CORRELAÇÃO ENTRE A ENERGIA DE SUPERFÍCIE DE UMA PEL ÍCULA DE TINTA E A

PEGA DE SUJEIRA

INTRODUÇÃO

O objetivo deste estudo é aplicar a teoria de Zisman na análise da Energia de Superfície de uma película de tinta, correlacionando as características de seus respectivos valores a propriedade de pega de sujeira. A conceito é combinar resultados de ângulos de contatos de líquidos sobre uma determinada superfície de revestimento em tintas imobiliárias a fim de correlacionar através de suas características dispersiva γ d (apolar) e γ (polar) a pega de sujeira por poluição orgânica (fuligem). Medidas de energia de superfície de líquidos são relativamente simples e diretas de serem determinadas, contudo a determinação de energia de superfície de sólidos não é tão simples pois não pode ser medida diretamente, ela é calculada através de um conjunto de valores de ângulos de contato entre a interface líquido-sólido.

Zisman, em 1961, definiu energia de superfície de um sólido como sendo igual a mais alta tensão superficial de um líquido (real ou imaginário) capaz de umectar completamente a superfície deste sólido. Isto é determinado através da medida do ângulo de contato formado entre a interface do sólido com o líquido, ou uma diminuição do ângulo de contato a medida em que diminui a tensão superficial entre o líquido e a superfície sólida.

Com o auxílio desta técnica prepararmos corpos de prova revestidos com tintas imobiliárias convencionais, elastoméricas e com nano-partículas, e fizemos a medida de energia de superfície dos respectivos revestimentos, além de determinar a composição da parte dispersiva γ d (apolar) e γ (polar) . Aplicamos o conceito de afinidade de polaridade entre materiais, considerando apenas a poluição como sujeira orgânica, por exemplo a fuligem, um dos poluentes mais frequentes em nosso meio onde em tese temos nos revestimentos com maior afinidade da parte dispersiva γ d (apolar) ao monóxido de carbono (CO) presente nesta fuligem, portanto maior pega de sujeira. Estes resultados são muito relevantes porque representam um avanço no conhecimento na área de formulação de tintas que auxiliará a resolver e/ou prever problemas sem necessitar de extensos testes naturais e empíricos. TENSÃO SUPERFICIAL E A ENERGIA DE SUPERFÍCIE

Historicamente, o conceito de Tensão Superficial foi desenvolvido pela primeira vez no século XVIII e utiliza os conceitos de hidrostática para explicar a ascensão capilar e tem por definição o efeito físico que ocorre na interface entre duas fases químicas capaz de gerar camadas diferenciadas entre líquidos, modificando o comportamento da espessura de um líquido, fazendo com que os mesmos se comportem de maneiras adversas à sua convenção natural.

A Tensão Superficial é capaz de gerar uma espécie de membrana elástica na própria água, o fenômeno situa as moléculas do interior de um líquido dentro da atração multidirecional, considerando que as mesmas possam se unir às moléculas vizinhas e alterar seu comportamento superficial. As moléculas da superfície do líquido sofrem atrações laterais e internas, fornecendo uma dinâmica diferenciada entre o encaixe dos fluidos. O responsável pelo comportamento elástico, que pode ser comparado a um látex, é a falta de balanço entre forças de atração que modifica a interface destas superfícies (Figura 1).

Figura. 1 O diagrama mostra, na seção transversal, uma

agulha que está sobre a tensão superficial da água. Seu peso, Fw, faz uma força contra a superfície da água que é equilibrada pelas forças de tensão superficial da água em ambos os lados, Fs

Os efeitos da tensão superficial são variados, a partir da modificação no comportamento de líquidos

em suas condições naturais. Por causa da tensão superficial, por exemplo, podemos observar como alguns objetos mais densos que o líquido conseguem flutuar pela superfície do mesmo, mantendo-se sobre a interface e permanecendo sob a mesma, sem afundar.

O conceito de Energia de Superfície faz parte da Teoria da Termodinâmica e foi desenvolvido por Gibbs (1), na segunda metade do século XIX. Sua teoria baseia-se na interação entre uma superfície e um determinado líquido e pode ser estudada através da medida do chamado ângulo de contato θ, que é definido como o ângulo entre um plano tangente a uma gota do líquido e um plano contendo a superfície onde o líquido se encontra depositado, conforme esquematizado na (Figura 2) . Energia de superfície pode ser definida como sendo igual a mais alta tensão superficial de um líquido (real ou imaginário) capaz de umectar complemente a superfície de um sólido com um ângulo de contato de zero graus. Isto decorre da forte tendência observada do ângulo de contato diminuir tanto quanto diminui a tensão superficial do líquido sobre a mesma amostra de sólido.

Figura. 2 Definição do ângulo de contato θ entre uma gota líquida e uma

superfície plana e horizontal. Nesta figura, γS e γLV são a energia de superfície do sólido e a tensão superficial do líquido em equilíbrio com o

vapor, respectivamente; γSL é a energia da interface sólido – líquido.

Energia de superfície pode ser mais facilmente compreendida usando um líquido onde seus

átomos e moléculas do líquido podem se mover livremente procurando ocupar uma posição de menor energia potencial, ou seja, um lugar onde eles as forças (atrativas e repulsivas) agem em todas as direções estejam em equilíbrio. Por outro lado, as partículas na superfície do material experimentam apenas forças dirigidas para dentro do líquido (Figura 3) , devido a isto, as superfícies são sempre regiões de maior energia e é justamente a diferença entre as energias das espécies na superfície e no interior do material que se denomina energia de superfície ou tensão interfacial.

De acordo com o princípio da menor energia, a natureza tende sempre a um estado de mínima energia. É por esta razão, por exemplo, que uma gota de água tende à forma esférica, pois esta é a forma geométrica de mesmo volume com a menor área superficial, sendo da mesma forma, a adesão de um material sobre outro será tanto melhor quando maiores forem as energias de superfícies envolvidas.

Figura 3. Forças atuando em átomos ou moléculas no interior e na superfície de um material.

Por definição, a energia de superfície (γ ) é o trabalho necessário para se criar uma unidade de área e a unidade de medida usada é Joule (J/m 2) que equivale a 1N/m, usada para tensão superficial. O fato de que a força por unidade de comprimento equivale a energia por unidade de área, pode ser verificada através do experimento abaixo (Figura 4) , pelo comportamento de uma película de sabão em uma moldura de arame, que pode ser puxada. Sendo que a energia de superfície (γ ) é a tensão superficial do sabão-ar que gera força f=2γ l necessária para manter em repouso a peça móvel do arame (há duas superfícies do sabão-ar que resistem a F. A de superfície é a energia necessária para aumentar a área superficial. Se o arame for movido para direita de uma distância dx , será a área 2.l.dx às custas do trabalho f.dx (2). A tensão superficial será, portanto:

(1) Josiah Wiliard Gibbs (1839 – 1903), físico norte-americano pioneiro na utilização da termodinâmica para interpretar fenômenos físico-

químicos.

(2) Usualmente a letra W é utilizada para simbolizar a grandeza física trabalho. W=F*d, onde F é a força e d é a distâncias. Uma das unidades utilizadas é joule (J).

Figura 4. Forças Superfícies de Sólidos – Determinação de energia de superfície

SUPERFÍCIES DE SÓLIDOS E A DETERMINAÇÃO DA ENERGIA DE SUPERFÍCIE

Os estudos de energia de superfície de sólidos por métodos de molhabilidade envolvem a medição

de ângulos de contato entre diversos líquidos, de tensão superficial conhecida, e a superfície do sólido.

Para determinar a componente dispersivaγ d (apolar) e polar γ (polar) , da energia de superfície do sólido, fazem-se agora medições de ângulos de contato com líquidos apolares e polares (Figura 5) .

Molhabilidade parcial

Superfície Hidrofílica

Maior / Menor energia de superfície

Água em vidro (10 a 150) Água em PMM (740) CH2l2 em teflon (85 a 880)

Não há molhabilidade

Superfície Hidrofóbica

Menor / Maior energia de superfície

Água em teflon (110 a 1180) Água em polipropileno (1080) Mercúrio em vidro (1480) Glicerina na parafina (950)

Molhabilidade total

Superfície Super

Hidrofílica

Maior energia de superfície

Hexano em polietileno Água em ouro

Totalmente não molhável

Superfície Super

Hidrofóbica

Menor energia de superfície

1800 Não é possível com a gravidade

Figura 5. Ângulos de contato de líquidos apolares e polares para determinação de energia de superfície TEORIA DE ZISMAN

Talvez, a definição de energia de superfície mais largamente utilizada é a atribuída a Zisman. W. A Zisman, em 1961, definiu energia de superfície de um sólido como sendo igual a mais alta tensão superficial de um líquido (real ou imaginário) capaz de umectar complemente a superfície do sólido com um ângulo de contato de zero graus. Isto decorre da forte tendência observada do ângulo de contato diminuir tanto quanto diminui a tensão superficial do líquido sobre a mesma amostra de sólido. A conhecida equação de Young, assumindo que a influência do vapor sobre a superfície do sólido é negligenciável, isto é, π = 0, mostra que:

θγγγ cosLSLS +=

Infelizmente, da equação acima somente γL e θ são medidos experimentalmente e, para contornar o problema da determinação dos outros componentes da equação de Young, Zisman e seus colaboradores plotaram valores de cos θ versos γL para uma serie homóloga de líquidos sobre um dado sólido e encontrou que, geralmente, obtêm-se uma linha reta e introduziu o conceito de tensão superficial crítica de molhamento (γC). Esta quantidade empírica é definida como o valor da tensão interfacial líquido/vapor que intercepta o eixo horizontal no gráfico cos θ versos γL, isto é, cos θ = 1. De acordo com a teoria de Zisman, este valor (tipicamente expresso na unidade mN/m ) é igual à energia de superfície do mencionado sólido.

Abaixo um exemplo de aplicação desta teoria, consideremos os seguintes dados de ângulo de contato, os quais foram obtidos, por vários líquidos, sobre uma superfície não tratada de polietileno de baixa densidade:

Líquido em teste Tensão Superficial (mN/m) Ângulo de Contato Polietileno

n- pentano 15,4 0

n-hexano 18,4 0

n-heptano 19,9 0

n-octano 21,3 0

n-decano 23,8 18,5

Ciclohexano 25,5 28,2

n-tetradecano 26,4 32,1

Tolueno 28,4 38,7

Álcool benzílico 39,0 63,7

Etileno glicol 47,7 81,1

Tabela 1. Tensão superficial e ângulo de contato do polietileno

O gráfico de Zisman abaixo (baseado nos dados acima) mostra que polietileno tem uma energia de superfície de 22,8 mN/m . A confiança neste valor vem na forma do coeficiente linear (r2) para a linha que extrapola ângulos de contato > 0 para cos θ = 1 (θ = 0). Para os dados acima se obteve r2 = 0,999.

Gráfico 1. Zisman sob uma superfície de polietileno de baixa densidade

Outro exemplo de aplicação da teoria de Zisman, superfície polimérica de poli (metil metacrilato) e os seguintes ângulos de contatos foram encontrados pela série de líquidos abaixo.

Líquido em teste Tensão superficial (mN/m) Ângulo de Contato poli (m etil metacrilato)

n-hexano 18,4 0

n-heptano 19,9 0

n-octano 21,3 0

Ciclohexano 25,5 0

n-tetradecano 26,4 0

Tolueno 28,4 0

Nitrometano 36,5 16,5

Benzoato de metila 37,2 3,9

Álcool benzílico 39,0 15,1

Etileno glicol 47,7 46,7

Formamida 57,0 64,1

Glicerol 63,4 61,5

Água 72,8 75,6

Tabela 2. Tensão superficial e ângulo de contato do poli (metil metacrilato)

Surface energy 22,8 m/Nm

Abaixo o gráfico correspondente aos dados mostrados acima. Pelo gráfico verifica-se que o valor de energia de superfície do poli (metil metacrilato) é 35,0 mN/m , contudo, o fator de confiança, medido através do coeficiente linear (r2 = 0,9467) não é significativamente alto.

Gráfico 2. Zisman sob uma superfície de poli (metil metacrilato)

A teoria de Zisman não se aplica tão bem ao poli (metil metacrilato) como o polietileno devido à funcionalidade Acrilato na estrutura do polímero metacrilato. Interações dipolo-dipolo e mesmo ligações de hidrogênio são possíveis entre muitos dos líquidos em teste no poli (metil metacrilato). Em ciência de superfície estas interações são referidas como interações polares e essas são muito mais fortes do que as interações dispersiva γ d (apolar) (tipo Van der Waals), as quais surgem em superfícies completamente hidrofóbicas tais como polietileno.

Visto que superfícies de poli (metil metacrilato) são capazes de interações com líquidos do tipo γ (polar) e cada líquido do conjunto escolhido possui diferentes potenciais para interações γ (polar) o método de Zisman se torna uma ferramenta inadequada.

Em geral a teoria de Zisman funciona melhor para superfícies não-polares γ d(apolar) , como polietileno e polipropileno sendo que outras superfícies poliméricas podem também ser estudadas através da teoria de Zisman, contudo se a superfície é significativamente γ (polar) o método de Zisman se torna inadequado. Outras superfícies poliméricas que possuem heteroátomos demonstrarão características γ d (apolar) , como por exemplo as poliamidas, poliéster, poliacrilatos, policarbonatos etc.

A teoria de Zisman é inadequada para superfícies como vidros, cerâmicas, metais e isto se deve ao fato por ser um modelo monoparamétrico pois entende-se que a energia de superfície é caracterizada por somente um único valor, a tensão superficial do líquido e não leva em conta interações superficiais especificas líquido/sólido.

TEORIA DE FOWKES

A teoria de Fowkes funciona muito bem para superfícies de polaridade moderada onde descreve a Energia de Superfície de um sólido como sendo composta de dois componentes, sendo as componentes dispersiva γ d (apolar) e a γ (polar) . Do ponto de vista matemático as teorias de Zisman e Fowkes são semelhantes, sendo que a principal diferença é a abordagem do fenômeno do estudo das componentes. A teoria de Fowkes está baseada em três equações fundamentais, as quais descrevem interações entre o líquido e a superfície do sólido, como seguem:

Equação de Young

θγγγ cosLSLS +=

Onde: γL = Tensão superficial do líquido

γSL = Tensão interfacial entre o sólido e o líquido

θ = Ângulo de contato entre o líquido e o sólido

Surface energy 35 ,0 m/Nm

Fowkes também desenvolveu uma teoria para trabalho de adesão entre sólido e líquido somando as

influências de interações das componentes dispersiva γ d (apolar) e γ (polar) entre as duas fases.

( ) ( ) ( ) ( )[ ]21

21

21

21

2 PS

PL

DS

DLSLW γγγγ ⋅+⋅=

Onde:

WSL = Trabalho de adesão por unidade de área entre o líquido e a superfície do sólido γL

D = Componente dispersiva apolar da tensão superficial do líquido γL

P = Componente polar da tensão superficial do líquido

Essas equações são combinadas para formar a equação primaria da teoria de energia de superfície de Fowkes:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )2

1cos21

21

21

21 +

=⋅+⋅θγγγγγ LP

SPL

DS

DL

A primeira etapa para determinação da energia de superfície de sólidos usando a teoria de Fowkes é testar o ângulo de contato com um líquido que tenha somente a componente γ (polar) em sua tensão superficial, isto é, um líquido para o qual γL

P = 0, para que se tenha γLD = γL. Neste caso, a equação

primária se reduz a:

( )4

1cos 2+=

θγγ LDS

Sendo γSD pode ser calculada diretamente do ângulo de contato obtido.

A segunda etapa é testar o sólido por ângulo de contato usando líquido que tenha tanto a

componente dispersiva γ (polar) em sua tensão superficial. Conhecendo os valores de ambas

componentes da tensão superficial, o ângulo de contato que do líquido sobre o sólido, e γSD (calculado

segundo a equação acima), torna-se simples a determinação de γSP através da equação primária:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )2

1cos21

21

21

21 +

=⋅+⋅θγγγγγ LP

SPL

DS

DL

Sendo que γSP é a única incógnita.

A energia de superfície global γS é calculada: γS

= γSP + γS

D Tipicamente, a teoria de Fowkes é aplicada usando dados de ângulo de contato de dois líquidos:

Líquido γL D γL

P γL (mN/m)

Água 26,4 49,2 75,6

Diiodometano 50,8 2,8 53,6

Tabela 3. Tensão superficial dos Líquidos γL D (Diodometano) e γL

P(Água)

Superfície Ângulo de contato Energia de Superfície (mN/m) Dyn /cm

Água Diodometano γSD γS

P γS γC

Poli (cloreto de vinila) 87 36 40,0 1,5 41,5 39

Polivinil fluoreto 80 49 31,3 5,4 36,7 28

Politetrafluoretileno 108 88 12,5 1,5 14,0 18,5

Poli etileno tereftalato 81 38 37,8 3,5 41,3 43

Poli metilmetacrilato 80 41 35,9 4,3 40,2 39

Nylon 6-6 70 41 34,1 9,1 43,2 46

Poliestireno 91 35 41,4 0,6 42,0 43

Parafina 108 66 25,4 0,0 25,4 23

Tabela 4. Tensão superficial e ângulo de contato em diversas superfícies

A teoria de Fowkes pode, alternativamente, ser usada com múltiplos líquidos tendo somente a componente dispersiva, bem como líquidos que têm ambas as componentes, linearizando a equação primária em cada caso. Contudo, na prática, é muito difícil encontrar líquidos que possuam somente a componente dispersiva a fim de torná-la útil.

A teoria de Fowkes é particularmente adequada para estudar modelos de adesivos e solucionar problemas de recobrimentos, muitos químicos formuladores utilizam esta ferramenta para caracterizar a energia de superfície de substratos, bem como as componentes da tensão superficial por esse modelo. Igualmente é possível determinar a energia entre adesivo ou recobrimento pela própria definição de trabalho de adesão de Fowkes (WSL).

A definição de energia de adesão de Fowkes prevê que ocorrerá intensa adesão em substratos, com um dado percentual de energia de superfície, for umectada com adesivo ou recobrimento de mesma polaridade. O método de Fowkes, portanto, fornece elementos para um guia confiável de tratamento de substratos e decisões visando modificações de adesivos ou recobrimentos a fim de obter aderência em determinados substratos.

No exemplo do poli (metil metacrilato), o ângulo de contato para Diiodometano medido é θ 53,60 e

usando este valor para calcular a componente dispersiva da energia de superfície, obtém-se γSD = 32,2

mN/m. Usando este valor, o ângulo de contato para água sobre este mesmo sólido, acha-se θ 75,60 e, a

componente polar para a energia de superfície será γSP = 5,7 mN/m . Comparando com os resultados

obtidos pela teoria de Zisman onde as melhores interações são somente entre os líquidos e superfícies

não-polares, sua teoria não nos permite o cálculo das componentes dispersivas γSD e γS

P, fornecendo

somente a energia de superfície total γS (mN/m) . Conclui-se então que o modelo de Fowkes, avalia perfeitamente a superfície do poli (metil metacrilato) e requer menos experimentos para obter o mesmo resultado.

PEGA DE SUJEIRA POR FORÇAS DE VAN DER WAALS

Quando falamos de pega de sujeira em película de tinta arquitetônica por afinidade da parte γ d (apolar) ao monóxido de carbono (CO) presente nesta fuligem a mesma não é removida facilmente (chuvas) pelo fato da energia de ligação existente entre ambas, essa energia se dá através da ligação interatômica mais fraca, isto é, com menor energia de ligação, é a chamada ligação de Van der Waals .

Ela ocorre entre átomos neutros, átomos de gases nobres (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn), entre moléculas não-polares e, de forma geral, em todos os líquidos e sólidos. Entretanto, ela somente tem importância quando não existem outros tipos de ligações químicas presentes. As ligações de Van der Waals são mais fracas que as ligações intermoleculares de moléculas polares, como o HCl que não formam ligações de hidrogênio. Ligações de tipo Van der Waals são também mais fracas que as ligações intermoleculares entre uma molécula apolar e outra polar, pois a molécula polar induzirá polaridade na molécula apolar.

Estas observações não devem reduzir a importância do fenômeno da teoria de Van der Waals, pois com esta teoria é possível descrever um grande número de fenômenos físicos, tais como os fenômenos de superfície. As ligações de Van der Waals são também importantes na determinação da estrutura e de propriedades de polímeros naturais e biológicos e são, muitas vezes, suficientemente fortes para determinar os arranjos finais de grupos de átomos nos sólidos. O carvão ativado que será utilizado no teste de laboratório como o contaminante (fuligem), é o resultado das forças atrativas chamadas Van der Waals em função da adsorção física, cujos níveis de energia são próximos entre o contaminante e a superfície (película de tinta arquitetônica). DETERMINAÇÃO DE ENERGIA DE SUPERFÍCIE

Determinaremos a energia de superfície em película de tinta arquitetônica através do equipamento

a equipamento Drop Shape Analyzer – DSA100S. Procedimento de preparação de corpos de prova:

� Estender 3 filmes de tinta para cada amostra de tinta com auxílio de um extensor de barra de 600 mµ, em uma placa de vidro 10cm x 10cm x 0,5 cm.

� Manter o corpo de prova em sala climatizada (25 ± 2 ℃ e umidade relativa 50 ± 5%) por 7 dias.

Cálculo da Tensão superficial dos líquidos: � Ajustar o ângulo do equipamento para 0º; � Selecionar o líquido que será usado no teste (água e posteriormente diiodometano); � Ajustar: foco, zoom e iluminante do equipamento; � Medir a espessura da agulha, com auxílio de um micrômetro; � Informar o valor da espessura da agulha no setting do equipamento e em seguida dosar uma

quantidade do líquido, a fim de que se forme a maior gota possível, na agulha da seringa; � Calcular a tensão superficial do líquido; � Repetir o mesmo procedimento com uso do diiodometano;

Cálculo do ângulo de contato na superfície da pelíc ula: � Ajustar o ângulo do equipamento para 2º; � Selecionar o líquido que será usado no teste (água e posteriormente diiodometano); � Posicionar o corpo de prova (com tinta aplicada na placa de vidro), no equipamento; � Uma vez que a seringa com água destilada já esteja posicionada no suporte do equipamento dosar

aproximadamente 20 ml na superfície da tinta (volume de uma gota de água); � Ajustar: foco, zoom e iluminante do equipamento (a gota deve ser entre 1/3 e 2/3 da tela do

equipamento); � Manter o baseline fixo (abaixo da gota) e posicionar os demais baselines entre a gota; � Selecionar a opção “magnification”, coletar o valor de ângulo de contato e os valores de tensão

superficial dos líquidos, parte γ d (apolar) e parte γ (polar) da tensão superficial dos líquidos; � Repetir o mesmo procedimento com uso do diiodometano;

RESULTADOS

Líquido γL D γL

P γL (mN/m)

Água 19,9 52,2 72,1

Diiodometano 47,4 2,6 50,0 Tabela 5: Tensão superficial dos Líquidos γL

D (Diodometano) e γL P(Água)

Revestimento γSD γS

P γS (mN/m)

Película propriedade: Nano-Sílica 2,6 71,8 74,4 Película propriedade: Acrílica

Película propriedade: Elastomérica

22,9 26,9

29,1 9,3

52,1 36,1

Tabela 6: Resultado de energia de superfície

DETERMINANDO A PEGA DE SUJEIRA NA SUPERFÍCIE DE UMA PELÍCULA DE TINTA ARQUITETÔNICA

Carvão ativado será utilizado como fonte de contaminação para este método, sendo o mesmo pulveriverizado manualmente sobre a superfície do corpo de prova. Passados 10 minutos após aplicação, o do corpo de prova será lavado com água com o volume de água requerida. A redução no valor da reflectância Y(%) determinará a resistência à sujidade da película de tinta arquitetônica.

PROCEDIMENTO

� Estender 3 filmes de tinta para cada amostra de tinta com auxílio de um extensor de barra de 600 mµ, em uma placa de vidro 10cm x 10cm x 0,5 cm;

� Manter o corpo de prova em sala climatizada (25 ± 2 ℃ e umidade relativa 50 ± 5%) por 7 dias; � Medir os valores médios iniciais de reflectância Y em 3 diferentes pontos do corpo de prova; � Pulverizar uniformemente o carvão ativado na superfície do corpo de prova em posição horizontal e

mantê-lo durante 2 horas;

� Adicionar 15 litros de água potável no reservatório, abrir a válvula com uma vazão de 1 litro / minutos;

� Durante a lavagem, mover o corpo de prova para se certificar de toda área esteja sendo lavadas; � Manter corpo de prova secar por 24 horas em sala climatizada (25 ± 2 ℃ / umidade relativa 50 ±

5%); � Medir os valores de reflectância Y em 3 diferentes pontos do corpo de prova; � Repetir esse procedimento nos 3 corpos de prova e tirar a média dos valores de reflectância Y(%);

CÁLCULO O método de pega de sujeira resistência à sujidade do revestimento é expressa como:

X = 100 × (A-B) / A

A: O valor inicial da reflectância Y antes o teste de pega de sujeira; B: O valor final da reflectância Y após o teste de pega de sujeira; X: A redução na reflectância Y(%); Considerar o resultado a média Y valor da reflectância dos 3 corpos de prova,

Figura 6. Aparelho de lavagem

RESULTADOS

Revestimento X Redução da reflectância Y(%);

Película propriedade: Nano-Sílica 15,26 Película propriedade: Acrílica

Película propriedade: Elastomérica

22,75 53,92

Tabela 7: Resultado de energia de superfície

FOTOS

1: Reservatório de água; 2: Saída de água com diâmetro interno de 8 milímetros; 3: Suporte 450 do corpo de prova; 4: Corpo de prova;

Figura 7. Corpos de prova antes da pulverização do carvão ativado

Figura 8. Corpos de prova depois da pulverização / lavagem do carvão ativado

DETERMINACÃO PRÁTICA DE PEGA DE SUJEIRA NA SUPERFÍCIE DE UMA PELÍCULA DE TINTA ARQUITETÔNICA

Com o objetivo de correlacionar a teoria e a prática, aplicamos os mesmos revestimentos de tintas imobiliárias convencionais, elastoméricas e com nano-partículas, para exposição em ambientes externos em grandes centros comerciais como por exemplo São Paulo – Capital, onde a concentração de fuligem fonte monóxido de carbono (CO).

Com 3 meses de exposição as películas de tintas dos revestimentos submetidos a testes apresentam os mesmos resultados dos ensaios de pega de sujeira com carvão ativado em menor intensidade, reforçando a tese que nos revestimentos de maior afinidade a energia de superfície com parte dispersiva γ d (apolar) apresentarão maior pega de sujeira. FOTOS

Película propriedade : Acrílica Película propriedade : Nano-Sílica Película propriedade : Elastomérica

Película propriedade : Acrílica Película propriedade : Nano-Sílica Película propriedade : Elastomérica

Figura 9. Corpos de provas – exposição natural – 3 meses

COEFICIENTE DE ABSORTÁNCIA RELACIONADO A RADIAÇÃO S OLAR

As edificações de cidades grandes sofrem interferência de fontes de calor internas (aparelhos elétricos ou térmicos) e de fontes externas como a radiação solar, chuvas e ventos. Como principal fonte de interferência externa, tem-se a radiação solar que quanto maior o grau de incidência, maior será a energia gerada, podendo alterar a temperatura da superfície externa e interna do ambiente. Revestimentos e tratamentos industriais podem ajudar a diminuir o impacto da radiação solar incidida nas superfícies. Neste caso, a pintura é uma solução muito utilizada e quanto mais clara ou como menor constante de luminosidade, melhor refletirá a luz solar, ou seja, menor será a quantidade de energia absorvida por aquela superfície.

A cor, em superfícies que recebem radiação solar, pode ser utilizada para minimizar ou acentuar sensações térmicas. O conforto térmico de edificações com pintura em cores escuras e intensas, por exemplo, pode ser relacionado com a irradiação solar que é absorvida durante o dia e que passa a ser armazenada no interior da edificação durante a noite, já que a energia dissipada em cores escuras é menor do que a energia absorvida por elas.

Cores com alto coeficiente de refletância podem ajudar na diminuição de energia elétrica e energia para o condicionamento de ar, que em regiões quentes, se faz necessário para ambientes que recebem exposição diária as radiações solares. Conforme dados retratados na resenha mensal do mercado de energia elétrica, em maio, o consumo de energia nas residências brasileiras caiu 2,5% e no setor de comércio e serviços cresceu 0,5% em relação ao mesmo mês do ano passado, atingindo 10.610 GWh e 7.296 GWh, respectivamente. Esse declínio no consumo de energia elétrica se deu primeiramente pela queda de temperaturas, ou seja, o consumo de condicionamento de ar diminuiu e pelo aumento das tarifas energéticas instituídas no começo desse ano de 2015.

A tendência é que nos meses mais quentes o consumo de energia elétrica cresça proporcionalmente e cada vez mais a população busque alternativas para minimizar os efeitos térmicos levando em consideração o custo mais baixo e soluções que contribuam para que futuramente o pais não sofra com possíveis faltas de energia elétrica oriunda de hidroelétricas que por sua vez utilizam a água como principal fonte de geração de energia. A influência da radiação solar em superfícies está relacionada ao processo de troca térmica e transferência de calor. Para a energia radiante o espectro eletromagnético abrange sua teoria, sendo a distribuição da intensidade da radiação eletromagnética com relação ao seu comprimento de onda ou frequência.

Película propriedade : Nano-Sílica Película propriedade : Acrílica Película propriedade : Elastomérica

Figura 10. Espectro eletromagnético

Considerando todo o espectro eletromagnético, a luz é o intervalo em que o sistema visual pode

detectar. Sendo assim, a energia radiante depende do comprimento de onda e frequência ao longo de todo o espectro.

λ=c/f , sendo λ energia radiante, c o comprimento de onda e f a frequência.

Para o espectro solar, a radiação incidente na terra é oriunda de três fontes, ultravioleta, visível e infravermelho e esse espectro, em sua teoria, tem como base o espectro eletromagnético. A absortância é uma propriedade termofísica que interfere na condução de calor em uma superfície, sendo o quociente da taxa de radiação solar absorvida por uma superfície pela taxa de radiação solar incidente sobre esta mesma superfície. Superfícies opacas absorvem uma parte de energia e refletem outra.

α+ρ=1, sendo α a absortância e ρ refletância

Para definir cores claras, médias e escura, utilizamos o conceito de luminosidade, eixo colorimétrico do espectro CIE L*a*b*, e é utilizado para referenciar as cores em um espaço de cor RGB, em um modo mais intuitivo e compreensível ao olho humano e como forma de medição, temos:

Cores Luminosidade α Absortância

Claras 100% a 70% 0,3 Médias Escuras

70% a 40% 40% a 0%

0,5 0,7

Tabela 8: Luminosidade x Absortância

Como forma de visualização o sistema CIEL*a*b* compõe constantes que indicam luminosidade, saturação e tonalidade, além das cores vermelho, verde, azul e amarelo. Essas constantes são denominadas por: H = tonalidade; C = saturação; L* = luminosidade; a* = verde/vermelho; b* = amarelo/azul.

Figura 11. Sistema CIE L*a*b*

Portanto cores com alta luminosidade, ou seja, L positivo são cores que sofrem menor influência no

aumento de temperatura quando a radiação solar é incidente em uma superfície, já as cores escuras, como o preto por exemplo, são as cores que sofreram maior influência no aumento da temperatura, tendo

sua refletância inferior a 40% comparado com cores claras que têm sua refletância em torno de 70% ou superior.

A luminosidade e tonalidade estão ligadas ao fato de maior ou menor absortância de radiação a luz solar, um fato relevante quando estudado superfícies externas é a pega de sujeira, ou seja, quanto mais a superfície adsorver sujeira maior será sua constante de luminosidade e consequentemente menor será sua refletância da irradiação solar, que será inversamente proporcional a absortância da mesma radiação, portanto quanto mais suja a superfície, maior será a sensação de calor e nesse contexto, superfícies com menor adsorção de sujeira.

CONCLUSÃO

Este estudo demonstra a efetividade da correlação da teoria de Zisman na análise da energia de superfície a pega de sujeiras orgânicas (fuligem) a superfície de uma película de tinta que possui menor energia de superfície composta preponderantemente pela sua parte dispersiva γ d (apolar) , impactando diretamente a redução da reflectância Y. Portanto ao Químico – Analista que se deparar com tal propriedade na superfície da película de sua respectiva tinta, a análise de energia de superfície pela teoria de Fowkes é totalmente indicada para análise e caracterização das partes dispersiva γ d (apolar) e γ (polar) ,auxiliando a resolver e/ou prever problemas sem necessitar de extensos testes naturais e empíricos. REFÊRENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. So you want to measure surface energy? Rulison, Christopher, KRUSS Laboratory Services and Instrumentation for Surface Science, (1998).

2. W. A. Zisman, Ind. Eng. Chemical, 55, 18 (1963). 3. Relation of Equilibrium Contact angle to liquid and solid Constitution; W.A. Zisman, ACS Advances

in Chemistry Series, 43, 1-51 (1964) 4. Estimation of Surface Free energy of Polymers, D. K. Owens; R.C. Wendt, Journal of Applied

Polymer Science. 13, 1741-1744(1969). 5. Contact angle and the surface free energy of solids, Good, R.J. Surface and Colloids Science, 11,

(1979) 6. Fowkes, F.M., Industrial and Engineering Chemistry, 56, 12,40 (1964) 7. CASTRO, A.P.A.S.; LABAKI, L.C.; CARAM; R.M.; BASSO, A. Medidas de refletância de cores

de tintas através de análise espectral. In: ENCONTRO NACIONAL DE CONFORTO NO AMBIENTE CONSTRUÍDO, 6., 2001, São Pedro, SP. Anais.... Campinas, p. 285-286. CD-ROM.

8. GRANJA, A.D. Transmissão de calor em regime periódico: efeito da inércia térmica em fechamentos opacos. Campinas, 2002. 121 f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) – Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo, Universidade Estadual de Campinas.