Materiali Retro-Riflettent

4.2.1. Tecnologie esistenti

Con retroriflettenza si intende il termine tecnico che definisce il fenomeno fisico per cui la maggior parte della luce incidente su una superficie viene inviata nuovamente nella direzione di provenienza. Per quanto riguarda i materiali RR esistenti, la loro struttura è approssimativamente classificata in due tipi:

 Sistemi monocomponenti, ottenuti con serie di prismi triedri trirettangoli (si tratta di uno spigolo di un cubo): la luce colpisce la prima faccia del prisma e viene riflessa, per riflessione interna totale, sulla seconda faccia che, per lo stesso fenomeno, la riflette sulla terza; da questa viene rinviato verso la sorgente che lo ha emesso. L’angolo di riflessione dipende dalle caratteristiche di rifrazione del materiale.

Figura 62. Modalità di riflessione materiali RR monocomponenti

 Sistemi ottici elementari bicomponenti, composti da microsfere di vetro e da specchi alluminizzati concavi, posizionati dietro alla microsfera, concentrici con questa e con raggio di curvatura pari alla lunghezza focale della lente (microsfera): il fascio di luce viene rifratto dalla sfera di vetro (con percorsi angolati dipendenti dalle caratteristiche ottiche del vetro e dell’aria) e successivamente riflesso dalla superficie

103 riflettente concava; successivamente riattraversa la sfera, subendo un nuovo fenomeno di rifrazione, e quindi viene rinviato verso la sorgente che lo ha emesso.

Figura 63. Modalità di riflessione materiali RR con sistemi ottici bicomponenti

A differenza delle tinte RR a microsfere di vetro, che hanno come componente prevalente di riflessione della luce quella retroriflettente, i materiali RR monocomponenti hanno, nella propria caratteristica di riflessione, sia componente speculare sia retroriflettente.

I sistemi monocomponenti sono otticamente più efficienti ma sono più “fragili” in quanto estremamente sensibili alla geometria dei microprismi: una deformazione, anche minima, dei prismi comporta un notevole scadimento della retroriflettenza. Nello stesso modo l’impiego di materiale diverso (anche se apparentemente simile), ma con indici di rifrazione diverso, richiederebbe una differente geometria dei prismi. Un esempio di tali prodotti, in uso da moltissimi anni, sono i catarifrangenti presenti sulle biciclette, autoveicoli e paracarri; più recentemente sono stati sviluppati anche per l’impiego sulla segnaletica stradale verticale, per il vestiario e per la livrea ad alta visibilità dei veicoli.

I sistemi a microsfere sono stati i primi ad essere sviluppati, traendo spunto dagli occhi dei felini e, nel corso degli anni hanno dato origine a prodotti molto specialistici, molto resistenti e di impiego molto flessibile. Solitamente, il pigmento alto riflettente della tinta, nei sistemi a microsfere, riveste la parte inferiore di esse, in modo tale che la luce solare possa essere riflessa nella direzione opposta da due rifrazioni sul bordo delle microsfere e da una o più riflessioni sul rivestimento riflettente; indipendentemente dalla direzione di provenienza della radiazione luminosa incidente.

Tali particelle sferiche possono essere definite mediante cinque caratteristiche:  l’indice di rifrazione;

104  percentuale massima ponderata di microsfere di vetro difettose;

 granulometria;

 contenuto di sostanze pericolose;  resistenza agli agenti chimici.

L’operazione di applicazione delle microsfere di vetro risulta essere particolarmente delicata poiché è necessario garantire un adeguato inserimento delle microsfere, evitando situazioni in cui esse risultino eccessivamente o non sufficientemente immerse nella pittura. Nello specifico, il grado di affondamento nel prodotto segnaletico deve essere compreso tra il 55% ed il 60% del loro diametro. Un affondamento inferiore al 55%, pur consentendo in parte la retroriflessione, espone il sistema ottico ad una più rapida asportazione da parte dei veicoli, mentre un affondamento superiore al 60% conduce ad una limitazione della retroriflettenza, la quale risulta completamente compromessa nel caso in cui l’affondamento superi l’85%. Il fenomeno considerato viene adeguatamente spiegato osservando che la superficie attiva della microsfera, ovvero la superficie che consente la retroriflessione, è limitata alla parte immersa, che costituisce l’interfaccia tra il vetro ed il prodotto che circonda la parte emisferica della microsfera e che funge da superficie riflettente.

Molti segnali autostradali retroriflettenti e segni di corsia usano la tecnologia a perle di vetro. Invece di spargere semplicemente la luce, come fanno i normali pigmenti di pittura, esse invertono la luce e la riflettono nella stessa direzione di incidenza. Le proprietà dei materiali rifrangenti vengono definite valutando:

 l’angolo di illuminazione (o di incidenza): β  l’angolo di divergenza: α

 il coefficiente areico di intensità luminosa (R’)  la luminanza

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Figura 64. Angoli caratteristici per materiali retroriflettenti

Dove l’angolo di illuminazione (β) è l’angolo compreso tra il fascio di luce incidente e la direzione perpendicolare alla superficie del materiale rifrangente, e l’angolo di divergenza (α) è l’angolo compreso tra il fascio di luce incidente sulla superficie del materiale e la retta che congiunge il punto di incidenza ed il punto di osservazione.

Attualmente, i materiali RR sono impiegati per vari scopi di sicurezza, come segnaletica stradale, indumenti da lavoro e applicazioni per la sicurezza del traffico, e non sono commercialmente disponibili per l'uso come rivestimenti per edifici urbani.

L'intento del mio studio è fornire risultati sperimentali utili per la comprensione delle potenzialità dell’utilizzo di materiali RR, in forma di pittura, concepito per rivestire le facciate degli edifici urbani. L’elevato valore di riflettanza dei materiali RR e la loro particolare modalità di riflessione, prevalentemente nella direzione di incidenza, li rendono interessanti per applicazioni in edilizia, come contromisura al fenomeno dell’UHI.

I risultati disponibili in letteratura si riferiscono sempre ai materiali RR commerciali esistenti, nati per affrontare altri tipi di applicazioni. Negli ultimi anni diversi studi hanno dimostrato che l'uso di materiali appropriati sull'involucro dell'edificio può avere effetti positivi sulla mitigazione del fenomeno dell’UHI e sul miglioramento della qualità dell'aria esterna e delle condizioni di comfort. L'obiettivo specifico della mia ricerca è di studiare il beneficio che può essere ottenuto dall'applicazione di nuovi materiali retroriflettenti (RR) sugli involucri di edifici inseriti in canyon urbani.

106 4.2.2. Caratteristiche e potenzialità

I materiali RR hanno le seguenti caratteristiche: il valore della riflettanza, invece di rimanere costante, cresce all’aumentare dell'angolo di incidenza della radiazione solare e la direzione prevalente di riflessione della radiazione diretta è la stessa dell'incidente. I materiali comuni da costruzione, come già accennato, non hanno direzioni prevalenti di riflessione della radiazione incidente. Premesso ciò, le peculiarità dei materiali RR si possono sintetizzare come segue:

𝜌𝛳 = 𝐹( 𝛳𝑖𝑛𝑐)

Come vedremo in seguito, l’utilizzo dei materiali RR come rivestimento di involucro può tradursi in una diminuzione dei carichi solari sull’edificio e in una riduzione del fenomeno dell'intrappolamento radiativo all'interno del tessuto urbano.

Si consideri ad esempio una facciata di un edificio di una città dell’emisfero boreale con orientamento Sud. Nelle stagioni estive, in cui i carichi solari costituiscono un problema per gli edifici e per il comfort termico degli spazi urbani, nelle ore in cui il sole è più alto, l’angolo di incidenza della radiazione solare diretta assume valori che vanno da 75° (Europa Mediterranea) a 60° (Europa Continentale). In tal modo si può sfruttare la dipendenza della riflettanza dei materiali RR per far sì che i carichi solari sugli edifici, e più in generale sulle superfici delle strutture opache costituenti il tessuto urbano, siano minori in estate rispetto all’inverno. Si tenga presente infatti che in inverno, nelle stesse ore centrali del giorno, gli angoli di incidenza diminuiscono fino a 30° (Europa Mediterranea) e 10° (Europa Continentale).

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5. Verifica strumentale e misure