Apparentemente invisibili. La chimica in ceramica.

Dopo avere affrontato l'impatto che la stagionalità può avere sulla fluidificazione degli impasti e sulle proliferazioni batteriche all'interno dei semilavorati, la seconda parte dell'episodio 41 prova ad indagare le conseguenze che i cambi di temperatura - talvolta repentini e sensibili - possono produrre sui tempi di evaporazione e drenaggio delle sospensioni ceramiche. Si tratta di alterazioni che costringono spesso a rivedere i parametri lungo la linea di produzione e che, se non attentamente gestite, possono mettere a rischio lo status quo della linea. Dopo aver fornito i soliti suggerimenti per gestire al meglio il problema, l'episodio si chiude con un focus dedicato alla solubilità dei tensiotattivi, anch'essa piuttosto suscettibile ai cambi di stagione e dunque di temperatura.

In ambito ceramico l’uso di additivi ricopre un ruolo determinante, se non imprescindibile, per conferire al prodotto finito alti risultati tecnico-estetici e per far sì che il processo produttivo si svolga con tutti i crismi. Talvolta, tuttavia, l’azione degli additivi può essere compromessa o resa meno efficace. Le cause in grado di modificarne le prestazioni sono molteplici e, tra queste, la stagionalità svolge una funzione di non poco conto. Attraverso una serie di esempi esplicativi, l'episodio prova a fare luce sugli accorgimenti da mettere in campo per evitare che la temperatura - che con tutta evidenza cambia durante i diversi periodi dell'anno - agisca come inibitore della performance.

Le sospensioni, siano esse di graniglia o di smalto, sono composte da una parte liquida - solitamente composta da acqua ed uno o più additivi reologici - e una componente solida dispersa al suo interno. Tuttavia, se si scende maggiormente in profondità e si analizzano da più vicino le caratteristiche di queste due categorie di sospensioni, ci si rende immediatamente conto delle loro differenze che, sul piano della componente solida, possono essere davvero sostanziali. Tali differenze possono condurre a risultati produttivi piuttosto diversi ed in ogni caso implicano un diverso tipo di approccio nella gestione di questi semilavorati, sia in fase di macinazione che lungo la linea di smalteria. Sotto questa prospettiva anche le caratterisitche degli additivi utilizzati devono tenere in considerazione la loro possibile duplice destinazione (e ad essa modularsi). Cosa occorre sapere sul tema?

L’occhiello è un difetto che si manifesta sotto forma di microscopico cratere e che compare sulla superficie del corpo ceramico sul quale è stata depositata una sospensione acquosa ancora in fase di asciugamento. Un problema di natura applicativa che comporta una non planarità della sospensione a seguito della presenza di uno o più avvallamenti. La criticità, visibile già lungo la linea di smalteria e non solo post cottura, può emergere per diverse ragioni: alcune di esse possono essere legate alla presenza di impurità all'interno delle materie prime ceramiche, altre - ad esempio - ad un uso improprio di agenti antischiuma. L'episodio prova ad offrire un elenco delle principali cause alla base del problema, evidenziando i meccanismi che si scatenano dietro alle quinte ed offrendo al contempo alcuni suggerimenti e/o avvertimenti per prevenirne o eliminarne la comparsa.

Le carbossimetilcellullose sono composti organici, polimeri idrosolubili derivati dalla cellulosa che trovano ampio impiego in diversi campi della produzione industriale. Anche in ceramica, le CMC di sodio ricoprono molteplici funzioni all'interno di sospensioni e soluzioni e possono essere connotate da proprietà di volta in volta molto diverse. Tra le diverse proprietà che le caratterizzano, le CMC sono contraddistinte da un potere spiccatamente adesivo e dalla capacità di agire sulla viscosità del sistema. Qual è il ruolo principale di questa sostanza all'interno del processo produttivo ceramico e cosa occorre fare per gestirla nel migliore dei modi?

La plasticità dell'impasto è un aspetto nodale all'interno processo produttivo ceramico. Un aspetto che impatta in modo sensibile sulle scelte che i produttori ceramici devono attuare in base ai valori che caratterizzano le argille da loro utilizzate. Argille che, unitamente alle altre materie prime miscelate con acqua, vanno a formare l'impasto. In linea generale, l'uso di argille caratterizzate da alti valori di plasticitià è solitamente sinonimo di una più semplice gestione dei processi. Tuttavia non sempre si hanno a disposizione argille alto performanti e, in ogni caso, occore tenere ben presente anche altri parametri produttivi e trovare un giusto equiibrio (o compromesso) per far sì che anche le fasi che seguono l'iniziale formatura del supporto ceramico si svolgano senza particolari criticità. Dopo una inziale definizione di questa sorprendente proprietà fisica, l'episodio offre una panoramica generale sul tema applicato al campo ceramico. Non solo in relazione alla produzione di piastrelle.

In ceramica, l'introduzione della tecnologia digitale (stampa a mezzo di inchiostro) ha certamente rivoluzionato il settore rendendo molto più flessibile il processo produttivo da un lato e ampliando in modo esponenziale le possibilità creative ed estetiche dall'altro. La straordinaria precisione con la quale l'inchiostro viene scaricato sul supporto per mezzo delle testine di stampa, infatti, consente di conseguire oggi risultati davvero straordinari. Tuttavia il tema "definizione di stampa" rimane un argomento da affrontare con grande attenzione, essendo essa soggetta a parametri e variabili che ne possono pregiudicare il risultato. Quali sono tali variabili? Quali meccanismi vi stanno dietro e cosa si può fare per evitare di compromettere una buona risoluzione?

Il SEM (Scanning Electron Microscope) è un sofisticato strumento utilizzato in diversi ambiti della ricerca scientifica che trova anche in ambito ceramico un suo importante impiego. L'uso di un fascio di elettroni al posto della luce permette di ottenere immagini con una risoluzione estremamente elevata ma, soprattutto, consente di ottenere informazioni dettagliate sulla composizione della materia oggetto di analisi. Si tratta di un livello così approfondito di informazioni che restituisce ai produttori soluzioni e direzioni chiare circa le azioni che si possono / devono intraprendere in concomitanza di problemi di natura produttiva. Come funziona lo strumento e quali sono, ad esempio, le sue principali funzioni a sostegno dell'industria ceramica?

Silicato di sodio: identikit.

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. Cosa occorre sapere?

Tra le diverse problematiche che possono subentrare lungo la linea di smalteria, l’eccessiva schiumosità dello smalto è certamente tra le più frequenti ed insidiose. Il fenomeno si manifesta e risulta visibile sulla superficie dello smalto già in all’interno dei sistemi di agitazione e cioè dentro alle vasche di carico dei sistemi applicativi ma le conseguenze della sua presenza possono permanere anche a ciclo produttivo terminato con difetti ben visibili persino dopo la fase di cottura. Da un punto di vista chimico, cos'è la schiuma? Quali sono le ragioni della sua apparizione e cosa occorre sapere per evitare la sua formazione o eliminarla nel caso di fenomeni improvvisi?

Parlando di smalti ceramici, tra le varie anomalie che possono subentrare in fase applicativa, l’effetto televisore è certamente tra i più singolari. Esso consiste in una sorta di "migrazione preferenziale" dello smalto verso i bordi della piastrella che produce – in quelle zone specifiche – un inspessimento dello smalto. Il risultato estetico (o meglio, antiestetico) si concretizza con un rigonfiamento più o meno regolare che segue il perimetro del materiale ceramico, che ricorda lo schermo dei televisori a tubo catodico e che rimane visibile anche dopo il ciclo di cottura. Cos'è esattamente l'effetto televisore? Come si manifesta e a cosa è dovuto? Cosa occorre mettere in atto per evitare che esso si manifesti?

La viscosità (o coefficiente di attrito viscoso) è una grandezza che misura la tendenza di una sostanza – generalmente un fluido – a generare un attrito interno tra i propri strati. In altre parole definisce la resistenza di un fluido al proprio scorrimento. La viscosità della barbottina - la sospensione di materie prime inorganiche, acqua e fluidificanti che dopo essere stata trasformata in polvere atomizzata (grazie al processo di evaporazione che si sviluppa all'interno degli atomizzari) andrà a formare sotto il peso delle presse il corpo ceramico crudo - può essere talvolta oggetto di variazioni repentine. Nel caso in cui i valori di viscosità dovessero aumentare in modo sensibile, sino ad eccedere i parametri standard, si può assistere a vari ordini di problemi che possono comprometterne l'uso e/o forzare i produttori a ripetute interruzioni della linea di produzione. Quali sono i principali fattori che possono aumentare sensibilmente (e rapidamente) la viscosità del sistema e cosa occorre sapere per intervenire prontamente ed evitare gli scenari peggiori?

Le acque di processo utilizzate in ceramica, siano esse di rete o di pozzo, contengono di norma una percentuale variabile di batteri. Nessuna esclusa. Lo stesso vale per le materie prime inorganiche utilizzate nel processo di macinazione, necessario a creare la base dei semilavorati che verranno successivamente applicati lungo la linea di smalteria: fritte argille, feldspati, nefeline, etc. etc. I reparti di macinazione smalti ed engobbi, in cui si fa con tutta evidenza abbonante uso di acqua, possono pertanto diventare teatro di proliferazioni batteriche, talvolta piuttosto impattanti. L'attività dei microorganismi, ed in particolare dei batteri, è infatti in grado di depotenziare se non addirittura annullare l'azione degli additivi che hanno lo scopo di conferire alle sospesioni le giuste proprietà per poter essere correttamente processate in fase applicativa e di assicurare al prodotto ceramico finito precise caratteristiche tecniche ed estetiche. Sotto questo profilo, quali sono le principali conseguenze di una degradazione batterica?

L’industria ceramica si è esponenzialmente evoluta negli ultimi anni grazie alla progressiva digitalizzazione di alcuni importanti processi. In questa ottica, la stampa con inchiostri digitali ricopre certamente un ruolo di primaria importanza. Gli inchiostri digitali, per assicurare una valida performance in fase applicativa, devono essere contraddistinti da specifiche caratteristiche che spesso possono variare in base ai parametri della linea di produzione. Che cos'è un inchiostro digitale, da quali componenti è costituito e quali sono le sue principali proprietà di cui è bene essere a conoscenza? L'episodio prova dare semplici riposte a questi interrogativi proponendo un breve ma puntuale identikit di questa importante tipologia di prodotti.

Si definisce tensione superficiale la forza di coesione delle particelle presente sulla loro superficie esterna. In linea generale, per conseguire una corretta applicazione di smalto, è di norma fondamentale lavorare sulla sua tensione superficiale abbassandola, o comunque modificandola, sino a raggiungere il valore adeguato all’applicazione a cui si sta lavorando. Per fare questo, esistono categorie di additivi che, in base alla loro natura chimica o alla formulazione, possono agire fungendo, a solo titolo di esempio, da livellanti (nel caso di bagnanti o tensioattivi), inibitori di schiuma (nel caso di antischiuma) o compatibilizzanti (in concomitanza di fenomeni di idrorepellenza). Come agiscono queste categorie di additivi e, in termini più generali cosa occorre sapere sull'argomento?

Di norma, i sistemi di macinazione a umido sono strutturati in modo da performare al meglio quando le caratteristiche chimico-fisiche delle barbottine rimangono costanti, senza subire variazioni, per tutta la durata del processo. Più precisamente, il processo risulta ottimale quando i parametri fondamentali dell'atomizzato - granulometria, densità, viscosità e tissotropia - oscillano all’interno di intervalli molto ristretti. Le variabili in gioco sono tuttavia numerose e spesso si possono riscontrare – in fase produttiva – variazioni improvvise e allo stesso tempo significative delle proprietà reologiche della barbottina che vanno ad impattare negativamente sull'intero processo. Quali sono i principali fattori che possono influenzare, positivamente ma anche negativamente, la corretta reologia e cosa occorre sapere per prevenire ed evitare eventuali fluttuazioni preservando in questo modo il corretto assetto delle sospensioni?

L'episodio si focalizza su di una sostanza piuttosto controversa. La formaldeide, nonostante trovi ampio spazio in molti settori della produzione industriale, se utilizzata in alte percentuali può diventare un problema molto serio. In ceramica, occorre monitorarla con grande attenzione così da evitare impatti negativi sull'ambiente. Cosa occorre sapere sull'argomento?

La reologia è la scienza che si occupa del flusso e della velocità di deformazione della materia. È una branca della fisica che studia l'origine, la natura e le caratteristiche di deformazione di una materia sotto l'influenza di forze esterne, con particolare riguardo ai liquidi non newtoniani. Il suo obiettivo principale è definire le correlazioni tra cause (forze) ed effetti (deformazioni e flussi) identificando tutti i meccanismi che sono alla base del diverso comportamento reologico su scala microscopica e molecolare. L'episodio offre una panoramica sui più importanti comportamenti reologici in relazione alle sospensioni ceramiche: barbottine, sospensioni di smalti e graniglie, engobbi e inchiostri. Tutte queste sospensioni, infatti, per sviluppare una buona applicazione ed evitare importanti problemi lungo le linee di produzione, devono essere contraddistinte da adeguate caratteristiche reologiche. Quali?

L'episodio si concentra sui fenomeni di flocculazione che possono colpire gli impasti ceramici. Fenomeno che si manifesta con la progressiva aggregazione delle particelle solide e che spesso si sviluppa in seguito a fenomeni di attrazione di natura elettrostatica che interessano le micelle argillose in sospensione. Un processo che produce un significativo aumento della viscosità interna al sistema andando ad impattare negativamente sul corretto svolgimento del processo produttivo. L’episodio, oltre ad offrire un quadro generale sul tema “impasti per ceramica” si sofferma sulla funzione correttiva che alcune specifiche categorie di additivi sono in grado di promuovere, andando ad innescare un processo contrario – di deflocculazione – utile a rendere l’impasto ceramico nuovamente processabile all’interno della linea produttiva. Con particolare riferimento ai tre principali meccanismi alla base del processo di deflocculazione: