Le vernici all' acqua : l' alternativa sostenibile nel mondo dei rivestimenti

Le vernici all'acqua rappresentano una svolta significativa nell'industria dei rivestimenti, offrendo un'alternativa più ecologica e spesso più sicura rispetto alle tradizionali vernici a solvente. La crescente attenzione verso la riduzione delle emissioni di composti organici volatili (VOC) e la tutela della salute umana e dell'ambiente hanno reso le vernici all'acqua una tecnologia in continua evoluzione e sempre più diffusa in diversi settori.

Questo articolo esplorerà le differenze e i vantaggi di queste vernici, i loro principali settori di utilizzo, i meccanismi di reticolazione e formazione del film, le resine più comuni impiegate e le peculiarità dell'acqua come solvente.

Differenze e vantaggi rispetto alle vernici al solvente

La principale differenza tra le vernici all'acqua e quelle a solvente risiede nel mezzo di dispersione o dissoluzione dei componenti del film. Nelle vernici all'acqua, questo mezzo è prevalentemente acqua, mentre nelle vernici a solvente si utilizzano solventi organici volatili.

Questa distinzione fondamentale porta a una serie di differenze e vantaggi significativi per le vernici all'acqua:

Riduzione delle emissioni di VOC: Il vantaggio più evidente delle vernici all'acqua è la drastica riduzione o l'eliminazione dei VOC rilasciati durante l'applicazione e l'essiccazione. Questo contribuisce in modo significativo al miglioramento della qualità dell'aria e alla riduzione dell'impatto ambientale. Le normative sempre più stringenti in materia di emissioni hanno favorito l'adozione di queste tecnologie.•

Maggiore sicurezza: L'utilizzo di acqua come solvente principale riduce significativamente il rischio di incendi ed esplosioni, nonché l'esposizione a sostanze chimiche potenzialmente dannose per la salute degli operatori.•

Pulizia degli attrezzi: La pulizia degli strumenti di applicazione (pennelli, rulli, pistole a spruzzo) è generalmente più semplice e sicura con acqua rispetto ai solventi organici.•

Odore ridotto: Le vernici all'acqua tendono ad avere un odore meno intenso e fastidioso rispetto alle vernici a solvente, migliorando le condizioni di lavoro e l'abitabilità degli ambienti verniciati.

Tuttavia, è importante considerare anche alcune differenze che possono rappresentare sfide o richiedere adattamenti:

Tempo di essiccazione: L'acqua evapora più lentamente rispetto a molti solventi organici, il che può comportare tempi di essiccazione più lunghi e una maggiore sensibilità all'umidità durante la fase di asciugatura.•

Proprietà reologiche: Le vernici all'acqua possono presentare un comportamento reologico diverso dalle vernici a solvente, influenzando l'applicazione e la distensione del film. La viscosità in funzione del contenuto di solidi può presentare un "picco d'acqua" che richiede formulazioni specifiche per garantire una buona applicazione.•

Corrosività: L'acqua può essere corrosiva per alcuni metalli, richiedendo l'utilizzo di attrezzature in acciaio inossidabile per i sistemi di verniciatura all'acqua, soprattutto se le formulazioni contengono bassi livelli di cloro.•

Formulazione più complessa: La formulazione di vernici all'acqua può essere più complessa a causa della necessità di bilanciare l'idrofilia e l'idrofobicità dei componenti e di utilizzare additivi specifici per garantire stabilità, bagnabilità del substrato e coalescenza del film.

Settori di Utilizzo

Le vernici all'acqua hanno trovato ampia applicazione in numerosi settori, tra cui:

Vernici Architettoniche: Rappresentano uno dei segmenti più importanti, con un'ampia gamma di prodotti per interni ed esterni, caratterizzati da basse emissioni e facilità di applicazione.•

Vernici per Legno : Le vernici all'acqua offrono soluzioni performanti e a basso impatto ambientale per la protezione e la decorazione del legno, inclusi sistemi per mobili.•

Vernici Industriali: L'utilizzo di vernici all'acqua è in crescita anche nel settore industriale per svariate applicazioni, inclusi rivestimenti protettivi e decorativi per metallo e plastica.•

Inchiostri da Stampa: Le tecnologie di stampa stanno sempre più adottando inchiostri a base acqua come alternativa più sostenibile agli inchiostri a solvente.•

Automotive: Le vernici all'acqua sono utilizzate per primer, basi opache doppio strato e trasparenti, anche nei processi di elettrodeposizione (e-coat).•

Altri Settori: Le vernici all'acqua trovano impiego in settori come la verniciatura di imballaggi metallici, adesivi, sigillanti per legno e primer anticorrosivi.

Meccanismi di reticolazione e formazione del rivestimento (coalescenza)

La formazione del film di una vernice all'acqua avviene attraverso diversi meccanismi, a seconda della tipologia di resina e della formulazione:

Coalescenza (per dispersioni polimeriche):

Molte vernici all'acqua si basano su dispersioni o emulsioni di polimeri in acqua. Inizialmente, il rivestimento è costituito da particelle polimeriche separate. Durante l'evaporazione dell'acqua, queste particelle si avvicinano e, grazie all'azione di agenti coalescenti e/o all'aumento della temperatura (in caso di essiccazione forzata), si deformano e fondono insieme per formare un film continuo e omogeneo. La temperatura di transizione vetrosa (Tg) del polimero gioca un ruolo cruciale in questo processo.•

Reticolazione Chimica: Alcune vernici all'acqua, in particolare quelle destinate ad applicazioni che richiedono elevate prestazioni (ad esempio, resistenza chimica e durezza), utilizzano meccanismi di reticolazione chimica. Questo processo coinvolge la reazione tra la resina principale e un agente reticolante (indurente), che porta alla formazione di un network tridimensionale insolubile e resistente. 

Esempi comuni includono:

Vernici all'acqua "a forno": Richiedono l'applicazione di calore per innescare la reazione di reticolazione tra resine contenenti gruppi idrossilici (come alchidiche, poliesteri o acriliche) e resine amminiche (melamminiche o ureiche) o fenoliche.◦

Sistemi bicomponenti all'acqua: Si basano sulla miscelazione di due componenti poco prima dell'applicazione, innescando una reazione chimica di reticolazione a temperatura ambiente o leggermente elevata. Esempi includono sistemi poliuretanici o epossidici all'acqua.◦

Sistemi ibridi: Combinano la coalescenza fisica di dispersioni polimeriche con una reticolazione chimica per ottenere un film con proprietà specifiche e tempi di essiccazione rapidi.

Principali resine per vernici all'acqua

L'industria delle vernici all'acqua impiega una vasta gamma di resine, ognuna con caratteristiche specifiche che le rendono adatte a diverse applicazioni. Alcune delle principali classi di resine includono:

Dispersioni acriliche: Sono tra le resine più utilizzate per le vernici all'acqua, offrendo un buon equilibrio tra prestazioni, versatilità e costo. Possono essere dispersioni primarie (ottenute direttamente in fase acquosa durante la polimerizzazione) o secondarie (ottenute sciogliendo una resina in un solvente e poi disperdendola in acqua con l'ausilio di tensioattivi e neutralizzanti). Le dispersioni acriliche possono essere omopolimeri acrilici, copolimeri stiren-acrilici o copolimeri stirenici. Possono essere formulate per essiccare fisicamente per coalescenza o per reticolare chimicamente con resine amminiche o poliisocianati bloccati.•

Resine alchidiche all'acqua: Queste resine tradizionali sono state modificate per essere idrosolubili (mediante l'introduzione di gruppi carbossilici neutralizzati con ammine) o emulsionabili (esternamente con tensioattivi o internamente mediante modifiche chimiche). Sono utilizzate "a forno" e in sistemi ad essiccazione ossidativa. La resistenza alla saponificazione è un aspetto importante per le alchidiche all'acqua.•

Dispersioni poliuretaniche: Utilizzate principalmente come dispersioni secondarie, offrono elevata elasticità, resistenza all'abrasione e agli agenti chimici. Possono contenere residui di solventi utilizzati durante la produzione. La reticolazione può avvenire con isocianati bloccati.•

Resine epossidiche all'acqua: Generalmente modificate per essere idrodisperdibili o emulsionabili, spesso attraverso la neutralizzazione con acidi organici volatili per ottenere stabilità cationica. Sono impiegate in primer elettroforetici e in sistemi bicomponenti per elevate prestazioni anticorrosive e chimiche.•

Resine amminiche (Melamminiche): Rappresentano una classe importante di agenti reticolanti per resine contenenti gruppi idrossilici in sistemi a forno all'acqua. La loro reattività dipende dal pH del sistema. Sono spesso utilizzate in combinazione con alchidiche, poliesteri e acriliche all'acqua.•

Resine poliestere all'acqua: Utilizzate principalmente in sistemi "a forno" e per elettrodeposizione, vengono modificate per essere idrosolubili o idrodisperdibili mediante l'introduzione di gruppi acidi neutralizzati.•

Altre resine: Sono disponibili anche dispersioni di polivinilacetato (PVAc) e copolimeri vinilici, dispersioni polibutadieniche, dispersioni polimeriche cationiche per applicazioni speciali come primer per legno anti-macchia e vernici ai silicati alcalini.

Differenze tra acqua e solventi organici

Le proprietà fisiche e chimiche dell'acqua differiscono significativamente da quelle dei solventi organici, influenzando la formulazione, l'applicazione e le prestazioni delle vernici all'acqua:

Punto di ebollizione ed energia di evaporazione: L'acqua ha un punto di ebollizione relativamente basso (100 °C) ma un'elevata energia di evaporazione. Questo significa che, sebbene possa evaporare a temperature moderate, richiede una grande quantità di energia per passare allo stato gassoso, contribuendo a tempi di essiccazione potenzialmente più lunghi.•

Tensione Superficiale: L'acqua ha una tensione superficiale elevata rispetto ai solventi organici. Questo può influenzare la bagnabilità del substrato e richiedere l'uso di tensioattivi per migliorare la distensione del film.•

Densità e Viscosità: L'acqua ha una densità e viscosità diverse dai solventi organici, il che può influenzare la reologia della vernice e le proprietà di applicazione.•

Polarità: L'acqua è un solvente polare, il che influenza la solubilità e la dispersibilità delle resine e degli additivi utilizzati nelle formulazioni.•

Resistenza Elettrica: L'acqua ha una resistenza elettrica molto bassa, un fattore importante nei processi di elettrodeposizione.

Conclusione

Le vernici all'acqua rappresentano una tecnologia matura e in continua evoluzione, con numerosi vantaggi in termini di impatto ambientale, sicurezza e qualità dell'aria. La vasta gamma di resine disponibili e i meccanismi di reticolazione versatili consentono di formulare rivestimenti performanti per un'ampia varietà di settori e applicazioni. Sebbene le proprietà uniche dell'acqua come solvente presentino sfide specifiche, la ricerca e lo sviluppo continuo stanno portando a soluzioni innovative che rendono le vernici all'acqua un'alternativa sempre più competitiva e sostenibile rispetto alle tradizionali vernici a solvente. Il futuro del settore dei coating è indubbiamente orientato verso una maggiore adozione di queste tecnologie a basso impatto ambientale.

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Giovanni Cicatiello R&D Coatings Consultant