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REOLOGIA COME BASE DI OGNI PROCESSO PRODUTTIVO CERAMICO

DEFINIZIONE

 

La reologia è la disciplina che analizza il moto e la deformazione dei corpi naturali. 
Si tratta di un ramo della fisica che studia l’origine, la natura e le caratteristiche di deformazione dei materiali sotto l’azione di forze esterne, con particolare riguardo alla classe dei fluidi non newtoniani***.
Il suo compito primario è dunque di definire le correlazioni tra le cause (le forze) e gli effetti (le deformazioni e i flussi) individuando i meccanismi che generano i diversi comportamenti su scala microscopica e molecolare.

 

***PRINCIPALE DIFFERENZA TRA FLUIDI NEWTONIANI E FLUIDI NON NEWTONIANI: 
Fluido Newtoniano: fluido la cui viscosità rimane costante al variare della velocità di moto del fluido stesso
Fluido NON Newtoniano: fluido che non possiede un valore definito di viscosità al variare della velocità di moto del fluido stesso. 

 

LA REOLOGIA IN CERAMICA

In ceramica, quando si parla di reologia, ci si riferisce alle caratteristiche fisiche delle sospensioni acquose utilizzate all’interno dei processi produttivi.



Di seguito le più rappresentative:

  1. BARBOTTINE DA IMPASTO
  2. SMALTI 
  3. ENGOB
  4. INCHIOSTRI DIGITALI
  5. SOSPENSIONI DI GRANIGLIE VETROSE


Al fine di ottenere risultati ottimali a livello applicativo, l’analisi e la gestione delle caratteristiche reologiche delle slurry è a tutti gli effetti imprescindibile.
Se prendiamo ad esempio una barbottina da impasto, un adeguato studio reologico è funzionale a dare stabilità al sistema e rendere la barbottina facilmente gestibile sia a livello di trasporto che all’interno del processo di atomizzazione per mezzo degli spray dryer.

 

COME SI STUDIA LA REOLOGIA DELLE SOSPENSIONI CERAMCHE

Le sospensioni ceramiche vengono sudiate con opportuni strumenti chiamati reometri in grado di raccogliere tutte le informazioni che riguardano le caratteristiche di scorrimento del fluido preso in esame.
Queste proprietà sono attentamente analizzate così da verificare che vi siano le condizioni tali da poter utilizzare la sospensione all’interno di un determinato processo produttivo.
Nella maggior parte dei casi è necessario intervenire su diversi aspetti della reologia del fluido così da impartirgli le caratteristiche di cui la specifica applicazione necessita.
Risulta pertanto evidente, che la medesima sospensione può (e deve) possedere caratteristiche reologiche differenti, sulla base delle esigenze applicative.

 

I principali parametri reologici di norma presi in esame in ceramica sono i seguenti:

 

VISCOSITÀ ► prorietà di un materiale che esprime la facilità (o difficoltà) con cui esso fluisce quando è sollecitato da forze esterne

LIMITE DI SCORRIMENTO ► è il valore che rappresenta la forza minima - definita sforzo di taglio - applicata a un fluido per metterlo in movimento

TIPO DI COMPORTAMENTO REOLOGICO ► plastico, pseudo-plastico o newtoniano 


I dati raccolti dal reometro vengono visualizzati mediante un grafico bidimensionale avente sull'asse verticale (ordinate) lo SFORZO DI TAGLIO* e sull'asse orizzontale (ascisse) il GRADIENTE DI VELOCITÀ**.

 

Lo SFORZO DI TAGLIO* rappresenta la forza impressa al fludio per generare un movimento.
Il GRADIENTE DI VELOCITÀ** è una grandezza fisica relativa alla velocità di novimento del fluido.

 

La viscosità è rappresentata sul grafico dalla pendenza della curva ed è la risultate del rapporto tra sforzo di tglio  gradiente di velocità.

 

COMPORTAMENTI REOLOGICI DELLE SLURRY CERAMICHE

I comportamenti reologici delle sospensioni ceramiche possono essere di quattro diverse tipologie.

 

1. COMPORTAMENTO NEWTONIANO
Comportamento reologico lineare. Il valore di viscosità è costante al variare dello sforzo di taglio e/o del gradiente di velocità applicato.
Olio e acqua sono i due esempi più rappresentativi: questi fluidi, siano essi mescolati velocemente o lentamente, non modificano in alcun modo la loro viscosità.


In ambito ceramico, il comportamento newtoniano è ben rappresentato dagli inchiostri digitali.
Questi devono necessariamente essere newtoniani per poter essere applicati tramite le testine delle stampanti digitali. 
Se l’inchiostro presentasse un comportamento plastico o pseudo plastico il sistema di impulso piezoelettrico (sistema di creazione/formazione della goccia d’inchiostro) non sarebbe efficace portando a una definizione di stampa non idonea o, nel peggiore dei casi, alla mancanza di formazione della goccia.
La testina in sostanza non sarebbe in grado di sparare l’inchiostro.
Quando si crea un inchiostro è pertanto fondamentale conferire alla sospensione un comportamento più newtoniano possibile.

 

2. COMPORTAMENTO PLASTICO
Comportamento contraddistinto da un preciso limite di scorrimento, ovvero da un valore di sforzo di taglio (la forza applicata per generare il movimento) al di sotto del quale il materiale si comporta come un solido.
In altri termini: se il fluido è in posizione statica presenta una compattezza quasi solida. Se allo stesso fluido viene impresso un movimento (mediante l’applicazione di uno sforzo di taglio) la consistenza del fluido si ammorbidisce assumendo caratteristiche di liquido.
Un esempio classico di fluido con comportamento plastico: la crema pasticciera. 

 

In ambito ceramico, parlare di fluidi con comportamento plastico significa parlare prevalentemente di barbottine da impasto e sospensioni acquose di graniglie vetrose.
Queste ultime – quando si trovano in fase di riposo – devono mantenere la graniglia perfettamente in sospensione comportandosi in sostanza come solidi rigidi.
Nel momento invece in cui la sospensione viene messa in movimento per essere applicata, il fluido deve destrutturarsi comportandosi come un fluido pseudo plastico: diminuisce la viscosità all’aumentare della quantità di moto (o del gradiente di velocità).
In ceramica, al momento della spraiatura, la velocità alla quale è sottoposto il fluido è molto elevata e la viscosità è pertanto molto bassa garantendo un’ottima nebulizzazione della sospensione.
Al fine di garantire una reologia come quella descritta, è necessario l’utilizzo di ausiliari chimici in grado di agire sul sistema. Tali ausiliari devono garantire:

 

  1. Azione sospensivante in grado di garantire il limite di scorrimento
  2. Azione legante per conferire coesione e omogeneità al sistema
  3. Pseudo plasticità


In assenza di appositi ausiliari la graniglia tenderebbe a sedimentare, esattamente come la sabbia nell’acqua, compromettendo l’applicazione della sospensione. Nel caso delle barbottine da impasto le argille contenute in formulazione hanno uno spiccato comportamento plastico al punto che è necessario aggiungere ausiliari chimici in grado di sopprimere/ridurre drasticamente sia il limite di scorrimento che l’eccessiva viscosità. Occorre in sostanza portare il sistema da gelificato a fluido.


3. COMPORTAMENTO PSEUDO-PLASTICO
Comportamento caratterizzato dalla diminuzione di viscosità all’aumentare dello sforzo di taglio o del gradiente di velocità. A differenza del comportamento plastico – però - siamo in assenza di limite di scorrimento e dunque in assenza di uno sforzo iniziale. L’assenza di limite di scorrimento fa si che il fluido, in posizione statica, si comporti come un liquido. Pertanto, per metterlo in movimento, occorre uno sforzo molto basso, prossimo allo zero.
Esempio rappresentativo sono le resine autolivellanti per pavimenti.
Questa categoria di fluidi può manifestare non di rado fenomeni di sedimentazione.

 

Gli smalti per applicazione ad aireless sono tutti caratterizzati da comportamenti pseudo plastici. 
Questi smalti non sono altro che sospensioni acquose di particelle estremamente fini, vetrose e di origine  naturale. La dimensione e le caratteristiche chimico-fisiche delle particelle sono tali da non richiedere limite di scorrimento al sistema (se non minimamente accennato) essendo la sedimentazione, in fase di riposo, molto lenta e graduale.
L’assenza di limite di scorrimento garantisce un ottimo livellamento in fase applicativa.
Di fatto la curva reologica ha lo stesso andamento del comportamento plastico con una sola macro differenza: l’assenza di limite di scorrimento.


4. COMPORTAMENTO DILATANTE
Particolare comportamento reologico in cui la viscosità aumenta all’aumentare del gradiente di velocità. 
La pasta elastica usata per fare la pizza, ad esempio, quando viene movimentata tende ad essere più “compatta” e dunque meno fluida e più viscosa. Se lasciata a riposo tende a colare e dunque a presentare una minore viscosità. 

 

In ceramica, i comportamenti dilatanti sono molto rari e sostanzialmente non ricercati essendo inadatti ai processi produttivi in quanto possono dare origine a difettologie applicative importanti. 
Essendo tale comportamento opposto a quello pseudo-plastico - all’aumentare della velocità di moto la viscosità incrementa progressivamente - la nebulizzazione della sospensione tramite le cannette spray diventa difficoltosa, se non impossibile. 
Per meglio capire questo tipo di comportamento possiamo prendere in prestito un esempio dal mondo del motociclismo o, più in generale, degli sport estremi. Esistono oggi in commercio tute protettive realizzate con materiali con caratteristiche tecniche dilatanti: quando esse si trovano in posizione di riposo conservano una certa morbidezza che consente il movimento a chi le indossa. In caso di urto (e quindi in concomitanza con un aumento della velocità di moto) s’induriscono immediatamente, proteggendo da eventuali contusioni.

 

Ai quattro diversi comportamenti analizzati aggiungiamo infine una particolare caratteristica reologica tempo-dipendente che si riscontra spesso in ceramica: la TISSOTROPIA. Essa si manifesta come una progressiva diminuzione della viscosità sotto l’azione di un gradiente di velocità costante.
La barbottina da impasto, ad esempio, presenta di norma questo tipo di comportamento.



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