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#33 Ciclo di cottura ceramico, emissioni e chimismo degli inchiostri digitali

Indice

  1. 1. Introduzione
  2. 2. Chimismo degli inchiostri e forni ceramici
    a) Composizione di un inchiostro digitale
    b) Polarita VS non polarità
    c) I forni ceramici
    d) Diverso comportamento degli inchiostri

 


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1. Introduzione

Emissioni inquinanti ed emissioni odorigene sono ad oggi due temi sensibili, per certi versi spinosi, a cui i produttori ceramici guardano da tempo con non poca attenzione. Trattasi di una criticità che si sprigiona nella fase finale del ciclo produttivo ceramico, durante la cottura all’interno dei forni, ma la cui origine è da imputare a precedenti processi applicativi che per lo più si svolgono lungo la linea di smalteria. Per quanto il ventaglio delle casistiche non sia univoco, le emissioni sono imputabili in larga misura all’uso di colle ed inchiostri digitali che, per quantità d’utilizzo e per loro particolare chimismo, costituiscono a tutti gli effetti il cuore del problema. 

2. Chimismo degli inchiostri e forni ceramici

Quando si parla di chimismo ci si riferisce all’insieme dei caratteri chimici di una sostanza composta o, in altri termini, al complesso di fenomeni che vengono determinati o prodotti da specifiche azioni chimiche proprie ad una sostanza. Nel caso degli inchiostri digitali, la cui composizione è certamente articolata e complessa, ci basta porre attenzione ad alcuni specifici solventi che durante la cottura – nelle fasi di semi-combustione e combustione – si fanno promotori delle emissioni.

 

A) COMPOSIZIONE DI UN INCHIOSTRO DIGITALE

Volendo dare dei valori, così mettere in evidenza la diversa composizione delle due principali categorie di inchiostri (base solvente SV base acqua), possiamo dire che gli inchiostri a base solvente sono formati da un 60/70% di solventi apolari e additivi e un 30/40% di pigmenti mentre gli inchiostri a base acqua sono composti da un 30/40% di solventi polari e additivi, 25/35% di pigmenti 30/35% di acqua. I solventi specifici a cui si fa riferimento parlando di emissioni sono per lo più quelli apolari che attengono alla categoria di inchiostri a base solvente. Solventi apolari che invece, nel caso di inchiostri a base acqua, vengono sostituiti da quelli polari che, per il loro chimismo, riducono sensibilmente il problema emissivo.

 

B) FOCUS: POLARITÀ VS NON POLARITÀ

In linea generale, le caratteristiche di una sostanza dipendono molto dalla forma delle molecole che la compongono. Che cosa significa?
In una molecola, gli atomi sono disposti secondo specifiche relazioni di natura geometrica. Le proprietà e caratteristiche di una sostanza molto dipendono dalla forma delle molecole che la compongono. Ciò che definisce la geometria di una molecola è l’angolo di legame, ovvero l’angolo formato dagli assi che congiungono i nuclei degli atomi che tra loro si legano. La geometria della molecola, cioè la disposizione nello spazio dei suoi legami, è uno dei fattori che influiscono e definiscono la sua polarità o apolarità. Di norma, una molecola è polare se la somma dei momenti dipolari di tutti i suoi legami è diversa da zero. 

C) I FORNI CERAMICI

I forni ceramici sono costruiti, con tutta evidenza in modo da conseguire il massimo rendimento energetico. In questo senso, per raggiungere la più alta resa, i fumi di cottura vengono direzionati e convogliati dalla zona più calda del forno (che si trova indicativamente a metà della sua lunghezza complessiva) alla zona d’ingresso forno dove si trova anche il camino di scarico dei fumi.
Perché i fumi vengono direzionati verso l’ingresso forno e non verso la sua parte finale?
Questo accorgimento “controcorrente” consente di sfruttare il calore al meglio (in massima misura): dalla zona di massima temperatura delle piastrelle a quella di pre-riscaldo. Tuttavia, a dispetto del vantaggio energetico, il sistema di cottura contribuisce unitamente alla composizione degli inchiostri digitali a fare affiorare le problematiche che vanno ad impattare negativamente sull’aria dei centri di produzione industriale. Occorre poi considerare i tempi sempre più ridotti di permanenza delle piastrelle all’interno dei forni. Tempi che agiscono positivamente sulla produttività industriale ma che non consentono di portare a completa combustione tutte le sostanze organiche presenti all’interno degli inchiostri, con particolare riferimento ai solventi alto-bollenti. Sostanze che, come indica la parola, raggiungono il proprio punto di combustione solo a temperature molto elevate. In un’ottica di semplificazione il ciclo di cottura ceramico può essere suddiviso in tre diverse fasi:

 

  1. PRE-RISCALDO: fase in cui possono sopraggiungere fenomeni di distillazione dei solventi (in cui si può assistere ad un passaggio di stato di una sostanza: dallo stato liquido a quello gassoso)
  2. PRE-COTTURA: fase in cui possono generarsi per lo più fenomeni di semi-combustione delle molecole organiche
  3. COTTURA: fase nella quale si giunge di norma alla completa combustione delle sostanze organiche

 

A seconda del chimismo delle sostanze organiche, i fenomeni di semi-combustione possono da un lato dare origine a quella tipologia di molecole che spesso vanno a formare prodotti inquinanti come aldeidi, acreolina e acidi organici e dall’altro possono produrre molecole con caratteristiche chimiche con bassa soglia olfattiva, motivo del disagio (in quanto l’odore è percepibile anche a fronte di una presenza con percentuali irrisorie).

D) DIVERSO COMPORTAMENTO DEGLI INCHIOSTRI

Avendo parlato di due diverse tipologie di inchiostri – base solvente e base acqua – a quale diverso tipo di comportamento si può assistere?
Durante la fase di combustione, il pigmento contenuto nell’inchiostro (la componente solida della sospensione) si fissa sul supporto. Sia esso a base solvente o a base acqua. Mentre da un lato i solventi apolari presenti negli inchiostri a base solvente si decompongono in composti chimici fortemente odorigeni, i solventi polari specificatamente studiati e selezionati per gli inchiostri a base acqua producono, decomponendosi, molecole organiche con altissima soglia olfattiva. Un solvente apolare di un inchiostro a base solvente – in fase di pre-combustione – è costituito da lunghe catene di carbonio più o meno ramificate. In fase di combustione si verifica un fenomeno denominato cracking che consiste nella rottura di queste lunghe catene in catene intermedie (trattasi in sostanza di un fenomeno di degradazione) che sono responsabili dei forti odori che aggrediscono l’aria. Viceversa, in un inchiostro a base acqua – in fase di pre-combustione – siamo in presenza di una catena di solvente polare solubile in acqua che in fase di combustione si scompone in intermedi di diversa natura che non sono percepibili all’olfatto. Risulta pertanto evidente quanto sia importante, nella progettazione di un inchiostro Inkjet, fare le giuste scelte in termini di chimica organica al fine di ridurre o eliminare odori ed emissioni inquinanti.



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