Lo scafo di una imbarcazione non è sottoposto unicamente ad attacchi chimici e biologici, ma deve sopportare gravosi sforzi di natura meccanica e idrodinamica. E, allora, come proteggerlo? Quali trattamenti adottare?

La corrosione dello scafo di una nave è fondamentalmente un processo elettrochimico causato da   differenze nella composizione metallica, degli stati di tensione locale e variazioni nella concentrazione di ossigeno disciolto nel fluido adiacente. In parole semplici, si verifica la dissoluzione del ferro secondo la reazione di ossidazione Fe → Fe²⁺ + 2e⁻. Gli elettroni liberati migrano attraverso il substrato metallico intatto fino al catodo, dove, in presenza di acqua di mare ossigenata, ha luogo la reazione di riduzione dell’ossigeno disciolto: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻. La combinazione degli ioni ferrosi e degli ioni idrossile produce idrossido ferroso, il quale si ossida rapidamente per formare ossido ferrico idrato, comunemente noto come ruggine. La cinetica di queste reazioni è direttamente proporzionale alla concentrazione di ossigeno disciolto, alla temperatura dell’elettrolita e alla velocità di scorrimento del fluido rispetto allo scafo, la quale garantisce un continuo apporto di reagenti. Contemporaneamente ai processi corrosivi, la superficie immersa nell’acqua marina è soggetta a un incessante processo di insediamento biologico, tecnicamente definito come biofouling, secondo cui molecole organiche come proteine e polisaccaridi aderiscono spontaneamente allo scafo. Questo strato altera la tensione superficiale e la carica elettrica del substrato, abbassando la barriera energetica per la successiva colonizzazione da parte di microrganismi, quali batteri marini e diatomee. Questi organismi unicellulari secernono sostanze in grado di modificare ulteriormente la topografia e la chimica della superficie, fornendo un substrato ideale per l’insediamento di spore e larve di altri organismi. Nell’arco di settimane, si sviluppa il macrofouling, che si differenzia in specie a guscio duro e organismi a corpo molle, come macroalghe e spugne.

Lo scafo non è sottoposto unicamente ad attacchi chimici e biologici, ma deve sopportare gravosi sforzi  di natura meccanica e idrodinamica. Il moto di avanzamento della nave genera complessi campi di pressione e regimi di turbolenza localizzata. In corrispondenza di geometrie specifiche come il bulbo di prora, la linea di galleggiamento in condizioni di zavorra e le sezioni poppiere in prossimità delle eliche, la velocità del fluido e le variazioni di pressione possono indurre fenomeni di cavitazione. L’implosione delle bolle di vapore generate dalla cavitazione produce microgetti ad altissima energia, capaci di danneggiare sia i sistemi di rivestimento protettivo sia il substrato metallico sottostante, innescando fenomeni di corrosione-erosione. Inoltre, la navigazione in fondali bassi, in aree soggette a formazioni di ghiaccio o durante le manovre di attracco, espone lo scafo a fenomeni di abrasione diretta, che rimuovono fisicamente gli strati protettivi esponendo l’acciaio nudo all’ambiente aggressivo. L’incremento della rugosità superficiale rappresenta un parametro fondamentale, poiché influenza direttamente la resistenza d’attrito. Per una nave cargo, la resistenza d’attrito viscoso costituisce la componente maggioritaria della resistenza totale all’avanzamento, potendo raggiungere l’80-90% del totale a velocità di crociera standard. Un aumento dell’altezza delle asperità superficiali, dovuto sia ai prodotti di corrosione che agli organismi incrostanti, perturba il sottostrato viscoso dello strato limite turbolento. Questo si traduce in un incremento significativo del coefficiente di resistenza d’attrito. Di conseguenza, per mantenere la velocità di progetto, il sistema di propulsione deve erogare una potenza all’asse notevolmente superiore, causando un aumento proporzionale del consumo di combustibile fossile e delle relative emissioni di gas serra.

Preparazione e trattamenti

La normativa di riferimento per la valutazione visiva della pulizia superficiale dell’acciaio è la ISO 8501-1. Questa norma codifica i gradi di preparazione, parametri operativi essenziali per garantire l’adesione chimico-fisica dei successivi cicli di verniciatura polimerica. Per gli scafi delle navi cargo, il requisito minimo standard stabilito dai produttori di vernici è il grado Sa 2.5, definito come sabbiatura molto accurata. Questa specifica impone la rimozione meccanica della calamina, della ruggine preesistente e di ogni traccia di vecchi rivestimenti. Nelle zone destinate all’immersione permanente e soggette alle sollecitazioni più intense, le specifiche tecniche dei cantieri navali richiedono frequentemente il grado Sa 3, corrispondente all’acciaio visivamente bianco, totalmente privo di contaminazioni superficiali visibili. Una pulizia accurata innalza l’energia libera superficiale dell’acciaio, ottimizzando la bagnabilità e massimizzando l’adesione all’interfaccia. Oltre al grado di pulizia visiva, la topografia della superficie trattata, misurata e classificata in conformità alla serie normativa ISO 8503, costituisce un fattore determinante per l’ancoraggio meccanico del primer protettivo. L’impatto plastico dei mezzi abrasivi genera un profilo di rugosità, la cui ampiezza picco-valle deve essere calibrata in funzione dello spessore del film di vernice previsto. Un profilo di rugosità standard per scafi navali è tipicamente compreso tra 50 µm e 75 µm, ottenuta tramite la sabbiatura abrasiva a secco. Tuttavia, le crescenti restrizioni normative inerenti alle emissioni di polveri sottili in atmosfera e allo smaltimento dei rifiuti speciali stanno accelerando l’adozione di tecnologie basate sull’Ultra-High Pressure Water Jetting (UHPWJ). Operando a pressioni superiori a 200 Mpa, l’UHPWJ sfrutta l’elevata energia di taglio generata da microscopici getti d’acqua per penetrare e disgregare i film polimerici e i prodotti di corrosione.

Nella fase di prefabbricazione, le lamiere in acciaio ad alta resistenza, una volta sottoposte a granigliatura automatica per la rimozione della calamina, vengono istantaneamente rivestite con un primer a base di silicati inorganici di zinco. L’elevato carico di polvere di zinco metallico disperso nella matrice ai silicati instaura un contatto elettrico diretto con il substrato ferroso, fornendo una protezione che preserva l’acciaio dai fenomeni ossidativi durante i mesi di stoccaggio e assemblaggio all’aperto nel cantiere navale. Lo spessore del film protettivo deve mantenersi in un intervallo compreso tra 15 µm e 25 µm. Spessori eccedenti questo stretto range comprometterebbero la successiva fase di saldatura ad arco dei blocchi navali. L’eccesso di zinco solido sublimerebbe a causa dell’intenso apporto termico dell’arco elettrico, generando gas ad alta pressione che provocherebbero porosità interstiziali all’interno del cordone di saldatura, compromettendo la resistenza a fatica dei giunti strutturali e rilasciando ossido di zinco gassoso tossico per gli operatori.

Tecnologie di rivestimento

Il fulcro della protezione dello scafo risiede nel ciclo di verniciatura, che inizia con applicazione di un primer epossidico bicomponente. Questa tipologia di primer basa sulla complessa reazione di reticolazione tra una resina epossidica, tipicamente derivata dal bisfenolo A o dal bisfenolo F, e un agente indurente a base di poliammine o poliammidi alifatiche. La reazione genera un reticolo polimerico ad alta densità, caratterizzato da un’eccellente inerzia chimica e da un’elevata tenacia meccanica. Il meccanismo di protezione primaria offerto dai primer epossidici è di natura puramente passiva, poiché la matrice polimerica agisce come una barriera che ostacola la permeazione di acqua liquida, ossigeno disciolto e ioni cloruro verso il substrato metallico. L’interfaccia tra il primer epossidico molto rigido e la successiva finitura antivegetativa richiede l’interposizione di uno strato di transizione, tecnicamente denominato tie-coat, per garantire una bagnabilità ottimale e promuovere solidi legami intermolecolari tra due matrici polimeriche. I tie-coat sono generalmente formulati miscelando resine viniliche, acriliche o epossidiche, progettate per possedere una flessibilità superiore rispetto al primer sottostante. Questa flessibilità permette al tie-coat di assorbire e dissipare le tensioni termiche e meccaniche che si generano tra gli strati durante la navigazione e i cicli di temperatura, prevenendo l’insorgenza di fenomeni di delaminazione interstrato o fessurazione microscopica.

La gestione del biofouling è demandata al rivestimento antivegetativo. Storicamente dominato dalle matrici solubili di colofonia, oggi sostituite dai copolimeri autopulenti Self-Polishing Copolymers (SPC). Il legante principale, tipicamente un polimero acrilico funzionalizzato, con rame o zinco, è appositamente sintetizzato per subire una reazione di idrolisi chimica controllata a diretto contatto con l’acqua di mare, la quale presenta un pH debolmente alcalino. Questa reazione di scissione trasforma la superficie del film in uno strato idrofilo e meccanicamente fragile, che viene progressivamente e prevedibilmente eroso dal flusso idrodinamico generato dal moto di avanzamento della nave. Questo processo di micro-erosione mantiene la topografia della superficie perennemente liscia, minimizzando la resistenza d’attrito viscoso, e assicura un tasso di rilascio costante, lineare e prevedibile dei composti biocidi inglobati nella matrice per l’intera durata operativa del rivestimento. Per le grandi navi cargo, il ciclo di vita del rivestimento deve garantire fino a 60 o persino 90 mesi di navigazione continua. I principi attivi impiegati sono primariamente composti inorganici a base di ossido rameoso, massicciamente supportati da co-biocidi organici strettamente necessari per inibire la proliferazione di specifiche specie fitoplancton e macroalghe che mostrano un’elevata tolleranza biochimica al rame.

In risposta alle normative volte a mitigare l’impatto tossicologico dei composti biocidi negli ecosistemi marini, l’industria chimica ha spinto la ricerca verso lo sviluppo delle tecnologie foul-release (FRC). A netta differenza dei sistemi SPC, i rivestimenti foul-release sono privi di tossicità e operano basandosi su elastomeri siliconici reticolati, per generare una superficie caratterizzata da un’energia libera superficiale ultra-bassa, tipicamente inferiore alla soglia dei 25 mJ/m², unita a un modulo elastico estremamente ridotto. Fornendo una superficie chimicamente inerte, eccezionalmente liscia e altamente deformabile, i rivestimenti FRC impediscono fisicamente la penetrazione degli adesivi proteici secreti dagli organismi marini. Le deboli forze di interazione che riescono a instaurarsi all’interfaccia vengono agevolmente sopraffatte dagli sforzi di taglio idrodinamici generati dall’avanzamento dello scafo al raggiungimento della velocità di crociera, provocando il distacco netto e spontaneo del fouling accumulato. Sebbene queste tecnologie offrano eccellenti prestazioni in termini di risparmio di carburante per navi veloci e caratterizzate da un’alta percentuale di tempo in navigazione, la loro efficacia decade drasticamente in condizioni di sosta prolungata in acque calde e ricche di nutrienti, proprio per la mancanza dell’azione meccanica del flusso generata durante il moto della nave.

Regolamenti Internazionali

L’architettura dei sistemi di rivestimento navale è rigorosamente vincolata da un quadro normativo in continua evoluzione emanato dall’Organizzazione Marittima Internazionale (IMO). La Convenzione Internazionale sul Controllo dei Sistemi Antivegetativi Dannosi sulle Navi (Convenzione AFS), adottata nel 2001 ed entrata in vigore nel 2008, ha sancito il divieto di utilizzare composti organostannici, specificamente il tributilstagno (TBT), precedentemente impiegato come biocida universale nei polimeri a rilascio controllato. Il divieto scaturì da evidenze scientifiche che dimostravano l’elevata persistenza del TBT nei sedimenti marini. A partire dal 2023, l’evoluzione della Convenzione AFS ha esteso il bando alla cibutrina, largamente utilizzata come co-biocida per inibire i processi di fotosintesi algale sullo scafo, ma che è stato osservato avere elevata tossicità cronica a lungo termine per l’ecosistema marino.

Parallelamente, le formulazioni chimiche dei rivestimenti protettivi sono soggette a stringenti limitazioni riguardanti le emissioni in atmosfera di Composti Organici Volatili (VOC). Le direttive ambientali impongono tetti massimi al contenuto di solventi organici. Per ottemperare a tali requisiti normativi, sono state sviluppate matrici polimeriche ad alto residuo secco, tipicamente superiore all’80% in volume, o formulazioni totalmente prive di solvente. Le direttive per la riduzione delle emissioni di gas serra hanno introdotto metriche vincolanti per l’efficienza energetica della nave, come l’Indice di Efficienza Energetica in fase di Progetto (EEDI) e l’Indicatore di Intensità di Carbonio (CII). Questi indici quantificano in modo rigoroso i grammi di anidride carbonica emessi per capacità di carico e miglio nautico percorso. Rivestimenti antivegetativi formulati con tecnologie avanzate, come i polimeri foul-release a base fluorosilonica o i copolimeri autopulenti (SPC) di ultimissima generazione, garantiscono una macro e micro-rugosità iniziale estremamente ridotta, misurabile in valori di ampiezza media frequentemente inferiori a 100 micrometri. Mantenendo il coefficiente di resistenza d’attrito al minimo, si traduce nell’abbattimento diretto del consumo di combustibile fossile, migliorando conseguentemente il rating CII della nave. Tale classificazione è divenuta oggi un parametro tecnico-legale imprescindibile per garantire la continuità operativa commerciale e la profittabilità dell’asset nel mercato marittimo.

Conclusione

La progettazione e l’applicazione dei rivestimenti per gli scafi mercantili richiedono una rigorosa preparazione superficiale, conforme agli standard ISO, indispensabile per prevenire fallimenti adesivi e blistering osmotico, seguita dall’implementazione di primer epossidici ad alto spessore che fungono da barriera passiva primaria contro la corrosione elettrochimica. La successiva integrazione del topcoat antivegetativo, sia esso un sistema idrolitico a rilascio controllato (SPC) o una matrice elastomerica a bassa energia di superficie (FRC), deve essere calibrata esclusivamente sui parametri operativi, sui tempi di sosta e sulle velocità dell’imbarcazione.

Oltre a garantire l’integrità strutturale, questi cicli costituiscono oggi un fattore determinante per la conformità normativa e ambientale della flotta. Mantenendo la topografia dello scafo al di sotto di specifiche soglie di rugosità, si ottiene un abbattimento diretto del consumo di idrocarburi, ottimizzando l’Indicatore di Intensità di Carbonio (CII). In parallelo, la transizione chimica verso formulazioni per il contenimento delle emissioni di VOC e la progressiva sostituzione dei composti tossici e bioaccumulabili, in stretta ottemperanza agli emendamenti della Convenzione AFS, segnano un cambio di paradigma volto al rispetto dell’ambiente e degli ecosistemi, in ogni fase della vita della nave.