HPC Additivo a base di cellulosa per rivestimenti a raffreddamento radiativo passivo: spinti dall’aumento delle temperature globali e dalle politiche di neutralità carbonica, i rivestimenti a raffreddamento radiativo passivo diurno (rivestimenti di raffreddamento senza consumo di energia elettrica) sono diventati la soluzione di raffreddamento a risparmio energetico più diffusa per edifici industriali, serbatoi di stoccaggio del petrolio, pannelli fotovoltaici e container marittimi. Riflettendo la maggior parte dell’irraggiamento solare e dissipando il calore direttamente nello spazio attraverso la finestra infrarossa atmosferica compresa tra 8 e 13 μm, questi rivestimenti abbassano la temperatura superficiale dei substrati da 10 a 25 °C senza l’ausilio di ventilatori o condizionatori d’aria, garantendo riduzioni a lungo termine delle bollette elettriche e delle emissioni di carbonio.

Le prestazioni finali del rivestimento dipendono non solo dalle resine fluorocarboniche o acriliche, dal biossido di titanio nanometrico e dai riempitivi radiativi a infrarossi a base di terre rare, ma anche, in misura determinante, dal sistema di additivi ausiliari. Grazie alle sue proprietà esclusive, tra cui la solubilità sia in acqua fredda che calda, la gelificazione indotta termicamente, il comportamento di fluidificazione al taglio e l’autoassemblaggio tramite deboli legami idrogeno, l’idrossipropilcellulosa (HPC) si distingue come l’additivo a base di etere cellulosico preferito per rivestimenti radiativi di alta qualità che non richiedono alimentazione elettrica.

Punti critici nella formulazione dei rivestimenti per il raffreddamento radiativo passivo (perché è necessario l'HPC)

Un sistema standard di rivestimento rinfrescante a base acquosa e senza consumo di energia elettrica è costituito da un’emulsione filmogena, nanoparticelle altamente riflettenti, riempitivi radianti agli infrarossi, agenti bagnanti e disperdenti, antischiuma, addensanti e agenti di ritenzione idrica. Il settore è comunemente afflitto dalle seguenti sfide:

1. Il biossido di titanio nano, la silice ultrafine e i riempitivi a base di terre rare presentano un’elevata densità, che ne favorisce la sedimentazione e la delaminazione a riposo, compromettendo la riflettanza ottica;

2. Una viscosità eccessiva provoca difetti a buccia d’arancia durante la spruzzatura ad alta velocità e la verniciatura a rullo, mentre, una volta arrestata l’attrezzatura, si verifica il colamento;

3. La formazione instabile dei pori e le strutture irregolari dei micropori chiusi riducono direttamente l'emissività nell'infrarosso;

4. Il rivestimento perde rapidamente acqua se esposto alla forte luce solare all’aperto, causando la formazione di crepe e una scarsa resistenza agli agenti atmosferici;

5. Le formulazioni di raffreddamento adattivo termoresponsive richiedono una transizione reversibile tra gli stati idrofilo e idrofobo al variare della temperatura.

Le quattro funzioni principali del HPC nei rivestimenti refrigeranti senza elettricità

1. Stabilizzare la sospensione e la dispersione per preservare le prestazioni chiave del raffreddamento ottico

• L'effetto di raffreddamento passivo si basa sulla dispersione omogenea dei nano-riempitivi. Una volta che si verificano l'agglomerazione e la sedimentazione, la riflettanza solare scenderà da un valore superiore a 95% a uno inferiore a 85%, eliminando completamente la capacità di raffreddamento passivo.
• I numerosi gruppi idrossilici presenti sulle catene molecolari del HPC si adsorbono sulla superficie delle nanoparticelle tramite legami idrogeno, formando una barriera di impedimento sterico che impedisce l'agglomerazione e la sedimentazione delle particelle;
• Si scioglie in acqua fredda formando un colloide stabile che non presenta delaminazione né sedimenti solidi anche dopo un lungo periodo di conservazione;
• Presenta una resistenza agli elettroliti superiore rispetto ai tipi CMC e HEC per formulazioni modificate ad alto contenuto di sale, rendendolo ideale per rivestimenti di raffreddamento per esterni utilizzati in aree costiere e saline-alcaline.

2. Proprietà reologiche uniche, ideali per i processi di rivestimento automatizzati

• HPC presenta un doppio profilo reologico caratterizzato dal tipico fenomeno di fluidificazione al taglio e dalla gelificazione termoreversibile, caratteristiche fondamentali per ottimizzare la lavorabilità del rivestimento:
• La viscosità diminuisce rapidamente sotto l'azione della forza di taglio durante l'agitazione ad alta velocità e la spruzzatura, garantendo un pompaggio fluido e la formazione di film uniformi e privi di pori;
• La viscosità si ripristina immediatamente una volta eliminata la sollecitazione di taglio, in modo da evitare un forte cedimento sulle pareti verticali e sulle superfici del tetto;
• Si gelifica a una temperatura compresa tra 40 e 60 °C per trattenere l'umidità nelle prime fasi dell'esposizione estiva, rallentando il restringimento e la formazione di crepe del film causati dalla perdita d'acqua e prolungando la durata di vita all'aperto.

3. Ottimizzazione della struttura microporosa per migliorare l'efficienza radiativa nell'infrarosso

• L'elevata emissività dipende dalla distribuzione uniforme dei micropori chiusi all'interno del rivestimento. Il HPC funge da struttura flessibile e stabilizzatore della schiuma nel sistema:
•  Stabilizzare le minuscole bolle d'aria durante l'agitazione ed evitare la coalescenza e la fuoriuscita di bolle di grandi dimensioni;
• Formare una rete porosa gerarchica dopo la formazione del film per aumentare l'emissività nella banda dell'infrarosso medio (8–13 μm) (fino a 0,94 e oltre);
•  Fungere da modello di autoassemblaggio per rivestimenti di raffreddamento ultrasottili a base di aerogel, al fine di realizzare strati di finitura trasparenti con strutture a cristalli liquidi colesterici per pannelli fotovoltaici e facciate continue in vetro.

4. Realizzazione di rivestimenti intelligenti termoresponsivi per il raffreddamento adattivo (orientamento all’avanguardia nella ricerca e sviluppo)

• I rivestimenti statici tradizionali per il raffreddamento continuano a dissipare calore anche in inverno, aumentando così il consumo di riscaldamento; il HPC è invece la materia prima fondamentale per i sistemi di controllo adattivo della temperatura:
• È idrofilo e trasparente alle basse temperature per trattenere il calore all’interno, mentre a temperature elevate diventa idrofobo e bianco per aumentare la riflessione solare e la dissipazione del calore infrarosso;
• Spesso miscelato con alginato di sodio per realizzare rivestimenti in idrogel a raffreddamento intelligente su pannelli fotovoltaici e superfici di carrozze, al fine di ottenere una regolazione automatica della temperatura durante tutto l'anno;
• Resiste a ripetute espansioni e contrazioni termiche e mantiene la propria efficacia anche dopo centinaia di cicli di alternanza tra temperature elevate e basse.