1. Il modello di sviluppo diversificato dei rivestimenti
Oggi i rivestimenti possono essere suddivisi principalmente in tre categorie in base alle loro differenze di forma: rivestimenti a base di solventi organici, rivestimenti a base di acqua e rivestimenti in polvere.
(1) Rivestimenti organici a base di solventi: le preoccupazioni nascoste dietro la brillantezza
I rivestimenti a base di solventi organici sono preparati utilizzando solventi organici come diluenti. Dopo lunghi anni di sviluppo, si sono evoluti in un nuovo tipo di materiale da costruzione che combina elevate proprietà decorative, protezione duratura, versatilità e diversità . I rivestimenti a base di solventi organici svolgono un ruolo indispensabile nel moderno boom industriale, nella costruzione di una moderna difesa nazionale e in campi all'avanguardia come l'informatica, la biochimica e i nuovi materiali. Ad esempio, nell'industria aerospaziale, il rivestimento della carrozzeria degli aerei deve avere un'eccellente resistenza e protezione dagli agenti atmosferici. I rivestimenti a base di solventi organici possono resistere efficacemente all'erosione del materiale della carrozzeria degli aerei a causa dell'ambiente estremo ad alta quota. Nello sviluppo delle risorse marine, i rivestimenti protettivi per le piattaforme di perforazione offshore e gli scafi delle navi non possono fare a meno dei rivestimenti a base di solventi organici per la loro buona adesione e resistenza alla corrosione.
Tuttavia, questo tipo di vernice presenta gravi inconvenienti nella fase di formazione del film. Quando la vernice viene applicata, il solvente evapora nell'atmosfera durante il processo di volatilizzazione. La maggior parte dei solventi organici contiene ingredienti tossici e rappresenta una minaccia diretta per la salute umana. Secondo i dati di monitoraggio ambientale, in alcune aree di agglomerazione industriale tradizionale, l'impatto dei solventi volatili durante l'uso di vernici a base di solventi organici sulla qualità dell'aria circostante può raggiungere un raggio di diversi chilometri, con un conseguente aumento significativo del contenuto di composti organici volatili (COV) nell'aria. Inoltre, dopo la completa evaporazione dei solventi, non solo si verifica un ingiustificato spreco di risorse, ma anche una significativa perdita di energia. Questo è indubbiamente diventato un enorme collo di bottiglia nello sviluppo, in un momento in cui si invoca la protezione dell'ambiente e lo sviluppo sostenibile.
(2) Vernici in polvere: vantaggi e limiti coesistono
Le vernici in polvere sono composte da resine solide, miscelate con pigmenti, riempitivi e additivi per formare una polvere solida. La caratteristica unica delle vernici in polvere è che utilizzano l'aria come diluente e si presentano sotto forma di minuscole polveri, il che le rende facili da disperdere nell'aria. Le vernici in polvere mostrano una grande flessibilità in termini di metodi di applicazione e possono essere applicate con una varietà di processi come la spruzzatura elettrostatica, la laminazione e la doccia. Ad esempio, nell'industria della produzione di mobili in metallo, il rivestimento in polvere elettrostatico può far aderire uniformemente la polvere alla superficie metallica, formando un rivestimento liscio e aderente. Inoltre, è possibile recuperare 100% della polvere in eccesso, migliorando notevolmente l'utilizzo del materiale e riducendo i costi di produzione. Dal punto di vista delle proprietà del film di rivestimento, i rivestimenti in polvere presentano molti vantaggi, come la buona adesione, l'eccellente resistenza agli agenti atmosferici, la durezza e la resistenza all'usura e l'ottima resistenza alla corrosione. Inoltre, sono in grado di ottenere zero emissioni di COV durante l'intero ciclo di produzione e utilizzo e rappresentano un modello di rivestimento ecologico.
Tuttavia, non bisogna ignorare i difetti delle vernici in polvere. Durante la produzione e il rivestimento, si genera una grande quantità di polvere. Nonostante il continuo sviluppo delle attuali tecnologie di rimozione delle polveri, è ancora difficile ottenere una purificazione completa. Alcune polveri ultrafini si disperdono nell'atmosfera, incidendo negativamente sulla qualità dell'aria. Prendiamo ad esempio un grande produttore di vernici in polvere. Nonostante sia dotata di attrezzature avanzate per la rimozione delle polveri, ogni anno viene comunque emessa una certa quantità di polvere ultrafine, che in qualche misura aggrava l'inquinamento da particolato nell'area circostante. Inoltre, il processo di polimerizzazione delle vernici in polvere richiede temperature elevate, il che comporta un maggiore consumo energetico. Allo stesso tempo, l'applicazione di vernici in polvere su substrati non metallici, parti metalliche sovradimensionate e parti metalliche con forme complesse deve affrontare molte sfide tecniche. Ad esempio, nel rivestimento della superficie di alcune opere d'arte scultoree di grandi dimensioni, a causa delle loro forme complesse e dei materiali per lo più non metallici, le vernici in polvere hanno difficoltà ad aderire uniformemente e a formare un effetto di rivestimento ideale.
(3) Rivestimenti a base d'acqua: potenzialità accompagnate da sfide
Le vernici all'acqua utilizzano l'acqua come mezzo disperdente o solvente. A seconda del legante utilizzato, si possono suddividere in rivestimenti all'acqua a base di resine sintetiche e rivestimenti all'acqua naturali a base di minerali e sostanze naturali. Il loro vantaggio principale è il basso costo. Rispetto alle vernici a base di solventi organici, sono molto più sicure, non presentano rischi di infiammabilità o esplosione e possono essere applicate direttamente in ambienti umidi. Sia che si tratti di verniciatura a spruzzo, a pennello o elettroforetica, possono essere facilmente controllate e sono adatte a oggetti di vari materiali e forme. Sono relativamente meno limitati dal metodo di rivestimento e dalle condizioni di polimerizzazione. Ad esempio, nel campo della decorazione di interni, le pitture a base d'acqua sono ampiamente utilizzate per la pittura murale. La loro buona permeabilità all'aria rende difficile la formazione di bolle o muffe sulle pareti, mentre i requisiti non rigidi relativi al contenuto di umidità dello strato di base riducono la difficoltà di costruzione.
Tuttavia, l'uso dell'acqua come materia prima per le vernici a base d'acqua comporta anche alcuni problemi. L'acqua evapora lentamente, il che significa che le vernici a base d'acqua richiedono temperature di essiccazione più elevate o tempi di essiccazione più lunghi, con conseguente aumento del consumo energetico. Secondo dati sperimentali, a parità di superficie di rivestimento, il tempo di essiccazione delle vernici a base d'acqua può essere 30% - 50% più lungo di quello delle vernici a base di solventi organici. Inoltre, la vernice a base d'acqua è sensibile all'umidità della cabina di verniciatura. Quando l'umidità relativa supera le 85%, la velocità di essiccazione della superficie rallenta notevolmente. Quando l'umidità è satura (I>90%), la pellicola di vernice può addirittura colare, compromettendo seriamente l'effetto del rivestimento. Pertanto, l'uso di vernici a base d'acqua richiede un buon sistema di circolazione dell'aria e un controllo rigoroso delle condizioni di temperatura e umidità nella cabina di verniciatura. Inoltre, in situazioni altamente decorative, come la verniciatura esterna di automobili di fascia alta o il rivestimento delle scocche di prodotti elettronici di fascia alta, è attualmente difficile per le vernici a base d'acqua ottenere i raffinati effetti decorativi esibiti dalle vernici a base di solventi organici.
2. Il mistero della formazione del film di vernice: la sinergia di fisica e chimica
Il processo di formazione della pellicola o di indurimento della vernice è essenzialmente il processo di trasformazione della vernice da liquida a solida dopo l'applicazione su una superficie solida, con l'evaporazione del solvente e il progredire della reazione di reticolazione e indurimento.
I tre principali tipi di vernice - a base di solvente, a base d'acqua e in polvere - hanno tutti la capacità di formare una pellicola fisica. Tuttavia, il metodo di formazione fisica della pellicola delle vernici in polvere è significativamente diverso dagli altri due. Le vernici in polvere aderiscono alla superficie del substrato principalmente per attrazione elettrostatica o per energia termica. Quindi, vengono riscaldate fino a raggiungere una temperatura superiore a quella di fusione, a quel punto l'adesivo polimerico fuso scorre sotto l'azione della tensione superficiale e si livella. Dopo il raffreddamento, si forma una pellicola di vernice solida. Ad esempio, nel processo di verniciatura a polvere per porte e finestre in metallo, la polvere viene prima adsorbita uniformemente sulla superficie delle porte e delle finestre attraverso una pistola a spruzzo elettrostatica e poi inviata in un forno di polimerizzazione ad alta temperatura. Dopo una serie di fasi quali il riscaldamento e la fusione, il livellamento e il raffreddamento, si forma infine un rivestimento liscio e lucido con buone proprietà protettive.
La formazione fisica del film delle vernici a base d'acqua e delle vernici con solventi organici, invece, dipende principalmente dall'evaporazione del solvente. In questo processo, le particelle dell'emulsione si uniscono, si deformano e si allineano gradualmente in modo denso. Con l'aumento della temperatura di essiccazione, le particelle si diffondono e si fondono l'una con l'altra, formando infine una pellicola solida continua. Prendiamo come esempio una pittura in emulsione a base d'acqua. Dopo aver dipinto la parete, l'acqua inizia a evaporare lentamente e le particelle dell'emulsione si uniscono gradualmente. Quando si raggiunge un certo grado di essiccazione, le particelle si fondono l'una con l'altra per formare una pellicola di rivestimento densa.
Vale la pena ricordare che le vernici a base d'acqua e le vernici a solvente organico possono anche formare chimicamente un film attraverso una reazione chimica tra gruppi reattivi, formando un film con una struttura a rete reticolata. Questo metodo di formazione chimica del film può migliorare significativamente gli indicatori di prestazione del film di rivestimento, come la durezza, la resistenza all'usura e la resistenza chimica. Ad esempio, in alcuni rivestimenti industriali ad alte prestazioni, una struttura reticolare altamente reticolata viene formata attraverso una speciale reazione chimica di reticolazione, che mantiene buone proprietà protettive in ambienti industriali difficili.
3. La direzione futura dell'industria dei rivestimenti: cambiamenti e progressi guidati dall'innovazione
In sintesi, un'analisi approfondita dello stato di sviluppo e del meccanismo di formazione del film dei rivestimenti tradizionali può rivelare chiaramente il panorama attuale e le sfide dell'industria dei rivestimenti. Sebbene le vernici a base d'acqua e le vernici in polvere presentino evidenti vantaggi in termini di protezione ambientale, a causa dei rispettivi limiti, è difficile che possano sostituire completamente la posizione dominante delle vernici a base di solventi organici nel breve periodo.
Sebbene i rivestimenti a base di solventi organici abbiano prestazioni eccellenti, l'inquinamento che causano all'ambiente deve essere affrontato con urgenza. In futuro, i ricercatori dovranno concentrarsi sul miglioramento del processo di preparazione e dei metodi di formazione dei film, esplorando l'uso di alternative di solventi organici a bassa tossicità o non tossici e ottimizzando la tecnologia di recupero e riciclaggio dei solventi durante il processo di formazione dei film, in modo da ridurre al minimo le emissioni inquinanti e raggiungere uno sviluppo verde e sostenibile. Ad esempio, alcuni istituti di ricerca scientifica stanno cercando di sviluppare nuove formulazioni di solventi organici, attraverso la progettazione della struttura molecolare, per ridurre la volatilità e la tossicità dei solventi e migliorarne l'utilizzo durante il processo di film-forming.
I rivestimenti a base d'acqua sono un importante rappresentante dei rivestimenti ecologici, ma la loro incapacità di soddisfare elevati requisiti decorativi ne limita l'ulteriore espansione di applicazione. Pertanto, la ricerca futura dovrebbe concentrarsi sulla modifica dei rivestimenti a base d'acqua, introducendo nuovi additivi funzionali e ottimizzando la struttura della resina, per migliorare le loro proprietà decorative e consentire loro di eccellere in applicazioni altamente decorative. Ad esempio, aggiungendo pigmenti e cariche su scala nanometrica, è possibile migliorare la vivacità del colore e la brillantezza dei rivestimenti a base d'acqua, aumentando al contempo la durezza e la resistenza all'usura del film di rivestimento.
Per quanto riguarda le vernici in polvere, il compito principale è quello di superare le difficoltà tecniche del trattamento delle polveri, sviluppare attrezzature e processi di rimozione delle polveri più efficienti e garantire che le emissioni di polvere durante i processi di produzione e verniciatura raggiungano livelli inferiori. Allo stesso tempo, il processo di preparazione delle vernici in polvere viene ottimizzato per ridurre la temperatura di polimerizzazione, ridurre il consumo energetico e ampliare il campo di applicazione su substrati non metallici, parti metalliche sovradimensionate e parti metalliche con forme complesse. Ad esempio, l'uso di nuovi agenti polimerizzanti a bassa temperatura può ridurre la temperatura di polimerizzazione delle vernici in polvere e ridurre il consumo energetico. Sono stati inoltre sviluppati speciali processi di pretrattamento per migliorare l'adesione delle vernici in polvere ai substrati non metallici.
In breve, l'industria dei rivestimenti si trova a un bivio di sviluppo innovativo. Solo superando continuamente i colli di bottiglia tecnici e risolvendo i problemi esistenti potremo raggiungere uno sviluppo sostenibile in un'epoca di requisiti di protezione ambientale sempre più severi e di richieste di mercato sempre più diversificate, e fornire prodotti vernicianti migliori, più ecologici e ad alte prestazioni per molti settori come l'edilizia, l'industria e i trasporti.
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