola di rivestimento altamente riflettente in maniera diffusiva, grazie al quale è possibile amplificare il flusso luminoso di una sorgente rendendolo omogeneo ed isotropo. Una tale sfera integratrice è provvista generalmente di un’apertura di fronte alla quale può essere disposto un campione che riflette all’interno della sfera un fascio luminoso che viene a sua volta riflesso e diffuso dalla parete della cavità interna della sfera e misurato da sensori di tipo noto.

Come ad esempio menzionato nei documenti US-3764364, US-4035085 ed EP-0511806, è da tempo noto rivestire o verniciare la cavità interna delle sfere integratrici con prodotti a base di solfato di bario, ossido di magnesio do carbonato di magnesio, mentre più recentemente sono state proposte pellicole di polimero di addizione alifatico fluorurato a catena lunga. I prodotti a base di solfato di bario di tipo noto presentano una serie di problemi, tra i quali sono note la sensibilità all’umidità e la scarsa resistenza meccanica, che determinano un facile deterioramento dello strato di rivestimento delle sfere integratrici trattate con tali prodotti. Inoltre i prodotti a base di solfato di bario di tipo noto sono poco resistenti alla radiazione ultravioletta e tendono ad invecchiare rapidamente, riducendo così le proprie caratteristiche di riflettanza.

A loro volta, le suddette pellicole di polimero di addizione si sono dimostrate diffìcili da applicare alla parete della cavità interna di una sfera integratrice. Per risolvere quest’ultimo problema, il documento EP-0511806 propone la soluzione di realizzare l’intero corpo di una sfera integratrice con tale materiale polimerico, in modo tale da eliminare alla radice tutti i problemi di adesione della pellicola polimerica. Tuttavia, la soluzione proposta appare poco soddisfacente perché una sfera integratrice così realizzata, specialmente quando sia di piccole dimensioni, non è perfettamente opaca, e parte del flusso luminoso traspare all’esterno della sfera stessa, riducendone così l’efficienza complessiva.

La richiedente ha pertanto svolto ricerche dirette ad individuare un prodotto di rivestimento di tipo tradizionale, ad esempio a base di solfato di bario o simili, da applicare sulla cavità interna di una sfera integratrice di materiale non trasparente, ad esempio di alluminio. I suddetti prodotti di rivestimento tradizionali comprendono due elementi fondamentali: un materiale riflettente, quale il solfato di bario, ed un legante o colla che serve a dare coesione al materiale riflettente. Questi due componenti sono generalmente fomiti in sospensione in un veicolo liquido, ad esempio una miscela di acqua ed alcool, atta a rendere applicabile il rivestimento ad esempio per spruzzatura.

Il prodotto viene applicato sulla superficie desiderata, dopo di che il veicolo liquido evapora lasciando aderente alla superfìcie uno strato compatto di materiale riflettente, reso coerente dal legante. Il materiale riflettente come nel caso del solfato di bario, viene utilizzato sotto forma di polvere con granulometria molto fine (circa 1-2 micron di diametro medio). In particolare il solfato di bario ha un’ottima inerzia agli attacchi chimici ai quali può andare soggetto in un normale ambiente di lavoro.

Esempi di prodotti di rivestimento noti sono quelli conosciuti con i nomi commerciali KODAK White Reflectance Coating della Eastman Kodak Company, e WRC-680 White Reflectance Coating di Labsphere Ine. Entrambi i suddetti prodotti noti contengono solfato di bario legato da una colla a base di polimero polivinilico, che tuttavia con l’esposizione alla luce tende nel tempo a perdere le sue caratteristiche di trasparenza e ad invecchiare, ingiallendo e diminuendo la riflettanza nella zona del blu dello spettro luminoso. Per ridurre la portata degli effetti dell’invecchiamento, sarebbe necessario ridurre la percentuale di colla nel prodotto di rivestimento, a scapito della coesione meccanica del prodotto di rivestimento. In sostanza, se viene usata troppa colla dopo un certo tempo il rivestimento tende ad ingiallire, mentre utilizzandone troppo poca il rivestimento tende a “sfarinare” e a staccarsi dalla superficie su cui è applicato.

Per poter applicare il materiale riflettente in polvere ed il legante sulla superficie da ricoprire, è necessario disperdere questi componenti in un veicolo liquido che deve avere una buona fluidità per poter essere facilmente spruzzarle. Il fluido che funge da veicolo deve poi evaporare compietamente, abbastanza velocemente per non allungare i tempi di applicazione, ma tuttavia non troppo m rapidamente per non creare problemi durante l’applicazione, solitamente effettuata mediante una pistola a spruzzo ad aria compressa, che potrebbe otturarsi.

Scopo della presente invenzione è dunque quello di fornire un prodotto vemiciante o comunque di rivestimento altamente riflettente e diffondente, comprendente un materiale riflettente, quale il solfato di bario, ed un legante, che superi gli svantaggi della tecnica nota ed in particolare presenti una migliorata resistenza meccanica e all’ invecchiamento. Un altro scopo dell’invenzione è quello di individuare un procedimento per l’applicazione di tale prodotto vemiciante alla superficie di un corpo di supporto, in particolare alla parete della cavità interna di una sfera integratrice.

Al fine di raggiungere i suddetti scopi, l’invenzione ha per oggetto un prodotto vemiciante o di rivestimento, ed un procedimento per la sua applicazione, definiti nelle rivendicazioni che seguono.

Il prodotto di rivestimento secondo una forma particolare di realizzazione dell’ invenzione è risultato altamente riflettente in modo diffusivo (>95%) nella zona spettrale del visibile (400-700nm), nonché lambertiano, e cioè tale che l’intensità riflessa dal rivestimento a differenti angoli varia con la legge del coseno, in moto tale che la radianza all’interno della sfera integratrice risulti costante. Inoltre il prodotto di rivestimento secondo l’invenzione non è fotoluminescente poiché il materiale riflettente usato, così come il legante, non presenta fenomeni di fotoluminescenza dopo l’assorbimento di radiazione emessa dalla lampada.

II prodotto di rivestimento secondo l’invenzione è particolarmente resistente all’invecchiamento e risulta stabile nel tempo, in modo tale che la sua riflettanza rimane il più possibile costante nel corso del tempo, limitando così le perdite di efficienza della sfera e le perdite di risoluzione fotometrica.

Il prodoto di rivestimento secondo l’invenzione si è inoltre rivelato particolarmente adatto all’applicazione su un substrato di alluminio, al quale ha mostrato di aderire in maniera otimale, specialmente quando si trati di alluminio anodizzato.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi risulteranno dalla descrizione che segue di un esempio di attuazione, preferito ma non limitativo.

Un prodotto di rivestimento secondo la presente invenzione comprende un prodoto rifletente, quale solfato di bario BaSO4 ed un legante o colla acrilico, dispersi in un veicolo liquido preferibilmente consistente in una miscela di acqua ed alcool. Preferibilmente, il legante acrilico è un prodotto a base di polimero o copolimero acrilico, nel seguito per semplicità indicato genericamente come legante o colla acrilica A, ad esempio i prodotti conosciuti con i nomi commerciali PRJMAL ™ E-1531B e PR1MAL ™ B-924, entrambi della Rohm and Haas Company, con un contenuto del 37-39% circa in peso di polimeri acrilici dispersi in acqua. In particolare, il secondo dei due prodotti è fondamentalmente un copolimero acrilico reticolato con zinco, comprendente una miscela di metacrilato di metile, butile acrilato e acido metacrilico dispersi in acqua, con una piccola percentuale di zinco usato in piccole quantità per unire fra loro le catene polimeriche.

Gli esempi che seguono si riferiscono a tre diversi prodotti di rivestimento otenuti con diverse percentuali di legante acrilico rispeto al peso di BaSO4 e diverse percentuali di acqua e alcool del veicolo liquido, per individuare la spruzzabilità ottimale.

Esempio 1

E’ stato realizzato un prodotto di rivestimento in cui il prodotto legante, costituito dal prodotto PR1MAL™ B-924, è presente per l’11 ,6% rispetto al peso del BaSO4: in particolare si sono miscelati 60 g di BaSO4, 7 g di P RIMAL™ B-924, 100 g di alcool e 30 g di acqua. La percentuale in peso di legante acrilico rispetto al BaSO4 nel prodotto di rivestimento secco è pertanto di circa 4,5%.

Il prodotto così ottenuto è stato inizialmente applicato su di una piastrella di alluminio sabbiata, ottenendo una copertura con ottima coesione e adesione, di media granulosità; la bassa riflettanza ottenuta, mai superiore al 93% per tutte le frequenze dello spettro visibile, è dovuta all’irregolarità della superficie della piastrella sabbiata trattata con il prodotto di rivestimento. Migliori risultati si ottengono con l’applicazione su una superficie di alluminio anodizzato. Sottoposto a prove di invecchiamento, dopo circa 152 ore di esposizione alla luce di una lampada alogena, il prodotto non ha subito perdite di riflettanza per lunghezze d’onda superiori a 500 nm, mentre attorno a 400 nm si ha una perdita di riflettanza di circa Io 0,3%, segno di un inizio di ingiallimento. In termini assoluti, i valori di riflettanza hanno superato il 96,5% tra i 500 nm ed i 600 nm, mentre a 400 nm la riflettanza è attorno al 96%.

Esempio 2

E’ stato realizzato un prodotto di rivestimento in cui il prodotto P RIMAL™ B-924 è presente per il 10% rispetto al peso del BaSO4: in particolare si sono miscelati 50 g di BaSO4, 5 g di prodotto PRIMAL™ B-924, 50 g di alcool e 50 gr di acqua. La percentuale in peso di legante acrilico rispetto al BaSO4 nel prodotto di rivestimento secco è pertanto di circa 4%.

Il prodotto così ottenuto è stato applicato su di una piastrella di alluminio anodizzato nero, mediante una successione di 30 strati applicati con spruzzatura medio-leggera mediante aeropenna: la superficie risultante ha presentato una granulosità medio-fine ed una ottima coesione meccanica, senza sostanziale sfarinamento, e non vi sono crepe. Complessivamente, i valori di riflettanza raggiunti sono più alti rispetto al campione con l’ 11.7% di colla acrilica A di cui all’esempio 1, e raggiungono valori di oltre il 97%. Sottoposto a prove di durata con lampada alogena, il campione ha mostrato un invecchiamento marcato, specialmente in corrispondenza di lunghezze d’onda di 400 nm.

Esempio 3

E’ stato realizzato un prodotto di rivestimento in cui il prodotto P RIMAL™ B-924 è presente per l’8% rispetto al peso del BaSO,»: in particolare si sono miscelati 50 g BaSO4, 4 g di prodotto PRIMAL™ B-924, 50 g di alcool e 50 g di acqua. La percentuale in peso di legante acrilico rispetto al BaSO4 nel prodotto di rivestimento secco è pertanto di circa 3,2%.

Sono state effettuate tre applicazioni su piastrelle di alluminio anodizzato di colore nero con modalità diverse:

2a) 20 strati con applicazioni prolungate: la superficie risultante è liscia e compatta, con ottima coesione superficiale del prodotti di rivestimento e sfarinamento quasi assente; la riflettanza è ottima e supera il 96% per tutte le frequenze, risultando leggermente calante verso la zona blu dello spettro; 2b) 40 strati con applicazioni rapide: la superficie risultante è molto granulosa, senza crepe e con una eccellente coesione meccanica, ma con riflettanza piuttosto bassa a causa della fonnazione di canali tra i grumi: un’applicazione più prolungata non risolve il problema perché il prodotto di rivestimento non riempie i suddetti canali, ma tende ad ingrossare i grumi già esistenti;

2c) 60 strati con applicazioni rapidissime: la superficie risultante risulta di media granulosità, ma si formano crepe e la riflettanza si aggira attorno al 90%; complessivamente l’applicazione è meccanicamente ed otticamente non ottimale.

Sottoposto a prove di durata con lampada alogena il campione ha mostrato un calo di riflettanza molto ridotto, inferiore comunque allo 0.3%. Esempio 4

E’ stato realizzato un prodotto di rivestimento in cui il prodotto PR1MAL ™ E-1531B è presente per il 3,3% rispetto al peso del BaSO4 La percentuale in peso di legante acrilico rispetto al BaSO4 nel prodotto di rivestimento secco, è pertanto di circa 1,3%.

La superficie risultante dall’applicazione di tale prodotto al 3,3% di legante ha presentato un elevato sfarinamento, ma tuttavia ha dimostrato un buon rendimento ottico, tanto che la perdita di riflettanza nella zona blu dello spettro è risultata di solo 0,4% a 400 nm, 0,3% a 420 nm e 0,2% a 440 am rispetto a prodotti di rivestimento noti utilizzanti una colla polivinilica, mentre a tutte le altre frequenze la riflettanza risulta notevolmente superiore, raggiungendo addirittura il 98%.

Esempio 5

E’ stato realizzato un prodotto di rivestimento in cui il prodotto PRIMAL™ B-924 è presente per il 6,7% rispetto al peso del BaSO4 La percentuale in peso di legante acrilico rispetto al BaSO4 nel prodotto di rivestimento secco, è pertanto di circa 2,6%.

La superficie risultante dall’applicazione di tale prodotto al 6,7% di prodotto PRIMAL™ B-924 ha presentato un certo sfarinamento, ma non ha mostrato alcun segno di invecchiamento.

Esempio 6

E’ stato realizzato un prodotto di rivestimento in cui il prodotto PRIMAL™ E-1531B è presente per oltre il 35% rispetto al peso del BaSO4: in particolare si sono miscelati 30 g di BaSO4, 11 g di PRIMAL™ E-J53JB, e 59 g di acqua. La percentuale in peso di legante acrilico rispetto al BaSO4, nel prodotto di rivestimento secco, è pertanto superiore al 14%.

Come prevedibile, l’impiego di sola acqua quale veicolo liquido ha comportato tempi molto elevati di asciugatura fra un’applicazione di prodotto e l’altra, effettuate su una piastrella di alluminio anodizzata nera. A parte ciò, la coesione meccanica finale del prodotto di rivestimento è risultata molto buona, e la riflettanza mediamente soddisfacente, attorno all’ 85%.

In definitiva, la migliore forma di attuazione del prodotto di rivestimento secondo la presente invenzione è risultata quella in cui il prodotto PRIMAL™ B-924 è all’8% in peso del BaSO4 e cioè in cui la percentuale in peso di legante acrilico A rispetto al BaS04, nel prodotto di rivestimento secco, è circa 3,2%. Per applicazioni in cui debba essere privilegiata la resistenza dello strato di rivestimento, il prodotto di rivestimento in il prodotto PRIMAL™ B-924 è al 10% in peso del solfato di bario rappresenta una soluzione soddisfacente. In quest’ultimo prodotto di rivestimento, allo stato secco, la percentuale in peso di legante acrilico A rispetto al BaS04, nel prodotto di rivestimento secco, è circa 4%.

Le prove condotte hanno evidenziato che la riflettanza dipende, oltre che dalle caratteristiche del prodotto di rivestimento, anche dall’aspetto superficiale risultante, ed in particolare dalla sua rugosità. Una superficie troppo rugosa presenta una bassa riflettanza a causa della formazione di grumi che si impilano l’uno sull’altro, lasciando tra una pila e l’altra profondi canali attraverso i quali la luce può raggiungere il substrato, in particolare ralluminio. Si è quindi constatato che occorre realizzare superfici lisce o solo moderatamente rugose, applicando strati successivi di prodotto abbastanza spessi, ma non tanto da provocare colature della vernice con conseguente danno delle caratteristiche di uniformità della superfìcie.

Sono state effettuate misure sulla rugosità della superficie di alcuni campioni, confrontandole poi con la riflettanza ottenuta. In particolare, sono state misurate le caratteristiche di una stessa piastrella rivestita con una pellicola di prodotto di rivestimento secondo l’invenzione, prima e dopo una compressione della sua superficie che ne ha spianato almeno la rugosità più grossolana. L’incremento di riflettanza dopo la compressione della superfìcie è risultata pari al 2%, con superamento del valore assoluto del 97%, segno che il prodotto di rivestimento - già di per sé migliore sotto diversi aspetti dai prodotti della tecnica nota - esprime le sue migliori caratteristiche quando sia applicato secondo modalità particolari ed accurate che consentano di ottenere una superficie quanto più liscia e priva di rugosità grossolana. Si è sperimentalmente trovato che, data una granulometria media del solfato di bario secco da 1 a 2 pm, la rugosità superficiale Ra misurata secondo le norme UNI 3963/2 di una applicazione avente aspetto superficiale ottimale è risultata essere di 4 micron. In maggior dettaglio, da una misura dei grani di solfato di bario impiegati nelle prove è stato verificato che circa il 40% dei grani ha dimensioni inferiori ad 1 micron, e che circa l’82% deigrani ha dimensioni inferiori a 2 micron.

Per l’applicazione con aeropenna o pistola a spruzzo, il veicolo liquido preferibile è costituito da una miscela in parti uguali di acqua ed alcool etilico, oltre all’acqua contenuta nel legante o colla acrilica per la dispersione del polimero o copolimero acrilico. Si è inoltre sperimentalmente trovato che i migliori risultati in termini di resistenza e coesione meccanica e bassa rugosità della superficie finita si ottengono se si effettua una prima applicazione del solo legante sullo strato nudo di substrato, in particolare sull’alluminio anodizzato. In seguito viene applicato un certo numero di strati, preferibilmente da 15 a 20, di prodotto vemiciante di rivestimento. Le applicazioni sono relativamente prolungate rispetto alle applicazioni dei prodotti noti, ed in particolare, ma non limitativamente, possono comportare la spruzzatura di prodotto per circa 5 secondi per ogni applicazione. Fra un’applicazione e quella successiva, si procede ad una fase di asciugatura con aria fredda, la cui durata è sostanzialmente determinata da un controllo visivo dell’aspetto del prodotto di rivestimento che, inizialmente trasparente o lucido, si opacizza ad asciugatura avvenuta, in seguito all’evaporazione del veicolo liquido.

Nonostante gli esempi sopra menzionati si riferiscano all’applicazione de! prodotto di rivestimento su un substrato di alluminio, preferibilmente anodizzato, è possibile applicare tale prodotto anche su superfici di materiali diversi. In particolare, sono state realizzate con successo applicazioni del prodotto di rivestimento ad un substrato plastico, in particolare PVC, ottenendo risultati confrontabili con quelli descritti sopra.

Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno ampiamente variare rispetto a quanto descritto, senza per questo uscire dall’ambito della presente invenzione.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Prodotto verniciante di rivestimento altamente riflettente, comprendente un prodotto riflettente in maniera diffusiva, ed un legante o colla acrilico, dispersi in un veicolo liquido di trasporto.
2. 2. Prodotto di rivestimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il legante o colla acrilica è un prodotto a base di polimero o copolimero acrilico.
3. 3. Prodotto di rivestimento secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il legante o colla acrilica contiene un metacrilato.
4. 4. Prodotto di rivestimento secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la quantità di polimero o copolimero acrilico è compresa fra circa l’ 1% e il 15% in peso del prodotto riflettente.
5. 5. Prodotto di rivestimento secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che la quantità di polimero o copolimero acrilico è preferibilmente compresa fra circa il 3% ed il 4% del prodotto riflettente.
6. 6. Prodotto di rivestimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il prodotto riflettente è compreso nel gruppo comprendente solfato di bario, ossido di magnesio e carbonato di magnesio.
7. 7. Prodotto di rivestimento secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che il prodotto riflettente è solfato di bario BaSO4 sotto forma di polvere con grani di diametro mediamente compreso fra circa 1 e 2 micron.
8. 8. Prodotto di rivestimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il veicolo liquido comprende una miscela di alcool ed acqua.
9. 9. Sfera integratrice o campione altamente riflettente in maniera diffusiva, caratterizzata dal fatto che la sua superficie riflettente è rivestita da uno strato essiccato di prodotto di rivestimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
10. 10. Sfera integratrice o campione secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che la superficie su cui è applicato il prodotto di rivestimento è di alluminio anodizzato.
11. 11. Sfera integratrice o campione secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che la superficie su cui è applicato il prodotto di rivestimento è di un materiale plastico, preferibilmente PVC.
12. 12. Procedimento per l’applicazione di un prodotto di rivestimento riflettente in maniera diffusiva ad una superficie, caratterizzato dal fatto che comprende le fasi di: predisporre un prodotto verniciante di rivestimento secondo una delle rivendicazioni 1 a 8, applicare per spruzzatura uno strato di detto prodotto di rivestimento sulla superficie, far essiccare lo strato di prodotto, e ripetere applicazioni di strati successivi, intercalati da corrispondenti essiccazioni, per circa 20 volte.
13. 13. Procedimento secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che l’ applicazione del primo strato di prodotto di rivestimento è preceduta da un’applicazione sulla superficie di uno strato di legante o colla acrilica privo di materiale riflettente.
14. 14. Procedimento secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che la durata di ciascuna applicazione per spruzzatura è di circa 5 secondi.
15. 15. Procedimento secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che l’essicazione del prodotto di rivestimento avviene in aria fredda.