Farby ekologiczne odbijające promieniowanie słoneczne przeznaczone do renowacji pokryć dachowych

Farby odbijające promieniowanie słoneczne tworzą powłoki „zimne” (dachy „zimne” – ang. Cool Roof – CR). „Zimne” pokrycia dachowe stosowane są od ponad 20 lat w USA, Australii i Kanadzie i zaliczane do strategii łagodnego przeciwdziałania niekorzystnym zmianom wywołanym działalnością człowieka, a szczególnie: nadmiernej urbanizacji, dynamicznemu wzrostowi zużycia energii, uprzemysłowieniu i wynikającemu stąd ociepleniu klimatu [1].

W UE w ramach programu „Inteligentna Energia” zrealizowano projekt „Cool Roof”, którego celem było zgromadzenie danych do legitymizacji polityki poparcia lub kreowania koncepcji dachów „zimnych” w krajach Wspólnoty [2].

Dachy „zimne” a ochrona środowiska i komfort życia

Ilość energii zużywanej do klimatyzacji jest pośrednią przyczyną wysokiej emisji CO2 – podstawowego składnika gazu cieplarnianego – z elektrowni bazujących na paliwach kopalnych (węglu, ropie).

Natomiast wysoka temperatura otoczenia w miastach powoduje powstanie „miejskich wysp ciepła” (UHI), które w połączeniu z emisją tlenków azotu (NOx) i lotnych związków organicznych (VOC) ze źródeł antropogenicznych przyczyniają się do powstawania ozonu troposferycznego – głównego składnika smogu letniego i potężnego gazu cieplarnianego (prawdopodobieństwo występowania smogu wzrasta o 5% ze wzrostem temp. o 1°C przy temp. powyżej 23°C i przekracza 50% powyżej 32°C).

Stosowanie dachów „zimnych” pozwala obniżać temperaturę otoczenia. W związku z tym przyczynia się ono do:

• oszczędności energii związanej z ograniczeniem używania lub wyeliminiowaniem klimatyzacji oraz w efekcie zmniejszenia emisji dwutlenku węgla do atmosfery,
• wydłużenia czasu życia urządzeń klimatyzujących dzięki eliminacji przeciążeń,
• złagodzenia skutków działania „miejskich wysp ciepła” (UHI),
• poprawy komfortu życia i zdrowia mieszkańców miast dzięki zmniejszeniu zanieczyszczenia powietrza,
• zmniejszenia częstotliwości renowacji dachów dzięki wydłużeniu ich czasu życia [3, 4].

Właściwości radiacyjne materiału a temperatura dachu

Nagrzewanie powierzchni dachu jest wypadkową właściwości radiacyjnych materiału, zdefiniowanych wartością całkowitego współczynnika odbicia promieniowania słonecznego TSR (ang. Total Solar Reflectance) i emitancji termicznej.

Metalowy dach pomalowany konwencjonalną czarną farbą lub płytki bitumiczne mają małą wartość TSR, ale dużą emitancję termiczną, np. czarne pokrycie dachowe z papy może osiągnąć w letnie południe temp. 74–85°C, dachy metalowe o dużym TSR i małym współczynniku termicznej emisji nagrzewają się do temp. od 66 do 77°C.

„Zimne” pokrycia dachowe (CR) wykonuje się z materiałów o wysokiej wartości współczynnika odbicia promieniowania słonecznego i dużej wartości emisji termicznej. Dzięki temu maksymalna temp. powierzchni CR podczas letnich upałów wynosi 43–46°C [5], czyli jest o 28–33°C niższa od temperatury tradycyjnych pokryć dachowych.

Oczywiście, wartość temperatury, do której nagrzewa się powierzchnia dachów, zależy również od lokalnych warunków klimatycznych. Niezależnie jednak od tego należy stwierdzić, że według badań konwencjonalne ciemne dachy mogą mieć temperaturę o 31–47°C wyższą od otaczającego powietrza, podczas gdy „zimne” tylko o 6–11°C, co z kolei wpływa na wartość temperatury otoczenia.

Właściwości powłok „zimnych”

Farby tworzące powłoki „zimne” otrzymywane są przez zastąpienie konwencjonalnych pigmentów „zimnymi” [6, 7] – o wysokiej wartości współczynnika odbicia promieniowania słonecznego w zakresie NIR.

Jednocześnie przeznaczenie farb do renowacji pokryć dachowych determinuje konieczność uzyskania, obok dekoracyjności, innych ważnych właściwości, jak odporność na promieniowanie UV, cykliczne zamarzanie/odmarzanie, naprężenia termiczne wywołane zmianami temperatury, biologiczne porastanie [8]. To wymaga doboru odpowiednich spoiw i skutecznych środków pomocniczych.

W pracy zostaną przedstawione wyniki badań właściwości optycznych, mechanicznych i odpornościowych powłok, które ­otrzymano z opracowanych w Instytucie Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników farb ekologicznych przeznaczonych do malowania odpowiednio zagruntowanych metalowych i niemetalowych pokryć dachowych.

Część doświadczalna

Wykonana praca eksperymentalna polegała na otrzymaniu wodnych farb nawierzchniowych z udziałem kompozycji pigmentów odbijających promieniowanie IR, odwzorowujących barwy według palety RAL: szarą 7040, grafitową 7024, czerwoną tlenkową 3009 i brązową 8017 oraz charakteryzujących się maksymalną dla danej barwy wartością współczynnika TSR.

Zakres badań obejmował oznaczanie właściwości radiacyjnych, w tym barwy, TSR i nagrzewania; właściwości mechanicznych i odpornościowych. Barwę oznaczano według normy PN­‑ISO 7724­‑2:2003 [9] za pomocą spektrofotometru odbiciowego SP 62, TSR – z zastosowaniem spektrofotometru dwuwiązkowego UV/VIS/NIR V-670 z kulą całkującą. TSR obliczono zgodnie z ASTM E903-12 [10] z wykorzystaniem opracowanego programu obliczeniowego.

Badania nagrzewania się powłok wykonano w komorze grzewczej zaprojektowanej i wykonanej zgodnie z ASTM D4803-10 [11] i obliczeniu przewidywanego wzrostu temperatury powierzchni (ΔT_ext.,cal.) pod wpływem promieniowania słonecznego zgodnie ze wzorem:

gdzie:

ΔT_box – wzrost temperatury płytek w komorze,

ΔT_ext.,black – wzrost temperatury czarnej płytki w warunkach zewnętrznych,

ΔT_box,black – wzrost temperatury czarnej płytki w komorze.

Starzenie powłok odbijających promieniowanie słoneczne badano metodą przyspieszoną w komorze QUV, zgodnie z normą PN-EN ISO 11507:2008 [12].

Przyczepność powłok na podłożu zagruntowanym z papy i metalu sprawdzano odpowiednio metodą siatki nacięć według normy PN-EN ISO 2409:2008 [13] i metodą odrywania od podłoża według normy PN-EN ISO 4624:2004 [14], odporność na działanie skondensowanej pary wodnej – według normy PN-EN ISO 6270­‑2:2006 [15], wodochłonność zaś – zgodnie zaleceniami ITB: ZUAT-15/IV.19/2005 [16].

Wyniki badań

Przeprowadzone badania wstępne polegające na oznaczaniu charakterystyki spektralnej pigmentów „zimnych” i ich mieszanin z wypełniaczami, właściwości żywic/polimerów (MTTF, właściwości mechaniczne) i wyznaczaniu optymalnego w odniesieniu do opracowanych farb Krytycznego Stężenia Objętościowego Pigmentów (KSOP) umożliwiły ustalenie składu jakościowego i ilościowego farb odbijających.

Każdą z farb sporządzono przy stałym KSOP = 0,59, a w jej skład wchodziły: dyspersja żywicy akrylowej, tworząca powłoki o dobrej elastyczności i adhezji do niemetalowych podłoży, wypełniacze węglanowe, krzemionkowe i krzemianowe, środki pomocnicze i pigmenty odbijające IR: P.Y.164-Fe,W,Mo,Ce, spinel; P.Br.33-Fe,Cr,Zn,Ti, spinel; P.Br.29-Fe,Cr, hematyt; P.G.17-Fe,Cr, hematyt; P.B.36‑Co,Cr,Al, spinel oraz pigmenty klasyczne dobierane w zależności od odwzorowywanej barwy.

Właściwości spektralne powłok z farb z pigmentami odbijającymi IR i dostępnych na rynku farb przeznaczonych do dachów, mierzone w zakresie VIS (barwa) i promieniowania słonecznego (TSR) przedstawiono w TABELI 1 i na RYS. 1–4.

Dane dotyczące różnicy barwy (ΔE) świadczą o doskonałej zgodności barwy farb odbijających z wzorcem RAL, lepszej, z wyjątkiem RAL 8017, od farb dostępnych na rynku (RYS. 1–4). Wartość TSR jest dość dobrze skorelowana z wartością współrzędnej jasności L i w każdym przypadku kilkakrotnie większa od tejże dla farb handlowych.

Zmiany właściwości spektralnych powłok odbijających po 500 godz. ekspozycji próbek w komorze symulującej warunki atmosferyczne QUV (UV + nawilżanie) oceniano na podstawie obliczonego całkowitego współczynnika odbicia promieniowania słonecznego (TSR_UV) i różnicy barwy (ΔE_UV) w stosunku do wzorca. W przypadku każdej badanej farby odbijającej obserwuje się minimalny spadek wartości TSR i niewielką zmianę różnicy barwy.

Nagrzewanie się powłok odbijających w porównaniu z farbami dostępnymi na rynku, mierzone wzrostem temperatury podłoża stalowego zgodnie z normą ASTM D4803-10 [11], przedstawiono w TABELI 1, w której zamieszczono również przewidywaną temperaturę powierzchni nagrzewającej się w warunkach zewnętrznych (ΔT_ext.,cal.), obliczoną zgodnie z normą ASTM D4803-10 [11], i wartości maksymalnych temperatur płytek (Tmaks.) badanych w komorze grzewczej.

Powłoki farb dostępnych na rynku o takiej samej barwie mają wyższą temperaturę niż powłoki opracowanych farb odbijających. Temperatura powierzchni tych pierwszych mieści się w granicach 63–70°C, drugich zaś – 52–57°C.

W TABELI 2 przedstawiono wyniki pomiaru temperatury i obliczonej różnicy temperatury powierzchni i otoczenia (ΔT) wykonane za pomocą piranometru w warunkach symulujących nagrzewanie się dwóch rodzajów pomalowanych pokryć dachowych: blachy stalowej, papy, a także poddasza poniżej wymienionych pokryć.

Dla każdego rodzaju pokrycia dachowego istotnym czynnikiem kształtującym temperaturę powierzchni zewnętrznej i poddasza jest wartość solarnego współczynnika odbicia i emisji termicznej, które w wypadku dachów „zimnych” powinny być maksymalne.

Wysoka wartość TSR powoduje odbicie większej części promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię, a pozostała jest absorbowana i wypromieniowywana przez materiały o wysokim współczynniku emisji, co minimalizuje przewodzenie ciepła przez pokrycia do poddasza.

W wypadku niskiej wartości TSR szybkość absorpcji może być większa od szybkości emisji – promieniowanie podczerwone jest wówczas przewodzone i emitowane do poddasza. Papa ma niską wartość współczynnika odbicia i wysoką współczynnika emisji, metal natomiast odwrotnie. Wysoką wartością współczynnika emisji charakteryzują się również powłoki z farb, a ich współczynnik odbicia może być regulowany przez pigmentację.

Dane zamieszczone w TABELI 2 pozwalają stwierdzić, że w wypadku farb o wzroście temperatury powierzchni zewnętrznej i nagrzewaniu się poddasza decyduje przede wszystkim wartość współczynnika odbicia w zakresie długości fal promieniowania słonecznego.

Właściwości odpornościowe systemu dekoracyjno-ochronnego na przykładzie jednej farby odbijającej (RAL 3009) nałożonej na zagruntowane farbą antykorozyjną podłoże stalowe i ze stali ocynkowanej oraz na podłoże z papy pokrytej gruntem wyrównującym ilustruje TABELA 3. Otrzymane dane wskazują na dobrą odporność systemu w warunkach ciągłego działania wody i pary wodnej.

Szczególnie wysoka jest odporność na zamarzanie/odmarzanie wilgotnej powłoki oceniana wyglądem i adhezją powłoki. System na wszystkich podłożach nie traci przyczepności po 25 cyklach, a na powłoce nie występują wyraźne zmiany. Wodochłonność powłoki z farb odbijających jest prawie dwukrotnie niższa i wynosi 3,52% w porównaniu z powłokami farb dostępnych na rynku – 6,44%.

Wnioski

Wykonane badania porównawcze opracowanych farb odbijających i dostępnych rynku farb o identycznych barwach i przeznaczonych do renowacyjnego malowania pokryć dachowych jednoznacznie wykazały lepszą jakość otrzymanych „zimnych” systemów powłokowych.

Świadczą o tym: wartość TSR (23–44% w wypadku opracowanych farb obijających oraz 7–24% – farb dostępnych na rynku), temperatury nagrzewania powłok (maksymalna temperatura nagrzewania w warunkach zewnętrznych jest od 5 do 10°C w wypadku opracowanych farb obijających), brak zmiany wyglądu powłok po starzeniu w komorze QUV i odporność na starzenie.

Opracowane receptury farb mogą być wykorzystane bezpośrednio w procesie technologicznym, ponieważ uwzględniono w nich nie tylko właściwości odbijające, lecz także mechaniczne i odpornościowe, spełniające wymagania norm.

Literatura

1. H. Akbari, P. Berdahl, R. Levinson, S. Wiel, „Cool-Color Roofing Materials”, PIER Final Project Report, Berkeley 2006.
2. „Cool Roofs in Europe: initiatives and examples”, dostępny w internecie: www.coolroofs-eu.eu.
3. H. Akbari, H.D. Mathews, „Global cooling updates: Reflective roofs and pavements”, „Energy and Buildings”, Vol. 55 (December 2012), pp. 2–6.
4. H. Akbari, S. Menon, A. Rosenfeld, „Global cooling: increasing world-wide urban albedos to offset CO2”, „Climatic Change”, Vol. 94, Issue 3-4/2009, pp. 275–286.
5. S. Blake, „City of Houston Code Enforcement: Cool Roofs”, EPA Sustainable Communities Conference, Dallas, March 2009.
6. R. Levinson, P. Berdahl, H. Akbari, „Solar spectral optical properties of pigments”, „Solar Energy Materials and Solar Cells”, Vol. 89, Issue 4/2005, pp. 319–389.
7. A.K. Bendiganavale, V.C. Malsh, „Infrared Reflective Inorganic Pigments”, „Recent Patents on Chemical Engineering”, Vol. 1, Issue 1/2008, pp. 67–79.
8. P. Berdahl, H. Akbari, R. Levinson, W.A. Miller, „Weathering of roofing materials. An overview”, „Construction and Building Materials, Vol. 22, Issue 4/2008, pp. 423–433.
9. PN-ISO 7724-2:2003, „Farby i Lakiery. Kolorymetria. Pomiar barwy”.
10. ASTM E903-12, „Standard Test Method for Solar Absorptance, Reflectance, and Transmittance of Materials Using Integrating Spheres”.
11. ASTM D4803-10, „Standard Test Method for Predicting Heat Buildup in PVC Building Products”.
12. PN-EN ISO 11507:2008, „Farby i lakiery. Ekspozycja powłok na sztuczne warunki atmosferyczne. Ekspozycja na promieniowanie lamp fluorescencyjnych UV i wodę”.
13. PN-EN ISO 2409:2008, „Farby i lakiery. Badanie metodą siatki nacięć”.
14. PN-EN ISO 4624:2004, „Farby i lakiery. Próba odrywania do oceny przyczepności”.
15. PN-EN ISO 6270-2:2006, „Farby i lakiery. Oznaczanie odporności na wilgoć. Część 2: Metoda eksponowania próbek do badań w atmosferach z wodą kondensacyjną”.
16. Zalecenia Udzielania Aprobat Technicznych ITB ZUAT-15/IV.19/2005, „Wyroby polimerowe. Emulsje przeznaczone do wykonywania powłok hydroizolacyjnych”.
17. PN-EN ISO 4628-1:2005, „Farby i lakiery. Ocena zniszczenia powłok. Określanie ilości i rozmiaru uszkodzeń oraz intensywności jednolitych zmian w wyglądzie. Część 1: Wprowadzenie ogólne i system określania”.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!