Ingegneria caratteristiche materiali vernicianti

BREVE INTRODUZIONE ALLA CONOSCENZA DEI MATERIALI VERNICIANTI

I MATERIALI VERNICIANTI ALL’ACQUA

I MATERIALI VERNICIANTI ALL’ACQUA SINTETICI

I MATERIALI VERNICIANTI ALL’ACQUA NATURALI

I MATERIALI VERNICIANTI ALL’ACQUA ORGANOSILOSSANICI

CARATTERISTICHE PRESTAZIONALI DEI MATERIALI VERNICIANTI ALL’ACQUA

CARATTERISTICHE CHIMICO-FISICHE DEI MATERIALI VERNICIANTI ALL’ACQUA

 

Tutti i materiali vernicianti monocomponenti, chimicamente vengono definiti eterogenei ed essendo stabilizzati da un colloide protettore, essi vengono genericamente definiti composti colloidali. 

 

Il materiale verniciante, pur apparendo nella sua forma fisica come un composto omogeneo, va definito eterogeneo poiché ogni suo componente non muta, non si  trasforma, non ha nessuna reazione chimica con gli altri elementi che compongono la pittura; per cui volgarmente potremmo dire che la stessa altro non è che un insieme di materie prime diverse, che riescono a convivere in un equilibrio predeterminato dal formulatore dove ogni elemento assolve al proprio ruolo per le proprie caratteristiche chimico-fisiche.

I materiali vernicianti monocomponenti si dividono in due maxi categorie:

1. materiali vernicianti a base solvente
2. materiali vernicianti a base acqua

 

dove il solvente e l’acqua altro non sono che l’elemento indispensabile per far sì che tutti gli elementi solidi che compongono la pittura passino dalla fase secca alla fase liquida.
Alcuni degli elementi che compongono la pittura passano dalla fase solida alla fase liquida attraverso una precedente reazione chimica (polimerizzazione), altri semplicemente attraverso la loro bagnatura meccanica (dispersione).
Nella fase di formulazione del materiale verniciante, elementi in stato solido ed elementi in stato liquido non modificano più le loro caratteristiche chimiche originali.

 

I MATERIALI VERNICIANTI ALL’ACQUA

I materiali vernicianti all’acqua possono essere suddivisi in due categorie:

1. materiali vernicianti all’acqua sintetici (organici e organosilossanici)
2. materiali vernicianti all’acqua naturali (inorganici)

 

I materiali vernicianti all’acqua sintetici hanno un processo di indurimento fisico.
I materiali vernicianti all’acqua naturali hanno un processo di indurimento reattivo.

Il capostipite di tutti i materiali vernicianti all’acqua sintetici è la tempera.
Il capostipite di tutti i materiali vernicianti all’acqua naturali è la calce aerea.

 

I materiali vernicianti all’acqua sintetici

 

Vanno sotto la categoria di materiali vernicianti all’acqua sintetici tutti quei materiali che spaziano dalla tempera ai traspiranti, dagli idrorepellenti alle lavabili, dai rivestimenti plastici agli smalti all’acqua.

 

1 - LE PITTURE A TEMPERA

La pittura a tempera è un tipo di materiale verniciante all’acqua la cui storia risale a parecchie centinaia di anni fa.
Essa è stata per anni esclusivo e incontrastato utilizzo di pittori ed affrescatori per fare tutti quei colori che non era possibile ottenere con il grassello di calce. 
La tempera che in origine era composta di materiali totalmente naturali, vanta natali più che nobili. I cieli di Giotto nella basilica di Assisi come nella cappella degli Scrovegni a Padova, sono dipinti a tempera. Ovvio che la tempera di Giotto fino a quella usata da Annigoni nel ‘900 per i suoi famosi ritratti, aveva un processo produttivo artigianale frutto di segreti di bottega e che contenendo solo materiali naturali, nobilitava il prodotto ma non era poi molto diversa dalle pitture a tempera attuali, poiché le cariche minerali sono le stesse e la parte colloidale e legante é stata sostituita con materiali di sintesi, meno costosi e più stabili dei prodotti naturali ma che, a ben guardare, poco si discostano dagli originali.

Le pitture a tempera di ieri e di oggi

La tempera di ieri era formulata con acqua, polvere di marmo, albume o tuorlo d’uovo.
Quando era necessario avere una tempera più resistente si aggiungeva, specie per i colori scuri che la tempera così formulata non sopportava, colla animale ottenuta bollendo ossa o pelle di animali.
La tempera di oggi è formulata con acqua, polvere di marmo, cellulosa e legante organico per cui se andiamo a fare un confronto formulativo troviamo

 
Per cui è cambiato ben poco.
Ora ritenendo la tempera la madre di tutte le pitture vernicianti organiche a base acqua, scenderemo nei dettagli e nelle funzioni che svolgono i singoli elementi che la compongono.

Acqua:          è l’elemento utilizzato per permettere la dispersione di tutti gli elementi solidi nella
fase produttiva e veicolo conduttore degli stessi nella fase applicativa

Carbonato:    o polvere di marmo è l’elemento preponderante del composto ed è quello che nella di calcio         fase applicativa consente di ottenere lo strato coprente

Cellulosa:      è il colloide protettore per cui il veicolo che impedisce al carbonato di calcio di perdere rapidamente l’acqua e quindi di essere uniformemente distribuito sulla superficie nella fase applicativa

Resina:         o dispersione o legante organico, è l’unico elemento irreversibile che permette,
una volta che la pittura è essiccata, che questa non spolveri o sfarini
A questi elementi principali e fondamentali della formulazione vanno aggiunti tutti quegli additivi che sono necessari affinché il composto sia reso idoneo all’utilizzo nella maniera più facile e pratica possibile, che non si degradi rapidamente ecc. ecc.
Essi sono i bagnanti, i disperdenti, il battericida, l’antischiuma, i coalescenti.
La percentuale degli elementi sopra indicati nella formulazione di una tempera sono i seguenti:

25% d’acqua
70% di carica (carbonato di calcio)
5% fra cellulosa, resina, additivi (calcolato sul secco dei singoli prodotti)

Una pittura a tempera così formulata presenta una bassissima copertura da bagnato, una buona copertura da asciutto, una scarsa resistenza allo sfregamento, nessuna resistenza al lavaggio.
Però è una vera tempera.
Dovendo la tempera essere prodotta solamente con questi elementi, è chiaro che presenta una copertura proporzionale allo strato di pittura applicata, per cui più lo strato applicato è spesso, maggiore sarà il potere coprente perché il potere coprente è dato solo dalla carica (carbonato di calcio) che, disponendosi sulla superficie a granelli sovrapposti, crea sul supporto uno strato microporoso che attraverso la rifrazione della luce dà la capacità coprente. Pertanto, sintetizzando, la capacità coprente delle pitture a tempera è data dai granelli di carbonato abbinati agli spazi vuoti che si formano fra un granello e l’altro, per cui più la carica è grossolana maggiori saranno gli spazi vuoti e maggiore sarà la copertura.
Ora per venire incontro alle esigenze di mercato che richiedono pitture o più bianche, o più coprenti, o più resistenti, questa ricetta di base della pittura a tempera ha subito trasformazioni fino a creare una gamma pressoché infinita di prodotti, alcuni che privilegiano alcuni aspetti altri che ne privilegiano altri; e veniamo a degli esempi concreti.

 

VOGLIAMO UNA PITTURA CON UN MAGGIOR POTERE COPRENTE?

Si riduce la carica (carbonato di calcio) e la si sostituisce con un pigmento bianco ad elevata capacità coprente (biossido di titanio). Il biossido di titanio dà alla pittura capacità coprente sia da bagnato che da asciutto. Per cui più si aumenta la percentuale di biossido di titanio maggiore sarà la capacità coprente della pittura.
Questo perché il biossido di titanio oltre ad avere una capacità coprente propria, ha una finezza granulometrica infinitamente minore del carbonato di calcio, per cui ha anche una maggiore capacità di rifrazione della luce. Inoltre più viene incrementata la percentuale di biossido di titanio più si può ridurre lo spessore dello strato di pittura da applicare per ottenere lo stesso potere coprente, per cui viene incrementata la resa del prodotto.

 

VOGLIAMO UNA PITTURA CON UNA MAGGIOR TENUTA ALLO SFREGAMENTO?

Si riduce parte della carica (carbonato di calcio) e la si sostituisce con la resina. Maggiore è la quantità di resina, maggiore sarà la tenuta, per contro più si aumenta la resina più si riduce il potere coprente poiché maggiore è la catena molecolare della resina, minore saranno gli spazi d’aria tra granello e granello del carbonato e minore sarà la rifrazione della luce.

In pratica l’aumento o la diminuzione di alcuni componenti possono far venir meno l’equilibrio formulativo della pittura portando la stessa a carenze prestazionali o in capacità coprente o in tenuta allo sfregamento.
Riepilogando: vanno sotto il nome di pitture a tempera tutte quelle pitture che a una buona capacità coprente contrappongono una bassa resistenza allo sfregamento. In pratica una buona tempera deve coprire e non sfarinare e non deve resistere minimamente al lavaggio. Infatti per chiamarsi pittura a tempera la catena molecolare della resina in essa contenuta deve solo essere sufficiente a trattenere la carica e il pigmento dallo staccarsi per sfregamento dal supporto.
Le pitture a tempera sono, fra i prodotti sintetici (organici), in assoluto i prodotti a maggiore traspirabilità.

 

2 - LE PITTURE TRASPIRANTI

Le pitture traspiranti sono l’evoluzione delle pitture a tempera. La loro composizione è del tutto simile alle pitture a tempera stesse, contengono però una maggiore quantità di legante organico (resina) e ovviamente una maggiore quantità di pigmento bianco (biossido di titanio) per compensare la trasparenza data dalla maggiore quantità di legante, senza così penalizzare il potere coprente. 
Nel caso specifico dei traspiranti vengono inoltre utilizzati leganti organici a particelle più fini, per cui a parità di peso/volume avremo più particelle di materiale legante, di conseguenza si avrà una maggiore resistenza allo sfregamento senza pregiudicare o ridurre la traspirabilità del prodotto.

 

3 - LE PITTURE TRASPIRANTI IDROREPELLENTI

Le pitture traspiranti idrorepellenti si differenziano dai traspiranti perché il carbonato di calcio naturale viene sostituito da un carbonato di calcio rivestito con una sostanza che respinge l’acqua (stearato).
Essi possono essere utilizzati per interno in sostituzione dei traspiranti poiché avendo una carica rivestita, per cui meno ruvida ed assorbente, trattengono meno lo sporco e, quando formulati per esterno (per cui additivati anche di resina siliconica), permettono di avere un’ottima traspirabilità ed essendo idrorepellenti, cioè respingendo l’acqua, presentano anche una buona resistenza agli agenti atmosferici. 

 

4 - LE PITTURE LAVABILI

Anche le pitture lavabili derivano sostanzialmente dal concetto formulativo delle tempere e si differenziano da queste solo ed esclusivamente dalla loro resistenza al lavaggio. Un materiale verniciante può definirsi lavabile nel momento in cui la quantità di legante organico in esso contenuto è tale da rivestire completamente le particelle delle cariche e del pigmento in pratica le particelle di resina devono essere in grado si creare una catena che rivesta interamente la parte inerte (carica e pigmento) contenuta nel prodotto.
Le pitture lavabili proprio per la loro formulazione così ricca di legante organico (resina) richiedono una estrema cura formulativa e in questo giocano un ruolo fondamentale gli additivi utilizzati perché, mentre nella formulazione delle pitture a tempera il componente principale è la carica, per cui è un minerale naturale cioè un inerte, nelle pitture lavabili i componenti principali sono il legante e il pigmento e questo, a seconda del tipo di legante e di pigmento utilizzato, richiede tensioattivi specifici per ridurre la polarità dei pigmenti e coalescenti e per ridurre la tensione del polimero permettendo la perfetta filmazione sia alle basse che alle alte temperature.
Le pitture lavabili, oltre ai pigmenti (biossido di titanio), cariche (carbonato di calcio), leganti organici (resina) richiedono delle particelle minerali che per la loro struttura fisico/chimica migliorano la dilatazione e fanno da ponte fra il pigmento/carica e il legante organico che per la loro specifica forma fisica vengono chiamate cariche lamellari.

 

5 – SMALTI ALL’ACQUA

Gli smalti all’acqua altro non sono che la nobilitazione delle pitture lavabili. Il legante organico non è più stabilizzato in polimerizzazione con eteri di cellulosa ma con poliacrilati, i quali essendo irreversibili come il polimero, aumentano di gran lunga la resistenza della resina.
Le resine sono a particelle finissime per dare una maggiore lucidità superficiale così come pigmenti e cariche devono essere micronizzati.
Anche in questo caso come nei precedenti le caratteristiche prestazionali della pittura sono un compromesso formulativo. Più elevata è la quantità di resina rigida, maggiore sarà la resistenza al graffio e all’abrasione e avrà un blocking minore;  più elevata è la quantità di resina elastica, maggiore sarà la resistenza all’urto e un maggior blocking. Come per le pitture lavabili, anche per gli smalti all’acqua giocano un ruolo determinante gli additivi che devono permettere la perfetta distensione, la ripresa, il ritocco ecc. ecc.
Tutti i materiali vernicianti a base organica sopportano egregiamente la pigmentazione colorante sia con materiali organici che inorganici.

Un discorso a parte meritano le pitture sintetiche (organosilossaniche) che tratteremo più avanti.

 

I MATERIALI VERNICIANTI ALL’ACQUA NATURALI

 

1 – LE PITTURE A CALCE

La pittura antesignana di tutti i materiali vernicianti all’acqua naturali per superfici murali è la pittura a calce.
La pittura a calce così come viene formulata oggi, ha oltre 2000 anni di storia.
Se nelle pitture a tempera un ruolo determinante lo giocano le cariche (carbonato di calcio), nelle pitture minerali naturali il ruolo determinante lo gioca la calce aerea o, se di natura diversa, il minerale legante.

Che cos’è la calce?

In origine la calce é pietra, sasso, roccia, questa viene cotta e resa anidra cioè priva di acqua; bagnandola la pietra si scioglie e si riduce ad una poltiglia bianca molto caustica chiamata grassello di calce; questo lasciato in buche coperte d’acqua, matura e riduce leggermente la sua causticità, diventando col tempo un composto morbido grasso e scivoloso al tatto.
Filtrato e privato delle particelle insolubili, il grassello se esposto all’aria asciuga, indurisce e nel tempo di 30 giorni inizia il processo di carbonatazione superficiale che lo riporta attraverso l’anidride carbonica dell’aria, allo stato originale, cioè pietra.

Le pitture a calce sono le uniche pitture in cui l’elemento legante è anche l’elemento coprente.

Una pittura a base di grassello di calce non ha potere coprente da bagnato ma un relativo potere coprente da asciutto, pertanto va applicata a strati sovrapposti e poiché si disidrata rapidamente necessita, per essere applicata, di correttori che ne rallentino l’asciugamento.
È una pittura che per il suo pH altamente basico e in assenza o in bassa presenza di materiale organico, non genera batteri per cui non solo non imputridisce ma svolge anche un’azione disinfettante.
Ora, come per le pitture a tempera, andiamo a fare un confronto fra le pitture a calce di ieri e le pitture a calce di oggi. I componenti che troveremo sono i seguenti:

 

 

anche qui non è cambiato molto, i materiali organici naturali sono stati sostituiti con i materiali di sintesi meno costosi e più stabili.
Oggi come ieri le pitture minerali naturali a base calce vengono modificate ritardando l’asciugamento attraverso l’utilizzo di cellulosa e riducendo lo sfarinamento nella fase di transizione dall’applicazione all’inizio della carbonatazione con leganti organici resistenti all’elevato pH del grassello.
Le normative relative ai materiali vernicianti naturali richiedono che queste per fregiarsi del titolo di naturali non debbano contenere più del 5% di materiale organico complessivo.
Quando si supera il 5%, le pitture minerali dovrebbero essere definite pitture minerali modificate.
Come già precedentemente detto, la pittura a calce ha un tempo di consolidamento chiamato carbonatazione che avviene quantomeno superficialmente nel tempo di 30 giorni, per cui la pittura dovrebbe essere protetta per tutto questo tempo dalla pioggia battente. Il nemico numero uno delle pitture a calce sono le piogge acide che aggredendo la carbonatazione di superficie logorano rapidamente la calce portando la stessa ad un degrado accelerato.

2 – LE PITTURE AI SILICATI

Le pitture ai silicati (silicati solubili) fanno parte dei materiali vernicianti naturali. L’elemento principale che le compone è il silicato di potassio, il quale ha il potere e quindi la funzione di legare insieme i diversi componenti della formulazione (cariche e pigmenti), sia fra di loro che fra loro e il supporto.
La funzione legante si sviluppa nel tempo attraverso un processo fisico di indurimento sviluppando la loro capacità legante con la formazione di una reticolazione cristallina, passando così dalla fase di gel plastico alla fase solida.
Le pitture ai silicati puri possono presentare delle difficoltà, sia nella fase conservativa (presenza nel composto di sali di calcio) che nella fase applicativa e di conseguente indurimento (caratteristiche di composizione dell’intonaco). Un intonaco troppo fresco con un’alcalinità e un residuo di umidità molto elevata, può bloccare la penetrazione del silicato creando una scarsa adesione al supporto con successivo distacco. Così come un supporto con bassa alcalinità (esempio un intonaco molto vecchio) richiede il ripristino dell’alcalinità attraverso un fondo impregnante a base silicato per ristabilire l’equilibrio necessario alla successiva fase di pitturazione. In effetti come già parlavamo precedentemente per la calce, il mercato attuale ha difficoltà ad accettare un prodotto  puro che richiede condizioni e cure particolari per essere applicato, per cui si è sviluppato un processo formulativo per l’inserimento nella formulazione di leganti organici.
Anche per i silicati come per la calce, il contenuto massimo di sostanze organiche ammesse affinché la pittura possa essere considerata naturale , è il 5%
Va sottolineato che come per la calce, anche per i silicati l’aggiunta di materiale organico non declassa il prodotto nei confronti di una calce o di un silicato puro; ma lo rende più funzionale alle esigenze applicative riducendo i limiti che le materie prime naturali, per loro stessa natura, impongono. Qualora la presenza di materiale organico nella formulazione dovesse essere superiore al 5%, queste dovranno chiamarsi dispersioni o pitture ai silicati modificati.
I materiali vernicianti a base inorganica sopportano solo una pigmentazione colorante inorganica limitata.

I MATERIALI VERNICIANTI ALL’ACQUA ORGANOSILOSSANICI
(SILOXAN)

I materiali vernicianti all’acqua organosilossanici sono la frontiera più recente della ricerca dei materiali vernicianti all’acqua. Essi racchiudono tutte le caratteristiche peculiari positive dei materiali vernicianti all’acqua sintetici e tutte le caratteristiche peculiari positive dei materiali vernicianti all’acqua naturali
La composizione delle cariche e dei pigmenti è del tutto simile alle pitture lavabili o  alle pitture ai silicati; il sistema legante è dato da un legante organico polimerico abbinato ad un legante organico silossanico. La combinazione dei due leganti fa sì che il legante polimerico permetta la migliore pigmentazione possibile e il legante silossanico dia tutte quelle caratteristiche di  traspirabilità e di coesione al supporto che è tipico  dei materiali vernicianti naturali.
Infatti, i materiali vernicianti sintetici (organici) tradizionali aderiscono al supporto solo per adesione (incollaggio) e induriscono per essiccazione (evaporazione dell’acqua residua); i materiali vernicianti naturali (inorganici) aderiscono al supporto in maniera reattiva (attraverso il pH residuo dell’intonaco) e induriscono attraverso l’evaporazione dell’acqua e il contemporaneo assorbimento dell’anidride carbonica dell’aria; mentre i materiali vernicianti organosilossanici aderiscono al supporto mediante la formazione di legami a ponte di idrogeno tra due atomi di ossigeno, l’uno appartenente alla catena siliconica, l’altro ai gruppi ossidrilici presenti nell’intonaco. Per cui sono i soli materiali vernicianti con una vera coesione al supporto.
Inoltre la struttura a rete della resina siliconica garantisce come per le pitture sintetiche (organiche) il non ingresso dell’acqua e al contempo l’uscita delle molecole di vapore come per le pitture minerali naturali (inorganiche) per cui il miglior compromesso tra assorbimento e permeabilità.
I materiali vernicianti organosilossanici sopportano egregiamente la pigmentazione colorante sia
organica che inorganica.