MCA Strumentazione Industriale – Guida tecnica
Il concetto fondante della reologia industriale. Tutti i valori caratteristici per stoccaggio, pompaggio, miscelazione, spalmatura, spray e dip-coating — con riferimento ai principali settori produttivi italiani
Concetti base
La velocità di taglio (in inglese shear rate, simbolo γ̇, "gamma punto") è il parametro che definisce le condizioni di flusso a cui un fluido viene sottoposto. È misurata in s⁻¹ (reciproco di secondi) e copre nei processi industriali un intervallo enorme: da 10⁻⁴ s⁻¹ (sedimentazione in barattolo) a 10⁵ s⁻¹ (spray HVLP, atomizzazione). In questo intervallo, la viscosità di gran parte dei prodotti industriali — vernici, detersivi, cosmetici, salse, slurry batterie — cambia di diversi ordini di grandezza.
Capire la shear rate è il prerequisito per: scegliere correttamente uno strumento di misura (viscosimetro vs reometro), interpretare i risultati di QC, ottimizzare le formulazioni, dimensionare apparecchiature di processo. È anche il primo concetto che chi lavora con un reometro RheoStream deve avere chiaro per impostare il range di misura corretto.
La shear rate γ̇ è il gradiente di velocità in un fluido sottoposto a scorrimento, misurata in s⁻¹. Esempi rapidi: 1 s⁻¹ = miscelazione molto lenta in serbatoio; 10-100 s⁻¹ = pompaggio e travaso; 100-1.000 s⁻¹ = pennellatura, rullatura, spalmatura; 1.000-10.000 s⁻¹ = spray, coating ad alta velocità. La viscosità di un fluido non newtoniano cambia con la shear rate, quindi misurare a una sola shear rate (come fa un viscosimetro Brookfield) descrive solo parzialmente il comportamento del prodotto.
Il reometro Fluidan RheoStream misura su 1-3 punti tra 1,5 e 1.000 s⁻¹, coprendo la finestra più rilevante per la produzione industriale (mixing, trasferimento, applicazione).
La velocità di taglio si definisce considerando due piani paralleli separati da uno strato di fluido. Se i due piani si muovono uno rispetto all'altro a velocità diverse, il fluido sviluppa un gradiente di velocità tra i piani. Questo gradiente è la shear rate.
Esempio numerico: se due piani separati da 1 mm di liquido si muovono uno rispetto all'altro a 1 mm/s, la shear rate è 1 s⁻¹. Se la distanza è 0,1 mm e la velocità relativa 10 mm/s, la shear rate è 100 s⁻¹.
Per il QC industriale e per il monitoraggio in linea il capillare è la geometria preferita: nessuna parte rotante in contatto col campione, autopulizia facile, range di shear rate ampio variando semplicemente la portata. Per approfondire vedi come funziona il reometro capillare RheoStream.
La shear rate copre molti ordini di grandezza in base al tipo di processo. La tabella seguente riassume i valori caratteristici, indispensabili per scegliere correttamente lo strumento di misura e il punto di misura.
| Processo o condizione | Shear rate tipica | Zona | Note |
|---|---|---|---|
| Sedimentazione gravitazionale in serbatoio | 10⁻⁶ – 10⁻⁴ s⁻¹ | Bassissima | Stabilità a lungo termine: yield stress lo intercetta |
| Stoccaggio in barattolo, flacone, brick | 10⁻⁴ – 10⁻² s⁻¹ | Bassissima | Stabilità di emulsioni e sospensioni |
| Livellamento dopo applicazione (leveling) | 10⁻² – 1 s⁻¹ | Bassa | Importante per vernici (resistenza alla colatura) |
| Versamento dal contenitore (pouring) | 1 – 10 s⁻¹ | Bassa | Esperienza utente: detersivi, salse, cosmetici |
| Miscelazione lenta in agitatore industriale | 10 – 100 s⁻¹ | Media | Reattori, miscelatori planetari, dispersori |
| Pompaggio in tubazione (regime laminare) | 10 – 1.000 s⁻¹ | Media | Dipende da diametro tubo e portata |
| Applicazione a pennello o rullo | 10² – 10³ s⁻¹ | Media | Tipico delle vernici, adesivi, smalti |
| Spalmatura cosmetica sulla pelle | 10² – 10⁴ s⁻¹ | Alta | Pick-up + spalmabilità + assorbimento |
| Slot-die coating (slurry batterie, coating) | 10² – 10³ s⁻¹ | Alta | Velocità nastro 10-50 m/min, gap 100-500 µm |
| Coil coating, rivestimento continuo | 10³ – 10⁴ s⁻¹ | Alta | Linee veloci con rulli applicatori |
| Stampa flessografica e rotocalco | 10³ – 10⁴ s⁻¹ | Alta | Anilox/cilindro inciso + racla |
| Applicazione a spruzzo (HVLP, airless) | 10³ – 10⁵ s⁻¹ | Molto alta | Atomizzazione, dimensione gocce |
| Estrusione, calandratura | 10² – 10⁴ s⁻¹ | Alta | Profili polimerici, film plastici |
| Iniezione, lavorazione plastica | 10³ – 10⁶ s⁻¹ | Molto alta | Stampaggio a iniezione |
Il reometro Fluidan RheoStream copre il range 1,5 – 1.000 s⁻¹, che è la finestra centrale e più rilevante per il QC industriale di prodotti formulati (vernici, cosmetici, adesivi, detersivi, salse, slurry batterie). Per estremità di shear rate molto bassa (sedimentazione, stabilità a lungo termine) o molto alta (spray, iniezione) restano necessari reometri da laboratorio come strumenti complementari di R&D.
In ogni settore industriale italiano c'è una shear rate critica caratteristica del processo o dell'esperienza utente. Misurare la viscosità a quella specifica shear rate è la chiave per QC efficace e per la qualità percepita del prodotto finale.
Stoccaggio: 10⁻³ - 10⁻¹ s⁻¹ (yield stress per sospensione pigmenti).
Pompaggio / spalmatura: 10 - 100 s⁻¹.
Pennello: 100 - 1.000 s⁻¹.
Spray: 10⁴ - 10⁵ s⁻¹.
Buffer tank pre-coater: 10 - 100 s⁻¹ (sospensione NMC/LFP/grafite).
Slot-die coating: 100 - 1.000 s⁻¹.
Calandratura: non rilevante (post-evaporazione).
Pick-up dalla confezione: 1 - 10 s⁻¹.
Spalmatura sulla pelle: 10² - 10³ s⁻¹.
Assorbimento finale: 10³ - 10⁴ s⁻¹.
Scorrimento in confezione: 10⁻² - 1 s⁻¹.
Versamento: 1 - 100 s⁻¹.
Bostwick (test consistenza): ~50 s⁻¹.
Bagno di alimentazione: 10 - 100 s⁻¹.
Cilindro anilox / inciso: 10³ - 10⁴ s⁻¹.
Coppa DIN 4 (misura): ~100 s⁻¹.
Applicazione a rullo: 10² - 10³ s⁻¹.
Applicazione a ugello: 10² - 10⁴ s⁻¹.
Tempo di assemblaggio: 10⁻² - 10⁻¹ s⁻¹.
Regola pratica: misurare la viscosità alla shear rate caratteristica del processo critico. Per processi multi-fase, misurare a 2-3 shear rate diverse per cogliere la curva completa.
La velocità di taglio (in inglese shear rate, simbolo γ̇) è il gradiente di velocità che si stabilisce in un fluido quando questo viene sottoposto a uno scorrimento. Si misura in s⁻¹ (reciproco di secondi). Concretamente, esprime quanto velocemente strati adiacenti di liquido si muovono l'uno rispetto all'altro: se due piani paralleli separati da 1 mm di liquido si muovono uno rispetto all'altro a 1 mm/s, la velocità di taglio è 1 s⁻¹. La shear rate è uno dei due parametri fondamentali in reologia (l'altro è lo shear stress) e determina la viscosità apparente di un fluido non newtoniano.
La formula generale è γ̇ = dv/dy, dove dv è la differenza di velocità tra due strati di fluido (m/s) e dy la distanza tra essi (m). Il risultato è in s⁻¹. Per geometrie specifiche esistono formule semplificate: in un capillare di raggio R con portata Q, la shear rate alla parete è γ̇ = 4Q/(πR³); in un sistema cilindri coassiali con raggi R₁ e R₂ e velocità angolare ω, la shear rate è γ̇ = 2ω·R₁²/(R₂²−R₁²). Il reometro a capillare RheoStream usa il principio del flusso in tubo per generare shear rate controllate tra 1,5 e 1.000 s⁻¹.
I valori caratteristici di shear rate variano di molti ordini di grandezza in base al processo:
Per un fluido newtoniano (acqua, oli minerali, glicerina) la viscosità è costante a qualsiasi shear rate. Ma la maggior parte dei prodotti industriali sono non newtoniani: la loro viscosità dipende dalla shear rate. I fluidi shear-thinning (vernici, ketchup, shampoo, slurry batterie) hanno viscosità che diminuisce con shear rate crescente. I fluidi dilatanti (alcune sospensioni di nanoparticelle) hanno viscosità che aumenta con shear rate. Per descrivere correttamente questi fluidi serve la curva di viscosità completa, misurata a più punti di shear rate — non un singolo valore.
Il reometro Fluidan RheoStream misura la curva di viscosità su 1-3 punti programmabili nell'intervallo 1,5 - 1.000 s⁻¹. Questo range copre le condizioni più rilevanti per la produzione industriale: dalla viscosità a bassa velocità (pompaggio, dosaggio) alla viscosità a media-alta velocità (spalmatura, coating). Per analisi a shear rate molto basse (10⁻⁴ - 10⁻² s⁻¹, sedimentazione e stabilità) o molto alte (>10⁴ s⁻¹, spray e atomizzazione) restano indicati i reometri da laboratorio rotazionali con cono-piatto come complemento.
La scelta dipende dall'applicazione finale del prodotto. Regola pratica: misurare la viscosità alla shear rate caratteristica del processo critico. Per una vernice da pennello, misurare a 100-1.000 s⁻¹ (la shear rate del pennello). Per un detersivo liquido che deve uscire dal flacone, misurare a 1-100 s⁻¹. Per un'emulsione cosmetica che deve essere spalmata, misurare a 10-1.000 s⁻¹ (l'intera finestra è rilevante per la texture sensoriale). Per uno slurry di anodo batterie, misurare a 10-100 s⁻¹ (la shear rate dello slot-die coater). Idealmente, misurare a 3 punti diversi della curva per cogliere il comportamento shear-thinning completo.
Nei fluidi non newtoniani la viscosità apparente cambia con la shear rate per via della microstruttura interna del liquido. In un detersivo strutturato, ad esempio, le molecole tensioattive formano reti tridimensionali a bassa shear rate (alto yield stress) che si rompono progressivamente sotto sollecitazione (shear-thinning). In una sospensione pigmentata (vernice, slurry batterie), le particelle interagiscono via forze di van der Waals e formano aggregati che si disgregano sotto shear, riducendo la viscosità apparente. In un'emulsione, le goccioline si deformano ed allineano sotto shear, riducendo la resistenza al flusso. La curva di viscosità in funzione della shear rate è quindi la "firma" microstrutturale del prodotto.
Sì, con una correzione che dipende dalla geometria del mandrino (spindle) utilizzato. Per un mandrino LV/RV/HA Brookfield a una velocità di rotazione N (RPM), la shear rate effettiva è approssimativamente γ̇ ≈ k · N, dove k è un fattore di conversione tabellato per ciascun mandrino (tipicamente nell'intervallo 0,1 - 2 s⁻¹ per RPM). Per un mandrino standard a 20 RPM, la shear rate è di circa 5-10 s⁻¹. Per coperture più ampie il Brookfield richiede cambi di mandrino. Il reometro RheoStream copre invece l'intero range 1,5 - 1.000 s⁻¹ con un unico setup, e fornisce dati confrontabili con il Brookfield tramite correlazione.
Per un fluido newtoniano in regime laminare in un tubo cilindrico di raggio R, la shear rate alla parete si calcola dalla formula di Hagen-Poiseuille: γ̇ₐ = 4Q/(πR³), dove Q è la portata volumetrica (m³/s). Per fluidi non newtoniani la correzione di Rabinowitsch fornisce la shear rate "vera" alla parete tenendo conto del comportamento shear-thinning del fluido. Il reometro capillare RheoStream applica automaticamente la correzione di Rabinowitsch per restituire valori di viscosità accurati anche per fluidi non newtoniani.
Sì, sono i fluidi newtoniani: la loro viscosità è costante a qualsiasi shear rate. Esempi tipici: acqua, oli minerali a basso peso molecolare, glicerina, solventi (NMP, etile acetato), soluzioni diluite di polimeri a basso peso molecolare. Per i fluidi newtoniani un viscosimetro Brookfield a singolo punto è sufficiente per il QC, e il reometro in linea può essere considerato over-engineering. Tuttavia, i prodotti industriali formulati (vernici, cosmetici, detersivi, salse, slurry, adesivi) sono quasi sempre non newtoniani: il loro QC corretto richiede la misura della curva di viscosità su almeno 2-3 shear rate.
Questa guida tecnica è parte del cluster di risorse di MCA Strumentazione Industriale, distributore ufficiale di Fluidan RheoStream per l'Italia. Per la scelta del reometro adatto al tuo processo, per audit reologico in stabilimento e per dimostrazioni con campioni reali della tua produzione, contattaci.