Tutti noi conosciamo bene i materiali rifrangenti (o più correttamente retroriflettenti); negli ultimi 20 anni vi è stato un sempre più grande uso di tali materiali: dalla segnaletica stradale, all’abbigliamento ad alta visibilità, alla bordatura dei veicoli pesanti, ecc. tanto da diventare parte della nostra vita quotidiana.

Se riflettiamo su tali materiali possiamo vedere che hanno la particolare caratteristica di riflettere la luce verso fonte stessa in una ampia gamma di angoli… e non è cosa così ovvia come potrebbe apparire!

Caratteristiche fisiche

Riflessione

Ci si ponga dinnanzi ad uno specchio con una torcia elettrica tenuta ad altezza occhi e puntata verso lo specchio stesso: la luce verrà riflessa verso di noi solo se siamo in una posizione prossima alla perpendicolare allo specchio (fig. 1).

Se ci si allontana dalla perpendicolare e si mantiene la torcia puntata sullo specchio si vedrà la luce che viene riflessa allontanandosi dalla fonte (fig. 2). Si tenga presente che il raggio incidente (quello che proviene dalla torcia) e quello riflesso giacciono sullo stesso piano. Per semplificare possiamo dire che la luce si comporta come una palla da biliardo: torna verso il “lanciatore” solo se impatta sulla sponda a 90°, altrimenti rimbalza in direzione diversa, allontanandosi dal giocatore.

Indirizzando il fascio di luce verso un materiale rifrangente si ha una risposta luminosa molto evidente anche se non ci troviamo in direzione perpendicolare alla sua superficie. Se la torcia viene inclinata, ferma restando la posizione della testa, la risposta luminosa varia in modo molto marcato: la quantità di luce “riflessa” è in funzione dell’angolo di incidenza del raggio luminoso.

Rifrangenza

È allora evidente che il materiale retroriflettente non si comporta come uno specchio “semplice”, perché la luce torna verso l’osservatore anche per angoli diversi da 90°. È allora lecito pensare che, oltre ad un fenomeno di riflessione, accada anche altro. Infatti deve essere considerato anche un fenomeno di rifrangenza, inteso nel senso fisico: un raggio luminoso subisce una brusca deviazione quando attraversa la superficie di separazione di due mezzi trasparenti di natura diversa (si pensi alla cannuccia che appare “spezzata” quando parzialmente immersa in un bicchiere d’acqua) (fig. 3).

L’angolo di cui viene deviato il raggio incidente nel passare dall’aria al materiale trasparente in esame dipende dalle caratteristiche ottiche del materiale stesso (indice di rifrazione).

Materiali retroriflettenti

I materiali retroriflettenti (o catadiottrici) uniscono, in misura diversa, entrambe le caratteristiche sopra descritte al fine di realizzare la rilfessione di gran parte della luce incidente verso l’osservatore anche per angoli diversi da 90° (fig. 4).

Queste caratteristiche possono essere ottenute con l’impiego di:

• Sistemi monocomponenti, ottenuti con serie di prismi triedri trirettangoli (praticamente si tratta di uno spigolo di un cubo) (fig. 5);

• 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) (fig. 6).

Nel primo caso 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.

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

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 (così vuole la leggenda!) e, nel corso degli anni hanno dato origine a prodotti molto specialistici, molto resistenti e di impiego molto flessibile.

Le caratteristiche dei prodotti saranno esaminate in maggiore dettaglio in seguito.

Proprietà dei materiali retroriflettenti

Le proprietà dei materiali retroriflettenti (o, semplicemente, 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

L’angolo di illuminazione (β) è l’angolo compreso tra il fascio di luce incidente e la direzione perpendicolare alla superficie del materiale rifrangente.

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. Nel caso “pratico” è l’angolo compreso tra i fari di un autoveicolo, il materiale rifrangente e gli occhi dell’autista.

In figura 7 si è schematizzata la geometria del sistema riferendosi, per semplicità, ad un segnale a portale; è evidente che la distanza veicolo-segnale influenza in modo diretto gli angoli (maggiori distanze angoli più piccoli).

Il coefficiente areico di intensità luminosa (R’) è la grandezza che definisce il “rendimento” del materiale per unità di superficie; in pratica ci permette di valutare (per diversi angoli di illuminazione e per diversi angoli di divergenza) quanta luce (misurata in lux) riflette 1 m2 di materiale rifrangente per ogni candela (cd) di luce emessa dalla sorgente luminosa posta ad una distanza definita. L’unità di misura è, perciò, cd · lux –1 · m –2 o cd/lux·m2.

La luminanza può essere intesa come la quantità di luce che il materiale rimanda (per ogni metro quadrato di superficie) all’osservatore. L’unità di misura è  cd · m –2 o cd/ m2.

È importante collegare quanto descritto con l’applicazione reale; si immagini un segnale stradale a bordo strada: più si è lontani dal pannello e minore è la distanza verticale tra fonte di luce (faro) e osservatore e migliore è la resa, avvicinandosi la fonte di luce acquista maggiore intensità ma gli angoli aumentano di valore e il coefficiente areico diminuisce.

Le caratteristiche del prodotto vengono perciò definite in una tabella in cui compaiono gli angoli di incidenza e di divergenza, il valore del coefficiente R’ in funzione dei vari angoli e le coordinate colorimetriche del colore in esame (anche per i materiali bianchi o grigi). La valutazione del coefficiente areico di intensità luminosa viene effettuata secondo le raccomandazioni normalizzate contenute nella pubblicazione C.I.E. n.54. Le prove vengono effettuate con una luce bianca di temperatura 2856 K (illuminante normalizzato A) per le caratteristiche di retroriflessione e con una luce a 6500 K (illuminante normalizzato D65) per le caratteristiche colorimetriche.

Il prospetto 1 riassume le caratteristiche delle pellicole per segnaletica stradale di “classe 1” a normale resa luminosa (solo alcuni colori) ed è proposto come esempio di definizione delle caratteristiche dei materiali retroriflettenti. Si noti, tra l’altro, come la risposta luminosa sia influenzata dal colore del prodotto.

Più è elevato il valore di R’ e più “luminoso” è il materiale; se poi il coefficiente R’ mantiene valori elevati anche per angoli di illuminazione e divergenza elevati si parla di “grandangolarità” del materiale. Tipicamente i materiali a microprismi presentano un maggiore valore di R’ (fig. 8) ed una migliore grandangolarità.

A seconda delle caratteristiche costruttive i materiali rifrangenti possono essere di differenti colori e riflettere luce bianca o colorata.

Prodotti disponibili

I prodotti retroriflettenti sono disponibili in svariate tipologie per i più diversi impieghi:

• prodotti rigidi (a microprismi, da segnaletica): cadadiottri per autoveicoli, cicloveicoli, segnaletica stradale (paracarri e guard-rail);

• prodotti adesivi per segnaletica stradale verticale (a microsfere e microprismi): per segnaletica permanente e temporanea;

• prodotti per segnaletica stradale orizzontale (tipicamente a micrisfere) adesivi o verniciabili o colabili;

• prodotti adesivi per veicoli (a microsfere e microprismi): per livree (decorative e ad alta visibilità), per targhe;

• prodotti per abbigliamento ad alta visibilità o professionali (a microsfere o microprismi): cucibili, termoadesivi (transfer);

• prodotti per abbigliamento generico (a microsfere o microprismi): cucibili, termoadesivi (transfer);

• prodotti per la nautica (SOLAS –Safety Of Life At Sea) (a microsfere o microprismi): cucibili, termoadesivi (transfer) ed adesivi.

Per il nostro specifico interesse concentreremo l’attenzione sulle due categorie evidenziate con due distinti lavori che seguiranno successivamente.

Leonardo Ferrazzi