Studio reologico di vernici e rivestimenti

Pitture e rivestimenti sono utilizzate per una varietà di scopi. Oltre a proteggere le superfici contro varie influenze ambientali (ad esempio radiazione UV, umidità dell'aria, sostanze chimiche, ecc.), sono utilizzati per decorare interni ed esterni, o a scopo migliorativo. Dalla produzione all'uso finale, materie prime come leganti (resine), solventi, pigmenti, filler e additivi dovrebbero rimanere mescolati uniformemente. Inoltre, devono restare stabili durante i processi di pompaggio e di stoccaggio, nonché dopo l'applicazione con pennelli, rulli, pistole a spruzzo ecc. Pertanto, le misure reologiche di pitture e rivestimenti sono di fondamentale importanza per la valutazione della loro qualità.

Le penne a sfera sono le penne più usate al mondo: se ne producono e se ne vendono milioni ogni giorno. Sono dispositivi semplicissimi che funzionano erogando l'inchiostro su una sfera metallica nella punta della penna, ecco perché sono dette "a sfera". Tuttavia, non sempre funzionano come dovrebbero. A volte l'inchiostro smette di uscire, altre volte si accumula in modo non uniforme sulla sfera di metallo, macchiando la pagina e le dita. 

Questi effetti sono influenzati almeno da due fattori. Tra questi rientrano la precisione del gruppo sfera e relativo alloggiamento, nonché le proprietà tribologiche  e il comportamento reologico e tribologico dell'inchiostro. Ad esempio, se la viscosità dell'inchiostro diminuisce, per via del taglio o della temperatura, scorre più inchiostro attraverso l'alloggiamento e sulla punta della sfera. Anche l'usura del meccanismo a sfera e alloggiamento può anche portare a tali aumenti o diminuzioni nel flusso di inchiostro.

Misurare la reologia degli inchiostri per penne a sfera può fornire informazioni sul comportamento del flusso in condizioni operative tipiche. Inoltre, il comportamento all'attrito e all'usura del sistema a sfera e alloggiamento può essere studiato mediante misure tribologiche . Il grafico sotto illustra come si comportano due campioni di inchiostro con viscosità diverse in un sistema a metallo/inchiostro/carta, simulando il comportamento dell'inchiostro che passa da una penna a sfera alla carta.

Per un sistema a metallo/inchiostro/carta, il coefficiente di attrito si misura come funzione della velocità di scorrimento del metallo sulla carta. Il coefficiente di attrito raggiunge il suo minimo nel momento in cui tra le superfici si forma un film fluido. Idealmente, ciò dovrebbe verificarsi alla velocità di scrittura, e il film dovrebbe essere abbastanza sottile da trasportare solo la quantità di inchiostro sufficiente perché il carattere rimanga pulito, ma abbastanza spesso da proteggere la sfera e la staffa dall'usura.

Questo test richiede un reometro dotato di una configurazione con sfera su tre piatti. 

Le misure di deaerazione possono essere effettuata su un reometro dotato di cella per polveri. Per prima cosa, la polvere viene completamente fluidizzata per un periodo di tempo definito, quindi il flusso d'aria viene interrotto e la pressione all'interno della cella per polveri viene misurata più volte a intervalli molto brevi. Quando il segnale raggiunge valori costanti, si presume che l'aria sia completamente uscita dal campione di polvere.

Questo test richiede un reometro in grado di gestire la reologia delle polveri.

Le vernici in polvere sono un'alternativa priva di emissioni ai rivestimenti in forma liquida, in quanto non contengono solventi. Solitamente, un rivestimento in polvere viene applicato elettrostaticamente. Successivamente, si forma una pellicola con la fusione delle singole particelle di rivestimento in polvere in un forno. Il tempo e la temperatura necessarie per la formazione della pellicola è di grande importanza, in quanto entrambi i parametri influenzano fortemente le dimensioni degli impianti di produzione e inoltre influenzano i costi del processo. Pertanto, lo scopo è quello di sviluppare vernici in polvere che richiedono una bassa temperatura ed un tempo ridotto per la formazione della pellicola.

Al fine di determinare il comportamento di polimerizzazione delle vernici in polvere, è possibile eseguire una prova di temperatura con un reometro oscillatorio . Un  test oscillatorio  determina contemporaneamente sia il comportamento viscoso, descritto dal modulo viscoso G'' sia il comportamento elastico, rappresentato dal  modulo elastico G'. Quindi, il comportamento di polimerizzazione può essere determinato come comportamento dipendente dal tempo ad una temperatura di test costante (test isotermico) o come comportamento dipendente dalla temperatura entro un certo intervallo di temperatura.

Questo test richiede un reometro dotato di un sistema di controllo di temperatura Peltier.

Questo è solo uno degli studi reologici tipicamente in uso nell'industria automobilistica.

Le vernici in polvere sono una tecnologia in crescita inizialmente sviluppata per creare rivestimenti più resistenti; tuttavia, le vernici in polvere sono diventate popolari anche per i loro processi più rispettosi dell'ambiente e senza solventi. La lavorazione prevede diversi passaggi, come la fluidizzazione e/o il trasporto pneumatico, che sono fortemente influenzati dalla reologia della polvere. Pertanto, le misure reologiche possono fornire un quadro informativo sulla qualità delle particelle e indicare se una polvere è indicata per una vernice in polvere. La polvere deve avere un'adeguata reologia dei materiali allo stato fuso (viscosità e comportamento di polimerizzazione), ma allo stesso tempo deve essere fluidizzabile e avere una buona ritenzione dell'aria in modo da essere trasportabile. Un modo per migliorare la fluidità e la fluidizzazione di una polvere è aggiungere una piccola quantità di silice pirogenica.

La qualità della polvere può essere analizzata utilizzando un reometro dotato di cella per polveri; ad esempio, effettuando misure della perdita di carico, che mostrano la portata necessaria per fluidizzare completamente un campione - si veda il grafico sotto. Anche l'idoneità di una polvere al trasporto pneumatico può essere determinata con una cella per polveri, mediante le misure della deaerazione. È possibile effettuare anche misure della viscosità in varie condizioni di taglio, che possono dare buone indicazioni su eventuali difficoltà che potrebbero presentarsi durante il processo di trasporto.

Questo test richiede un reometro in grado di gestire la reologia delle polveri.

Un rivestimento esterno rappresenta spesso lo strato finale. Nella maggior parte dei casi viene applicato per rendere le superfici lucide e per proteggerle dalle intemperie e da altre influenze. Per evitare cedimenti superficiali o segni indesiderati di pennello dopo l'applicazione, un rivestimento esterno deve rigenerare la sua struttura al momento giusto; la rigenerazione non deve essere né troppo lenta né troppo veloce. Pertanto, un importante fattore di qualità dei rivestimenti esterni è la dipendenza dal tempo della rigenerazione strutturale, che a sua volta influenza il comportamento in termini di livellamento superficiale e di cedimento. Questa rigenerazione strutturale può essere descritta in alcuni casi utilizzando il termine reologico tissotropia.

In reologia, il  comportamento tissotropico è definito come una riduzione della resistenza strutturale di un campione durante un intervallo di test con un carico di taglio  costante e una completa rigenerazione della struttura durante il successivo intervallo a riposo. Questo comportamento può essere misurato con test  rotatori o oscillatori , effettuando un test  tissotropico  a tre intervalli. La procedura di test simula il processo di applicazione con i tre intervalli di misura seguenti:

1. Intervallo di riposo: Valutazione della struttura a riposo preimpostando un carico di taglio molto ridotto.
2. Intervallo di carico: Valutazione del comportamento di decomposizione strutturale durante l'applicazione con un carico di taglio costante ed elevato.
3. Intervallo di rigenerazione strutturale: Valutazione della rigenerazione strutturale nel tempo dopo l'applicazione. Le condizioni di misura predefinite sono esattamente le stesse dell'intervallo di riposo.

Questo test richiede un reometro dotato di un sistema di controllo della temperatura Peltier.

Questo è solo uno degli studi reologici tipicamente in uso nell'industria automobilistica.

La qualità delle vernici è importante in fase sia di produzione che di applicazione. Le vernici murali ideali devono essere agitabili, miscelabili, disperdibili così come pompabili e scorrevoli. A seconda dell'applicazione, le vernici murali devono essere spalmabili, pennellabili, rollabili, versabili o spruzzabili. Un altro fattore di qualità è il livellamento superficiale e il cedimento della vernice una volta applicata; idealmente, la struttura interna deve ripristinarsi esattamente nei tempi giusti. Questo periodo dovrebbe prevedere anche un periodo sufficiente per la deaerazione. Generalmente è richiesta una finitura liscia, lucida e omogenea senza gocce o spruzzi.

Il numero di test reologici disponibili è in continuo aumento, soprattutto per gli utenti nel campo della ricerca e sviluppo, nonché per il controllo di qualità e di processo. È possibile utilizzare un reometro per valutare fenomeni come il  limite di scorrimento per determinare la resistenza strutturale a riposo, il comportamento  shear-thinning  in stato di scorrimento così come la  tissotropia  quando si analizza la rigenerazione dipendente dal tempo della struttura interna dopo l'applicazione.

La maggior parte delle vernici un comportamento di scorrimento  shear-thinning , con una diminuzione della viscosità  quando la  velocità di deformazione a taglio  viene aumentata. Pertanto, più si mescola velocemente, minore è la viscosità risultante. Questo comportamento può essere misurato mediante  test rotazionali.

Questo test richiede un reometro dotato di un sistema di controllo della temperatura Peltier.