PROPOSTA DE MÉTODOS DE MEDIÇÃO DE REFLETÂNCIA E COR DE
PIGMENTOS E CARGAS
Isabela L. M. Silva1, Kai Loh2, Neide M. N. Sato3.
(1) Bolsista de IC da FAPESP pelo Depto de Engenharia de Construcão Civil da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo e graduanda em Arquitetura e Urbanismo pela Universidade Nove de Julho, [email protected]. Universidade de São Paulo, Departamento de Engenharia de Construção Civil, Laboratório de Microestrutura.Av. Prof. Almeida Prado, trav. 2, nº 83 – Cidade Universitária - São Paulo - SP, , Tel.: (11) 30915382 (2) Dra, Pesquisadora do Depto de Engenharia de Construção Civil da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, [email protected]
(3) Dra pelo Depto de Engenharia de Construção Civil da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo [email protected].
1. INTRODUÇÃO
As tintas têm como funções convencionais proteger e decorar as superfícies, porém, a necessidade de economia energética, impulsionou o desenvolvimento de novos produtos para a construção civil que possam contribuir para um ambiente construído mais sustentável.
A exposição solar das superfícies externas interfere no conforto térmico no interior das edificações. Vários estudos mostram que a utilização de tintas mais refletivas pode diminuir a temperatura das superfícies externas como, por exemplo, tintas de cores claras ou tintas coloridas refletivas. As tintas refletivas podem ser obtidas por meio da adição de pigmentos “frios” em uma formulação convencional. Esses pigmentos, comparados aos convencionais, têm a capacidade de refletir a luz do espectro da região do infravermelho da radiação solar sem afetar a refletância na faixa do visível, mantendo assim a cor. Uma maneira de selecioná-los é realizando medições de refletância.
Este trabalho propõe um método de medição de refletância e cor de pigmentos em forma de pó, permitindo assim a seleção de matérias primas termicamente mais eficientes como pigmentos e cargas utilizadas na fabricação de tintas.
O método de medição de refletância apresentado neste trabalho foi desenvolvido tomando-se por base a norma ASTM D 2244-89, utilizando um espectrofotômetro portátil (Device & Services/SSR-ER). A cor foi medida conforme ASTM C 1549-09, usando um colorímetro (Byk Gardner). Os ensaios foram realizados com diferentes pigmentos “frios” e convencionais que apresentavam índices colorimétricos muito próximos, porém, propriedades refletivas muito diferentes e essa relação permaneceu nas tintas fabricadas com os respectivos pigmentos.
2. Radiação solar e a refletância
Por conveniência o espectro da radiação solar é dividido em 3 regiões distintas as quais são (Nixon, 2003); (Frischmann, 2008):
- Ultravioleta (UV): compreende intervalos de comprimento de onda entre 290 a 380nm, representa aproximadamente 6% do espectro solar. É a principal causa da deterioração dos materiais orgânicos;
- Visível (VI): compreende os intervalos de comprimentos de onda entre 381 a 780nm e representa cerca de 46% de todo o espectro solar. Determina as cores dos objetos e
é sensível ao olho humano determinando as cores dos objetos. Nas pinturas, principalmente as coloridas, geralmente a região de interesse, do ponto de vista estético, é a do visível;
- Região do infravermelho (IV): corresponde aproximadamente a 43% do espectro solar e o seu intervalo de comprimento de onda está contido entre 781nm até aproximadamente 2500nm. Esta radiação é invisível ao olho humano e é responsável pela sensação térmica.
A região do espectro de maior interesse nos materiais “frios” é a região do IV. As pinturas “frias” são aquelas que refletem uma elevada proporção da radiação solar na região do IV, ocorre absorção baixa da energia solar que resulta em aquecimento da superfície.
Superfícies de cores escuras absorvem a radiação solar e se aquecem mais do que as de cores claras que podem refletir até 95% da energia solar. As superfícies escuras convencionais absorvem a energia solar na região do IV e a transforma em calor, elas aquecem e irradiam calor. Existem materiais especiais (pinturas, pigmentos, componentes de cobertura) que mesmo sendo de cores escuras absorvem em menor escala a radiação no IV próximo em relação aos materiais convencionais. Esta propriedade na maioria das vezes tem uma correlação direta em relação a cor dos materials. No entanto, existem pigmentos de cores equivalentes mas de diferentes composições químicas e mineralógicas que apresentam diferentes valores de refletância. A substituição de um tipo de pigmento por outro poderá interferir na refletividade de uma pintura. Nas edificações, as coberturas são as superfícies mais expostas e, portanto, mais susceptíveis ao efeito da radiação solar. Se esta superfície for substituída por uma de elevada refletividade os raios infravermelhos responsáveis pelo aquecimento do telhado são mais refletidos. Assim há uma diminuição da carga térmica para o interior do ambiente comparativamente a uma cobertura com menor refletividade (Ikematsu, 2007).
3. PIGMENTOS REFLETIVOS
Existem basicamente dois tipos de pigmentos convencionais: orgânico, com uma maior susceptibilidade à radiação solar e os pigmentos inorgânicos que são os mais utilizados na fabricação de tintas por apresentarem maior durabilidade. Entre os inorgânicos naturais destacam-se os óxidos simples, principalmente os de ferro e os espinélios, contendo metais de transição.
Além dos pigmentos inorgânicos convencionais, há uma classe de não convencionais para a produção de tintas frias. As tecnologias de pigmentos mais importantes para revestimentos frios são os complexos inorgânicos pigmentos coloridos (CICPs) ou de óxido de metal misto (MMO) pigmentos (Levinson et al 2005). Esta classe de pigmentos apresenta uma estrutura em espinélio, opacidade visível elevada e elevada refletância de radiação NIR (Ryan 2005). Os espinélios são uma das mais importantes classes de pigmentos, devido á sua capacidade de acomodar uma grande quantidade de cátions diferentes conduzindo a uma variedade de cores e tonalidades, sendo o grupo de maior variedade segundo a classificação DCMA (Color Manufacturers Association, eles são óxidos com uma estrutura regular que consiste em m empacotamento compacto cúbico de face centrada de óxigêncio nos vértices e nas faces (Eliziário, 2007), esses pigmentos apresentam maior durabilidade, estabilidade de temperatura e de inércia química que os pigmentos convencionais.
Uma importante característica dos pigmentos é a refletância, eles possuem a capacidade de absorver e refletir as diferentes partes do espectro de comprimento de onda de acordo com a sua constituição química e mineralogia, dimensão de partícula e concentração na película de pintura. A produção de materiais frios se baseia no controle da absorção da radiação solar. A tecnologia mais usada no mercado para a obtenção de tintas “frias” se baseia no uso de pigmentos refletivos (Levinson et al,
2005) ; (Ryan, 2005); (Frischmann, 2008); (Uemoto et al, 2010). Os pigmentos cerâmicos “frios possuem alta refletância na região do Infravermelho próximo, as tintas produzidas com esses pigmentos tendem a apresentar maior refletância.
4. MATERIAIS E MÉTODOS
4.1 Pigmentos, “frios” e convencionais, e cargas
Os pigmentos do estudo estão relacionados na Tabela 1 junto com as composições, conforme declaradas pelo fabricante. Também constam do estudo 2 amostras de carbonato de cálcio, sendo uma precipitada e outra moída e uma amostra de caulinita.
Tab. 1 Pigmentos Convencionais e “frios”
Pigmentos Frios Fórmula Pigmentos
Convencionais
Fórmula
Marrom *Zinco, ferro Cromita
Brown Spinel
Marrom
*Óxido de Ferro
Amarelo *CI Pigment Brown 24
Antimônio Chrome Rutile Titanium Buff
Amarelo
*Óxido de Ferro
Preto *CI Pigment Brown 29
Óxido de ferro crómio
Preto
*Carbon Black Branco
TiO2 - -
4.2 Refletância de pigmentos e cargas
As refletâncias dos pigmentos, cargas e tintas foram determinadas através de medida instrumental, de acordo com a Norma “ASTM C 1549-04 Standard Test Method for Determination of Solar Reflectance Near Ambient Temperature Using a Portable Solar Reflectometer”. O equipamento utilizado para a leitura de refletância foi o espectômetro portátil da marca Device modelo SSR-ER (fig.1) que pode ser utilizado em medições em campo e em laboratório.
Figura 1 Espectômetro Portátil - Device SSR-ER
Foi desenvolvido um método para a realização dessa medida nos pigmentos e cargas (figuras 2, 4 e 5) em forma de pó. O procedimento usado permite auxiliar a seleção dos pigmentos mais refletivos a serem utilizados na produção das tintas “frias”.
Procedimento:
4.3.1 Calibrar o SOLAR ESPECTRUM REFLECTOMETER de acordo com as instruções do fabricante, colocando uma lamínula de vidro sobre os materiais de referência. Lamínulas são utilizadas nos ensaios dos pós conforme descrito no ítem 4.3.2 a seguir.
4.3.2 Sobre uma placa de vidro liso, transparente e livre de imperfeições e espessura de aproximadamente 1,5 mm de espessura são depositados 10g de pó em uma área ao redor de 2cm de diâmetro (figura 2). Uma lâminula de vidro é colocada sobre a amostra a ser ensaiada (figura 3).
4.3.3 São realizadas medições de refletância dispondo o equipamento sobre a lamínula (figuras 6 e 7), em uma das condições de ensaio existentes no equipamento (G1, G173, b891, b1) (fig.5 e 6). No trabalho os resultados foram apresentados na condição b891.
Figuras 2 e 3: Amostras de pigmentos sobre placas de vidro
Figuras 6 e 7: Ensaio de refletância em pigmentos utilizando lamínulas de vidro
4.4 Produção das tintas em laboratório
As tintas foram produzidas nos laboratórios da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo/ Depto de Engenharia de Construção Civil com auxílio de um especialista. A formulação das tintas convencionais é da linha “Premium”, à base de resina estireno acrílica, indicada para aplicação em superfícies externas de edifícios residenciais. Nas tintas frias foi usada a mesma formulação das tintas convencionais, sendo a única diferença a substituição do pigmento convencional pelo “frio”. O TiO2 foi adicionado com o mesmo teor em todas as formulações de tintas do estudo, inclusive na tinta de Cr branca. Foram preparadas tintas com pigmentos convencionais, nas cores branco, amarelo, marrom e cinza, com 2 PVCs (PVC 30% e PVC 50%) e tintas com pigmentos “frios”, nas cores amarelo, marrom e cinza, também com 2 PVCs (PVC 30% e PVC 50%). Pelo fato do TiO2 ser considerado “frio” não foi produzida outra amostra de tinta. As amostras de tintas foram aplicadas em substratos de fibrocimento (sem amianto) extraídos de telha ondulada e chapa lisa, com aplicação de fundo selador. Na Figura 8 estão apresentadas as tintas frias aplicadas em substratos de fibrocimento.
Figura 8 Tintas aplicadas em substrato de fibrocimento sem amianto
Tintas “Frias”
4.5 Medição de cor
Foi realizado conforme a norma ASTM D 2244-89 usando o equipamento portátil de marca Byk Gardner, geometria 45/0 (fig.9). As medidas foram realizadas nos pigmentos na forma de pó, utilizando o mesmo procedimento usado para a medida de refletância (fig.5). O mesmo ensaio foi realizado em corpos-de-prova pintados e sem pintura.
Figura 9 Ensaio de Colorimetria em pigmentos e Cargas.
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO 5.1. Refletância
Na Tabela 2 estão apresentados os resultados de refletância dos pigmentos e na Tabela 3 os resultados das cargas e na Tabela 4 as pinturas obtidas com as tintas “frias” e convencionais.
Tab. 2 Refletância de Pigmentos Pigmentos
“frios”
Refletância b891
Pigmentos convencionais Refletância b891
Amarelo 0.65 Amarelo 0.46
Marrom 0.44 Marrom 0.35
Preto 0.25 Preto (Negro de fumo) 0,05
Branco (TiO2) 0,83 - -
Tab. 3 Refletância de cargas
Refletância Cargas
Amostras b891
Carbonato de cálcio (precipitado) 0.94
Tab 4. Refletância de tintas “frias” e convencionais acabamento acetinado Tintas “frias” Refletância
b891
Tintas convencionais Refletância b891
Amarela 0.60 Amarela 0.40
Marrom 0.40 Marrom 0.36
Cinza 0.70 Cinza 0,52
Branco 0,82 - -
Tab 5. Refletância de tintas “frias” e convencionais acabamento fosco Tintas “frias” Refletância
b891
Tintas convencionais Refletância b891
Amarela 0.62 Amarela 0.43
Marrom 0.41 Marrom 0.36
Cinza 0.70 Cinza 0,54
Branco 0,82 - -
Os resultados mostram que os valores de refletância dos pigmentos são muito próximos aos valores de refletância obtidos nas pinturas de cores equivalentes. Os resultados também mostram que o tipo de acabamento (acetinado e fosco) não influi significativamente nos resultados de refletância.
5.2 Cor
Na Tabela 6 estão apresentados os resultados de cor dos pigmentos e na Tabela 7 os resultados das cargas e na Tabela 8 as cores das pinturas obtidas com as tintas “frias” e convencionais.
Tab.6 Cor de Pigmentos
L a b Amarelo (Frio) 75.64 12.98 52.18 Amarelo (convencional) 71.50 12.80 50.70 Marrom (Frio) 45.04 24.29 28.39 Marrom (convencional) 40.00 33.60 30.00 Preto (Frio) 29.91 5.39 5.33 Negro de Fumo 1.20 0.50 -0.90 Dióxido de Titânio 98.04 -0.28 1.90
Tab. 7 Cor de Cargas
L a b
Carbonato de cálcio (precipitado) 100.0 0.92 0.69
Carbonato de cálcio (grounded) 100.0 0.81 0.43
Callinita
Tab. 8 Cor de Tintas
98.69 1.04 3.91
Os resultados dos ensaios (ver tab. 2 e 3) mostram que os valores de refletância das tintas em relação aos pigmentos incorporados na formulação, são muito próximos com variações menores que 5%. As tintas de cores claras apresentaram maior refletância do que a de cor escura. As tintas brancas são as mais refletivas e isso ocorre por causa da sua cor clara (L>90). A diferença entre as refletâncias das tintas “frias” e convencionais pode ser observada mais claramente nas tintas coloridas que apresentam menor refletância no infravermelho próximo, principalmente na cor amarela que apresenta maior diferença entre os dois grupos. O estudo mostrou que as tintas produzidas com pigmentos cerâmicos “frios” apresentaram refletância superior às tintas produzidas com pigmentos convencionais em todas as cores, com variação de 5% para o marrom e de 20% para o amarelo. Além disso, o estudo mostrou que quanto maior o valor de L maior é a refletância, conforme mostrado pelos resultados obtidos com as cargas nas Tabelas. 2 e 5.
6. CONCLUSÃO
O estudo mostra que os ensaios de refletância realizados em pigmentos e cargas são fundamentais para o conhecimento das propriedades térmicas desses materiais sendo até possível obter tintas que resultem em pinturas de cores aproximadas ao dos pigmentos adicionados na formulação da tinta. Os resultados mostraram que a adição de pigmentos cerâmicos “frios” na formulação das tintas tem o potencial de elevar a refletância das pinturas de cores mais escuras. Portanto, permite ao consumidor selecionar cores mais escuras de sua preferência e mesmo assim obter maior conforto térmico, durante os períodos de calor ou de regiões mais quentes do país.
7. REFERÊNCIAS
Tintas Frias
L a b
Fria Acetinada Marrom 47.75 18.25 15.80
Fria Fosca Marrom 49.90 18.55 17.55
Fria Acetinada Amarela 71.70 16.95 53.50
Fria Fosca Amarela 73.30 16.15 52.80
Acetinada Branca 95.35 -1.46 2.75
Fosca Branca 95.10 -1.25 3.12
Fria Acetinada Cinza 82.70 -0.25 -0.67
Fria Fosca Cinza 80.80 0.35 -0.48
Tintas Convencionais Laboratório
L a b Acetinada Cerâmica 37.55 28.90 19.75 Fosca Cerâmica 38.70 28.90 20.95 Acetinada Amarela 60.75 15.10 45.88 Fosca Amarela 63.20 15.70 48.30 Acetinada Cinza 80.15 -0.95 -0.25 Fosca Cinza 80.47 -0.80 0.50
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AGRADECIMENTOS
À FAPESP por apoiar e financiar esse projeto e ao Departamento de Engenharia Civil da Escola Politécnica da USP e ao Químico Ronald Flores por auxiliar na produção da tintas.
