Vernici: la formulazione perfetta c’è

Vista la grande importanza che rivestono le vernici nel mondo industriale, in questo articolo parleremo della loro formulazione, classificando gli “ingredienti chiave” e guardando oltre la semplice estetica.

L’industria delle vernici riveste un ruolo centrale nello scenario industriale chimico italiano, frammentandosi tra piccole e medie imprese. Basti pensare alle più svariate applicazioni che ricoprono (dal settore dell’edilizia a quello automotive, passando ai rivestimenti anticorrosione e all’industria del legno) per capirne facilmente il giro d’affari, che si aggira sui 500 milioni di litri all’anno, con un valore di 1.5 miliardi di euro (fonte: Istat 2019). Della produzione chimica in Italia, infatti, il settore delle vernici riguarda una fetta del 10,8% (fonte: Istat 2017).

Figura 1 – Processo di evaporazione del solvente e formazione del film per i leganti con filmazione fisica.

L’importanza di vernici e pitture

Tutto ciò che ci circonda è vulnerabile, costantemente attaccabile da numerosi agenti chimici e fisici presenti in natura o derivati da sintesi. Radiazioni solari, ossigeno, acqua in tutte e le sue forme, ossidi di azoto sono sempre presenti e, anche se non tutti visibili a occhio nudo, reagiscono e attaccano continuamente gli oggetti che ne sono esposti. Ecco che, allora, si evidenzia l’importanza di depositare sui manufatti uno strato protettivo per evitarne il degrado e la corrosione, che porterebbero, nell’arco di un tempo più o meno lungo, ad un accumulo di ruggine e macerie. Tale funzione accompagna anche quella che appare più evidente a tutti, ossia l’aspetto cromatico ed estetico, che maggiormente viene associato nell’uso comune alla parola “vernice” e/o “pittura”.

Ma cos’è un prodotto verniciante? Secondo la norma EN 974 viene definito come “una miscela di prodotti chimici che, applicata in una o più mani, forma una pellicola solida dotata di resistenza meccanica e chimica, tale da proteggere il supporto dall’aggressione di agenti fisici e chimici presenti nell’ambiente e dotata di caratteristiche tali, per quanto riguarda il colore, l’aspetto, il tatto e l’uniformità, da mutare l’aspetto estetico del manufatto verniciato”. Si tratta, perciò, di un prodotto in forma di pasta, liquido o solido che applicato ad un substrato forma un film protettivo, decorativo, eventualmente in aggiunta ad altre proprietà particolari volute.

Nel linguaggio comune si utilizza spesso il termine “vernice” come sinonimo di “pittura”, ma da un punto di vista funzionale è bene fare la seguente distinzione:
– pitture: prodotti contenenti pigmenti che producono un film non trasparente, che maschera il supporto, modificandone l’estetica;
– vernici: prodotti trasparenti o semitrasparenti che dopo l’applicazione producono film che lascia visibile il supporto esaltandone, a volte, l’aspetto senza alternarne le sue caratteristiche estetiche.

I componenti principali di un prodotto verniciante sono essenzialmente: solventi, additivi volatili e non, leganti polimerici (o precursori), pigmenti e cariche.

I leganti, componenti base del film con funzione di protezione e adesione, sono macromolecole o loro precursori in grado di formare un film per assicurare l’adesione sul supporto da verniciare, legare cariche e pigmenti e fornire un’adeguata durata nel tempo. I leganti polimerici sono classificabili principalmente in termoplastici e termoindurenti. I primi formano film per semplice evaporazione del solvente (o mezzo disperdente con successiva coalescenza delle particelle polimeriche), vedi Figura 1. Le proprietà del film derivante sarà una conseguenza della struttura chimica e massa molecolare del polimero, oltre al tipo di forze presenti tra le catene dello stesso. Nel caso dei leganti di tipo termoindurente, invece, dopo l’evaporazione del solvente, la formazione del film avviene per reazione chimica di reticolazione ad alte temperature o con la presenza di opportuni catalizzatori, assicurando elevate proprietà meccaniche. I leganti termoindurenti, a differenza di quelli termoplastici, permettono di ridurre il quantitativo di solventi utilizzati, dato che si tratta di polimeri a più bassa massa molecolare con gruppi funzionali reattivi, un fattore importante per l’impatto ambientale. Tra i leganti polimerici è necessario ricordare, inoltre, diverse resine (acriliche, alchiliche, epossidiche, poliuretaniche, amminiche e fenoliche) e olii siccativi, utilizzati con diverse percentuali che si sono evolute e modificate nel tempo, andando negli ultimi anni verso un aumento nell’uso di resine acriliche, epossidiche e poliuretaniche. I diversi leganti, chiaramente, troveranno impieghi differenti e risponderanno con resistenza chimica e agli agenti atmosferici in modo diverso. Possono rendere la superficie trattata idrorepellente o traspirante e l’aspetto estetico potrà essere lucido, opaco o satinato. Gli olii siccativi, derivati da composti naturali di origini vegetale e animale, sono esteri della glicerina con diversi acidi grassi, noti come trigliceridi. Il loro processo di essiccamento prevede una reazione di ossidazione, per esposizione all’aria del sottile strato di film applicato, che assorbe ossigeno fino al 20-30% in peso. La reazione procede con formazione di radicali a partire dai doppi legami dell’acido grasso, per la presenza di O2, fino ad avere una vera e propria polimerizzazione. Ma, essendo la reazione piuttosto lenta (tempo > 48 ore), vengono aggiunti acceleranti per incrementare la velocità di scomposizione degli idroperossidi formati, e considerando che i legami esterni vengono facilmente idrolizzati dall’umidità e saponificati dalle basi, nel corso sono stati gradualmente abbandonati. Le resine alchiliche, al contrario, costituiscono il polimero più usato nel campo di vernici e pitture. Ottenute per reazione di condensazione tra acidi bicarbossilici e alcoli polifunzionali (modificati per transesterificazione con trigliceridi), consentono di avere elevata lucentezza, resistenza agli UV e al calore, mantenimento del colore, ma durata inferiore ai poliesteri e poliuretani. Generalmente trovano applicazione in edilizia e “fai da te” o per smalti di rapida essiccazione, formano film flessibili, ma poco duri e aumentando il contenuto in olio è possibile aumentare la brillantezza e la distensione del film (aumentando per contro la tendenza ad ingiallire nel tempo). Le resine acriliche sono molto diffuse grazie alla loro inerzia chimica, dovuta alla stabilità della catena polimerica e della struttura acrilica e metacrilica presente, che conferisce elevata stabilità idrolitica e fotochimica. Sono usate, perciò, con successo nel settore automobilistico e degli elettrodomestici, apportando resistenza alle variazioni di temperatura e stabilità di lucentezza e colorazione. Le resine poliuretaniche, molto usate oggi, sono prodotte per reazione tra poliolo, a base etere o estere, e poliisocianato, in genere aggiunto al momento dell’applicazione, in presenza di catalizzatori e opportuni additivi (bicomponenti). In alternativa, sono presenti sul mercato le resine poliuretaniche monocomponente che non necessitano di miscelazioni. In ogni caso, si ottengono film flessibili, con buona resistenza all’attacco chimico e all’abrasione, con blanda reticolazione ed essicazione che avviene all’aria tra 5 e 30 °C.

I solventi sono liquidi composti da uno o più componenti, capaci di sciogliere leganti senza modificarne le caratteristiche e dando origine a soluzioni stabili e omogenee. Sono necessari per poter lavorare i prodotti vernicianti e ne permettono l’applicazione, evaporando dopo la stesura del film. È necessario, perciò, che effettuino un’evaporazione graduale, ma abbastanza rapida, evitando bruschi raffreddamenti (formazione di condensa sulla superficie) o movimenti tumultuosi all’interno (formazione di crateri). Allo stesso tempo, la soluzione deve essere stabile, come già anticipato, per evitare che mentre si allontana il solvente ne precipiti la resina. Risulta evidente, quindi, quanto sia delicato gestire tutti gli equilibri della soluzione duran- te la formulazione delle vernici.

Gli additivi sono componenti di varia natura che impartiscono ai prodotti vernicianti particolari caratteristiche durante la lavorazione, l’applicazione o dopo l’evaporazione del solvente e ne aumentano la durata. Vengono classificati in base alla funzione svolta, ad esempio gli additivi siccativi migliorano l’essiccazione del film, quelli bagnanti aiutano il veicolo a umidificare meglio le polveri, quelli disperdenti migliorano la dispersione delle parti solide nel veicolo liquido…

Le cariche sono sali inorganici insolubili e inerti, con la funzione di fornire struttura e corpo al film prodotto (sono meno costosi dei pigmenti e spesso sono aggiunti come “riempimento”). Migliorano la distensione del film e facilitano le operazioni di livellamento e carteggiatura. Tra i più utilizzati vi sono CaCO3 (regola granulometria), silici (maggiore resistenza meccanica), talco (migliora sospensione di altri pigmenti ed è un opacizzante).

I pigmenti sono composti organici o inorganici, insolubili e presenti come fase dispersa (ad eccezione delle vernici trasparenti) con lo scopo di attribuire colore al film. Bisogna considerare che la particella di pigmento rappresenta, però, un punto di discontinuità nel film essiccato, indebolendone le caratteristiche di resistenza (meccaniche e chimiche). Diventa necessario, perciò, bilanciare opportunamente la quantità di tale polvere colorante per evitare una caduta drastica di tali proprietà, in rapporto alla capacità coprente e al costo, oltre che alla durata nel tempo. La funzione del pigmento è, infatti, anche protettiva, nei confronti degli effetti corrosivi e fa da barriera rispetto agli agenti atmosferici e UV. Esempi di pigmenti sono ossidi di titanio (color bianco), ossidi di ferro (nero, giallo o rosso).

 

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