Wykonywane na elewacjach systemy ociepleniowe wykańczane są zwykle pocienionymi wyprawami tynkarskimi. Najpopularniejsze z nich są wyprawy otrzymywane z dyspersyjnych mas tynkarskich, zaś w kolorystyce elewacji królują w większości kolory jasne, pastelowe lub o średnim nasyceniu intensywności barwy. Rzadkością są elewacja mocno granatowe, brązowe, czy też mocne odcienie szarości, a czarnych elewacji nie spotyka się zasadniczo wcale. Z czego to wynika? Z problemu nagrzewania się ciemnych kolorów i destrukcji warstwy zbrojącej oraz samej wyprawy tynkarskiej. O ile producenci systemów ociepleń radzą sobie z problemem wytrzymałości warstwy zbrojącej przez zastosowanie podwójnego zbrojenia, mocniejszych klejów, o tyle problem destrukcji wyprawy tynkarskiej czy powłoki malarskiej nie jest dotąd rozwiązany.

Problem doboru surowców

Wielu producentów próbowało wprowadzać do swoich formulacji "cool colorants", czyli pasty pigmentowe mające zadanie obniżyć temperaturę powłoki lub wyprawy fasadowej mimo jej ciemnego koloru, a także różnorodne mikrosfery (ceramiczne, szklane, polimerowe). W większości efekt zastosowania tych surowców nie dawał żadnych rezultatów po wprowadzeniu do układów i porównawczym zbadaniu z układami standardowymi.

Dlaczego? Ponieważ dla uzyskania oczekiwanego rezultatu, w tym wypadku obniżenia temperatury ciemnej powłoki lub wyprawy, nie wystarcza dodatnie cudownego środka pomocniczego, napełniacza, czy pasty pigmentowej. Jest to podstawowy problem branży farb, lakierów i tynków w sektorze technologicznym, a spowodowany został przez zalecenia i braw wiedzy dostawców surowców oraz brak wyspecjalizowanych szkoleń technologów w zakresie formułowania receptur. Zwykle gdy pojawia się jakiś problem z wyrobem to próbuje się go rozwiązać przez wymianę pojedynczego surowca, podmieniając coraz nowsze rekomendowane przez przedstawicieli handlowych. Aby osiągnąć zamierzony efekt podejście technologa musi być dużo bardziej rozbudowane, opierać się o wiedzę i doświadczenie (nie rekomendację przedstawiciela handlowego, który nie pracuje przy produkcji farb, nawet jeżeli kiedyś pracował) oraz obejmować formulację jako całość (nie pojedyncze surowce) ze szczególnym naciskiem na synergię surowców w układzie.

Prawidłowe podejście do zagadnienia nagrzewania się ciemnych powłok

Pierwszym punktem jest poznanie zjawiska, dzięki któremu powłoki i wyprawy o ciemnych barwach nagrzewają się. Ciemne kolory pochłaniają więcej energii promieniowania podczerwonego docierającego ze Słońca do Ziemi. Z kolei zdolność akumulacyjna powłoki malarskiej i wyprawy tynkarskiej powoduje, że promieniowanie podczerwone nie odbija się od niej. Technolog próbujący rozpocząć temat doboru surowców do opracowania wyrobów powłokowych, które w ciemnych kolorach będą mniej nagrzewały się niż standardowe formulacje, musi zatem wziąć pod uwagę aspekt odbijania promieniowania podczerwonego, jak również przewodności cieplnej surowców w układzie i ich zdolności akumulacyjnej. Oczywiście trzeba także wiedzieć jakie promieniowanie podczerwone powoduje nagrzewanie się elewacji (zakres pasma podczerwieni).

Dopiero kompleksowe podejście do tematyki surowców pozwala na opracowanie nowej formulacji o parametrach zgodnych z założonymi. Musi więc zostać całkowicie wymieniona dyspersja polimerowa, napełniacze, środki pomocnicze - czyli wszystkie surowce, które po uformowaniu razem powłoki malarskiej lub wyprawy tynkarskiej wykazując ze sobą synergię odbijają promieniowanie i nie akumulują ciepła mimo ciemnej barwy powłoki lub wyprawy.

Sama wymiana części napełniacza na mikrosfery lub zakolorowanie pastami "cool colorants" nie przynosi żadnego efektu, jeżeli jest wykonywane na nie zmodyfikowanej formulacji. Takie zabiegi prowadzą jedynie do dziwnych sytuacji na rynku surowców i konsternacji wśród producentów farb i tynków, gdyż oferowane im przez potęgi chemiczne surowce po prostu nie działają. One działają, tylko trzeba umiejętnie je zastosować! Niestety zamiast przeprowadzić odpowiednie modyfikacje niektórzy producenci farb i tynków proponują rozwiązanie aplikacji ciemnych kolorów na elewacjach poprzedzone podwójną warstwą zbrojącą pod wyprawą. To rozwiązanie oczywiście pomaga w zniwelowaniu naprężeń i destrukcji ciemnej elewacji, ale nie eliminuje destrukcji powłoki/wyprawy, ani nie zmniejsza stopnia nagrzania się całego układu ociepleniowego.

Badania Spektrochemu

W badaniach wstępnych aplikacji mikrosfer szklanych (próżniowych) przeprowadzonych w 2014 roku w laboratorium Spektrochemu pokazaliśmy możliwość znacznego obniżenia temperatury czarnej wyprawy tynkarskiej z 82°C (bez mikrosfer) do 64°C (wyprawa z mikrosferami). Uzyskane wyniki nie były jednak sprawą jedynie dodania mikrosfer szklanych do układu w zamian za standardowy napełniacz węglanowy. Receptura masy tynkarskiej akrylowej, w której zastosowano mikrosfery szklane próżniowe została tak zmodyfikowana, że jednymi surowcami które pozostały z poprzedniej receptury były: woda, eter celulozy i biocyd. Dyspersja polimerowa, napełniacze, odpieniacz i pozostała zawartość środków pomocniczych została całkowicie wymieniona pod kątem ich: po pierwsze synergii w układzie (efektywności dawki, kompatybilności), po drugie zdolności do akumulacji ciepła i po trzecie zdolności do odbijania promieniowania podczerwonego.



Od razu tu należy zaznaczyć, że żadne z pojawiających się rekomendacji dostawców surowców w zakresie wymiany surowców na te, które odbijają IR - nie działają. Przykro to stwierdzić, ale nie mogę uwierzyć, że ktokolwiek daje się nabrać na hasło "mika odbija promienie słoneczne", "talk ma płytkową budowę i doszczelnia"..... (sic!).

Płowienie ciemnych powłok

Wielokrotnie podkreślanym problemem na konferencjach i Seminariach Spektrochemu jest błędne rozumienie zjawiska płowienia powłok i wypraw elewacyjnych, szczególnie z udziałem pigmentów organicznych. Powszechne przekonanie na rynku głosi bowiem, że nie powinno się stosować na elewacjach pigmentów organicznych, gdyż one płowieją w wyniku oddziaływania warunków atmosferycznych. Jak wytłumaczyć zatem, że jedna elewacja z wyprawą tynkarską A w kolorze pomarańczowym (z pigmentem organicznym PO 34 i PY 74) płowieje, zaś inna, wykonana wyprawą tynkarską B innego producenta w kolorze pomarańczowym (z identycznym pigmentem PO 34 i PY 74) nie płowieje?

Wytłumaczenie jest proste dla Spektrochemu teraz, po wykonaniu kilku lat badań nad syntezami dyspersji polimerowych i po kilku latach badań starzeniowych powłok malarskich i wypraw tynkarskich sporządzonych w oparciu o różne surowce i różne formulacje. Problem leży przede wszystkim w dyspersji polimerowej, a dokładniej obecności w niej niektórych surowców po syntezie, traktowanych jako zanieczyszczenia. Chodzi tu głównie o pozostałości inicjatorów (nadsiarczanów), a także produktów rozkładu resztkowych inicjatorów. Pozostając one w dyspersji polimerowej, pozostają również w powłoce lub wyprawie tynkarskiej. W wyniku operacji promieniowania słonecznego te zanieczyszczenia są wzbudzane przez światło widzialne i stają się reaktywne wobec np. pozostałości monomerów resztkowych, zanieszczeń napełniaczy (związków żelaza, manganu, magnezu) oraz wiązań nienasyconych, które obecne są w pigmentach organicznych. Zachodzące reakcje mogą również zachodzić periodycznie i skupiać się w pośrednich etapach na interakcji z innymi surowcami pozostałymi w powłoce. Do tego wszystkie zachodzące reakcje przyspiesza promieniowanie podczerwone oraz potęguje operacja deszczu, rosy i podwyższonej wilgotności, która dodatkowo wymywa różne związki z powłoki i wyprawy elewacyjnej.

Wniosek jest jeden. Eliminując dyspersje polimerowe zawierających w swoim składzie wolne inicjatory lub pozostałości ich rozkładu można uzyskać wyprawy tynkarskie nie płowiejące. Na dowód tego przedstawiamy wyniki badań starzeniowych powłoki malarskiej elewacyjnej opartej o trzy dyspersje polimerowe styrenowo-akrylowe i dobrane do nich surfaktanty pomocnicze.

Jak widać, powłoka nr 3 w oparciu o dyspersję C posiada E*ab = 0,8, podczas gdy obydwie pozostałe 3,5 i 4,3, a więc bardzo duże zmiany). Wyniki te pokazują jasno, że nie jest problemem zastosowanie pigmentu organicznego, lecz pozostałych surowców, w których obecnie zanieszczczenia wzbudzone w powłoce przez światło słoneczne powodują reakcję końcową w postaci płowienia pigmentu organicznego (z bardzo dużą liczbą wiązań nienasyconych). W zachodzących reakcjach płowienia pigment organiczny jest niczym fenoloftaleina w środowisku zasadowym - jest wskaźnikiem, po którym widać, że zachodzą niekorzystne procesy chemiczne, a tym indykatorem w tym wypadku jest płowienie.

Pamiętać należy jednak, że dla uzyskania stabilnej powłoki pod kątem jej starzenia nie może zostać wymieniona wyłącznie dyspersja polimerowa! Jest to błąd, który może spowodować inne zmiany oraz brak widocznej poprawy parametrów powłoki. Każda dyspersja polimerowa współpracuje z dwoma środkami powierzchniowo-czynnymi: z dyspergatorami oraz odpieniaczami. Brak modyfikacji układu środków dyspergujących (ilościowo dyspergatora I-stopnia oraz jakościowo i ilościowo dyspergatora II-stopnia), jak również odpieniających może skończyć się brakiem efektu stabilności powłoki lub wystąpieniem identycznego płowienia. Do tego dodać należy, że każda dyspersja polimerowa posiada określony rozrzut wielkości cząstek. Im jest on szerszy, tym lepszy. W ślad za tym idzie zdolność do wiązania się (mostkowania przy pomocy dyspergatorów) z określoną wielkością cząstek pigmentów (bieli tytanowej, pigmentów organicznych, nieorganicznych np. żelazowych) i napełniaczy (węglanowych, dolomitowych, funkcyjnych, itp.). Niewłaściwie dobrany rozkład wielkości cząstki dyspersji do wielkości cząstki napełniaczy skutkuje zmianami wytrzymałości powłoki, zmianami lepkości, zakłóceniami stabilności w kolorowaniu, itp.

Zaawansowane know how i rozwiązania Spektrochemu

Problemy ciemnych kolorów i nagrzewania się elewacji, problemy płowienia powłok oraz wszelkie inne problemy (stabilności wyrobów w czasie, akceptacji kolorów - rub out, zmian połysku, itp.) są wynikiem niewłaściwego podejścia do zagadnień selekcji surowców, formułowania receptur, doboru dawki pod kątem efektywności działania oraz oddziaływania surowców w układzie (synergia i interakcja). Do tego często dochodzi problem niewłaściwego procesu produkcyjnego, np. produkowanie farb w jednym urządzeniu - w disolwerze, dodawanie kolejno surowców woda + środki pomocnicze + eter celulozy + napełniacze (lub napełniacze + eter celulozy) oraz niewłaściwie przeprowadzane badania laboratoryjne, m.in starzeniowe, reologiczne, wytrzymałościowe.

Rozwiązaniem jest prawidłowe podejście do zagadnienia zarówno wyszukiwania surowców, jak i ich udziału w recepturach. Wymiana pojedynczego surowca w układzie zawsze kończy się destabilizacją i jeszcze większymi problemami. Dlatego ustalając formulacje zarówno układów ograniczających nagrzewanie się elewacji jak i wszystkich innych polecamy zwrócić się do nas, jako wyspecjalizowanej jednostki badawczo-technologicznej mającej na koncie wdrożenia zaawansowanych rozwiązań w zakresie zarówno syntezy dyspersji polimerowych, jak i produkcji farb, lakierów, emalii i tynków w Polsce, Europie oraz na świecie, m.in. w Zjednoczonych Emiratach Arabskich czy Arabii Saudyjskiej. Spektrochem szkoli i edukuje technologów w obszarach poprawnej selekcji i stosowania surowców, formułowania receptur jak i prowadzenia procesu produkcyjnego oraz badań na etapie KJ jak i prac R&D. Posiadamy ogromne doświadczenie badawcze, produkcyjne i wdrożeniowe, które budujemy wspólnie z naszymi Klientami.

Pracownia badawcza Spektrochemu to laboratorium wyposażone w ultra nowoczesny sprzęt światowych firm, m.in. komory starzeniowe Q-SUN i Q-UV, aparatura do badań fizykomechanicznych firmy Defelsko, TQC, Paul N. Gardner Company, Micrometrics, instrumenty do badan optycznych, m.in. Konica Minolta, Rhopoint, a także do badań reologicznych firmy Brookfield, PolyScience i innych. Wszystkie prace badawcze prowadzone są według norm ISO, DIN, BS, ASTM oraz PN z wykorzystaniem znormalizowanych oryginalnych podłoży badawczych Rocholl i Leneta (również z wykorzystaniem mediów badawczych Leneta, np. do badań odporności na szorowanie, badań plamoodporności, retencji brudu, itp.

Badania starzeniowe wykonujemy również na stacji w Arizonie z wykorzystaniem koncentratorów światła słonecznego, dzięki którym ekspozycja 1 roku na stacji w Arizonie to około 5 lat w warunkach klimatu w Polsce. Przed i po badaniach starzeniowych, zarówno na koncentratorach w Arizonie, jak i w komorach w laboratorium Spektrochemu, wykonujemy kompleksowe badania wytrzymałościowe oraz optyczne, dzięki czemu możemy oceniać wszelkie zmiany zachodzące w powłokach i będące wynikiem oddziaływania surowców w układzie. Badaniom przed i po starzeniu podlegają oceny: przyczepności do podłoża, elastyczności, połysku, retencji zabrudzeń, udarności, współrzędnych barwy (do późniejszej oceny zmiany białości, zażółcenia, płowienia, itp.) i wielu innych. Symulacje procesów starzeniowych w komorach badawczych pozwalają na odwzorowywanie w warunkach przyspieszonego starzenia ekzpozycji powłok i wypraw na działanie promieniowania słonecznego, deszczu, rosy oraz podwyższonej wiltności (kondensacji), jak również w zależności od odfiltrowania promieniowania mogą stanowić podstawę do prowadzenia badań symulujących ekspozycję powłok wewnątrz pomieszczeń (światło przechodzące przez szybę okienną), na zewnątrz budynków, na dachach, a także w przestrzeni kosmicznej.

Mam nadzieję, że artykuł przybliżył Państwu gdzie leży problem w opracowywaniu wyrobów powłokowych, nie tylko mających zadanie ograniczanie nagrzewania się fasad oraz że przyczyni się on do bardziej świadomego podejścia w zagadnieniach selekcji surowców i opracowywaniu receptur wyrobów malarskich i tynków dyspersyjnych. W przypadku dalszych pytań zapraszam do kontaktu.

Dr inż. Artur Pałasz
specjalista technologii produkcji farb
chemik, specjalista syntezy dyspersji polimerów
fizyk kryształów, procesów dyspergowania, reologii i reometrii płynów.

Tynki i farby używane do wykańczania systemów ociepleniowych mają przeważnie jasne kolory. Stosowanie ciemnych barw wiąże się bowiem z ryzykiem zbytniego nagrzewania się elewacji, a w konsekwencji uszkodzeń spowodowanych wysoką temperaturą. Na rynku pojawiły się już wprawdzie pierwsze oferty tynków i farb elewacynnych o ciemnych kolorach, ale problem nie jest rozwiązany do końca. O tym jak jest złozony pisze dr inż. Artur Pałasz specjalista technologii produkcji farb, chemik, specjalista syntezy dyspersji polimerów, fizyk kryształów, procesów dyspergowania, reologii i reometrii płynów.

Autor: Spektrochem Paint R&D and Testing Laboratory - zobacz wizytówkę firmy