Polimerizzazione UV di vernici in polvere: radicalica e cationica, differenza sostanziale

LA FINITURA CON VERNICI UV : 60 ANNI DI STORIA INDUSTRIALE.

Dai pannelli in legno (degli anni 60) al can coating, al packaging cosmetico, ai parquet, alla decorazione metallica (negli anni 70 e 80), dai caschi e componenti in plastica per mobili da giardino (anni 90), la verniciatura UV ha avuto un rallentamento a cavallo tra gli ultimi 90 e il primo decennio di questo secolo, mantenendosi costante in qualche settore specifico (il mobiliero e il packaging cosmetico, per esempio), e infine, negli ultimi dieci anni, cercando di aprire nuovi mercati (lenti per fari d’auto, PVD decorativo, metallizzazione, contenitori di vetro e poco altro).

Negli anni 2000 si è cercato di dimostrare come la tecnologia di polimerizzazione UV potesse essere utilizzata anche nel caso d’impiego di vernici in polvere e in molti settori merceologici che utilizzano materiali termosensibili.

Purtroppo la forma complessa della gran parte dei pezzi metallici prodotti dalla metalmeccanica è stata una barriera all’introduzione dei sistemi UV (liquidi e soprattutto in polvere), perché i prodotti disponibili richiedono, per indurire, di essere completamente e direttamente illuminati dall’irraggiamento ultravioletto. Di contro, l’uso di tale tecnologia di polimerizzazione è potenzialmente molto interessante, a maggior ragione quando si vernicia a polveri, per la possibilità di ridurre notevolmente le dimensioni dei forni a convezione d’aria calda tipici di questa tecnologia, e i relativi alti costi energetici.

POLVERI UV RADICALICHE

Una delle ragioni della limitazione all’industrializzazione delle polveri UV risiede nel meccanismo della loro polimerizzazione, del tipo “radicalico”, che, in virtù dei fotoiniziatori utilizzati, attiva tre differenti stadi di reazione:

1. l’assorbimento luminoso “eccita” numerosi stati chimicamente reattivi dal fotoiniziatore
2. si formano dei radicali iniziatori di reazione mediante “fotosfaldamento” intramolecolare del fotoiniziatore, oppure intermolecolare per estrazione (donazione) di idrogeno dallo stesso fotoiniziatore, con creazione di radicali liberi
3. inizia la polimerizzazione per interazione dei radicali con i monomeri o oligomeri reattivi della vernice in polvere (precedentemente fusa, per esempio mediante irraggiamento IR).

In altre parole la reazione di indurimento dello strato di polveri per irraggiamento UV comincia quando il protone luminoso va a reagire con il fotoiniziatore, che si scinde donando atomi d’idrogeno, formando radicali liberi estremamente reattivi.

Questi reagiscono con le molecole che incontra (tipicamente, del prodotto verniciante fuso), e formano altri radicali che, a loro volta, danno immediatamente inizio alla reazione di polimerizzazione dei polimeri, fino a quando non si incontreranno due radicali liberi, terminando la reazione di indurimento.

Dato che l’indurimento di una polvere UV è dovuta all’iniziale formazione di radicali che si attivano sotto l’azione dell’irraggiamento ultravioletto, qualora la luce non raggiungesse il fotoiniziatore, lo strato fuso di polvere non potrebbe essere indurito.

POLVERI UV CATIONICHE

È possibile utilizzare un meccanismo differente? Effettivamente, nella polimerizzazione fotoiniziata cationica i prodotti chimici generati dalla fotolisi, continuano a polimerizzare gli oligomeri epossidi (anche al buio). Ciò è in marcato contrasto con la fotopolimerizzazione radicalica (in cui le specie di propagazione reattiva agli oligomeri decadono quando la sorgente dell’irraggiamento è rimossa o quando non raggiunge direttamente lo strato fuso di polvere).

Mentre nel caso della fotopolimerizzazione radicalica sono necessari fotoiniziatori donatori d’idrogeno intra e intermolecolare, in quella cationica sono invece indispensabili sali di derivazione da “Lewis acid”, generati da fotoiniziatori come il sale di triarilsulfonio.

VANTAGGI DELLA POLIMERIZZAZIONE CATIONICA DI POLVERI UV

Lo sviluppo di nuove classi di fotoiniziatori per l’indurimento UV cationico allargherebbe considerabilmente lo sviluppo della polimerizzazione UV di polveri applicate su ogni tipo di manufatto sagomato.

Tra l’altro, infatti, mentre l’indurimento UV fotoiniziato con radicali liberi è limitato ai monomeri vinilici e acrilici, suscettibili di addizione radicalica, la polimerizzazione cationica spazia dai monomeri saturi tipo epossidi, lattoni, eteri ciclici, acetali ai composti vinilici, tutti insensibili alla presenza di ossigeno (contrariamente alla polimerizzazione radicalica). Per il formulatore questo è un ulteriore notevole vantaggio, essendo molto ampia la gamma dei monomeri contenenti epossidi a bassa viscosità, assenza di colore e odore, bassa tossicità ed eccellenti proprietà fisiche e chimiche.

Nel campo della formulazione di vernici liquide UV cationiche questi vantaggi si sono dimostrati validi non solo teoricamente – Carola Corcione, ricercatrice dell’Università di Lecce, ha trattato con il suo prodotto Hybrid le facciate del Duomo di Lecce – nel campo delle vernici in polvere UV attendiamo i riscontri dalle polveri prodotte in via sperimentale dalla SBS (Venegono Inferiore, Varese), il primo produttore di polveri italiano che ha sviluppato questo tipo di prodotti, a disposizione di chi desidera, in Italia o all’estero, sperimentare industrialmente le possibilità offerte dalla nuova tecnologia.