1. Introduzione
2. Cosa sono gli agenti complessanti?
3. I complessanti in campo ceramico
4. I fosfonati: un esempio di agente complessante

1. Introduzione

Chi non ha mai giocato a pac-man?
Il famoso videogiochi in cui il giocatore deve guidare una creatura sferica di colore giallo, chiamata appunto pac-man, facendole mangiare tutti i numerosi puntini disseminati ordinatamente all’interno del labirinto e, nel far questo, deve evitare di farsi toccare da quattro fantasmi, pena la perdita immediata di una delle vite a disposizione.

Il ruolo degli agenti complessanti utilizzati non solo in campo ceramico è molto simile all’obiettivo di questo famoso gioco. In un’ottica di semplificazione, gli agenti complessanti sono in grado di catturare i cationi multivalenti per evitare che influenzino negativamente il processo ceramico.

CATIONI MULTIVALENTI

I cationi multivalenti sono ioni positivi che hanno una carica elettrica superiore a +1, il che significa che hanno perso più di un elettrone. Questi ioni possono avere cariche di +2, +3 e così via.
Esempi comuni di cationi multivalenti includono:

Calcio (Ca²⁺): ha una carica di +2
Magnesio (Mg²⁺): ha una carica di +2
Ferro (Fe²⁺ o Fe³⁺): può avere cariche di +2 o +3
Alluminio (Al³⁺): ha una carica di +3.

Questi cationi sono importanti per lo sviluppo di molte reazioni chimiche e biologiche, compresi i processi di deflocculazione e di stabilizzazione dell sospensioni. Questo in vari contesti, come in ceramica e nell’industria dei materiali. La loro presenza può influenzare le proprietà fisiche e chimiche dei sistemi in cui si trovano.

2. Cosa sono gli agenti complessanti?

Gli agenti complessanti sono i responsabili di uno dei principali meccanismi alla base del processo di de-flocculazione: la complessazione. In che modo agiscono?

Gli agenti complessanti (o chelanti) sono sostanze chimiche che si legano a particolari ioni (come calcio, magnesio, ferro, rame, ecc.), formando complessi stabili. Questa proprietà permette loro di “sequestrare” i metalli, rendendoli meno reattivi o prevenendo la loro precipitazione in soluzioni. Gli agenti complessanti trovano applicazione in molti settori, dalla detergenza al trattamento delle acque e alla medicina.

FUNZIONAMENTO
Gli agenti complessanti possiedono gruppi chimici che possono donare elettroni e legarsi ai metalli attraverso legami coordinati, creando strutture stabili note come complessi di coordinazione. Una volta che un agente complessante si lega a uno ione metallico, questo diventa chimicamente “inattivo” e meno propenso a interagire con altre sostanze.

In altre parole e in ceramica.
Gli agenti complessanti sono in larga misura molecole composte da gruppi funzionali formati da atomi con carica negativa, come ossigeno o azoto. Tali atomi attraggono i cationi multivalenti, come calcio o magnesio, presenti nell’acqua di macinazione (acque dure) e nelle materie prime durante il tempo di stoccaggio o di permanenza all’interno delle vasche, prima del processo di atomizzazione.

Aggiungendo agenti complessanti, si neutralizzano le cariche multivalenti e si liberano cariche monovalenti, facilitando lo scambio cationico. Questo scambio aumenta la distanza tra le particelle, producendo un effetto deflocculante e riducendo la viscosità del fluido.
Questo tipo di meccanismo ha come diretta conseguenza la possibilità di aumentare il contenuto di solido all’interno della sospensione (slurry), contribuendo al contempo a diminuire il consumo di acqua ed energia.

PROPRIETÀ DI UN AGENTE COMPLESSANTE
Gli agenti complessanti, che con tutta evidenza si distinguono da altri meccanismi di deflocculazione sono contrassegnati da loro specifiche proprietà:

• La loro alta solubilità in acqua e la loro importante versatilità li rende utili e utilizzabili in un ampio ventaglio di applicazioni.
• Gli agenti complessanti non si modificano prima di unirsi al catione multivalente
• Proprio come un solo Pac-Man può mangiare diversi fantasmi, una singola molecola di fosfonato può complessare diversi agenti flocculanti, come calcio e magnesio
• Natura del legame: l’agente complessante può unirsi a un catione multivalente circondandolo o formando un ponte che collega due cationi

3. I complessanti in campo ceramico

Per capire cosa sia un complessante e come agisca all’interno del processo ceramico, partiamo dalle basi: cosa c’entrano i complessanti con la de-flocculazione?

Le slurry, o sospensioni ceramiche, possono presentare in diverse occasioni un effetto tissotropico.

L’effetto tissotropico (o tissotropia) è una proprietà di alcuni materiali, solitamente fluidi o gel, che consiste nel cambiare la loro viscosità in risposta a una sollecitazione meccanica, come l’agitazione o il mescolamento.
In pratica, un fluido tissotropico diminuisce la propria viscosità (diventa più liquido) quando viene sottoposto a uno sforzo o a uno scuotimento e ritorna allo stato originale (più viscoso o gelatinoso) quando il movimento si arresta e il fluido viene lasciato a riposo.

Questa caratteristica strutturale non è sempre vantaggiosa. Almeno in ceramica.
Infatti, quando le micelle di argilla si trovano in sospensione in poca acqua, spesso si scatena un’attrazione elettrostatica tra le lamine di argilla che si traduce in un aumento della viscosità del sistema e, in alcuni casi, la sospensione può in breve tempo gelificare.
Per poter essere correttamente processata, la sospensione (o semilavorato) deve necessariamente recuperare il giusto valore di viscosità, riassumendo uno stato nuovamente fluido che ne permetta l’applicazione.

MECCANISMI DI DEFLOCCULAZIONE

Esistono diverse modalità per dare mobilità alle lamine di argilla e alle particelle in sospensione che la compongono:

• Aggiungendo cationi monovalenti: l’aggiunta di cationi come il sodio alla miscela consente di sostituire le cariche positive multivalenti con cariche elettriche più deboli. In altre parole, si realizza uno scambio cationico che diminuisce la viscosità della slurry
• Utilizzando disperdenti polimerici: queste molecole sono costituite da catene di molecole inattive, il che evita interazioni tra di esse e crea la distanza sufficiente affinché le particelle possano fluire. Di conseguenza, la viscosità si riduce.
• Uso di agenti complessanti: terza opzione per ridurre la viscosità e generare un effetto deflocculante.

4. I fosfonati: un esempio di agente complessante

Uno dei complessanti più utilizzati nell’industria ceramica sono i fosfonati, che, grazie alla loro capacità di eliminare le cariche multivalenti, facilitano lo scambio cationico. Questo si traduce in un aumento della distanza tra le particelle e una diminuzione della viscosità del sistema.

I fosfonati (o acidi fosfonici) sono una classe di composti chimici contenenti almeno un gruppo fosfonico caratterizzato dalla presenza di un legame diretto tra il fosforo e il carbonio. La loro struttura chimica permette loro di essere stabili e resistenti a reazioni chimiche come l’idrolisi e l’ossidazione, rendendoli utili in diversi campi industriali e ambientali.
I fosfonati, tra le loro principali caratteristiche, hanno la capacità di legarsi ai metalli in modo stabile e sono molto solubili in acqua, caratteristica che li rende ideali per l’uso in condizioni estreme, come in ambienti con alte temperature o pH elevati. Tra i principali usi ricordiamo:

Trattamento delle acque: Sono ampiamente utilizzati per prevenire l’incrostazione e la corrosione nelle tubature e nei sistemi di riscaldamento e raffreddamento. Grazie alla loro capacità di legare gli ioni metallici, impediscono la formazione di depositi di calcare.

Detersivi e detergenti: I fosfonati vengono impiegati nei detergenti come agenti sequestranti, ovvero sostanze che catturano gli ioni di calcio e magnesio, migliorando l’efficacia del detersivo in acque dure e aumentando l’effetto pulente.

Agricoltura: In campo agricolo, alcuni fosfonati vengono utilizzati come fertilizzanti e per la protezione delle piante, in quanto possono essere assorbiti e traslocati dalle piante, aiutandole a rafforzarsi contro stress ambientali e malattie fungine.

Industria dei polimeri: Possono essere utilizzati come additivi per migliorare la stabilità dei polimeri o per la produzione di alcuni tipi di plastica.

COSA SUCCEDE SE NON SI AGGIUNGE UN COMPLESSANTE?

Proprio come nel gioco del pack-man, i fosfonati hanno la capacità di catturare e poi liberare cationi multivalenti come il calcio o il magnesio, che possono formare complessi instabili.
L’efficacia, di norma molto elevata, di questa operazione può avvenire anche per mezzo di piccole quantità di fosfonati.
Se non si aggiunge un agente complessante nel processo di produzione ceramica, le conseguenze possono variare a seconda dell’applicazione:

• Smalti: il calcio e il magnesio degli smalti si solubilizzano nell’acqua di macinazione, aumentando la viscosità dello smalto. Questo accade perché le particelle nel mulino sono circondate da cariche positive, favorendo l’agglomerazione senza l’intervento di un complessante

• Paste: se non si aggiungono agenti complessanti e le paste non sono sottoposte in modo costante movimento di taglio (non vengono cioè tenute sotto agitazione) possono acquisire la consistenza di un flan, cioè di un budino. Questo è dovuto all’attrazione elettrostatica tra le particelle, che aumenta la viscosità e può portare alla gelificazione del sistema

Gli agenti complessanti possono essere utilizzati, e dunque disponibili, allo stato sia allo stato solido che a quello liquido. In termini generali, tali prodotti producono una stabilizzazione della sospensione, una riduzione del fenomeno tissotropico e un risparmio di tempo, e dunque di energia, durante la fase di macinazione.