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#39 Cratering phenomena: what they are, how they develop, and how to manage them

Indice (Spanish text up to come)

  1. 1. Identikit
  2. 2. Smalti e graniglia ad alto o basso peso
  3. 3. Origini e cause
    1. a) Impurità all'interno delle materie prime ceramche
    2. b) Uitlizzo improprio di additivi antischiuma
    3. c) Parametri applicativi non corretti
    4. d) Inquinamento della sospensione
  4. 4. Conclusioni

 


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1. Identikit

L’occhiello – come si evince dal nome poco scientifico ma certamente evocativo – è un difetto che si manifesta come un microscopico cratere e che compare sulla superficie del corpo ceramico sul quale è stata depositata una sospensione acquosa che si trova ancora in fase di asciugamento. Il problema si concretizza pertanto in un’applicazione non perfetta dovuta alla presenza di uno o più avvallamento, cioè ad una non perfetta planarità dello strato della sospensione appena applicata. La profondità del "cratere" risultante può variare e la criticità può riguardare lo strato più superficiale (come ad esempio lo smalto) oppure altri strati precedentemente applicati, e dunque sottostanti, come engobbio o smaltobbio.

In cosa differisce l’occhiello dalla spillatura?
La differenza è certamente sottile ma importante, trattandosi in entrambi casi di difetti che possono compromettere la planarità della superficie che si ottiene dopo cottura. In termini generali è tuttavia possibile affermare che la spillatura è un difetto in larga misura visibile solo dopo cottura, sviluppandosi in rapporto alle temperature ed ai processi che prendono parte all’interno dei forni. L’occhiello, viceversa, è un problema che risulta visibile già in fase applicativa, manifestandosi pertanto nelle fasi del processo produttivo ceramico a monte del forno.

 

2. Smalti e graniglie ad alto o basso peso

Il problema dei micro-crateri riguarda in particolare le sospensioni di smalti e ed engobbi, specie se applicati a basso peso (basso contenuto di solido). Si potrebbe anche azzardare affermando che gli occhielli appaiono molto di rado in concomitanza di applicazioni di graniglia a umido, anche nel caso di bassi contenuti di solido. Perché?
Le sospensioni di graniglia definite ad alto peso, così definite in virtù dell’importante quantità della parte solida in esse contenuta, sono caratterizzate da particelle la cui granulometria (spesso superiore a quella delle particelle di smalto) richiede l’utilizzo di particolari categorie di additivi sospensivanti che consentano di conseguire i corretti parametri reologici e al contempo permettano di mantenere in sospensione la componente solida marcata da una dimensione e quindi una massa di non poco conto.  La reologia della sospensione e la granulometria della graniglia costituiscono già di per sé due elementi in grado di inibire o comunque limitare il manifestarsi del problema. Proviamo a semplificare partendo da due uguaglianze e dal processo applicativo.

 

  1. Alto peso / alta densità = molto solido e poca acqua
  2. Basso peso / bassa densità = poco solido e molta acqua

 

La diversa connotazione delle due tipologie di sospensione, sul piano applicativo, implica quanto segue: la sospensione viene stesa sul supporto ceramico e, come da prassi, inizia a perdere il proprio contenuto d’acqua ed essiccare in seguito al processo di evaporazione e drenaggio. Il fenomeno porta evidentemente con sé un progressivo aumento della viscosità interna alla sospensione. Fino a questo punto le due sospensioni si comportano in modo apparentemente simile. Tuttavia i tempi con i quali la viscosità incrementa saranno decisamente diversi: la sospensione ad alto peso, avendo meno acqua da rilasciare, impiegherà meno tempo rispetto alla sospensione a basso peso, che viceversa necessiterà di tempi superiori per raggiungere lo stesso (ipotetico) livello di viscosità. La maggiore durata del processo, se il sistema non è ben calibrato, può in qualche modo influire sulla PROBABILITÀ che il difetto si manifesti.
I tempi di asciugamento delle sospensioni di graniglia sono di norma più brevi rispetto a quelli che caratterizzano le sospensioni di smalto, essendo la dimensione del particolato di graniglia decisamente superiore. La grandezza infatti influisce sui tempi di drenaggio in quanto ad una maggiore dimensione solitamente corrisponde un più rapido drenaggio. Aspetto che, in considerazione della maggiore rapidità, contribuisce a diminuire la probabilità che il difetto affiori.

 

3. Origini e cause

L’apparizione di un occhiello, cosi come di ogni altro difetto che riguarda il corpo ceramico, è come sempre imputabile ad un mix di elementi che possono anche interagire tra loro e che dunque rendono l’elenco delle casistiche piuttosto corposo. In un’ottica di semplificazione enumeriamo di seguito gli scenari più significativi ed impattanti.

 

  1. a) Impurità all'interno delle materie prime ceramiche
  2. b) Utilizzo improprio di additivi antischiuma
  3. c) Parametri applicativi non corretti: asciugamenti eccessivamente lunghi e densità/viscosità eccessivamente basse per i parametri di linea  
  4. d) Inquinamento della sospensione

 

  1. IMPURITÀ ALL'INTERNO DELLE MATERIE PRIME CERAMICHE

Com’è noto, le sospensioni di smalto contengono al loro interno non solo fritte ma, in proporzioni certamente minori, anche le materie prime che costituiscono gli impasti ceramici: argille, feldspati, etc. Questi ultimi materiali, provenendo da cave naturali, possono talvolta contenere al loro interno alcune impurità di natura organica, e quindi carboniosa. In tal senso, le argille sono le maggiori responsabili e, per quanto la loro percentuale in sospensione sia modesta, possono contaminare la miscela qualora tali impurità fossero presenti. I residui ad alto contenuto di carbonio, infatti, quando vengono macinati risultano spesso incompatibili con il sistema e faticano ad essere bagnati dall’acqua. Tale fenomeno si traduce in fase applicativa in una rottura del velo di smalto dovuta all’impurità che in qualche modo “respinge” la sospensione di smalto che tenta di coprirla (o avvolgerla). Questa azione è esattamente ciò che genera il micro cratere chiamato occhiello.

 

Come intervenire per tamponare ed eliminare il problema?
Di norma è consigliabile l’uso di un tensioattivo appropriato e specificatamente studiato per la sospensione a cui deve essere additivato. Il tensioattivo oltre ad espletare un’azione livellante, rende compatibili le componenti impure (impurezze carboniose) e il sistema. Come lo fa?
Disponendosi nell’interfase tra le componenti “impure” e la parte liquida della sospensione, le molecole del tensioattivo – formate in genere da una testa idrofila e una coda idrofoba - circondano le parti solide degli elementi incompatibili andandoli ad inglobare e rendendoli compatibili. Tale azione promuove una corretta stesura impedendo la rottura del velo della sospensione di smalto, engobbio o smaltobbio. Di norma, la selezione del corretto tensioattivo consente di procedere senza ulteriori modifiche ai parametri di produzione.

La scelta del tipo di tensioattivo è ininfluente?
Come già accennato, i tensioattivi non sono tutti uguali e possono essere connotati da proprietà chimico-fisiche talvolta piuttosto differenti e non è pertanto scontato che siano universalmente efficaci. Alcuni, se addizionati a certe sospensioni, risultano meno potenti o inefficaci non perché non siano validi ma perché non sono adatti a quel tipo di sistema. Talvolta possono addirittura essere motivo di ulteriori problematiche. Ad esempio, alcuni sono calibrati e studiati per operare all’interno di sistemi ad alta densità (come una applicazione a campana) così da conseguire un ottimo livellamento. Gli stessi tensioattivi applicati ad airless, e dunque per sospensioni a basso peso, possono risultare non altrettanto indicati essendo le proporzioni liquido-solido inadatte per quel tipo di additivazione. Il tensioattivo va dunque selezionato in base ai valori di reologia, al tipo di applicazione (vela, campana, airless, valvole), alla densità di lavoro, e più in generale ad altri eventuali parametri.

 

  1. UTILIZZO IMPROPRIO DI ADDITIVI ANTISCHIUMA

Gli antischiuma sono agenti chimici efficaci a prevenire o eliminare le bolle d’aria che talvolta possono formarsi e rimanere intrappolate all’interno della sospensione e/o sulla sua superfice. Bolle che emergono sia all’interno della vasca di agitazione ma che possono permanere anche ad applicazione avvenuta. L’antischiuma, in termini generali, essendo parzialmente insolubile in acqua ha la capacità di destabilizzare il sistema schiumogeno. Espandendosi rapidamente, infatti, agisce sull’equilibrio venutosi a creare nell’interfase liquido-aria (che è alla base della bolla di schiuma) rompendo le lamelle e facendo esplodere la bolla.
Di norma, gli antischiuma sono efficienti perché sono parzialmente incompatibili con la sospensione all’interno della quale vengono immessi. La parziale incompatibilità è imputabile alla loro polarità o, più precisamente, al loro bilancio idrofilo-lipofilo che misura e indica il loro grado di idrofilicità o lipofilicità (cioè la loro maggiore prossimità alla natura dei grassi o dell’acqua).
In che senso dunque si può parlare di uso improprio?
In linea generale e parlando su ampia scala, se applicati a smalti poco plastici (con basso contenuto di argille) o duri (come ad esempio smalti a sola base di fritte) gli agenti antischiuma tendono a rimanere micro dispersi in acqua generando talvolta difetti. Tra questi, occhielli o sfondini sono piuttosto frequenti. L’uso di prodotti antischiuma per contrastare la schiuma promossa dal tensioattivo può pertanto risolvere parzialmente o totalmente il problema ma l’equilibrio che si genera è talvolta piuttosto instabile.
Così come accade per i tensioattivi, esistono diverse tipologie di additivi antischiuma. Per contenere o evitare la comparsa di occhielli da loro promossa si può agire su più fronti. La più immediata e per certi versi ovvia riguarda la revisione e sostituzione dell’antischiuma con una tipologia che si combini con il tensioattivo in sospensione, quando presente. [Essendo la casistica enorme non ha senso fare qui un esempio.] In seconda battuta può essere utile rivedere il dosaggio, riducendo o aumentando la quantità in base alle proprietà reologiche della miscela. Un’altra strada percorribile può concretizzarsi nella revisione del tensioattivo: se si considera infatti che antischiuma e tensioattivo agiscono in combinazione, in reciproca relazione, si può agire su entrambe le leve o su di una piuttosto che sull’altra.

 

  1. PARAMETRI APPLICATIVI NON CORRETTI

Tra i numerosi parametri che si potrebbero prendere in considerazione ci si focalizza in questa sede su due in particolare, tra loro correlati: i tempi di asciugamento eccessivamente lunghi e i valori di densità/viscosità troppo bassi in relazione ai parametri della linea produttiva. Durante l’asciugamento della sospensione che è stata scaricata sul supporto possono verificarsi diversi fenomeni. Qualora il processo di asciugamento/drenaggio fosse eccessivamente lungo (stiamo parlando di pochi secondi: da qualche secondo a qualche decina di secondi) la sospensione, anziché solidificare velocemente rimane fluida per un tempo che potremmo definire improprio. Un tempo utile a facilitare la comparsa del difetto. Nel caso, ad esempio, fosse presente un’impurità di carbonio o una goccia di antischiuma la possibilità di una rottura del velo della sospensione sarebbe certamente di molto superiore. 
Se l’elemento tempo è dunque un parametro significativo, risulta chiaro come sia importante, in questi casi, agire riducendo e riparametrando i tempi di asciugamento. Quali sono le azioni più efficaci?

 

A) Aumento della densità di applicazione attraverso la riduzione del quantitativo di acqua all’interno della soluzione così da ridurre i tempi di evaporazione/drenaggio e il conseguente rischio di occhiellature. Per diminuire l’apporto di acqua e aumentare la densità, senza però stravolgere i parametri di linea, si potrebbe intervenire con fluidificanti energici che agevolino la corretta lavorazione della miscela. In altri casi si potrebbe usare un additivo legante – di norma usato all’interno delle sospensioni – che non aumenti eccessivamente i valori di viscosità del sistema e che dunque permetta di lavorare con un minore contenuto d’acqua. La viscosità della colla (o legante) selezionata, infatti, influisce sul sistema e può in qualche modo agire sull’aumento dei valori di densità. In casi estremi, quando tutte le azioni sembrano essere inefficaci, l’aumento di densità può passare attraverso la riformulazione della ricetta di fluidificazione. È comunque bene ricordare che la scelta di lavorare ad alte o basse densità dipende sempre dai parametri di linea e dagli obiettivi. Una non è necessariamente meglio dell’altra.

 

B) Revisione / adattamento della linea di smalteria mediante, a solo titolo di esempio, la collocazione del capanno airless (o comunque della macchina applicatrice) in una posizione più a monte della linea, dove la temperatura del corpo ceramico, essendo più alta, può velocizzare i tempi di evaporazione / asciugamento. Sotto questa prospettiva, nel caso fossero presenti due capanni, sarebbe chiaramente opportuno utilizzare quello più a ridosso dell'essiccatoio. 

 

  1. INQUINAMENTO DELLA SOSPENSIONE

Talvolta la sospensione può essere inquinata in fase applicativa, lungo la linea di smalteria. Questo può succedere in particolare quando, una volta terminata un’applicazione, si procede con la produzione di un altro prodotto che prevede l’uso di una diversa sospensione (caratterizzata da parametri e additivi differenti). Se non si presta grande attenzione alla pulizia della macchina applicatrice (sia essa il capanno dell’airless, una vela o una campana, etc.) prima di procedere con la nuova produzione, si corre il rischio di inquinare la nuova sospensione in uso. Cosa succede?
La nuova sospensione è marcata da diverse caratteristiche e additivazioni e tuttavia risente dei residui organici (ma non solo) lasciati sulla macchina dalla sospensione utilizzata in precedenza. Alcuni antischiuma, ad esempio, possono depositarsi sulle pareti della cabina airless, all’interno del mastello, dentro le tubazioni. Se a cambio turno/produzione non si procede con accurati lavaggi, le parti grasse ed oleose rimangono attaccate al metallo e possono interagire con la nuova sospensione. Essendo esse però incompatibili e non essendoci in questo caso un tensioattivo appropriato che le tenga in emulsione possono portare alla comparsa degli occhielli. In questo contesto, la migliore soluzione per risolvere il problema è procedere con una pulizia capillare della macchina mediante l’uso di cleaner appropriati che vadano a solubilizzare le parti oleose dell’antischiuma. Un’altra buona prassi è quella di limitare, se non eliminare, l’uso di quelle categorie di antischiuma che tendono a produrre questo tipo di criticità così da essere meno vincolati da una produzione all’altra. 

 

4. Conclusioni

Da questa breve esposizione è bene trarre un importante insegnamento. Poco rassicurante sul piano delle certezze ma certamente realistico e valido per moltissime fasi della produzione ceramica. Conseguire ottimi risultati applicativi e inibire (o prevenire) l’apparizione di criticità che possono compromettere prodotto e processo significa – sempre – trovare il giusto equilibrio tra le leve in campo. L’intervento su di un parametro può peggiorarne un altro e viceversa. La sfida è trovare e capire su quali leve agire così da conseguire in modo customizzato il giusto bilanciamento tra le parti. 

Nel caso specifico degli occhielli, come è stato evidenziato, i principali parametri sono:

 

  1. Densità
  2. Viscosità
  3. Temperatura
  4. Tensioattivi
  5. Antischiuma
  6. Fluidificanti
  7. Leganti


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