#73 Fluidificanti per impasti ceramici: controllo reologico e gestione della barbottina
Indice
- Cosa sono i fluidificanti da impasto
- Acqua, solidi e viscosità: trovare il punto di lavoro
- Quando la viscosità rende difficile la gestione della barbottina
- Non solo viscosità: tissotropia e comportamento sotto sollecitazione
- Materie prime diverse, risposta diversa
- Il ruolo dell’acqua e degli ioni presenti in soluzione
- Famiglie chimiche e meccanismi differenti
- Anche il dosaggio ha un punto di equilibrio
- Dalla scelta del prodotto alla caratterizzazione dell’impasto
1. Cosa sono i fluidificanti da impasto
Nella preparazione a umido degli impasti per piastrelle ceramiche, le materie prime vengono disperse in acqua e macinate fino a ottenere una barbottina con caratteristiche adeguate alle successive fasi di lavorazione. In questo contesto, i fluidificanti, indicati anche come deflocculanti o disperdenti, sono additivi utilizzati principalmente per modificare il comportamento reologico della sospensione e, in particolare, per consentire di lavorare con un contenuto di solidi relativamente elevato mantenendo una viscosità compatibile con il processo.
Il loro ruolo non consiste semplicemente nel “rendere più liquido” l’impasto. Una barbottina ceramica è infatti una sospensione concentrata costituita da acqua e particelle minerali con dimensioni, forme, caratteristiche superficiali e composizioni differenti. Le interazioni tra queste particelle determinano in larga misura il comportamento della sospensione.
Quando le interazioni favoriscono la formazione di aggregati o strutture tra le particelle, la resistenza allo scorrimento può aumentare. L’azione di un deflocculante tende invece a favorire una maggiore dispersione delle particelle nella fase acquosa, modificandone le interazioni e quindi il comportamento reologico della barbottina. Il risultato può essere una riduzione della viscosità a parità di contenuto d’acqua oppure, visto da un’altra prospettiva, la possibilità di aumentare la concentrazione di solidi mantenendo condizioni di scorrimento compatibili con il processo.
Non esiste tuttavia una relazione universale tra quantità di fluidificante aggiunto e risposta dell’impasto. Le sospensioni ceramiche sono sistemi complessi e il comportamento del deflocculante dipende dalle materie prime utilizzate, dalla loro granulometria e mineralogia, dalla composizione dell’acqua, dalla concentrazione di solidi e dalle condizioni con cui viene preparata la barbottina. Per questo motivo la scelta e il dosaggio dell’additivo vengono normalmente valutati sullo specifico impasto.
2. Acqua, solidi e viscosità: trovare il punto di lavoro
Una delle situazioni più immediate è quella di una barbottina che raggiunge una viscosità adatta alla movimentazione solamente aumentando la quantità d’acqua.
Dal punto di vista operativo questa soluzione può funzionare, ma introduce una conseguenza nelle fasi successive: l’acqua presente nella barbottina destinata all’atomizzazione deve essere in larga parte evaporata nello spray dryer. Una diminuzione del contenuto d’acqua della sospensione in ingresso significa quindi, a parità delle altre condizioni, una minore quantità di acqua da eliminare termicamente con una conseguente riduzione dei costi energetici.
Un fluidificante adeguato può permettere di aumentare il contenuto di solidi senza portare la viscosità oltre i limiti gestibili dall’impianto. Il punto di lavoro deve però essere individuato sperimentalmente: cercare semplicemente la massima densità possibile non costituisce necessariamente l’obiettivo corretto, perché la barbottina deve conservare caratteristiche compatibili con scarico, stoccaggio, setacciatura, pompaggio e atomizzazione.
Il parametro da controllare, quindi, non è soltanto la viscosità presa isolatamente. È il rapporto tra contenuto di solidi e comportamento reologico a essere particolarmente significativo.
3. Quando la viscosità rende difficile la gestione della barbottina
Una viscosità eccessiva può manifestarsi in diversi punti del processo. In questi casi aggiungere acqua è una possibile correzione di processo, ma non è l’unica strada disponibile. Una verifica della curva di deflocculazione permette di valutare se sia possibile raggiungere un comportamento più favorevole intervenendo sulla dispersione delle particelle.
Questo aspetto è importante perché la viscosità di una barbottina non dipende esclusivamente dalla quantità di acqua presente. Il comportamento reologico dell’impasto è influenzato dalla concentrazione e dalle caratteristiche delle particelle, dalle loro interazioni e dal tipo e dosaggio del deflocculante. Due barbottine con la stessa densità possono quindi mostrare comportamenti reologici differenti. Analogamente, sostituire un fluidificante con un altro mantenendo invariato il dosaggio non implica necessariamente ottenere lo stesso risultato.
4. Non solo viscosità: tissotropia e comportamento sotto sollecitazione
Il valore di viscosità misurato in una determinata condizione fornisce un’informazione importante, ma non descrive da solo l’intero comportamento della barbottina.
Le sospensioni ceramiche concentrate presentano frequentemente un comportamento non newtoniano: la loro viscosità apparente può quindi variare in funzione delle condizioni di sollecitazione. Anche fenomeni come tissotropia, dilatanza o limite di scorrimento possono diventare rilevanti nella gestione industriale della sospensione. La tissotropia, in particolare, descrive un comportamento dipendente dal tempo per cui la struttura della sospensione può modificarsi sotto sollecitazione e recuperare, almeno in parte, quando la sollecitazione viene ridotta o eliminata.
Dal punto di vista produttivo questo significa che una barbottina non deve necessariamente essere valutata soltanto chiedendosi “quanto è viscosa?”, ma anche come scorre nelle condizioni reali del processo e come evolve quando queste condizioni cambiano. Il fluidificante diventa così uno strumento di regolazione della reologia nel suo complesso.
Zschimmer & Schwarz, ad esempio, indica per i propri disperdenti destinati alla preparazione degli impasti la possibilità di intervenire su parametri quali viscosità, comportamento tissotropico, viscosità strutturale e altre caratteristiche di flusso.
5. Materie prime diverse, risposta diversa
Uno degli aspetti che rende la deflocculazione meno prevedibile di quanto possa apparire è la variabilità delle materie prime.
Le argille non sono materiali chimicamente e mineralogicamente uniformi. Cambiamenti nella composizione dell’impasto o nelle caratteristiche di una materia prima possono modificare la risposta reologica della barbottina e, di conseguenza, anche l’efficacia relativa di un determinato sistema deflocculante.
I più comuni additivi reologici possono comportarsi in modo diverso in funzione dell’argilla considerata. Per questo la scelta di un fluidificante non dovrebbe essere separata dalla caratterizzazione dell’impasto sul quale dovrà lavorare.
In pratica, un prodotto che consente di raggiungere un buon punto di lavoro su una formulazione non è necessariamente la soluzione più adatta per una composizione differente. Lo stesso vale quando una ricetta apparentemente invariata mostra variazioni legate ai lotti di materie prime.
In questi casi il fluidificante può contribuire a riportare la barbottina verso le condizioni reologiche richieste, ma prima di aumentare semplicemente il dosaggio è utile comprendere quale parametro sia effettivamente cambiato. Una variazione di viscosità può infatti essere il sintomo di un cambiamento più ampio del sistema.
6. Il ruolo dell’acqua e degli ioni presenti in soluzione
Anche le caratteristiche dell’acqua utilizzata nella preparazione della barbottina entra nell’equilibrio del sistema.
La presenza di specie ioniche nella fase acquosa può infatti modificare le interazioni tra le particelle e influenzare l’efficacia del deflocculante. È il caso, ad esempio, degli ioni calcio. In questi sistemi, polimetacrilati di sodio a basso peso molecolare possono svolgere una duplice funzione: stabilizzare le particelle per via elettrosterica e sequestrare cationi con effetto flocculante.
Questo aiuta a spiegare perché il comportamento di una barbottina non possa essere attribuito esclusivamente alla ricetta delle materie prime solide. Anche la composizione della fase liquida può contribuire al risultato.
La conseguenza pratica è rilevante soprattutto quando cambiano la fonte o le caratteristiche dell’acqua di processo, oppure quando nel circuito entrano acque recuperate la cui composizione può differire da quella dell’acqua fresca. In presenza di una variazione reologica non immediatamente spiegabile, la fase acquosa costituisce quindi uno degli elementi che può essere opportuno verificare.
7. Famiglie chimiche e meccanismi differenti
Nel settore ceramico vengono utilizzate diverse famiglie di deflocculanti, tra cui silicati, fosfati e altri sali inorganici, oltre a polimeri organici come poliacrilati e polimetacrilati. Sono inoltre impiegate miscele di componenti organici e inorganici.
Il loro comportamento non è necessariamente equivalente.
Nel caso del silicato di sodio, l’azione è associata, tra gli altri aspetti, alla modifica del pH e all’adsorbimento di specie cariche negativamente sulle superfici delle particelle argillose, con un’importante componente di stabilizzazione elettrostatica. Per alcuni polimetacrilati è stata invece descritta una stabilizzazione prevalentemente elettrosterica, associata alla capacità di interagire con cationi flocculanti.
Questa diversità di meccanismo è uno dei motivi per cui le formulazioni commerciali possono combinare più componenti. Le interazioni tra diversi deflocculanti, tuttavia, possono essere additive, sinergiche oppure meno favorevoli a seconda del sistema. Non è quindi corretto presumere che la semplice combinazione di due sostanze efficaci singolarmente produca necessariamente una deflocculazione migliore. Studi dedicati alle miscele di deflocculanti mostrano proprio la necessità di valutare sperimentalmente queste interazioni.
8. Anche il dosaggio ha un punto di equilibrio
Se una certa quantità di fluidificante riduce con tutta evidenza la viscosità, potrebbe sembrare logico aumentare ulteriormente il dosaggio per ottenere un effetto maggiore. Nella pratica la relazione non è necessariamente lineare.
L’effetto del dosaggio può essere valutato sperimentalmente costruendo una curva di deflocculazione, cioè misurando la viscosità o altri parametri reologici della barbottina a dosaggi progressivi di additivo, mantenendo costanti le altre condizioni di prova. In questo modo è possibile individuare il dosaggio, o più propriamente l’intervallo di dosaggio, più adatto alla specifica composizione e alle condizioni di processo. Oltre questa zona, un’ulteriore aggiunta di fluidificante può non produrre ulteriori riduzioni della viscosità e, in alcuni sistemi, può anche modificarne nuovamente il comportamento reologico. Per questa ragione il dosaggio dell’additivo non può essere considerato un valore universale trasferibile automaticamente da una composizione all’altra.
In termini pratici, per alcuni sistemi destinati alla macinazione a umido delle piastrelle, il dosaggio ottimale può collocarsi nell’ordine di pochi decimi di punto percentuale. Si tratta però soltanto di un ordine di grandezza: il valore effettivo dipende dalla composizione dell’impasto, dalla natura del deflocculante e dalle condizioni di processo e deve quindi essere determinato sul sistema specifico.
9. Dalla scelta del prodotto alla caratterizzazione dell’impasto
È in questa logica che si inserisce anche l’offerta di fluidificanti Zschimmer & Schwarz Ceramco, sviluppata per intervenire in modo mirato sulle proprietà reologiche delle sospensioni ceramiche. La gamma FLUICER comprende soluzioni con caratteristiche differenti, pensate per rispondere a diverse esigenze formulative e di processo.
La disponibilità di formulazioni diverse permette di selezionare la soluzione più adatta in funzione del sistema da trattare e del comportamento reologico richiesto.
Il prodotto, tuttavia, è solo una parte della soluzione. La scelta del fluidificante e del relativo dosaggio acquista significato quando viene associata alla caratterizzazione della sospensione e alle effettive condizioni di processo. È proprio dal confronto tra prodotto, formulazione e condizioni applicative che si individua il punto di lavoro più appropriato.
