MCA Strumentazione Industriale – Guida tecnica
Caso applicativo concreto del comportamento shear-thinning. Da 100.000 mPa·s a riposo a 50 mPa·s sotto spray: come è possibile, perché serve, come si misura
Caso applicativo vernici
Una vernice industriale ben formulata è un piccolo miracolo della reologia: deve essere abbastanza viscosa a riposo da impedire la sedimentazione dei pigmenti durante mesi di stoccaggio, e abbastanza fluida sotto sollecitazione da poter essere pompata, pennellata, rullata o spruzzata senza fatica. Tra queste due condizioni la viscosità può variare di 3-4 ordini di grandezza: una vernice tipica per interni può avere 100.000 mPa·s in barattolo e 50 mPa·s nel cono di spray.
Questo enorme cambio di viscosità è il fenomeno shear-thinning: la viscosità decresce con la velocità di taglio crescente. È il comportamento standard delle vernici, ed è il motivo per cui non basta misurare un singolo valore di viscosità (coppa Ford, Brookfield) per descrivere il prodotto completo. Serve il profilo di viscosità, cioè la curva η(γ̇), per cogliere il comportamento del prodotto in ognuna delle quattro zone critiche: stoccaggio, pompaggio, applicazione, spruzzo.
Una vernice industriale è shear-thinning: la sua viscosità decresce con la velocità di taglio crescente. Il profilo di viscosità è la curva η(γ̇) che descrive tutto il comportamento del prodotto.
Le 4 zone critiche di una vernice sono:
1. Stoccaggio (γ̇ ≈ 10⁻² s⁻¹) → viscosità deve essere alta per evitare sedimentazione.
2. Pompaggio (γ̇ ≈ 10-100 s⁻¹) → viscosità governa pressione di pompa e portata.
3. Applicazione a pennello/rullo (γ̇ ≈ 100-1.000 s⁻¹) → viscosità determina spessore film e segni di pennello.
4. Spruzzo (γ̇ ≈ 10⁴-10⁵ s⁻¹) → viscosità governa atomizzazione e dimensione gocce.
Un singolo valore (coppa Ford, Brookfield) non basta. Il reometro RheoStream misura 3 punti del profilo tra 1,5 e 1.000 s⁻¹, applica il modello Herschel-Bulkley e ricostruisce tutto il profilo, fornendo anche il valore equivalente in secondi di coppa Ford via correlazione.
Il profilo di viscosità di una vernice è la curva che mostra come la viscosità apparente del prodotto varia con la velocità di taglio applicata. Si rappresenta tipicamente con un grafico in scala logaritmica: viscosità η [mPa·s] sull'asse Y, shear rate γ̇ [s⁻¹] sull'asse X. Per una vernice shear-thinning la curva ha una pendenza negativa: parte alta a sinistra (bassa γ̇), scende verso destra (alta γ̇), spesso seguendo una legge di potenza:
Per una vernice tipica n vale 0,3-0,5: significa che ogni decade di shear rate corrisponde a una riduzione di viscosità di un fattore 3-5. Da 10⁻² a 10³ s⁻¹ (5 decadi) la viscosità si riduce di un fattore 30-3.000. Per una vernice ad alta carica (smalti industriali, coil coating) la dipendenza è ancora più marcata.
Conoscere il profilo significa poter prevedere il comportamento della vernice in qualsiasi processo: dimensionare correttamente le pompe, scegliere il pennello o il rullo adatto, ottimizzare i parametri della pistola a spruzzo, prevedere la stabilità in confezione. Un singolo valore di viscosità (coppa Ford, Brookfield) non dà queste informazioni: descrive solo un punto della curva.
Le zone di shear rate critiche per una vernice si possono raggruppare in 4 fasce. A ogni fascia corrisponde una condizione di uso e un valore tipico di viscosità.
Condizione: vernice ferma in barattolo, in fusto, in cisterna IBC. Sedimentazione gravitazionale dei pigmenti.
Condizione: dopo applicazione, vernice ancora liquida sulla superficie verticale. Tendenza a fluire per gravità.
Condizione: vernice in linea industriale, durante miscelazione, durante trasferimento tra serbatoi.
Condizione: vernice spalmata manualmente o con rulli applicatori. Range tipico della coppa Ford.
Condizione: coating su rulli industriali ad alta velocità (lamiera preverniciata, packaging metallico).
Condizione: atomizzazione della vernice attraverso pistola a spruzzo, formazione gocce, deposizione su substrato.
Il reometro Fluidan RheoStream copre direttamente le zone 3 e 4 (range 1,5 - 1.000 s⁻¹, le condizioni più rilevanti per QC industriale di vernici). Dai 3 punti misurati, applicando il modello Herschel-Bulkley, si ricostruisce per estrapolazione la viscosità anche nelle zone 1, 2, 5, 6, ottenendo il profilo completo.
Vediamo un caso concreto: una vernice acrilica per interno ad alto solido contenuto (formulato tipico per il mercato italiano professionale) con i seguenti parametri Herschel-Bulkley:
τ₀ = 20 Pa · K = 12 Pa·sⁿ · n = 0,4
La curva η(γ̇) calcolata dal modello è la seguente:
| Zona di processo | Shear rate γ̇ | Viscosità apparente η | Equivalente coppa Ford 4 | Cosa succede |
|---|---|---|---|---|
| Stoccaggio in barattolo | 0,01 s⁻¹ | ~ 200.000 mPa·s | fuori range | Pigmento stabile, no sedimentazione |
| Livellamento post-applicazione | 0,1 s⁻¹ | ~ 30.000 mPa·s | fuori range | Resiste alla colatura su verticale |
| Pompaggio in linea industriale | 10 s⁻¹ | ~ 2.500 mPa·s | fuori range | Pompabilità OK, pressione ragionevole |
| Applicazione a pennello | 100 s⁻¹ | ~ 600 mPa·s | ~ 25 secondi | Pennellata fluida, buon coprenza |
| Applicazione a rullo | 500 s⁻¹ | ~ 250 mPa·s | ~ 18 secondi | Stesura uniforme, no goccioloni |
| Coil coating ad alta velocità | 5.000 s⁻¹ | ~ 70 mPa·s | fuori range | Coating uniforme, no stripes |
| Spruzzo HVLP | 50.000 s⁻¹ | ~ 25 mPa·s | fuori range | Atomizzazione fine, gocce omogenee |
In 7 decadi di shear rate (dallo stoccaggio allo spruzzo) la viscosità è passata da 200.000 a 25 mPa·s — una riduzione di un fattore 8.000. Questa è la "magia" del comportamento shear-thinning, ed è quello che rende le vernici industriali un capolavoro di formulazione. Il singolo valore della coppa Ford 4 (es. 25 secondi) descrive bene il punto 100 s⁻¹ — ma non dice nulla sui valori delle altre 6 zone. Il reometro li ricostruisce tutti, in 1-3 minuti, durante la produzione.
La coppa Ford (ASTM D1200, modelli #2, #3, #4, #5) e la coppa ISO 2431 (UNI EN ISO 2431, fori 3, 4, 5, 6, 8 mm) misurano il tempo di efflusso di un volume noto di vernice attraverso un foro calibrato. Il risultato è in secondi. È lo standard di QC del settore vernici da decenni: rapido, economico, riconosciuto a livello contrattuale.
Tuttavia, la coppa Ford è una misura a singolo punto: cattura la viscosità a una shear rate effettiva di circa 100-1.000 s⁻¹ (variabile in base al modello e alla viscosità del prodotto stesso). Non dà informazioni su stoccaggio, livellamento, spruzzo. La sua precisione è limitata dall'operatore (lettura cronometro, controllo temperatura, pulizia del foro): errori del 5-10% sono documentati.
Il reometro RheoStream non sostituisce la coppa Ford come standard contrattuale, ma la complementa:
Il valore industriale è significativo: lo stabilimento mantiene la specifica contrattuale (in secondi coppa Ford) mentre internamente acquisisce informazioni reologiche complete per ottimizzare formulazione e processo.
Ogni famiglia di vernici ha un profilo di viscosità caratteristico. Vediamo le principali categorie applicative.
A base acquosa, pigmento TiO₂ + cariche minerali. Shear-thinning marcato (n 0,3-0,4) per buona stabilità in confezione e spalmabilità a pennello.
Parametri tipici: τ₀ 10-30 Pa, K 5-20 Pa·sⁿ, n 0,3-0,4
A base solvente o all'acqua, pigmenti di alta qualità + cariche speciali. Profilo bilanciato per coil coating o spruzzo robotizzato.
Parametri tipici: τ₀ 5-20 Pa, K 3-15 Pa·sⁿ, n 0,4-0,5
Ad alta carica (zinco metallico, pigmenti anticorrosivi). Yield stress alto per stabilità di sospensione delle particelle metalliche pesanti.
Parametri tipici: τ₀ 50-200 Pa, K 20-100 Pa·sⁿ, n 0,3-0,5
Bassa viscosità per penetrazione nel legno. Shear-thinning meno marcato (n 0,5-0,7), profilo più newtoniano.
Parametri tipici: τ₀ 1-5 Pa, K 0,5-3 Pa·sⁿ, n 0,5-0,7
Il profilo di viscosità di una vernice è la curva che descrive come la viscosità apparente del prodotto cambia in funzione della velocità di taglio (shear rate) a cui è sottoposto. Le vernici sono fluidi shear-thinning: hanno viscosità alta a riposo (stoccaggio in barattolo, dove serve per evitare la sedimentazione dei pigmenti) e viscosità bassa sotto sollecitazione (durante pompaggio, pennellatura, spruzzatura, dove serve fluidità). La differenza tra viscosità a bassa shear (10⁻² s⁻¹) e a alta shear (10³ s⁻¹) può essere di 3-5 ordini di grandezza per una vernice ben formulata. Un singolo valore di viscosità (coppa Ford, Brookfield) non descrive il profilo completo.
Perché ogni condizione di processo della vernice opera a una shear rate diversa, e a ogni shear rate corrisponde una viscosità diversa. La coppa Ford misura a circa 100-1.000 s⁻¹: descrive bene il comportamento della vernice durante pennellata o passaggio in pompa, ma non dice nulla sulla stabilità in barattolo (10⁻² s⁻¹) né sull'atomizzazione a spruzzo (10⁴-10⁵ s⁻¹). Due vernici con la stessa coppa Ford possono comportarsi completamente diversamente in stoccaggio: una con yield stress alto resta stabile per mesi, una con yield basso sedimenta in poche settimane. Il profilo di viscosità completo cattura entrambe le informazioni.
Le shear rate critiche di una vernice sono quattro principali:
Per misurare il profilo completo serve un reometro vero (non solo un viscosimetro a singolo punto). In R&D si usano reometri rotazionali da laboratorio (Anton Paar, TA Instruments, Malvern) con geometria cono-piatto o piatti paralleli, che coprono shear rate da 10⁻⁴ a 10³ s⁻¹. In produzione industriale il reometro Fluidan RheoStream misura su 1-3 punti programmabili tra 1,5 e 1.000 s⁻¹, applica il modello Herschel-Bulkley per estrarre yield stress, indice di consistenza e indice di pseudoplasticità, e ricostruisce così il profilo di viscosità completo del lotto in produzione in 1-3 minuti.
Per una vernice acrilica per interni ad alto solido contenuto, i valori tipici sono:
La coppa Ford (ASTM D1200) e la coppa ISO 2431 (UNI EN ISO 2431) misurano il tempo di efflusso di un volume noto di vernice attraverso un foro calibrato. Il tempo in secondi è una misura della viscosità apparente a una shear rate effettiva di 100-1.000 s⁻¹ (a seconda del modello di coppa e della viscosità del prodotto). Il reometro restituisce direttamente la viscosità in mPa·s a questa shear rate, e tramite correlazione fornisce anche il valore equivalente in secondi di coppa Ford. Questo permette di mantenere la compatibilità con le specifiche tecniche contrattuali (che sono in secondi coppa Ford) mentre si beneficia della ricchezza di informazione del profilo reologico completo (yield stress, indice n).
Sì, anche se il comportamento qualitativo è simile (entrambe shear-thinning). Le vernici a base solvente (smalti alchidici, vernici poliuretaniche, primer industriali) hanno tipicamente viscosità più bassa a tutte le shear rate (1-10x meno) perché il solvente è meno viscoso dell'acqua e perché si usano meno addensanti reologici. Le vernici a base acqua (acriliche, viniliche, epossidiche idrosolubili) richiedono addensanti polimerici sintetici (HEUR, HASE, cellulosici) per raggiungere lo yield stress e la consistenza tipici del prodotto. Il loro profilo è spesso più strutturato (n più basso, yield stress più alto a parità di viscosità apparente media).
Modifica entrambi, ma in modi diversi. La viscosità apparente diminuisce a tutte le shear rate (per la presenza di più solvente o acqua). Il profilo, però, può cambiare: lo yield stress diminuisce più rapidamente della viscosità ad alta shear (perché viene "diluita" la struttura interna). L'indice n tende ad aumentare (verso il newtoniano). Risultato pratico: una vernice troppo diluita perde la sua stabilità in stoccaggio (yield stress troppo basso → sedimentazione) molto prima di perdere la spalmabilità (viscosità a media shear). Il QC con coppa Ford può non intercettare questo problema, mentre il reometro lo cattura immediatamente.
Quasi tutte, sì. Una vernice ben formulata è sempre shear-thinning per le ragioni viste: stabilità a riposo + fluidità sotto applicazione. Le rare eccezioni sono vernici molto diluite o vernici "rapide" a base di solventi puri a basso peso molecolare, che si comportano in modo quasi newtoniano (n vicino a 1). Le vernici shear-thickening (dilatanti) sono praticamente inesistenti come prodotti commerciali: avrebbero comportamento disfunzionale (impossibili da spalmare ad alta velocità). Casi sperimentali di vernici dilatanti esistono in R&D ma non sono prodotti industriali standard.
Dipende da dove cade la deviazione:
Questa guida tecnica è parte del cluster di risorse di MCA Strumentazione Industriale, distributore ufficiale di Fluidan RheoStream per l'Italia. Per audit reologico di vernici in produzione, business case sul tuo prodotto specifico, e dimostrazioni con campioni reali della tua linea, contattaci per una visita tecnica dedicata.