A influência dos pigmentos refletantes na temperatura superficial dos revestimentos térmicos

A INFLUÊNCIA DOS PIGMENTOS

REFLETANTES NA TEMPERATURA

SUPERFICIAL DOS REVESTIMENTOS

TÉRMICOS

M

R

D

C

E

S

Dissertação submetida para satisfação parcial dos requisitos do grau de

MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL — ESPECIALIZAÇÃO EM CONSTRUÇÕES

Orientador: Professor Doutor Nuno Manuel Monteiro Ramos

Coorientador: Engenheiro Luís Miguel Cardoso da Silva

M

I

E

C

2016/2017

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

Tel. +351-22-508 1901 Fax +351-22-508 1446 miec@fe.up.pt

Editado por

FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO

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Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil - 2016/2017 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2017.

As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de vista do respetivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra em relação a erros ou omissões que possam existir.

Aos meus Pais

“O prazer no trabalho aperfeiçoa a obra” Aristóteles

i

AGRADECIMENTOS

A conclusão deste trabalho não teria sido possível sem o imprescindível apoio de diversas pessoas, que no seu conjunto tornaram todo o processo mais simples. Será essencial deixar um especial agradecimento e destaque aos seguintes intervenientes:

Ao meu orientador, Professor Nuno Manuel Monteiro Ramos, pelo seu conhecimento, serenidade, profissionalismo, disponibilidade e capacidade de aconselhamento constante ao longo de todas as etapas desta dissertação.

À empresa “SAINT-GOBAIN WEBER PORTUGAL” e sua fantástica equipa, que no seu conjunto tornaram todo o processo de construção das amostras um momento único de boa disposição, profissionalismo e união. De realçar o papel dos Engenheiros Luís Silva, Eduardo Costa e Pedro Sequeira, que foi repleto de conhecimento, educação e dedicação ao projeto experimental.

À Engenheira Joana Maia, por todas as longas horas dedicadas à conceção, organização e montagem do material experimental. De salientar a sua simpatia, vontade exemplar de ajudar, total dedicação, capacidade de acompanhamento e aconselhamento em todos os assuntos discutidos.

À minha namorada, por tudo o que significa para mim e por tudo o que fomos construindo ao longo de todos estes anos de secundário e de faculdade. Ao longo desta dura etapa universitária através do seu amor, amizade, bondade e sinceridade, sempre me ajudou a evoluir como homem e a ser quem sou hoje. Aos meus amigos, por todos os momentos de boa disposição e companheirismo que tive e terei o privilégio de vivenciar.

À minha família, por todo o suporte, amor e estabilidade que se revelaram cruciais para, de uma forma determinada e competente, completar esta minha caminhada.

iii

RESUMO

Atualmente, na construção, tem vindo a verificar-se uma crescente exigência no conforto higrotérmico, tal como na preocupação e controlo dos aspetos tecnológicos e energéticos. Alcançar um aumento significativo de eficiência energética através da implementação de soluções construtivas inovadoras, será o futuro a seguir na construção.

Os sistemas de isolamento térmico de fachadas pelo exterior associados à tecnologia “ETICS” ou ao sistema “Reboco Térmico” vão de encontro às exigências referidas anteriormente. O principal objetivo destes sistemas será aumentar o conforto dos utilizadores e reduzir a necessidade de recorrer aos recursos energéticos para aquecer e arrefecer o interior dos diversos espaços da casa, nas diferentes estações do ano.

Na presente dissertação, estes dois sistemas de isolamento térmicos de fachadas pelo exterior foram aprofundados a nível teórico e prático, sendo todo o processo desenvolvido com a colaboração da empresa “SAINT-GOBAIN WEBER PORTUGAL”. Procurou-se aprofundar o efeito causado pelos pigmentos refletantes introduzidos nas diferentes camadas, ao nível da refletância/absortância solar e temperatura superficial.

A revisão do estado de arte encontra-se dividida em três partes: na primeira, foram sintetizadas as informações relativas aos dois principais sistemas de isolamento térmico de fachada pelo exterior; na segunda, foram aprofundados os conceitos principais associados à radiação solar que incide numa superfície, e respetivas tecnologias para reduzir a absorção solar da mesma; na terceira, sistematizaram-se todas as técnicas de medição a aplicar, associadas à refletância/absortância, temperatura superficial e emissividade das superfícies.

A metodologia experimental desta dissertação foi dividida em três fases distintas; a primeira, destinada à medição das refletâncias solares das diferentes amostras; a segunda, destinada à medição da emissividade; e a última, destinada à medição das temperaturas superficiais atingidas pelas amostras. Apesar de toda a componente experimental ter sido realizada com recurso a diversos equipamentos com finalidades e fases de medição distintas, sempre se procurou efetuar a relação entre todas as grandezas obtidas de forma a alcançar sólidas conclusões.

De uma forma geral, este estudo possibilitou a confirmação dos seguintes aspetos: a introdução de pigmentos refletantes (“cool pigments” e TiO2) na camada de revestimento final aumenta a refletância e consequentemente diminui as temperaturas superficiais atingidas pelas amostras; a implementação de primário na camada intermédia não se revela determinante na redução das temperaturas superficiais das amostras; o envelhecimento das amostras tem influência na redução das refletâncias solares e no aumento das temperaturas superficiais das amostras.

PALAVRAS-CHAVE: ETICS, Sistema de Reboco Térmico, Pigmentos Refletantes, Refletância Solar, Absortância Solar, Emissividade, Temperatura Superficial, Cool Pigments, TiO2.

v

ABSTRACT

Currently at the construction level, there has been an increasing requirement on hygrothermal comfort, concern and control of technological and energy aspects. Achieving a significant increase in energy efficiency through the implementation of innovative building solutions will be the future to follow in construction.

The external thermal insulation systems associated with "ETICS" technology or the "Thermal Rendering" system meet the above requirements. The main objective of these thermal insulation systems is to increase user comfort and reduce the need to resort to energy resources to heat and cool the interior of the various house rooms of the house throughout all seasons of the year.

In the present dissertation, these two systems of exterior thermal insulation of facades were deepened in theoretical and practical level, being the whole process developed with the collaboration of the company "SAINT-GOBAIN WEBER PORTUGAL". It was sought to deepen the effect caused by the reflective pigments introduced in the different layers, at the level of solar reflectance/absorptance and surface temperature.

The revision of the state of art is divided into three distinct parts. In the first part, the information on the two main external thermal insulation systems were synthesized. In the second part, the main concepts associated with solar radiation on a surface and its technologies to reduce its solar absorption were deepened. In the third part, all the measurement techniques to be applied associated with the reflectance/absorptance, surface temperature and emissivity of the surfaces were systematized.

The experimental methodology of this dissertation was divided into three distinct phases. The first phase for the measurement of the solar reflectances of the different samples, the second phase for the measurement of the emissivity and the last phase for the measurement of the surface temperatures reached by the samples.

Although all the experimental component was made using different equipments with distinct purposes and measurement phases, it was always tried to make a relation between all of the obtained values to make solid conclusions in this dissertation.

In general, this study allowed the confirmation of the following aspects: the introduction of “cool pigments” and TiO2 in the final coating layer increases the reflectance and consequently decreases the surface temperatures reached by the samples; The implementation of primer in the intermediate layer is not decisive in reducing the surface temperatures of the samples; The aging of the samples has an influence on the reduction of the reflectance and increase of the surface temperatures of the samples.

KEYWORDS: ETICS, Thermal Rendering Systems, Reflective Pigments, Solar Reflectance, Solar Absorptance, Emissivity, Surface Temperature, Cool Pigments, TiO2.

vii

ÍNDICE GERAL

AGRADECIMENTOS ... I

RESUMO ... III

ABSTRACT ... V

ÍNDICE GERAL ... VII

ÍNDICE DE FIGURAS ... IX

ÍNDICE DE QUADROS ... XI

1 INTRODUÇÃO ... 1

1.1.ENQUADRAMENTO E MOTIVAÇÃO ... 1

1.2.OBJETIVOS ... 1

1.3.ORGANIZAÇÃO E ESTRUTURA DO TEXTO ... 2

2 ESTADO DA ARTE E FUNDAMENTOS ... 3

2.1.SISTEMASDEISOLAMENTOTÉRMICODEFACHADAPELOEXTERIOR ... 3

2.1.1.ETICS ... 3

2.1.2.REBOCO TÉRMICO ... 4

2.2.TECNOLOGIAS DE REDUÇÃO DA ABSORÇÃO SOLAR ... 5

2.2.1.ENQUADRAMENTO ... 5

2.2.2.RADIAÇÃO SOLAR E REFLETÂNCIA DAS SUPERFÍCIES OPACAS ... 6

2.2.3.INFLUÊNCIA DA COR ... 8

2.2.4.PIGMENTOS INORGÂNICOS ... 9

2.2.5.PIGMENTOS INORGÂNICOS EM COMPONENTES DA CONSTRUÇÃO ... 11

2.2.6.INFLUÊNCIA DA CONCENTRAÇÃO INORGÂNICA DE TIO2 ... 12

2.2.7.INFLUÊNCIA DA CONCENTRAÇÃO INORGÂNICA DE “COOL PIGMENTS” ... 20

2.3.TÉCNICAS DE MEDIÇÃO A APLICAR ... 21

2.3.1.MEDIÇÃO DA REFLETÂNCIA E ABSORTÂNCIA SOLAR ... 21

2.3.2.MEDIÇÃO DA EMISSIVIDADE ... 24

2.3.3.MEDIÇÃO DA TEMPERATURA SUPERFICIAL ... 25

3 METODOLOGIA EXPERIMENTAL E MATERIAIS ... 29

3.1.METODOLOGIA EXPERIMENTAL ... 29

viii

3.1.2.MEDIÇÃO DA EMISSIVIDADE DAS AMOSTRAS 20X20CM ... 30

3.1.3.MEDIÇÃO DA TEMPERATURA SUPERFICIAL DAS AMOSTRAS ... 31

3.2.INFRAESTRUTURA EXPERIMENTAL ... 31

3.2.1.PIRANÓMETRO SR05 DA HUKSEFLUX THERMAL SENSORS ... 31

3.2.2.EMISSÓMETRO D&S DA DEVICES &SERVICES COMPANY ... 34

3.2.3.TERMOPARES E SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS ... 36

3.3.DESCRIÇÃO DOS MATERIAIS E AMOSTRAS DE ENSAIO ... 37

3.3.1.ENQUADRAMENTO ... 37

3.3.2.ESQUEMA DA CONSTITUIÇÃO DAS AMOSTRAS DE ENSAIO ... 37

3.3.3.PRODUÇÃO DAS AMOSTRAS DE ENSAIO ... 39

3.3.3.1.AMOSTRAS ETICS ... 39

3.3.3.2.AMOSTRAS REBOCO TÉRMICO ... 45

3.3.3.3.AMOSTRAS PLACA BETÃO LEVE ... 48

3.3.3.4.AMOSTRAS 20X20CM ... 50

3.3.4.ESPECIFICIDADES DE REVESTIMENTO PRIMÁRIO REFLETOR ... 50

3.3.5.ESPECIFICIDADES DE REVESTIMENTO FINAL DAS AMOSTRAS ... 51

4 RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÃO... 53

4.1.RESULTADOS DAS MEDIÇÕES “IN SITU” DA REFLETÂNCIA SOLAR ... 53

4.1.1.RESULTADOS DAS AMOSTRAS ENVELHECIDAS ... 53

4.1.2.RESULTADOS DAS NOVAS AMOSTRAS ... 56

4.2.RESULTADOS DAS MEDIÇÕES DA EMISSIVIDADE NAS AMOSTRAS 20X20CM ... 58

4.2.1.RESULTADOS DAS AMOSTRAS 20X20CM ... 58

4.3.RESULTADOS DAS MEDIÇÕES DA TEMPERATURA SUPERFICIAL ... 59

4.3.1.PRIMEIRO ENSAIO TESTE “IN SITU” ... 59

4.3.2.RESULTADOS DAS NOVAS AMOSTRAS ... 61

4.4.DISCUSSÃO DE RESULTADOS ... 68

5 Conclusões ... 73

5.1.CONSIDERAÇÕES FINAIS E SÍNTESE CRITICA ... 73

5.2.DESENVOLVIMENTOS FUTUROS ... 74

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 75

ANEXOS –FICHAS DE ENSAIO EXPERIMENTAL ... 79

ix

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 - Esquema de constituição de um ETICS (WEBER, 2016) ... 4

Figura 2 - Esquema de constituição de um Reboco Térmico (WEBER, 2016) ... 5

Figura 3 - Tecnologias de redução de absorção solar ... 5

Figura 4 - Espectro solar, adaptado de (ASTM-G159-91) ... 6

Figura 5 - Esquema das diferentes configurações do pigmento, adaptado de (Oorschot & Colortrend, 2012) ... 10

Figura 6 - Diagrama esquemático de feixe de luz que viaja através do sistema dispersivo de TiO2, adaptado de (Zhoua et al., 2016) ... 13

Figura 7 – Propagação de ondas eletromagnéticas durante emissão na fonte, adaptado de (Zhoua et al., 2016) ... 13

Figura 8 - Esquema ilustrativo da distribuição dos tamanhos de partículas nas superfícies, adaptado de (Shen et al., 2016) ... 14

Figura 9 - Espectro de refletância solar das três amostras, adaptado de (Shen et al., 2016) ... 15

Figura 10 - Variação da temperatura superficial ao longo do tempo, adaptado de (Shen et al., 2016) 16 Figura 11- Valores experimentais dos coeficientes de refletância e absortância em superfície com e sem "Cool Pigments" (Carneiro, 2016) ... 21

Figura 12 - Esquema de equipamentos de medição de temperatura superficial ... 26

Figura 13 - Metodologia de ensaio da refletância solar (Carneiro, 2016) ... 30

Figura 14 - Esquema de piranómetro SR05 da Hukseflux – 1-Cabo; 2-Conector; 3-Nivel de bolha; 4-Sensor térmico com revestimento preto; 5-Proteçao de vidro; 6- Corpo do sensor; 7-Suporte do tubo (opcional); 8-Parafuso de montagem (opcional); 9-Calço (opcional); 10-Nivelamento de esfera (opcional); 11-Parafuso de ajuste de nivelamento; 12-Abertura para tubo (opcional) (Hukseflux Thermal Sensors, 2017) ... 32

Figura 15 - Esquema da estrutura de suporte do piranómetro (ASTM, 2015) ... 34

Figura 16 - Estrutura de suporte do piranómetro utilizada para medição das amostras "In Situ" com a presença das máscaras preta e branca ... 34

Figura 17 - Descrição do equipamento - (1) Dissipador de calor; (2) Cabo de alimentação; (3) Voltímetro; (4) Padrões de referência de alta e baixa emissividade; (5) Cabeça de medição do emissómetro. .... 35

Figura 18 - Datalogger Mikromec Multisens com os termopares tipo T conectados ... 37

Figura 19 - Esquema das diferentes constituições das Amostras ETICS ... 38

Figura 20 – Esquema das diferentes configurações das Amostras de Reboco Térmico ... 38

Figura 21 – Esquema das diferentes configurações das Amostras de Placa de Betão Leve ... 39

Figura 22 - Esquema de Produção de Amostras ETICS ... 40

Figura 23 - Processo de junção de placas EPS ... 40

x

Figura 25 - Misturador elétrico ... 42

Figura 26 - Máquina de produção standard de "weber.plast decor" sem cool pigments ... 43

Figura 27 - Adição manual de cool pigments à composição standard ... 43

Figura 28 - Aplicação do Primário "weber.prim regulador" com rolo de lã ... 44

Figura 29 - Aplicação de revestimento final "weber.plast decor com talocha de inox e regularização através de talocha de plástico. ... 44

Figura 30 - Aplicação de primário regulador “weber.prim regulador” com cool pigments ... 44

Figura 31 - Preparação manual de "weber.plast decor" com cool pigments e sem TiO2 ... 45

Figura 32 - Aplicação e aspeto final de "weber.plast decor" com cool pigments e sem TiO2 ... 45

Figura 33 - Esquema de produção da Amostra de Reboco Térmico ... 46

Figura 34 - Preparação de "weber.therm aislone" - Aspeto antes/depois da mistura com recurso a misturador elétrico ... 47

Figura 35 - Colocação de "weber.therm aislone" no molde, rede fibra de vidro e regularização final.. 47

Figura 36 - Aplicação das duas camadas de "weber.therm pro" e camada de "weber.therm rede normal" ... 47

Figura 37 - Aplicação de primário "weber.prim regulador" com cool pigments e posterior colocação de revestimento final "weber.plast decor" com cool pigments ... 48

Figura 38 - Esquema de produção da Amostra da Placa de Betão Leve ... 48

Figura 39 – Aplicação de “weber.therm pro” e “weber.therm rede normal” nas placas de Betão Leve 49 Figura 40 - Aplicação de primário "weber.prim regulador" com cool pigments e emprego de revestimento final "weber.plast decor" com cool pigments ... 49

Figura 41 - Amostras 20x20cm alvo de estudo laboratorial ... 50

Figura 42 - Comparação dos valores de refletância solar das amostras ... 55

Figura 43 – Valores da temperatura superficial no ensaio teste “In Situ” dos termopares tipo T ... 59

Figura 44 - Valores da temperatura superficial das amostras e temperatura ambiente (1ª Etapa) ... 61

Figura 45 - Frequência acumulada tendo por base o indicador T1 (1ª Etapa) ... 62

Figura 46 - Valores da temperatura superficial das amostras e temperatura ambiente (2ª Etapa) ... 63

Figura 47 - Frequência acumulada tendo por base o indicador T1 (2ª Etapa) ... 64

Figura 48 - Valores da temperatura superficial das amostras e temperatura ambiente (3ª Etapa) ... 65

Figura 49 - Frequência acumulada tendo por base o indicador T1 (3ª Etapa) ... 66

Figura 50 - Frequência acumulada das amostras de referência tendo por base o indicador T1... 68

Figura 51 - Comparação de absortância solar com indicador T1 ... 70

xi

ÍNDICE DE QUADROS

Quadro 1 - Influência da cor no coeficiente de absorção (WEBER, 2016) (Carneiro, 2016) ... 8

Quadro 2 - Graduação e distribuição das partículas de TiO2 nas diferentes superfícies ... 14

Quadro 3 - Valores de refletância solar espectral ... 18

Quadro 4 - Valores de refletância em função das temperaturas superficiais ... 18

Quadro 5 - Quadro síntese de Autores ... 19

Quadro 6 - Quadro Síntese dos Métodos ASTM para medição da refletância solar ... 22

Quadro 7 - Tipos de Termopares e respetivos intervalos de temperatura e tensão (Duff & Towey, 2010) ... 27

Quadro 8 - Especificidades de Piranómetro SR05 Hukseflux Thermal Sensors (Hukseflux Thermal Sensors, 2017) ... 33

Quadro 9 - Caraterísticas gerais de emissómetro da D&S modelo AE1 (D&S, 2014) ... 36

Quadro 10 - Especificações dos termopares Tipo T (ASTM, 2012) ... 36

Quadro 11 - Propriedades gerais de "weber.therm EPS" (WEBER, 2016) ... 41

Quadro 12 - Propriedades gerais de "weber.therm rede normal" (WEBER, Saint-Gobain, 2016) ... 41

Quadro 13 - Propriedades gerais de "weber.therm pro" (WEBER, Saint-Gobain, 2016) ... 42

Quadro 14 - Propriedades gerais de "weber.therm aislone" (WEBER, Saint-Gobain, 2016) ... 46

Quadro 15 - Propriedades gerais de "weber.prim regulador" (WEBER, Saint-Gobain, 2016) ... 51

Quadro 16 - Propriedades gerais de "weber.plast decor" (WEBER, Saint-Gobain, 2016) ... 52

Quadro 17 - Comparação dos valores de refletância solar das amostras e respetiva variação percentual ... 54

Quadro 18 - Valores de refletância e absortância solar das novas amostras ... 57

Quadro 19 - Valores de emissividade das novas amostras 20x20cm ... 58

Quadro 20 - Valores do Root Mean Square Error (RMSE) ... 60

Quadro 21 - Valores do Indicador T1 para o percentil 50% (1ª Etapa) ... 62

Quadro 22 - Valores do indicador T1 para o percentil 50% (2ª Etapa) ... 64

Quadro 23 - Valores do indicador T1 para o percentil 50% (3ª Etapa) ... 66

xiii

SÍMBOLOS,ACRÓNIMOS E ABREVIATURAS

Acrónimos e

Abreviaturas Designação

ASTM American Society for Testing and Materials

CICPs Pigmentos Coloridos Inorgânicos complexos

DEC Departamento de Engenharia Civil

DOM Método de Ordenação Discreta

D&S Devices and Services Company

EOTA European Organisation for Technical Approvals

EPS Poliestireno Expandido

ER Essential Requirements

ETAG European Technical Approvals Guidelines

ETICS External Thermal Insulation Composite Systems

FDTD Domínio de Tempo Diferencial Finito

FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

ICB Placas de Aglomerado de Cortiça Expandida

LFC Laboratório de Física das Construções

LNEC Laboratório Nacional de Engenharia Civil

MF Modelo Multi Flux

MW Placa de Lã de Rocha

PCM Materiais de Mudança de Fase

REH Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação

SI Sistema Internacional de Unidades

SRI Índice de Refletância Solar

SSR Solar Spectrum Reflectometer

TSR Reflexão Solar Total

UV/VIS/NIR Ultravioleta/Visível/Infravermelho Próximo

xiv

Símbolos Unidade Designação

A 𝑚2 _Área

HR % Humidade Relativa

I 𝑊/𝑚2 _{Irradiância Solar}

L mm Espessura

𝑀 𝑊/𝑚2 _{Radiação emitida por uma superfície}

𝑀° _𝑊/𝑚2 _{Radiação emitida por um corpo negro}

P % Precisão das Medições do Piranómetro

t s, min, h ou dias Tempo

T/θ K ou °C Temperatura

Ta °C Temperatura ambiente

𝑇1 - Indicador 1

U 𝑊/(𝑚2_{. °𝐶)}

Coeficiente de Transmissão Térmica

Ɛ - Emissividade

α - Absortância Solar

ρ - Refletância Solar

τ - Transmitância Solar

𝜌𝑎 𝐾𝑔/𝑚3 Massa Volúmica Aparente

𝜌𝑚 𝐾𝑔/𝑚3ou 𝑔/𝑐𝑚3 Massa Volúmica do Material

π 𝐾𝑔/(𝑚. 𝑠. 𝑃𝑎) Coeficiente de Permeabilidade ao Vapor de Água

q 𝑊/𝑚2 Densidade do Fluxo de Calor

μ - Fator de Resistência à Difusão do Vapor de Água

λ 𝑊/(𝑚. °𝐶) Coeficiente de Condutibilidade Térmica

ΔL 𝑚/𝑚°𝐶−1 _{Coeficiente de Dilatação Térmica Linear}

𝜎𝑐 KPa Resistência à compressão

𝛷𝑎 𝑊 Taxa de radiação solar absorvida pela superfície

𝛷𝑖 𝑊 Taxa de radiação solar incidente sobre superfície

1

1

INTRODUÇÃO

1.1.ENQUADRAMENTO E MOTIVAÇÃO

A partir dos anos 90 a construção em Portugal sofreu alterações significativas no que diz respeito às tecnologias construtivas adotadas para novas edificações. O regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios (RCCTE) foi o responsável por impor todas as alterações nos projetos de novos edifícios e de grandes remodelações.

Hoje em dia, a construção de novos edifícios e de grandes remodelações têm que cumprir com os requisitos térmicos, salvaguardando as condições de conforto térmico no Verão e no Inverno, reduzindo os custos energéticos de aquecimento e arrefecimento durante o ano.

Existem vários sistemas que têm vindo a ser estudados e desenvolvidos tecnologicamente por várias entidades. Nesta dissertação serão aprofundados dois desses sistemas, o ETICS (External Thermal Insulation Composite Systems) e o sistema de Reboco Térmico.

Com o principal objetivo de maximizar a eficiência destes dois sistemas, será interessante investigar e desenvolver amostras com diferentes características refletivas, ou seja, constituídas por pigmentos refletantes presentes nas diferentes camadas que constituem o sistema de isolamento térmico pelo exterior.

De seguida, torna-se essencial o estudo e implementação de metodologias experimentais que permitam avaliar todos os processos que condicionam as trocas radiativas nas superfícies (refletância solar, absortância solar, emissividade e temperatura superficial).

A necessidade de conhecer todas estas propriedades térmicas, relação entre elas e a influência que as mesmas têm no comportamento dos sistemas de isolamento térmico, motivou todo o desenvolvimento da componente teórica e experimental desta dissertação.

1.2.OBJETIVOS

O principal objetivo da presente dissertação é avaliar a influência que os pigmentos refletivos poderão ter no comportamento dos revestimentos térmicos em termos de absortância/refletância solar, emissividade e temperatura superficial.

Sintetiza-se, de seguida, um conjunto de objetivos parcelares que permitem alcançar o principal objetivo:

• Obter um conhecimento mais aprofundado sobre os sistemas de isolamento térmico de fachadas pelo exterior (ETICS e Reboco Térmico) e adquirir uma visão mais pormenorizada e prática de todo o processo construtivo das amostras;

2

• Conhecer as metodologias e equipamentos experimentais associados à determinação das propriedades térmicas (refletância solar/absortância, emissividade e temperatura superficial) de cada amostra produzida;

• Implementar e avaliar, através de medição “In Situ”, a refletância solar das amostras envelhecidas e das novas amostras com diferentes características refletivas em cada camada constituinte;

• Implementar e avaliar, através de medição em laboratório, a emissividade das novas amostras; • Implementar e avaliar, através de medição “In Situ”, as temperaturas superficiais atingidas pelas

novas amostras;

• Avaliar, através de comparação final de resultados, os seguintes aspetos: influência do suporte; influência da introdução dos pigmentos refletivos (“cool pigments” e TiO2) na camada de primário e na camada de revestimento final; e influência do envelhecimento das amostras.

1.3.ORGANIZAÇÃO E ESTRUTURA DO TEXTO

A presente dissertação está estruturada, tendo como base os seguintes capítulos:

• Capítulo 1 – Elaboração da introdução ao tema, através do enquadramento dos assuntos a desenvolver, e exposição dos principais objetivos e objetivos parcelares para se alcançarem as conclusões pretendidas;

• Capítulo 2 – Desenvolvimento do estado da arte e fundamentos relativos a três temas principais. O primeiro tema consiste na exploração de dois sistemas de isolamento térmico de fachada pelo exterior (ETICS e Reboco Térmico). O segundo tema desenvolve vários aspetos focados nas novas tecnologias de redução da absorção solar, em que um dos principais assuntos abordados diz respeito à implementação de pigmentos inorgânicos nas superfícies. O último tema sintetiza as diversas técnicas de medição a serem aplicadas nas superfícies, para se obterem os valores de refletância/absortância solar, emissividade e temperatura superficial;

• Capítulo 3 – Inicialmente, descrevem-se a metodologia experimental, as infraestruturas e aparelhos utilizados para se obterem os valores da refletância, e a emissividade e temperatura superficial das amostras. Por fim, é realizado, pormenorizadamente, todo o processo de produção das amostras ETICS, Reboco Térmico e Placas de Betão Leve;

• Capítulo 4 – Exposição dos diversos resultados experimentais relativos às medições “In Situ” da refletância solar, da emissividade em laboratório, e da temperatura superficial em clima não controlado. No final do capítulo, realiza-se uma discussão parcial e um relacionamento de todos os resultados obtidos;

• Capitulo 5 – Resumo e relacionamento dos resultados apresentados no capítulo anterior, através de considerações finais e síntese crítica. Por último, são sugeridos possíveis desenvolvimentos futuros nesta área de investigação.

3

2

ESTADO DA ARTE E

FUNDAMENTOS

2.1.SISTEMASDEISOLAMENTOTÉRMICODEFACHADAPELOEXTERIOR

2.1.1.ETICS

Este sistema de isolamento térmico pelo exterior, designado por External Thermal Insulation Composite System (ETICS), constitui uma técnica construtiva eficiente que permite obter fachadas com um elevado desempenho térmico, respeitando, desta forma, os requisitos legais relativos à eficiência energética dos edifícios (APFAC, 2015).

A correta implementação do ETICS consegue dar resposta às exigências de conforto higrotérmico, proteção ambiental e consumos de energia. Assim, reduz-se a necessidade de aquecer e arrefecer os diversos espaços de uma casa e o custo da energia; eliminam-se pontes térmicas; aumenta-se o conforto térmico no Inverno e Verão; protegem-se as paredes dos agentes externos; diminuem-se os riscos de condensações internas (APFAC, 2015).

Este método pode ser aplicado em praticamente todo o tipo de construções (reabilitações, novas, industriais, comerciais ou residenciais) e pode ter várias configurações interessantes consoante as condições presentes no local de obra (WEBER, 2016).

Os materiais de isolamento térmico que poderão ser implementados e associados à tecnologia ETICS são os seguintes: placas de lã de rocha (MW), placas de aglomerado de cortiça expandida (ICB), placas de poliestireno expandido moldado (EPS), placas de poliestireno extrudido (XPS) e placas de EPS ou XPS com acabamento final cerâmico (WEBER, 2016).

A configuração ETICS mais relevante para o desenvolvimento dos estudos ao longo de toda a dissertação, será o sistema constituído por placas de poliestireno expandido moldado (EPS), visto ser essa uma das soluções adotadas para produção das amostras alvo de estudo, em colaboração empresarial com a empresa “SAINT-GOBAIN WEBER PORTUGAL”.

Na Figura 1, está representado um esquema construtivo com os principais componentes do sistema. Todos os materiais presentes na figura são exclusivos da empresa “SAINT-GOBAIN WEBER PORTUGAL”, sendo que o aspeto mais importante a realçar neste capítulo é o princípio tecnológico.

4

2.1.2.REBOCO TÉRMICO

O sistema de reboco térmico corresponde a outra solução construtiva de isolamento térmico de fachada pelo exterior bastante interessante, em virtude do isolamento térmico ser efetuado através de uma argamassa mineral termo isolante.

Este método permite o cumprimento dos requisitos do REH (Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação), bem como todas as exigências de conforto e tecnológicas já anteriormente referidas no método ETICS (WEBER, 2016).

O reboco térmico possui algumas especificidades interessantes que, de acordo com o tipo de obra e superfície a aplicar, poderão ser mais ou menos aproveitadas. A alta resistência ao fogo e as características adaptadas à reabilitação de paredes antigas (sistema capaz de se adaptar a suportes irregulares, elevada permeabilidade ao vapor de água, ligante à base de cal e a baixa densidade) faz com que este método construtivo seja bastante utilizado em reabilitação de edifícios correntes e, essencialmente, edifícios antigos com superfícies de suporte geometricamente irregulares (WEBER, 2016).

A principal diferença entre o sistema de reboco térmico e o ETICS, acima referido, está no material de isolamento térmico utilizado entre camadas. No ETICS recorre-se a placas de isolamento térmico que podem ser materializadas de diferentes formas (EPS, XPS, MW, ICB), enquanto que, no reboco térmico, a camada de isolamento é constituída pela argamassa mineral termo isolante que é aplicada, preferencialmente, com projeção mecânica contínua ou aplicada manualmente (WEBER, 2016). Como este sistema é aplicado, de preferência, com projeção mecânica contínua, existem cuidados, a ter em conta, associados a esta técnica, tais como: regular o caudal de água até se conseguir uma consistência adequada à aplicação; aplicação com bico de projeção perpendicular à superfície e distância entre 15 a 20 cm e espessura por camada não superior a 4cm (WEBER, 2016).

5 Na Figura 2, está representado um esquema construtivo com os principais componentes do sistema. Todos os materiais presentes na figura são exclusivos da empresa “SAINT-GOBAIN WEBER PORTUGAL”, sendo que o aspeto mais importante a realçar neste capitulo é o princípio tecnológico.

2.2.TECNOLOGIAS DE REDUÇÃO DA ABSORÇÃO SOLAR

2.2.1.ENQUADRAMENTO

Pesquisas intensivas realizadas nos últimos anos levaram ao desenvolvimento de materiais e tecnologias de nova geração que apresentam características térmicas avançadas de redução de absorção solar, propriedades óticas dinâmicas e um potencial de mitigação de ilhas de calor muito mais elevado (Santamouris M., 2011).

Santamouris et al.(2011) abordam três temas distintos que têm objetivos comuns, ou seja, redução da absorção solar com o fim de diminuir a temperatura da superfície inferior. A Figura 3 sintetiza os três temas que, logo de seguida, serão descritos.

Figura 2 - Esquema de constituição de um Reboco Térmico (WEBER, 2016)

Tecnologias de redução de absorçao solar "Cool Materials" Materiais de cobertura "cool" Materiais de pavimentação "cool" PCM Materiais de mudança de fase Termocrómicos Materiais óticos dinâmicos

6

O primeiro tema designa-se por “Cool Materials”, que é constituído por materiais de cobertura “cool” e materiais de pavimentação “cool”. A estes materiais estão associados diferentes métodos e tecnologias de aumento de refletância solar, tais como: método de uma camada (com pigmentos refletivos nos infravermelhos); método de duas camadas (camada base com pigmentos inorgânicos de TiO2 e camada superior com pigmentos orgânicos transparentes); pavimentos asfálticos com agregado branco; colocação de fina camada branca por cima do asfalto (Santamouris M., 2011).

O segundo tema corresponde aos PCM (Phase Change Material), que são materiais de mudança de fase que podem ser associados a revestimentos coloridos frios de alta refletância. Os PCM utilizados nas estruturas de construção têm o potencial de reduzir e atrasar a carga máxima de calor, levando a economias de energia importantes e melhorando, simultaneamente, o ambiente térmico interior, através das suas capacidades de armazenar e, posteriormente, libertar calor (Santamouris M., 2011).

O último tema está associado aos materiais Termocrómicos, que são revestimentos que apresentam uma transformação termicamente reversível da sua estrutura molecular que provoca uma alteração espectral da cor visível. São materiais de alta absorção para temperaturas mais baixas (durante o inverno) e alta refletância para temperaturas mais elevadas (durante o verão), contribuindo assim para diminuir as necessidades de aquecimento e arrefecimento dos edifícios. A combinação dos revestimentos termocrómicos, com partículas inorgânicas de TiO2, mostra-se bastante interessante tendo em conta que apresenta índices de refletância mais elevados (Santamouris M., 2011).

Por fim, nos capítulos que se seguem serão focados os aspetos relativos à influência da cor e aos pigmentos inorgânicos, que já foram anteriormente abordados na sua combinação possível com os “Cool Materials”, materiais PCM e Termocrómicos.

2.2.2.RADIAÇÃO SOLAR E REFLETÂNCIA DAS SUPERFÍCIES OPACAS

A radiação solar corresponde à energia emitida pelo sol na forma de radiação eletromagnética de onda curta. Como é possível visualizar na Figura 4, aproximadamente metade desta energia é emitida como luz visível, a outra metade corresponde à zona ultravioleta (UV) e infravermelha (NIR) do espectro solar (Hens, 2007) (ASTM-G159-91).

7 Tendo em conta toda a radiação que incide numa superfície, uma parcela é absorvida (α), sendo a restante refletida (ρ) e transmitida (τ). Para uma determinada temperatura, a lei da conservação da energia obriga a que a soma dos efeitos seja igual à unidade (Hens, 2007).

𝛼 + 𝜌 + 𝜏 = 1

Em edifícios/ superfícies opacas, considera-se que os sólidos não transmitem radiação (τ = 0) logo, a expressão fica simplificada (Hens, 2007).

𝛼 + 𝜌 = 1

Relativamente às superfícies, será interessante avaliar as três propriedades térmicas mais relevantes para investigação, a saber: refletância solar (ρ); absortância solar (α); e emitância (Ɛ).

A refletância solar é definida pelo quociente entre a taxa de radiação solar refletida por uma superfície (𝛷𝑟) e a taxa de radiação solar incidente sobre essa mesma superfície (𝛷𝑖). Esta propriedade poderá

também ser designada por albedo (Freitas & Barreira, 2012).

𝜌 =

𝛷𝑖

A absortância solar corresponde ao quociente entre a taxa de radiação solar absorvida por uma superfície (𝛷𝑎) e a taxa de radiação solar incidente sobre essa mesma superfície (𝛷𝑖) (Freitas & Barreira, 2012).

𝛼 =

𝛷𝑖

Os valores da absortância e refletância variam de zero a um. Obtido o valor da refletância solar de uma superfície, automaticamente se chega ao valor da absortância solar através da relação existente entre ambas as propriedades, α = 1 – ρ.

A emitância ou emissividade corresponde à capacidade de um objeto emitir radiação eletromagnética quando o comparamos com o chamado “corpo negro", o que corresponde ao quociente entre a radiação emitida por uma superfície (𝑀) e a radiação emitida por um corpo negro à mesma temperatura (𝑀°₎

(Freitas & Barreira, 2012).

Ɛ =

𝑀° (5)

A matéria prima selecionada para um revestimento e sua composição influenciam fortemente o desempenho desse mesmo revestimento. A investigação e implementação de nanopartículas inorgânicas nos materiais de revestimento é considerada uma área de grande interesse e inovação. Esta tecnologia permite obter valores de refletâncias bastante elevados, o que permite reduzir a absorção solar e as temperaturas superficiais (Lu-wei Shen, 2016).

8

2.2.3.INFLUÊNCIA DA COR

A cor de um objeto está relacionada com a forma como a superfície em questão absorve e reflete a radiação incidente que se localiza no espectro solar da zona visível. Cada cor que se encontra no espectro solar da zona visível corresponde a um intervalo de comprimentos de onda. As superfícies brancas apresentam alta refletância solar no espectro visível, estando associada às mesmas uma temperatura superficial mais baixa. As superfícies escuras apresentam baixa refletância no espectro visível e no infravermelho, estando associada às mesmas uma temperatura superficial bastante mais elevada (Levinson et al., 2005).

A cor de uma superfície é uma propriedade física que tem uma grande influência nos valores de refletância e absortância presentes na zona visível do espectro solar (380 a 780 nm), mas não será o único fator a ter em conta, visto que a radiação solar e o seu respetivo espectro solar não são só constituídos pela zona visível responsável pela distinção e captação das cores pelo olho humano. Os valores de refletância, associados à zona ultravioleta com comprimentos de onda menores (300 a 380 nm) e à zona de radiação infravermelha com comprimentos de onda maiores (780 e 3000 nm), poderão ser controlados com recurso a outras técnicas/tecnologias, que serão aprofundadas nos capítulos seguintes (Dornelles, 2008).

Com a utilização de técnicas inovadoras é possível ter dois revestimentos com duas cores semelhantes e refletância bastante diferentes. A relação entre a cor do revestimento e o valor de refletância solar existe e tem grande influência nos resultados, mas será necessário ter em conta as tecnologias adicionadas à cor e respetivos métodos de medição das refletâncias das superfícies (Dornelles, 2008). No Quadro 1, estão representados dois aspetos interessantes. O primeiro é a relação entre a cor superficial e os valores do coeficiente de absorção de radiação solar. O segundo é a comparação possível de efetuar entre os valores da “SAINT-GOBAIN WEBER PORTUGAL” e os valores medidos por Carneiro (2016). Para cores mais claras, o coeficiente de absorção é menor, ou seja, a refletância solar será mais elevada, da mesma maneira que, para cores mais escuras, o coeficiente de absorção é maior, ou seja, a refletância solar será muito baixa (WEBER, 2016).

Quadro 1 - Influência da cor no coeficiente de absorção (WEBER, 2016) (Carneiro, 2016)

Efetuando uma análise do quadro anterior é possível verificar que os valores da absortância solar medidos por Carneiro (2016) estão bem enquadrados naqueles que são os valores indicados pela “SAINT-GOBAIN WEBER PORTUGAL”. Esta situação ilustra como a influência da cor é um dos fatores determinantes para a obtenção de maiores ou menores valores de coeficientes de absorção.

Cor Superficial Absortância α [-] (Weber) Absortância α [-] (Carneiro)

Branco 0,2 a 0,3 0,27

Amarelo, creme, laranja,

vermelho claro 0,3 a 0,5 0,34

Vermelho escuro, verde

claro, azul claro 0,5 a 0,7 0,69

Castanho, azul vivo, azul

escuro, verde escuro 0,7 a 0,9 0,78

9

2.2.4.PIGMENTOS INORGÂNICOS

A necessidade de ter à disposição uma ampla cobertura de cores com a capacidade de manter ou até mesmo aumentar o desempenho do revestimento final dos sistemas de isolamento térmico está a aumentar de dia para dia. As diferentes configurações dos pigmentos inorgânicos, a capacidade de cobertura do espaço de cores, o desempenho durante a exposição climática e a capacidade de manter as superfícies a baixas temperaturas serão descritos a seguir (Oorschot & Colortrend, 2012).

Os pigmentos orgânicos e inorgânicos estão disponíveis para fornecer cor, normalmente sob a forma de um corante líquido. Dependendo da área de aplicação da tinta colorida, a escolha do pigmento deve ter um equilíbrio entre a concentração química e a forma dos pigmentos inorgânicos, especialmente para aplicações em fachadas que são expostas à chuva, à luz solar e a variações de temperatura. As tintas de fachadas são tipicamente formuladas com uma concentração de volume de pigmento elevada e são aplicadas em substratos que podem ser quimicamente ativos, como é o caso do betão, que é uma superfície que possui substâncias alcalinas que atacam os pigmentos. Havendo concentração de volume de pigmento acima do valor crítico, forma-se uma película de tinta porosa, na qual o oxigénio e outros gases do ar podem penetrar. Em combinação com a radiação UV e humidade é criado um ambiente no qual a degradação de pigmentos ocorre facilmente. Os pigmentos orgânicos, em geral, são muito mais sensíveis a estas circunstâncias do que os pigmentos inorgânicos. Por esta razão, é aconselhável utilizar pigmentos inorgânicos para aplicações em fachadas (Oorschot & Colortrend, 2012).

Os pigmentos inorgânicos podem dividir-se em dois domínios, o colorido e o branco.

No domínio colorido, a constituição poderá ser natural ou sintética. Os pigmentos naturais podem ser do tipo argila de ocre, mineral hematita ou mineral magnetita. Os pigmentos sintéticos podem dividir-se em três grupos: o grupo dos pigmentos coloridos inorgânicos complexos (CICPs) (que possuem diversas famílias, tais como o Espinélio, Rutilo, Pirocloro, Hematita e Fosfato); o grupo dos óxidos metálicos; e o grupo dos sais metálicos. A maioria dos pigmentos inorgânicos sintéticos contém um metal pesado, como cobalto ou cromo. Isso, muitas vezes, leva a uma perceção de ser tóxico, contudo, os pigmentos inorgânicos são considerados não tóxicos devido à formação de uma rede cristalina quimicamente inerte quando os iões metálicos são transferidos a uma temperatura acima dos 1000 ° C. No domínio dos brancos, existem os pigmentos opacos e os não opacos, estando presente no grupo dos opacos o TiO2, que irá ser estudado mais a fundo em capítulos posteriores. Na Figura 5, estão representadas esquematicamente todas as configurações possíveis dos pigmentos inorgânicos referidos anteriormente (Oorschot & Colortrend, 2012).

10

Relativamente à cobertura do espaço de cores, uma vez que a necessidade de corantes inorgânicos é mais elevada do que nunca, o novo sistema de cores contém um grande número de pigmentos inorgânicos para escolher. É sobejamente conhecido que os pigmentos inorgânicos não podem proporcionar as cores brilhantes e fortes que são produzidas com pigmentos orgânicos. Portanto, apenas uma parte limitada do espaço de cor pode ser coberta com pigmentos inorgânicos.

Com o conceito de cor flexível é possível expandir a seleção de pigmentos inorgânicos em várias direções. Existem cores na área vermelha, azul, verde, azul-escuro e outras, a partir dos azuis e verdes. É possível cobrir uma vasta área de cores com uma seleção de 11 corantes inorgânicos. Esta corresponde à cobertura de espaço de cor mais ampla no mercado nos dias de hoje (Oorschot & Colortrend, 2012).

Um aspeto muito importante, que está diretamente relacionado com a aplicação e função dos pigmentos inorgânicos nas superfícies, é a quantidade de calor que é acumulado nas mesmas devido à exposição à radiação infravermelha.

11 O facto de eventuais reações de degradação ocorrerem mais rapidamente com o aumento das temperaturas é uma boa razão para manter as superfícies frescas, obtendo assim menos tensão induzida por temperatura no revestimento e no substrato de revestimento. Manter estes efeitos no nível mínimo prolonga a vida útil do sistema revestido e mantém a sua resistência aos fatores climáticos externos. Onde as superfícies brancas tendem a refletir a maior parte da radiação do sol (no espectro UV, visível e IR), os revestimentos coloridos refletem apenas uma parte da radiação. Em geral, pode dizer-se que para cores cada vez mais escuras, maior radiação é absorvida na área visível. No entanto, dois pigmentos podem ter a mesma absorção na área visível, produzindo a mesma cor observada, mas podem ter características de absorção diferentes na área infravermelha, resultando em diferenças na acumulação de calor na superfície.

Se a radiação infravermelha é refletida em vez de absorvida, isso resultará em superfícies mais frias. No caso de superfícies brancas e claras, muita radiação infravermelha já está refletida. Para cores mais escuras, isso nem sempre é verdade. Neste caso, a escolha de um pigmento preto refletor de IR resulta numa maior refletância da radiação infravermelha e o resultado será uma superfície mais fria, com custos energéticos mais baixos, mas também menos reações de degradação e, portanto, um revestimento mais duradouro.

Por esta razão, um corante baseado num pigmento inorgânico refletor de IR é uma adição valiosa a um sistema de cores, especialmente para aplicações em fachadas (Oorschot & Colortrend, 2012).

2.2.5.PIGMENTOS INORGÂNICOS EM COMPONENTES DA CONSTRUÇÃO

Os revestimentos refletivos são geralmente não combustíveis e podem ser convenientemente aplicados à superfície, em revestimento de paredes ou telhados. Os revestimentos refletivos devem ser caracterizados pela sua alta refletância ao longo de todo o espectro solar e transferência de calor mínima para a superfície de revestimento (Zhoua et al., 2016).

Nos últimos anos, há um crescente interesse no desenvolvimento de materiais avançados refletivos, tanto para edifícios como para o ambiente urbano. Esses materiais visam melhorar o desempenho energético dos edifícios, através do aumento da refletância solar dos revestimentos (Santamouris et al., 2015). Com o objetivo de avaliar as propriedades térmicas e óticas de uma série de revestimentos inorgânicos, que podem contribuir para a eficiência energética e redução da absorção solar das superfícies, Santamouris et al. (2015) desenvolveram diferentes configurações de misturas.

A constituição destes revestimentos finais baseou-se numa mistura de água com ligantes à base de minerais (Cal hidráulica natural, cimento branco Portland, gesso), cal hidratada e agregados (Pó de mármore dolomítico, calcário em pó, areia de quartzo). Em algumas misturas foram também adicionadas pequenas esferas de vidro ou pigmentos inorgânicos de mudança de cor.

A análise global de todos estes revestimentos inorgânicos mostrou que as misturas com agregados constituídos por mármore dolomítico ou calcário, e adição das esferas de vidro, podem reduzir significativamente a temperatura das superfícies das amostras, devido à elevada capacidade de refletir a radiação solar.

As misturas com o ligante mineral de cal hidráulica têm a capacidade de aumentar a emissão de infravermelhos dos revestimentos, contribuindo para uma redução significativa da temperatura superficial.

12

O teste realizado aos pigmentos inorgânicos de mudança de cor mostrou que este material pode ser uma solução muito promissora para revestimentos submetidos a grandes variações de temperatura (Santamouris et al., 2015).

Os aspetos anteriormente referidos correspondem a uma abordagem experimental que tem como principal objetivo desenvolver o tema dos revestimentos inorgânicos aplicados em componentes da construção.

Tendo em conta que este tema está em constante atualização, para além desta abordagem, nos capítulos seguintes serão aprofundados mais estudos relativos à implementação de outros pigmentos inorgânicos nas misturas de revestimento final. Os pigmentos inorgânicos mais relevantes a serem abordados de seguida são os brancos opacos (TiO2) e os coloridos sintéticos (CICPs).

2.2.6.INFLUÊNCIA DA CONCENTRAÇÃO INORGÂNICA DE TIO2

O TiO2 é o pigmento inorgânico mais utilizado quando o pretendido é obter bons índices de reflexão, poder de cobertura e bom desempenho térmico. Com o desenvolvimento da indústria de revestimento, o TiO2 nanométrico tem sido gradualmente utilizado como pigmento de revestimento por causa da sua maior reflexão solar, melhor resistência à sujidade e melhor efeito de autolimpeza (J. Godnjavec, 2014). Numa primeira abordagem, surgiram várias investigações direcionadas para a descoberta das características e vantagens de utilização de pigmentos TiO2.

Godnjavec et al. (2014) investigaram a modificação superficial e caracterização de nanopartículas de TiO2 como um aditivo em revestimentos acrílicos claros. Os resultados indicaram que a implementação do TiO2 na superfície melhorou a dispersão e a proteção ultravioleta do revestimento acrílico.

Song et al. (2014) mediram as distribuições de tamanho de partículas de três pigmentos de TiO2 comercialmente disponíveis e caracterizaram os efeitos das propriedades óticas dos pigmentos em função dos seus tamanhos. Os seus resultados mostraram que, à medida que o tamanho das partículas dos pigmentos aumenta, a refletância de luz solar diminui.

O primeiro aspeto a ter em conta, antes mesmo de avançar para técnicas experimentais mais aprofundadas, será perceber como funciona o processo de propagação da luz num sistema dispersivo de partículas TiO2.

Os processos físicos de reflexão, refração (na escala macroscópica) e difração (na escala microscópica) ocorrem quando a radiação solar incide na superfície com partículas de TiO2. Dependendo do tamanho da partícula e do comprimento de onda, as óticas macroscópicas ou microscópicas são aplicáveis. Quando o tamanho da partícula de TiO2 é maior que a metade do comprimento de onda, a reflexão e a refração seriam os principais processos físicos que ocorrem. A propagação da luz pode então ser descrita pela Lei de Snell, conforme ilustrado no diagrama esquemático da Figura 6, onde o percurso de propagação da luz é guiado de volta para o exterior (Zhoua et al., 2016).

13 Quando o tamanho da partícula TiO2 é comparável a metade do comprimento de onda, ocorre o processo microscópico de difração. Este processo pode ser simulado pelo método FDTD (Finite Difference Time Domain), que consiste num domínio de tempo diferencial finito que simula a propagação de ondas eletromagnéticas na superfície de materiais com revestimentos refletivos. O método utiliza uma fonte de ponto emissiva para estimular três sistemas, como pode ser verificado na Figura 7 (Zhoua et al., 2016).

Figura 6 - Diagrama esquemático de feixe de luz que viaja através do sistema dispersivo de TiO2, adaptado de (Zhoua et al., 2016)

Figura 7 – Propagação de ondas eletromagnéticas durante emissão na fonte, adaptado de (Zhoua et al., 2016)

14

Com o objetivo de explorar mais a fundo todas as características das partículas TiO2, através de uma investigação aprofundada sobre o assunto foi possível efetuar uma síntese de três autores com três processos experimentais distintos. Efetuando uma comparação das três técnicas experimentais investigadas, conclui-se que existem objetivos comuns de classificação de desempenho (refletância solar, absortância e isolamento térmico) e objetivos distintos (resistência à lavagem, resistência à adesão e transmitância solar).

No estudo efetuado por Shen et al. (2016) o principal objetivo foi perceber a influência que a graduação dos pigmentos de TiO2 tem na refletância solar, no desempenho térmico e propriedades mecânicas de revestimento de isolamento térmico. Para estudar a influência da combinação das diferentes graduações de partículas de TiO2, foram criadas três superfícies com diferentes distribuições e tamanhos de pigmentos TiO2.

No Quadro 2 e Figura 8 é possível verificar claramente a graduação de cada pigmento e a diferença das distribuições de pigmentos entre as três superfícies.

Quadro 2 - Graduação e distribuição das partículas de TiO2 nas diferentes superfícies

Superfície

Graduação (%) e distribuição de partículas TiO2

300 nm 60 nm 25 nm

S1 0 10 10

S2 10 5 5

S3 20 0 0

As três superfícies foram testadas e caracterizadas através de diversas técnicas e aparelhos. Para as 5 diferentes propriedades foram efetuados diferentes testes, que se enumeram a seguir:

• Estrutura superficial dos pós de TiO2: microscopia eletrónica com difração de raios X. É possível concluir que os pós de TiO2 normais (tamanho 300 nm) em comparação com os pós nanométricos (tamanhos 60 e 25 nm) apresentam distribuição menos compacta. Esta observação

Figura 8 - Esquema ilustrativo da distribuição dos tamanhos de partículas nas superfícies, adaptado de (Shen et al., 2016)

15 indica que as partículas de TiO2 mais pequenas têm a capacidade de se compactar em arranjos mais densos e com menor porosidade do que as partículas de granulometria maior.

• Refletância solar: medição através de espectrofotómetro ultravioleta (UV)/ visível (VIS)/ infravermelho próximo (NIR) equipado com uma esfera integradora. A gama do teste varia entre 250 a 2500 nm.

De seguida ilustra-se a Figura 9 que corresponde ao espectro de refletância solar das três amostras de revestimento.

A refletância das superfícies ao longo de todo o espectro solar é um aspeto muito importante para análise, sendo esta grandeza dependente do comprimento de onda da radiação incidente (ASTM, 2015). Na zona inicial UV os comprimentos de onda são baixos e a refletância é muito baixa porque a presença de pigmentos TiO2 faz com que a absorção de UV seja elevada. Na região visível, todas as amostras apresentaram altos níveis de refletância solar, estando associada à superfície S1 (constituída por nanopartículas de TiO2, 60 e 25 nm) o maior nível de refletância (90%). Da zona vivível para a zona infravermelha, a refletância solar teve uma diminuição mais proeminente com o aumento do comprimento de onda, estando sempre a amostra S1 com valores de refletância superiores relativamente às amostras S2 e S3. Concluiu-se assim que o revestimento que continha maior graduação de nano partículas de TiO2 (25-60nm) exibiu maior refletância solar ao longo de todo o espectro solar.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 500 1000 1500 2000 2500 R e fl e tâ n ci a (% ) Comprimento de onda (nm)

Refletância solar S1 Refletância solar S2 Refletância solar S3

Figura 9 - Espectro de refletância solar das três amostras, adaptado de (Shen et al., 2016)

16

• Desempenho de isolamento térmico: equipamento desenvolvido em laboratório que é constituído por uma lâmpada de iodo tungstênio, uma caixa de poliestireno, dois termopares e um registador de dados.

As variações de temperatura superficial de todas as amostras, tendo em conta que estão sob as mesmas condições de iluminação, são representadas na Figura 10.

Todas as amostras iniciaram a experiência com uma temperatura de 15,5 °C, sendo, obviamente, crescente com o tempo.

Consoante a diferente graduação e distribuição de tamanhos de pigmentos TiO2, obtiveram-se diferentes temperaturas finais. O revestimento S1 que corresponde às nanopartículas de TiO2, apresentou o efeito de redução de temperatura mais elevado. Este efeito de redução de temperatura foi atribuído essencialmente à maior capacidade de refletância solar do revestimento.

• Resistência à lavagem: testador de resistência à lavagem de acordo com a norma nacional chinesa GB/T 9266-2009.

• Resistência à adesão: testador de adesão de pelicula de acordo coma norma nacional chinesa GB 1720-79.

Os revestimentos S1 e S2 que são constituídos por nanopartículas de TiO2 apresentam uma resistência à lavagem e à adesão da pelicula melhor do que o revestimento S3. Conclui-se que

Figura 10 - Variação da temperatura superficial ao longo do tempo, adaptado de (Shen et al., 2016) 10 15 20 25 30 35 40 45 0 600 1200 1800 2400 3000 3600 Te mp e ra tu ra (° C) Tempo (s)

17 os revestimentos que contêm as nanopartículas de TiO2 possuem uma adesão ao substrato maior devido à alta área de superfície especifica das nanopartículas (M.C. Yew, 2013).

No estudo efetuado por Zhoua et al. (2016) o principal objetivo foi caracterizar o desempenho refletivo e isolante de revestimentos com diferentes aditivos. Os resultados térmicos do revestimento acrílico puro, acrílico com revestimento de dióxido de titânio e acrílico com dióxido de titânio, mais revestimento de partículas de vidro oco, são medidos e comparados. Para explorar os princípios de trabalho, utilizou-se a abordagem FDTD (Tempo finito), que pode simular a propagação de ondas eletromagnéticas para diferentes materiais de revestimento, uma lâmpada de halogéneo e termopares para medição da temperatura superficial.

Utilizaram-se quatro painéis de betão, nomeadamente o painel N (painel de referência de betão não revestido), o painel A (coberto com emulsão acrílica branca), o painel B (coberto com emulsão acrílica e dióxido de titânio) e o painel C (coberto com emulsão acrílica, dióxido de titânio e esferas de vidro ocas).

Estando todo o processo experimental concluído, foi possível obter os resultados do desempenho da temperatura superficial e da refletância solar nas três superfícies.

• Temperatura superficial: nos primeiros 200 min, a temperatura da superfície iluminada e não iluminada subiu rapidamente. Depois disso, a taxa crescente diminuiu, implicando uma certa estabilização da temperatura superficial.

Enquanto isso, as temperaturas da superfície iluminada do painel não revestido N e do painel A apresentaram-se bastante próximas uma da outra, a um nível muito maior do que a temperatura do painel B e do painel C. Estes resultados demonstraram que a pintura acrílica comum tem pouco efeito sobre a reflexão da radiação e sobre a redução da temperatura da superfície externa, enquanto que os revestimentos B e C, com a presença do dióxido de titânio, são capazes de refletir mais radiação, reduzindo a absorção de energia e a temperatura superficial da parede externa de forma significativa.

No caso da temperatura da superfície não-iluminada que pretende simular o impacto térmico dos vários revestimentos no ambiente interior, existiu uma diferença de temperatura entre o painel B e o painel C. Concluiu-se que as esferas de vidro ocas podiam retardar eficazmente a transferência de calor da superfície de revestimento para a superfície de betão, formando uma barreira térmica.

• Refletância solar: A refletância espectral foi medida através de espectrofotometria, sendo que no Quadro 3 são apresentados os valores dos revestimentos B e C. É possível observar que no espectro visível e no infravermelho próximo, a refletância destes revestimentos é muito elevada, o que conduz a um comportamento melhorado de reflexão solar destes revestimentos.

18

Quadro 3 - Valores de refletância solar espectral

Refletância Zona

Ultravioleta Zona Visível

Zona Infravermelha

Próxima

Superfície B 0,06 0,91 0,88

Superfície C 0,06 0,95 0,87

No Quadro 4 é possível observar os valores da refletância em função das temperaturas superficiais. De realçar que, com a introdução de dióxido de titânio nas superfícies B e C, os coeficientes de reflexão foram mais elevados o que levou a uma diminuição de temperatura superficial.

Quadro 4 - Valores de refletância em função das temperaturas superficiais

Amostras

Temperatura (°C)

Refletância

Superfície iluminada Superfície não iluminada

N (Referência) 48,5 40,1 0,21

A 47,6 37,5 0,26

B 41,3 34,5 0,76

C 40,9 34,0 0,81

No estudo efetuado por Piria et al. (2016), o principal objetivo foi caracterizar a refletância e absortância de diferentes superfícies com diferentes variáveis (tamanho de partículas TiO2 e concentração do volume de partículas TiO2). As características fundamentais dos nanopigmentos foram estudadas através da aplicação de um Método de Ordenação Discreta (DOM), conhecido como modelo Multi Flux (MF).

• Inicialmente calculou-se a refletância e absortância espectral de nanopigmentos de TiO2 monodispersos, incorporados em resina não absorvente com uma percentagem de concentração fixa de 5% e tamanhos das partículas de TiO2 variáveis, utilizando o modelo MF.

Concluiu-se que os nanopigmentos de dióxido de titânio foram altamente absorventes na região UV e quase não absorventes nas regiões VIS e NIR. Para uma baixa graduação (5%), quando se fez a transição de tamanho de partículas de 35 para 250 nm na superfície foi notório um aumento da refletância solar.

• De seguida, calcularam-se os mesmos parâmetros (refletância e absortância espectral) pertencentes aos nanopigmentos de TiO2, incorporados nas mesmas superfícies anteriores. A grande diferença é que neste caso pretendeu-se avaliar a influência da graduação de nanopigmentos de TiO2 nas superfícies.

Concluiu-se que a refletância espectral dos nanopigmentos de TiO2 diminuiu na região UV e aumentou nas regiões VIS e NIR como resultado do aumento da graduação de nanopigmentos na camada. A absortância de nanopigmentos, apresentou o comportamento inverso.

19 O Quadro 5 que se apresenta de seguida visa sintetizar todos os aspetos abordados anteriormente.

Quadro 5 - Quadro síntese de Autores

Autores

(Shen et al., 2016) (Zhoua et al., 2016) (Piria et al., 2016)

Detalhes da Experiência Três superfícies com graduações elevadas de TiO2 (5-20%) e vários tamanhos;

Duas das superfícies têm

diferentes graduações

associadas a partículas

mais pequenas;

Uma das superfícies tem graduação associada a um único tamanho grande de partícula.

Quatro superfícies com

características distintas; A 1ª corresponde a um

painel de betão não

revestido;

A 2ª é revestida com emulsão acrílica branca; A 3ª é revestida com emulsão acrílica e TiO2; A 4ª é revestida com emulsão acrílica, TiO2 e esferas de vidro. Três amostras com baixa graduação de TiO2 (5%) fazendo variar os tamanhos das partículas; Cinco amostras com o mesmo tamanho de partículas fazendo variar as graduações de TiO2 (0,1-10%). Propriedades Testadas Refletância solar; Isolamento térmico; Resistência à lavagem; Resistência à adesão. Refletância solar; Isolamento Térmico. Refletância solar; Absortância solar. Conclusões Os pós de TiO2 normais (300 nm) comparados com os nanométricos (25 e 60 nm), apresentam distribuição menos compacta;

O revestimento que contem

nanopartículas de TiO2

exibe maior refletância solar

na zona visível e

infravermelha, menor

temperatura superficial e maior resistência à lavagem e adesão.

Os dois revestimentos que possuem TiO2/ TiO2 e esferas de vidro são capazes de refletir mais radiação, reduzindo significativamente a temperatura superficial da

zona iluminada/não-

iluminada;

Na zona não iluminada o revestimento mais eficaz é o que contem TiO2 e esferas de vidro, pois retarda a transferência de calor do exterior para o interior.

Com uma graduação de 5% quando se faz a transição de tamanho de partículas de 35nm para 250 nm há um aumento notório da refletância; Com um mesmo tamanho de partículas, aumentando a graduação de nanopartículas até os 10% verifica-se um aumento da refletância.