Modificatori reologici

Basi chimiche della reologia e modificatori

La reologia descrive il comportamento dei materiali sotto l’influenza di forze esterne, in particolare la loro suscettibilità allo scorrimento e alla deformazione. Il parametro standard è la viscosità (η), ovvero il rapporto tra sforzo di taglio e velocità di deformazione.

I materiali possono presentare un comportamento newtoniano, in cui la viscosità rimane costante a una data temperatura ed è indipendente dalla velocità di taglio, caratteristica, tra gli altri, dell’acqua e dei solventi semplici. Nel caso di un comportamento non newtoniano, la viscosità varia sotto carico meccanico: può diminuire all’aumentare della velocità di taglio, aumentare o variare nel tempo a velocità di taglio costante, come nel caso dei sistemi tissotropici.

Meccanismo di formazione della struttura di rete nella fase continua

Molti modificatori reologici agiscono formando strutture reticolari microscopiche e dinamiche nella fase continua, come risultato di interazioni fisico-chimiche reversibili, come legami a idrogeno, interazioni elettrostatiche e associazioni idrofobiche. La rete tridimensionale formata aumenta la resistenza al flusso a basse velocità di taglio, stabilizzando le dispersioni e limitando la sedimentazione. Sottoposta a taglio, questa struttura subisce una temporanea distruzione o riorganizzazione, che riduce la viscosità, e al cessare del carico si ricostruisce, ripristinando le proprietà reologiche originali del sistema.

Reticolazione mediante interazioni idrodinamiche

I polimeri ad alto peso molecolare introdotti come modificatori, ad esempio i modificatori di viscosità uretanici HEUR, possono legarsi alle catene di resina o polimeri nel sistema, dando origine ad associazioni molecolari. Queste interazioni di rigonfiamento e legame reciproci contribuiscono all’aumento della viscosità e alla formazione di una struttura reologica efficace a basse velocità di taglio.

Meccanismi minerali e di rete

Alcuni modificatori inorganici, ad esempio bentoniti e argille organofile, formano strutture dense in presenza di un mezzo, spesso acqua, che ne aumentano efficacemente la viscosità e la resistenza alla sedimentazione delle particelle. Tali meccanismi sono utilizzati in vernici e rivestimenti per stabilizzare i pigmenti e impedire la sedimentazione della fase solida.

Effetti reologici nella pratica

Controllo della viscosità

La funzione principale è quella di adattare la viscosità al processo di applicazione: il prodotto deve essere sufficientemente fluido da consentire la miscelazione, il pompaggio o la spruzzatura e, allo stesso tempo, sufficientemente viscoso da impedire la colatura e stabilizzare le sospensioni di pigmenti o altre fasi solide.

Memoria liquida

In molte formulazioni è auspicabile la tissotropia, ovvero un fenomeno per cui la viscosità diminuisce sotto l’azione del taglio, ad esempio durante la miscelazione o l’applicazione a pennello, e si ripristina dopo che la forza cessa, stabilizzando il prodotto a riposo.

Stabilizzazione della dispersione

I modificatori reologici aumentano la stabilità delle sospensioni di pigmenti e particelle, riducendone la tendenza a sedimentare durante lo stoccaggio. Interagendo con la fase continua e le particelle, la variazione del profilo reologico contrasta la separazione di fase.

Esempi di modificatori reologici

Modificatori polimerici a base d’acqua

I prodotti di questo gruppo sono principalmente polietilenglicoli (PEG) di vari pesi molecolari, che influenzano la viscosità e il comportamento di flusso dei sistemi modificando le interazioni molecolari nella fase continua. Agiscono, tra le altre cose, come solubilizzanti e umettanti che, legando l’acqua e formando strati di idratazione, possono influenzare la viscosità e la stabilità delle dispersioni.

Tensioattivi specifici

Questo gruppo include tensioattivi che, oltre alle loro funzioni tipiche, possono influenzare le proprietà reologiche, addensare, modificare la consistenza e stabilizzare strutture in fase continua. La loro azione è spesso associativa, comportando la formazione di micelle o aggregati che interagiscono con macromolecole o altri componenti del sistema.

Alcanolammidi

Gli alcanolamidi si presentano come tensioattivi con proprietà addensanti e reologiche, soprattutto in presenza di altri tensioattivi, ad esempio quelli anionici.

Prodotti con effetti reologici specifici nelle dispersioni edilizie/cementative

Non tutti i prodotti di questa categoria sono tensioattivi o PEG. Esistono anche additivi funzionali polimerici utilizzati in edilizia che migliorano le proprietà reologiche delle miscele di calcestruzzo attraverso meccanismi di interazione polimero-particella sulla superficie. Un esempio di tale sostanza è una soluzione acquosa al 50 %di copolimero policarbossilato.

Riepilogo dell’importanza dei modificatori reologici nelle formulazioni industriali

In molti settori, i modificatori reologici sono fondamentali per controllare il processo produttivo, l’applicazione e le proprietà prestazionali. Nelle vernici e nei rivestimenti, determinano:

• resistenza al cedimento dopo l’applicazione,
• stabilità dei pigmenti e degli additivi,
• facilità di pompaggio e applicazione,
• formazione di un film di rivestimento dello spessore desiderato,
• profilo tissotropico a velocità di taglio variabili.

Nei prodotti chimici cosmetici e per la casa, i modificatori influenzano anche la consistenza e la consistenza, che si traducono in sensazioni sensoriali e comfort di applicazione, sebbene i meccanismi molecolari di interazione rimangano simili.