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21 Settembre 2022

Come migliorare le formulazioni di vernici e coating: misura delle dimensioni delle particelle

Prendendo in esame il settore delle vernici e dei coating in generale, quale singola proprietà nanostrutturata del materiale pensate abbia l'influenza più ampia sulle proprietà di una formulazione e dello strato finale del rivestimento? La risposta è la dimensione delle particelle, che ha un impatto su tutto, dalla viscosità della formulazione alla brillantezza.

Ma prima di analizzare gli effetti, è utile esaminare le due principali tecniche analitiche utilizzate per determinare le dimensioni delle particelle nell'industria dei coatings: la Diffrazione Laser (LD) e la Dynamic Light Scattering (DLS).

Cosa sono la diffrazione laser e la dynamic light scattering?

Diffrazione laser e dynamic light scattering utilizzano entrambe l'interazione delle particelle con un raggio laser per fornire informazioni sulle loro dimensioni. Ma la somiglianza finisce qui e le differenze sono confrontate nella tabella seguente:

Come indicato nella tabella, LD e DLS si sovrappongono nell'intervallo granulometrico che sono in grado misurare, quindi per le dimensioni intermedie è possibile utilizzare entrambi i metodi. Molti fattori influiscono su questa scelta, tra cui la preparazione del campione, il tipo di disperdente, l'opacità del campione e l'eventuale necessità di eseguire misure elettroforetiche o di imaging delle particelle.

Ma qualunque sia la dimensione delle particelle, se si ha accesso sia a LD che a DLS si è coperti e, come già detto, gli usi di queste misure sono piuttosto ampi. Diamo una rapida occhiata a come la conoscenza delle dimensioni delle particelle è utile nell'industria delle vernici.

Applicazioni di LD e DLS nell'industria delle vernici
Comprendere le proprietà bulk

Cominciamo con l'effetto della dimensione delle particelle sulle proprietà bulk e in particolare sulla reologia. La fisica di questo aspetto è complessa: ad esempio, le interazioni particella-particella vengono solitamente incrementate con dimensioni più piccole (aumentando la viscosità), mentre la frazione di impaccamento spesso si riduce per distribuzioni granulometriche ampie con maggiori polidispersità (diminuendo la viscosità).

Fattori contrastanti come questi fanno capire l’importanza di  non solo la dimensione media delle particelle, ma anche la distribuzione granulometrica, per capire cosa sta succedendo nella formulazione. È qui che entrano in gioco LD e DLS (quest'ultimo fornisce anche informazioni sull'agglomerazione delle nanoparticelle).

A questo punto, se state studiando prodotti con particelle di dimensioni grandi, potreste chiedervi perché non usare un calibro di Hegmann invece della diffrazione laser? Questi sistemi sono effettivamente veloci da usare, ma indicano solo le dimensioni delle particelle più grandi e non dicono nulla sulla distribuzione granulometrica complessiva. Quindi, per una comprensione approfondita del campione, è meglio usare la diffrazione laser.

Messa a punto di formulazioni solide e liquide

Polvere solida o liquido spray? Qualunque sia il tipo di formulazione e il metodo di applicazione, la conoscenza della dimensione delle particelle è fondamentale.

Le vernici in polvere sono semplici da applicare e prive di solventi, il che le rende molto popolari nelle applicazioni industriali. Ma le proprietà dipendono dalla scorrevolezza della polvere e dalla sua giusta distribuzione granulometrica: le distribuzioni ampie e polidisperse sono migliori per le particelle più grandi, mentre le distribuzioni strette sono migliori per le particelle piccole (necessarie per i film più sottili). In ogni caso, la diffrazione laser è il metodo migliore per esaminare tali distribuzioni.

I sistemi basati su spray liquidi sono utilizzati per applicare rivestimenti su una varietà di substrati e la determinazione delle dimensioni delle gocce è una parte fondamentale per capire se il vostro atomizzatore sta lavorando in modo efficiente. Questo può essere complicato perché è possibile che si produca un'ampia gamma di dimensioni di particelle prima di raggiungere l'equilibrio dello spray, ma il campo di misura della diffrazione laser le soddisfa tutte.

Capire l'effetto sul colore e sull'aspetto del coating finale

Prima di concludere, è necessario menzionare l'influenza che le dimensioni delle particelle hanno sull'aspetto del prodotto finito, soprattutto per i rivestimenti in polvere. Cercare di rendere giustizia a questo argomento complesso in un paio di brevi paragrafi sarebbe decisamenteambizioso, quindi non ci proveremo! Ma ecco alcuni degli effetti principali:

  • Opacità: Il potere di scattering, e quindi l'opacità, di una dispersione aumenta con particelle più piccole.
  • Forza colorante: La capacità di un pigmento di influenzare il colore complessivo di una formulazione aumenta con particelle più piccole.
  • Sottotono: Definito come la tonalità ottenuta durante la tintura, diventa più blu con particelle più piccole.
  • Lucentezza: È influenzata sia dalle dimensioni delle particelle che dall'ampiezza della distribuzione granulometrica; la migliore brillantezza si ottiene con particelle piccole e con una distribuzione dimensionale stretta.
  • Resistenza agli agenti atmosferici e impermeabilità: Gli stessi fattori che determinano una buona brillantezza garantiscono anche il mantenimento della lucentezza nel tempo e la resistenza all'ingresso dell'acqua.
  • Spesso i rivestimenti/coating devono avere una brillantezza uniforme che resista all'acqua e la comprensione della distribuzione granulometrica è uno strumento prezioso per ottimizzare queste proprietà.
Misura granulometrica - Uno strumento polivalente per la messa a punto delle formulazioni

Da questa rapida panoramica dovrebbe essere chiaro che la determinazione della dimensione delle particelle consente la comprensione di una serie di proprietà macroscopiche delle vernici e dei coating. Pertanto, aiutando a comprendere nel dettaglio la distribuzione granulometrica - piuttosto che i semplici valori medi o un intervallo di dimensioni - le tecniche LD e DLS possono aiutare l'industria delle vernici a migliorare il controllo di qualità e a perfezionare le proprietà delle nuove formulazioni.

E non abbiamo toccato l'argomento correlato alla forma e alla rugosità delle particelle. Quest'ultima può essere determinata mediante l'analisi delle immagini e ha effetti sottili ma importanti su molte delle proprietà sopra menzionate.

Volete saperne di più sul ruolo dei metodi analitici per la caratterizzazione di vernici e coating? Consultate la white paper della Malvern Panalytical: “Improving paint and coating formulations: Using nanostructural analysis to understand macroscopic properties”.

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