Mikropęcherzyki szklane 3M w elastomerowych pokryciach dachowych – wyniki badań

Rozwój rynku budownictwa mieszkaniowego spowodował większe zapotrzebowanie na energię elektryczną do chłodzenia w regionach o cieplejszym klimacie. Popyt ten stworzył z kolei producentom farb duże możliwości w zakresie badania powłok odbijających ciepło promieniowania słonecznego jako środka do zwalczania rosnących kosztów energii. Dwa popularne obszary badane w obszarze architektury to powłoki dachowe i ścienne.

Standardowo powłoki odbijające słoneczne promieniowanie cieplne charakteryzują się wysokimi wartościami reflektancji i emitancji w obszarze podczerwieni termicznej. Wodorozcieńczalny biały elastomer oraz asfalt pigmentowany aluminium stanowią dwa rodzaje powłok stosowanych często na tym rozwijającym się rynku. Istnieje wiele rodzajów spoiw w klasie elastomerowej. Niniejszy artykuł koncentruje się na wykorzystaniu spoiwa w 100% opartego na akrylu w recepturze z białym pigmentem.

Emitancja i reflektancja

Rozkład widmowy promieniowania słonecznego jest podzielony na trzy obszary: ultrafioletu (200–400 nm – 5% energii światła słonecznego), widoczny (400–700 nm – 45% energii światła słonecznego) i bliskiej podczerwieni (700–2500 nm – 49% energii światła słonecznego i odczuwalnej w postaci ciepła). Około 96% promieniowania światła słonecznego przypada w zakresie 400–2500 nm, zatem analiza danych w tym obszarze jest przedmiotem szczególnego zainteresowania.

Wartości współczynnika odbicia promieniowania słonecznego wynoszą zazwyczaj powyżej 80% dla powłok skomponowanych specjalnie jako „zimne” farby dachowe, co oznacza, że pochłaniają i/lub przenoszą <20% energii padającej. Emitancja cieplna jest miarą tego, jak łatwo powierzchnia pozbywa się ciepła, dlatego powierzchnia o dużej emitancji będzie wydzielała ciepło łatwiej, a tym samym osiągała równowagę w niższej temperaturze. To sprawia, że pożądane jest również uzyskanie wysokich wartości emitancji dla powłok zewnętrznych. Całkowity współczynnik odbicia promieniowania słonecznego (TSR) jest średnią ważoną tego, jak dobrze materiał odbija energię przy każdej określonej długości fali energii słonecznej. Norma ASTM C1483 definiuje pokrycie RCC (Radiation Control Coating) jako powłokę nakładaną w stanie ciekłym, mającą reflektancję promieniowania słonecznego 0,8 oraz emitancję podczerwieni w temperaturze otoczenia co najmniej 0,8.

Własności emitancji i całkowitej reflektancji promieniowania słonecznego są wykorzystywane razem do obliczania współczynnika odbicia promieniowania słonecznego (SRI), który zazwyczaj wynosi zero dla powierzchni czarnej i 100 do białego wzorca. Wartości SRI mogą przekroczyć 100, zgodnie z definicją, w obliczeniach dla chłodnych materiałów. Wartości SRI można wprowadzić do standardowych modułów kalkulatorów kosztów energii do obliczania całkowitych kosztów potencjalnych oszczędności energii. Przy korzystaniu z tych kalkulatorów muszą być brane pod uwagę inne czynniki, takie jak wartości izolacyjne, region geograficzny i bieżące koszty energii prądu (a to tylko kilka z nich).

R             E             K             L             A             M             A

Rozwiązanie? 3M Glass Bubbles!

Zazwyczaj w celu uzyskania bardzo skutecznego rozproszenia promieniowania padającego widzialnego i podczerwonego stosuje się rutylowy dwutlenek tytanu, ze względu na jego wysoki współczynnik załamania i stosunek wielkości cząstek do tych specyficznych pasm długości fali.

Kolejną opcją do rozważenia przy komponowaniu powłok odbijających cieplne promieniowanie słoneczne są mikrosfery szklane 3M™ Glass Bubbles. Cząstki te są mikropęcherzykami ze szkła sodowo-wapniowo-borokrzemianowego, które są puste w środku, mają zmienną wytrzymałość, niską gęstość oraz są wodoodporne. Pęcherzyki takie mają zastosowania komercyjne w wielu gałęziach przemysłu, takich jak ropy naftowej i gazu, motoryzacyjnym oraz farb i powłok. Ich wydrążona budowa nadaje im zróżnicowaną efektywność w zakresie rozpraszania światła ze względu na różnice współczynników załamania światła względem innych materiałów w ich otoczeniu, takich jak spoiwa i inne dodatki.

Niniejszy artykuł ocenia wpływ trzech różnych gatunków mikrosfer szklanych względem konwencjonalnego wypełniacza oraz dostępnej w handlu mieszanki stałych mikrosfer w 100% akrylowym elastomerowym systemie lateksowym. Porównania są wykonane względem dostępnych w handlu wodnych akrylowo-elastomerowych powłok dachowych. Zbadane zostaną właściwości takie jak reflektancja promieniowania słonecznego, emisyjność i zalety termiczne, ponieważ odnoszą się one do potencjalnych oszczędności energii dla białych elastomerowych wodorozcieńczalnych lateksowych powłok dachowych. Przeprowadzono również skróconą ocenę przyspieszonego oddziaływania zewnętrznych czynników atmosferycznych i odporności na przywieranie zanieczyszczeń (DPUR). Ocena innych właściwości elastomerowych pokryć dachowych jest poza zakresem niniejszego opracowania i będzie uwzględniona w przyszłych badaniach. Mowa o takich parametrach jak wydłużenie, przepuszczalność i absorpcja pary wodnej, ognioodporność i odporność na grzyby oraz inne.

Metody i materiały doświadczalne

Listę składów białych farb stosowanych w tym badaniu przedstawiono w Tabeli 1¹.

Standardowa kontrolna receptura zawierała 2,3% objętościowych TiO2 i 18,7% objętościowych węglanu wapnia w stanie mokrym. W stanie suchym odpowiada to 5,3% obj. TiO2, 35,3% obj. CaCO3, 56,7% obj. spoiwa akrylowego oraz około 2,7% obj. innych składników. Gotowa farba zawierała 52% obj. cząstek stałych, SOP 42% była matowa (połysk < 5) oraz miała lepkość 100–125 jednostek Krebsa. Parametry aplikacyjne, takie jak lepkość, rozpływność i odpienienie, można regulować za pomocą odpowiednich dodatków. Dla tego preparatu zawartość LZO wynosiła około 50 gramów/litr. Kolejne preparaty zawierające 3M™ Glass Bubbles lub mieszankę mikrosfer dostępnych w handlu (CMB) wykonano poprzez zastąpienie tej samej ilości, objętościowo, aby zachować taki sam udział SOP jak dla innych pigmentów i wypełniaczy. Mikrosfery szklane i CMB dodano pod koniec przygotowania receptury (po sporządzeniu pasty i ujednorodnieniu), tak aby zminimalizować ich zniszczenie.

Ogólne właściwości ocenianych wypełniaczy są przedstawione w Tabeli 2:

Wybrano trzy różne gatunki mikrosfer szklanych, aby objąć szeroki zakres gęstości, wytrzymałości i wielkości cząstek. Dobrano węglan wapnia, ponieważ jest on powszechnie stosowany w tego rodzaju preparatach i zastosowano go w przykładowej dostępnej w handlu farbie do celów porównania. CMB i CaCO3 stanowią stałe, niekuliste cząsteczki, w przeciwieństwie do mikrosfer szklanych, które są wydrążonymi sferami ze szkła sodowo-borokrzemianowego. Wszystkie farby nanoszono na czarne/białe arkusze Leneta o nieprzejrzystości 3B lub blachy aluminiowe walcowane 3003 H14 (6”×12”) przy użyciu różnych metod aplikacji oraz metod wylewana filmu dla otrzymania żądanej grubości warstwy. Docelowa grubość suchej warstwy wynosiła 15–20 milicali (380–508 mikronów). W niektórych przypadkach wymagało to więcej niż jednej warstwy. Przyspieszone badania atmosferyczne były przeprowadzone przy niższych grubościach warstwy suchej (50–100 mikronów). Powłoki pozostawiono do wyschnięcia na co najmniej 3 – 7 dni, zależnie od badania.

Tabela 3 odwołuje się do metod badawczych stosowanych w tych badaniach:

Wyniki i omówienie

Zmętnienia w wystąpiły w zakresie od 99–101 dla wszystkich próbek. Przy większej grubości nakładania filmu stosowanej w tym badaniu (15–20 milicali/380–508 mikronów) możliwe było uzyskanie receptury o niższej zawartości TiO2 (2,3% obj.) przy nadal utrzymującym się dopuszczalnym kryciu podłoża. Połysk dla wszystkich próbek wyniósł Reflektancja promieniowania słonecznego

Całkowite odbicie energii słonecznej mierzono przy użyciu spektrofotometru Perkin Elmer Model 950, który był zmodyfikowany do pomiaru UV-VIS-NIR za pomocą kuli całkującej. W obliczeniach zastosowano metody ASTM E903/G173 oraz programy matematyczne dla uzyskania TSR dla każdej powłoki na różnych podłożach. Wyniki przedstawiono na Rys. 1–3.

Reflektancja promieniowania słonecznego

Całkowite odbicie energii słonecznej mierzono przy użyciu spektrofotometru Perkin Elmer Model 950, który był zmodyfikowany do pomiaru UV-VIS-NIR za pomocą kuli całkującej. W obliczeniach zastosowano metody ASTM E903/G173 oraz programy matematyczne dla uzyskania TSR dla każdej powłoki na różnych podłożach. Wyniki przedstawiono na Rys. 1–3.

Rysunek 1: Reflektancja promieniowania słonecznego na białym papierze Leneta

Rysunek 2: Reflektancja promieniowania słonecznego na czarnym papierze Leneta

Rysunek 3: Reflektancja promieniowania słonecznego na aluminium 3003

Ogólnie wszystkie próbki uzyskały dobre wyniki w zakresie reflektancji promieniowania słonecznego, jak wskazują wartości TSR przekraczające 80% na aluminium i białych podłożach. Gatunki GB (zwłaszcza GB3, czyli 3M™ Glass Bubbles iM16K) uzyskały bardzo dobre wyniki, średnio 3–6% wyższe wartości TSR. Analiza całkowitego rozkładu widmowego (Rys. 4) wskazuje, że gatunki mikrosfer szklanych uzyskują dobre wyniki w całym spektrum światła słonecznego, zwłaszcza w zakresie widzialnym i podczerwieni. Należy zauważyć, że wytrzymałość mikrosfer szklanych stanowi decydujący czynnik doboru ze względu na przetwórstwo i zmienność aplikacji. W danych konkretnych warunkach aplikacji należy ocenić mikrosfery szklane o większej/mniejszej wytrzymałości na zgniecenie pod kątem zapewnienia ich przetrwania. GB3 (3M™ Glass Bubbles iM16K) zapewniał zarówno mniejszy rozmiar, jak i wyższą wytrzymałość, a tym samym może on być bardziej przydatny w wielu recepturach, dla których można stosować nakładanie poprzez natryskiwanie.

Rysunek 4: Zbiorcze krzywe spektralne reflektancji promieniowania słonecznego:

Badanie emitancji cieplnej

Testy emisyjności przeprowadzono przy użyciu przenośnego urządzenia wraz z elementami kalibracyjnymi ze stali czarnej oraz ze stali nierdzewnej. Wyniki przedstawiono na Rys. 5.

Rysunek 5: Wyniki badań emisyjności

Wszystkie wartości emisyjności wynosiły > 90% dla badanych próbek. Dane zostały wprowadzone do kalkulatora współczynnika odbicia promieniowania słonecznego, natomiast ogólne wyniki przedstawiono w Tab. 4. Wyliczona teoretyczna temperatura powierzchni dachu jest także uwzględniona dla każdej odpowiedniej wartości SRI. Dane te wskazują, że najwyższa reflektancja promieniowania słonecznego oraz najniższa obliczeniowa temperatura powierzchni dachu są otrzymywane dla materiałów z mikropęcherzykami szklanymi.

Tabela 4: Wyniki współczynnika odbicia promieniowania słonecznego

W tym konkretnym badaniu, zarówno największe mikrosfery GB1 (K-1), jak i najmniejsze mikrosfery GB3 (iM16K) wykazywały podobne wyniki dla odbicia promieniowania słonecznego i emisyjności. Próbka z GB1 (K-1) jednak uzyskała bardziej szorstką i lekko lepką powierzchnię w porównaniu z próbką GB3 (iM16K). Skaningowa mikroskopia elektronowa suchego filmu farby również wykazywała wyższy procent pęknięcia mikrosfer w filmie GB1 (K-1) w porównaniu z GB3 (iM16K), który ma znacznie wyższą wytrzymałość na zgniatanie.

Test nagrzewania promiennikiem podczerwieni

Wyposażenie laboratoryjne zostało opracowane w celu oceny termicznych zalet tych farb odbijających cieplne promieniowanie słoneczne dla wewnętrznej temperatury dachów budowli. Pomalowane blachy aluminiowe w gatunku 3003 poddawano naświetleniu żarówką 250W/reflektor R40/120V/promiennika podczerwieni przez 1 godz. Próbki miały wymiar 6×5 cm, natomiast żarówkę umieszczono w odległości 10 cm od podłoża. Termopara typu K i rejestrator były przymocowane do tylnej części płyty aluminium, która została umieszczona na płytce ceramicznej, z małym otworem wyciętym dla termopary. Wartości temperatury zebrane przez czterdzieści minut i po jednej godzinie przedstawiono w Tab. 5.

Wszystkie farby zmodyfikowane mikropęcherzykami szklanymi uzyskiwały średnie temperatury 5–10°F (3-6°C) niższe niż inne farby oceniane w tym badaniu. W niektórych przypadkach różnica temperatur była rzędu 15–20°F (8-11°C) niższa, w porównaniu do dostępnych w handlu systemów lakierniczych.

Tabela 5: Wyniki testu promiennikiem podczerwieni

Parametry powłoki w zależności od stopnia wypełnienia 3M™ Glass Bubbles iM16K

3M™ Glass Bubbles iM16K wykazały pewne interesujące właściwości w zakresie odbicia promieniowania słonecznego i ciepła, oprócz zalet związanych z przetwarzaniem i wyglądem. Przeprowadzono drugie badanie w celu oceny skutków wyższego i niższego obciążenia mikrosfer szklanych w zakresie tych samych właściwości. Sporządzono dwie dodatkowe farby z SOP 28% i 55%, które odpowiadały 20 do 50% udziałowi objętościowemu w suchym filmie farby. Wyniki są przedstawione w Tab. 6. Nie stwierdzono istotnych różnic w wartościach współczynnika reflektancji promieniowania słonecznego, ale dalsze badania z zastosowaniem testu promiennikiem podczerwieni wskazują niższe całkowite temperatury tylnej strony przy zwiększonym obciążeniu mikrosfer jak pokazano na Rys. 6. W zależności od obciążenia mikrosfer, temperatura wahała się od 7–15°F (4-8°C) niżej niż dla odpowiedniej farby z wypełniaczem w postaci węglanu wapnia.

Tabela 6: Wyniki badania powłoki w zależności od stopnia wypełnienia 3M™ Glass Bubbles iM16K

Rysunek 6: Krzywe testu promiennika podczerwieni dla mikrosfer szklanych 3

Przyspieszone badania oddziaływania warunków atmosferycznych

Malowane panele aluminiowe poddano 1000 godzin przyspieszonego testu atmosferycznego QUV. Dodatkowo do pomiaru współczynnika odbicia mierzono również połysk i kolor po 24 godzinnym badaniu DPUR. Wyniki przedstawiono w Tabeli 7.

Tabela 7: Wyniki przyspieszonego badania oddziaływania warunków atmosferycznych

Wszystkie farby wykazały dobrą odporność na warunki atmosferyczne po 1000h testu QUV. Próbka z CaCO3 oraz farba dostępna w handlu wykazywały największe straty połysku – odpowiednio 38 i 19%. Minimalną zmianę koloru odnotowano na wszystkich próbkach z wyjątkiem farby dostępnej w handlu, która miała DE rzędu 1.57, z którego większość pochodziła ze wskaźnika zażółcenia (Db). GB3 uzyskała najniższy DE i najwyższy współczynnik odbicia po badaniu. W ten sposób miała najczystszy/najjaśniejszy wygląd. Przypuszcza się, że rosnąca wielkość cząstek przyczynia się do silniejszego przyciągania cząsteczek zanieczyszczeń, obniżając w ten sposób stopień reflektancji po teście suchych zanieczyszczeń (dry dirt test). GB1 (K-1) i CMB wykazały największe wizualne schropowacenie powierzchni ze względu na wielkość. Ponadto próbki zawierające GB1 (K-1) faktycznie dały bardziej miękkie filmy, które nie były pożądane dla tej oceny.

Zastosowanie mikropęcherzyków szklanych jako końcowej domieszki

Ostatnim eksperymentem było dodanie GB3 (iM16K) i mieszanki handlowych mikrosfer do próbki farby dostępnej w handlu na poziomie w przybliżeniu równym 18% objętościowych (na mokro) w farbie. Próbki zbadano w taki sam sposób, jak opisano wcześniej dla porównań reflektancji promieniowania słonecznego i emitancji termicznej. Wyniki podano na Rys. 7 i 8.

Rysunek 7: Wyniki badań promiennikiem podczerwieni po dodatku końcowym wypełniaczy do farby dostępnej w handlu.

Rysunek 8: Skumulowane krzywe reflektancji promieniowania słonecznego dla dodatku końcowego wypełniaczy do farby dostępnej w handlu

Ogólne wyniki wskazują, że zastosowanie mikrosfer szklanych GB3 (IM16K) jako domieszki do farby może poprawić reflektancję promieniowania słonecznego oraz właściwości termiczne.

Należy zauważyć, że niniejszy artykuł dotyczy jedynie zalet odbicia promieniowania słonecznego w przypadku malowania konstrukcji na zewnątrz i nie uwzględnia żadnych zalet systemów powlekania od wewnątrz.

We wszystkich przypadkach wszystkie gatunki mikropęcherzyków szklanych dodano podczas mieszania z małą prędkością za pomocą mieszadła śmigłowego. Poprzednie badania wykazały, że dodawanie mikrosfer szklanych z zastosowaniem mieszania z tarczą Cowlesa lub inną o wysokim ścinaniu naraża je na wyższe straty spowodowane ich rozbijaniem.

Oszczędności energii

W celu oszacowania potencjalnych oszczędności energii związanych z powłokami w technologii „chłodnego dachu” opracowane zostały różne kalkulatory oszczędności energii. Jeden z takich kalkulatorów można znaleźć na stronie internetowej:

http://web.ornl.gov/sci/roofs+walls/facts/CoolCalcEnergy.htm

Należy zauważyć, że jest to tylko jeden z przykładów kalkulatorów kosztów, które mogą być użyte. Operator musi wprowadzić wiele szczegółowych wartości danych, takich jak wartość R, SR, emisyjności podczerwieni, koszty energii, sprawność urządzenia i położenie geograficzne, natomiast moduł komputerowy obliczy potencjalne roczne oszczędności netto w oparciu o czynniki ogrzewania i chłodzenia. Kalkulator ten działa przede wszystkim dla dachów o niewielkim pochyleniu, a wyniki są podawane jako potencjalne oszczędności roczne w porównaniu do czarnych dachów. Receptury muszą brać pod uwagę koszty surowców względem potencjalnych oszczędności energii w celu określenia optymalnych parametrów receptury. Przykłady materiałów ocenianych w tym badaniu są przedstawione w Tab. 8. W tym przykładzie zastosowano wartość R równą 10, a sprawność klimatyzacji przyjęto jako 2. Jako lokalizację przyjęto Miami (USA).

Tabela 8: Przykład kalkulacji kosztów energii

Podsumowanie

Wszystkie białe farby poddane badaniu wykazują możliwe do przyjęcia w branży wartości wstępne współczynnika reflektancji promieniowania słonecznego (RCMA – Reflective Roof Coatings and LEED V4, listopad 2015), a więc oferują w różnym stopniu potencjalne oszczędności w stosunku do czarnego dachu jako odniesienia. Powłoki wykonane z 3M™ Glass Bubbles zapewniają najwyższy stopień potencjalnych oszczędności energii w oparciu o wypełniacze badane w tym doświadczeniu.

Badanie to nie bierze pod uwagę innych parametrów, które kwalifikują możliwą do przyjęcia elastomerową powłokę dachu, takich jak wydłużenie, odporność na wodę itp. Końcowe receptury muszą być zbadane dla wszystkich określonych właściwości w celu ustalenia ich profilu według specyfikacji klienta. Nowe badania sugerują utrzymanie się pewnych minimalnych wartości SRI po rzeczywistych okresach oddziaływań zewnętrznych warunków atmosferycznych. Te i inne badania, takie jak wpływ mikrosfer szklanych na reflektancję promieniowania słonecznego kolorowych farb, mogą stanowić podstawę do dalszych badań. Białe farby elastomerowe w tym teście badano na dachach o niskim stopniu nachylenia, takich jakie wykorzystuje się w zastosowaniach przemysłowych, ale możliwe jest wykorzystanie zalet tych materiałów także przy wyższych pochyleniach dachów i innych kolorach, również dla zastosowań mieszkaniowych.

Białe wodorozcieńczalne elastomerowe akrylowe powłoki dachowe zawierające mikropęcherzyki szklane mogą stanowić alternatywę dla innych konwencjonalnych wypełniaczy stosowanych w takich powłokach. Mniejsze mikrosfery szklane zapewniają zwiększoną reflektancję promieniowania słonecznego i zalety termiczne, co może przynieść oszczędności w zakresie energii. Mniejsze mikrosfery szklane wykazują również wyższą wytrzymałość, co mogłoby być korzystne w przypadku technik aplikacji z użyciem wysokiego ciśnienia, takich jak natrysk hydrodynamiczny. Ponadto mniejsze mikrosfery zapewniają większą gładkość powłoki i dobrą odporność na przywieranie zanieczyszczeń. Wielkość tych zalet należy oceniać dla poszczególnych receptur w odniesieniu do ich konkretnych zastosowań i składów.

—

Informacje techniczne, porady i inne stwierdzenia zawarte w niniejszym dokumencie lub dostarczone przez pracowników 3M oparte są na testach lub doświadczeniach, które 3M uważa za wiarygodne, ale dokładność lub kompletność tych informacji nie jest gwarantowana.

Odniesienia

Metody ASTM: D523, D2805, E903, G173, E1980, C1371, E1347, G154, C1483

Uwaga¹: Texanol™ jest znakiem towarowym firmy Eastman Chemical.

Uwaga²: mikrosfery szklane 1 (GB1) = 3M™ Glass Bubbles K-1,
mikrosfery szklane 2 (GB2) = 3M™ Glass Bubbles S-22,
mikrosfery szklane 3 (GB3) = 3M™ Glass Bubbles iM16K
(wszystko produkty 3M Company).

Uwaga³: Współczynnik reflektancji promieniowania słonecznego oblicza się stosując następujące: *Narzędzie zakodowane przez Ronnen Levinson, Heat Island Group, Lawrence Berkeley National Laboratory(http://HeatIsland.LBL.gov)
Informacje można uzyskać pod adresem Hashem Akbari, H_Akbari@LBL.gov, lub Ronnen Levinson, RMLLevinson@LBL.gov

Uwaga⁴: Link do kalkulatora energii: http://web.ornl.gov/sci/roofs+walls/facts/CoolCalcEnergy.htm

Uwaga⁵: RCMA- Odblaskowe Pokrycia Dachowe i LEED V4- listopad 2015

Podziękowania i specjalne uwagi

Autorzy pragną przekazać podziękowania Jean-Marie Ruckebusch (Starszy specjalista obsługi technicznej), Connie Forehand (laborant), Andy Peterson (pomoc techniczna), Terri Shefelbine (Specjalista ds. badań), oraz Davidowi Burns (Starszy specjalista ds. badań) za ich wiedzę techniczną i wsparcie przy zbieraniu danych oraz przy usługach testowania.

Autorzy

Kevin Rink – Senior Technical Service Chemist / 3M Company, St. Paul, MN. – USA
Andrea Charif Rodriguez – Applications Development Engineer / 3M Company, St. Paul, MN. – USA

Kontakt

Przedstawicielstwo w Polsce:
3M Poland Sp. z o.o.
Al. Katowicka 117, 05-830 Nadarzyn
Tel.: +48 883 345 865
kjwojcik@mmm.com, www.3M.pl