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Abbiamo a che fare con l'inchiostro e la vernice quotidianamente. Questi materiali vengono utilizzati per la scrittura e la stampa, per la protezione dagli agenti atmosferici, per ragioni estetiche e molto altro ancora. La nostra documentazione storica esiste in gran parte grazie a queste sostanze. Come vengono prodotti le vernici e gli inchiostri e quali misure di controllo qualità (QC) vengono adottate? Questo articolo del blog copre una breve storia di questo settore, il processo di produzione e come la spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS) può essere utilizzata come soluzione QC multiparametrica.

Qual è la differenza tra vernice e inchiostro?

La vernice è una sostanza applicata come liquido o pasta che si asciuga formando un rivestimento solido. Questo rivestimento protegge e/o aggiunge colore all'oggetto o alla superficie su cui è stato applicato.

L'inchiostro è un fluido a base di pigmenti o coloranti utilizzato per la scrittura, la stampa, ecc.

Origini e breve cenni storici sull'inchiostro e sulla pittura

Clicca sulle frecce sottostanti per saperne di più sulle origini e la storia di questi due materiali.

Molte culture formulavano i propri inchiostri in modo indipendente, solitamente basati sulla fuliggine rimanente (pigmento) dei bracieri combinata con acqua (vettore). In effetti, questa semplice composizione è alla base dell'India ink, ancora in uso oggi. 

I cinesi e gli egiziani stabilirono ricette di inchiostri durevoli almeno 4500 anni fa. Questi inchiostri erano basati su fonti vegetali, animali e minerali. In Europa, prima del Medioevo, l'inchiostro veniva preparato anche da polvere di nerofumo e acqua, con gomma arabica o altri leganti. 

Alla fine, i romani svilupparono una formula migliore nota come inchiostro gallico di ferro (o quercia). L’inchiostro ferrogallico era relativamente facile da produrre dal solfato di ferro (II) (FeSO4), acido tannico e gomma arabica. Questo inchiostro permanente fu utilizzato fino a quando gli inchiostri prodotti chimicamente iniziarono a diventare popolari intorno alla metà del 1900.

Nel 1440, l'invenzione della macchina da stampa richiese un nuovo tipo di inchiostro. Le varietà a base acqua erano semplicemente inadatte per una stampa di buona qualità. A questo scopo sono stati sviluppati inchiostri a base oleosa per favorire una migliore adesione alla superficie di stampa.

La vernice è una forma di pigmento liquido utilizzato per decorare o proteggere le superfici. È difficile determinare quando furono realizzati i primi dipinti, poiché sono antecedenti alla storia scritta. Le testimonianze più antiche sull'uso della pittura sono le pitture rupestri, come quelle trovate in Francia, Spagna, and Suth Africa. Queste vernici primitive venivano realizzate macinando sostanze pigmentate (ad esempio, ocra) e mescolandole con un semplice legante liquido (ad esempio, uova) per aiutarle ad aderire a superfici come la pietra.

Le vernici a base d'acqua sono state utilizzate nel corso della storia per creare opere d'arte senza tempo. Ad esempio, gli antichi egizi usavano colori vivaci e vivaci per adornare le loro camere funerarie. Secoli dopo Michelangelo dipinse il famoso soffitto della Cappella Sistina con semplice pigmento in polvere mescolato con acqua (affresco). 

Le vernici a base di olio furono sviluppate già nel 600 d.C., come si vede nelle pitture rupestri trovate in Afghanistan. Queste vernici sostituiscono l'acqua con un olio essiccante e possono contenere anche altri modificatori. I colori ad olio sono stati utilizzati anche per scopi artistici (ad esempio, la Gioconda di Leonardo da Vinci, la Notte stellata di Vincent van Gogh), ma sono apprezzati anche per motivi protettivi, come l'impermeabilizzazione del legno.

I pigmenti naturali provengono generalmente da fonti vegetali, minerali o argillose. I pigmenti sintetici, realizzati mediante tecniche di lavorazione chimica, termica o di altro tipo, offrono una varietà di colori molto più ampia. Sia i pigmenti naturali che quelli sintetici possono essere classificati come organici o inorganici.

Sono disponibili anche supporti/leganti naturali e sintetici. In passato, le vernici a base di olio utilizzavano spesso l'olio di lino come vettore. Agli inizi del 1900 furono inventati e utilizzati alchidici artificiali per questo scopo. Gli alchidi erano economici e facili da produrre, trattenevano bene il colore ed erano durevoli. Successivamente furono sviluppate vernici a base polimerica come l'acrilico e il lattice, che sono ancora popolari oggi.

L'uso di leganti sintetici ha portato a vernici che si asciugano rapidamente, hanno una ridotta tendenza all'ingiallimento e un'ampia gamma di aspetti e proprietà di manipolazione. Per le formulazioni in emulsione, i leganti sintetici hanno eliminato l'uso di solventi organici come diluenti e diluenti.

Di cosa è fatta la vernice?

La vernice è generalmente costituita da pigmenti, resina, solvente e additivi.

I pigmenti vengono utilizzati per fornire colore e controllare il livello di brillantezza. Una concentrazione in volume di pigmenti (PVC) inferiore si traduce in una finitura lucida mentre un PVC elevato conferisce un aspetto opaco piatto.

La resina è il legante che tiene insieme le particelle di pigmento e fornisce adesione alla superficie verniciata.

Il solvente funge da supporto per i pigmenti e la resina. Può essere organico o a base d'acqua.

Gli additivi vengono utilizzati per migliorare alcune proprietà come la facilità di spazzolatura, la resistenza alla muffa, la resistenza ai graffi, l'asciugatura e la resistenza all'abbassamento.

Come viene prodotta la vernice?

Il processo di produzione della vernice può essere suddiviso in quattro fasi fondamentali. Innanzitutto viene prodotta la pasta (Figura 1), quindi i pigmenti vengono macinati e dispersi per scopi di omogeneità (Figura 2). Nella terza fase la pasta viene diluita (Figura 3) e infine il prodotto finale viene confezionato (Figura 4).

Tuttavia, ingredienti diversi richiedono un adattamento del processo di produzione e l’esempio mostrato è una generalizzazione. I rivestimenti vengono realizzati in un processo batch e vengono applicati test rigorosi durante l'intero processo di produzione per garantire la qualità.

Figure 1. The first step in paint production is making the paste by mixing pigments, additives, binder, and solvents.
Figure 2. La seconda fase nella produzione della vernice è la macinazione e la dispersione dei pigmenti nella pasta.
Figure 3. La terza fase nella produzione della vernice prevede la diluizione della pasta con solventi, legante e pigmenti aggiuntivi.
Figure 4. La fase finale della produzione della vernice è il confezionamento del prodotto finale dopo che è stato filtrato.

Controllo qualità e screening di inchiostri e vernici

Il controllo qualità (QC) di inchiostro e vernice può essere eseguito facilmente durante tutte le fasi della produzione con la spettroscopia nel vicino infrarosso (NIR). L'utilizzo del NIRS per il controllo qualità e lo screening di inchiostri e vernici è più efficiente ed economico rispetto ad altri metodi analitici. 

Il resto di questo articolo del blog copre una breve panoramica della spettroscopia NIR e delle sue applicazioni per l'industria degli inchiostri e delle vernici. Vengono forniti esempi di come i produttori di inchiostri e vernici possono trarre vantaggio dall'utilizzo degli strumenti NIRS per la garanzia e il controllo qualità per realizzare prodotti di alta qualità.

Spettroscopia NIR: come funziona?

La spettroscopia NIR è una tecnica analitica che utilizza l’interazione tra luce e materia per determinare i parametri chimici e fisici di un campione. In questa situazione, la luce è descritta dalla lunghezza d'onda o dai numeri d'onda piuttosto che dall'energia applicata. L'interazione può essere misurata, ad esempio, con Metrohm DS2500 Liquid Analyzer Metrohm (Figura 5a), che genera spettri NIR (Figura 5b).

Figure 5. a) Metrohm NIRS DS2500 Liquid Analyzer. b) Esempio di spettri risultanti dall'interazione della luce NIR con cinque diversi campioni di essiccante per vernice.

Poiché NIRS è piuttosto sensibile alla presenza di alcuni gruppi funzionali molecolari, è una tecnica ideale per quantificare molti parametri chimici. Il contenuto non volatile, i composti organici volatili, il contenuto di coloranti, il contenuto di tensioattivi e l'umidità possono essere misurati simultaneamente nella vernice o nell'inchiostro. Con NIRS è possibile anche il rilevamento di parametri fisici come densità e viscosità.

Un singolo spettro NIR contiene tutte queste informazioni, rendendo la spettroscopia nel vicino infrarosso adatta per una rapida analisi multiparametrica.

Scelta della modalità di misurazione NIRS

La modalità di misurazione NIRS dipende dal tipo di campione da analizzare. 

Quando si analizzano i liquidi, è appropiata la modalità di trasmissione (Figura 6). Durante la trasmissione, la luce NIR viene assorbita mentre attraversa il campione e la luce non assorbita va direttamente al rilevatore. 

Figure 6. a) Le misurazioni dei liquidi vengono generalmente eseguite con fiale monouso. b) La modalità di misurazione NIRS è nota come trasmissione, in cui la luce viaggia attraverso il campione mentre viene assorbita (da sinistra a destra nell'illustrazione).

Quando si analizzano le paste, è preferibile la modalità di trasflessione (Figura 7). Qui viene utilizzato un timbro dorato come riflettore diffuso. In questo caso, la luce NIR viene diretta attraverso il campione di pasta mentre viene assorbita e viene riflessa dal timbro dorato. La luce NIR riflessa viene ulteriormente assorbita dal campione e infine raggiunge il rilevatore.

Figure 7. a) La misurazione delle paste viene generalmente eseguita in una tazza per l'impasto liquido utilizzando un timbro dorato come riflettore diffuso. b) La modalità di misurazione è nota come trasflessione, in cui la luce viaggia attraverso il campione, si riflette sul riflettore diffuso e viaggia nuovamente attraverso il campione mentre viene assorbita.

Vantaggi dell'utilizzo del NIRS per scopi di controllo qualità e screening

La spettroscopia nel vicino infrarosso presenta numerosi vantaggi rispetto ad altre tecniche analitiche, soprattutto quando si tratta di controllo di qualità e screening.

NIRS è veloce e fornisce risultati in meno di un minuto. Non è necessaria alcuna preparazione del campione, risparmiando ancora più tempo. Le misurazioni non sono distruttive, quindi i campioni possono essere riutilizzati. Non sono necessari reagenti quando si utilizza la spettroscopia NIR per l'analisi. Ciò non solo riduce il costo per campione, ma rende anche questa tecnica rispettosa dell'ambiente.

NIRS è inoltre conforme agli standard internazionali come ASTM E1655: Standard Practices for Infrared Multivariate Quantitative Analysis, rendendone più semplice l'adozione da parte delle industrie. Infine, la NIRS è facile da usare e può essere utilizzata da personale non tecnico, a differenza di altre tecniche analitiche più complicate.

Controllo qualità e parametri di screening per la produzione di inchiostri e vernici

I prodotti inchiostri e vernici sono sottoposti a diversi metodi di prova standardizzati per determinarne le proprietà chimiche e fisiche. Tali test di laboratorio sono una parte indispensabile della ricerca, dello sviluppo e del controllo di qualità. La tabella 1 elenca i parametri di prova più rilevanti per il controllo di qualità e lo screening di inchiostri e vernici.

Nelle sezioni successive seguono esempi di applicazione che mostrano la capacità del NIRS di analizzare simultaneamente diversi di questi parametri dallo stesso campione.

Tabella 1. Vari parametri di controllo qualità e screening per inchiostro e vernice insieme al metodo tipico utilizzato per l'analisi.

Parametro Metodo di analisi convenzionale
Viscosità intrinseca e cinematica Viscometria
Umidità Titolazione Karl Fischer
Contenuto di tensioattivi Titolazione
Contenuto non volatile/Contenuto solido Perdita all'essiccamento (LOD)
Contenuto di colorante/Contenuto di pigmento Incenerimento
Composti organici volatili (VOC) Diversi metodi chimici umidi
Additivi e cere nelle vernici per imballaggi HPLC e GC

Esempio di applicazione: controllo qualità dell'inchiostro con NIRS

Quando si eseguono controlli di qualità durante la produzione di inchiostri, i parametri tipici misurati sono il contenuto di colorante, glicole dietilenico (DEG), tensioattivo e acqua. Il colorante (ad esempio trifenilmetano/fenazina o coloranti azoici) conferisce all'inchiostro il suo colore. Il glicole dietilenico viene utilizzato come solvente e impedisce all'inchiostro di seccarsi. I tensioattivi controllano la consistenza e impediscono la formazione di schiuma nell'inchiostro.

Questi parametri vengono solitamente monitorati utilizzando diverse tecniche analitiche tra cui incenerimento, titolazione e titolazione Karl Fischer. La preparazione del campione richiede molto tempo e l'uso di più metodi di determinazione è complicato. Utilizzando NIRS, è possibile misurare simultaneamente diversi parametri QC dell'inchiostro, con risultati forniti in meno di un minuto.

Gli spettri NIR di diversi campioni di inchiostro sono mostrati nella Figura 8 con il rispettivo diagramma di correlazione per la previsione del contenuto di colorante nella Figura 9. Le cifre di merito per la previsione NIRS di colorante, DEG, tensioattivo e acqua nell'inchiostro sono fornite nella Tabella 2 .

Figure 8. Selezione di spettri Vis-NIR da campioni di inchiostro misurati su NIRS DS2500 Analyzer Metrohm in modalità transflessione. L'inserto mostra come gli spettri differiscono al variare del contenuto di colorante.
Figure 9. Diagramma di correlazione per la previsione del contenuto di colorante nell'inchiostro utilizzando Metrohm NIRS DS2500 Analyzer.

Tabella 2. Cifre di merito per vari parametri QC in campioni di inchiostro utilizzando Metrohm NIRS DS2500 Analyzer.

Cifre di merito Contenuto di colorante Contenuto DEG Contenuto di acqua Contenuto di tensioattivi
R2 0.996 0.993 0.991 0.977
Errore standard di calibrazione (SEC) 0.0835% 0.5037% 0.5571% 0.0368%
Errore standard di convalida incrociata (SECV) 0.0949% 0.5888% 0.9614% 0.1316%

Esempio di applicazione: controllo qualità degli essiccatori di vernice con NIRS

Gli essiccatori per vernici riducono il tempo di asciugatura delle vernici e influiscono sulla brillantezza e sulla trasparenza del rivestimento. In questo caso, i principali parametri di controllo qualità di interesse sono il contenuto di metalli, il contenuto di solidi, la viscosità e il peso specifico.

Tutte le procedure di test di riferimento per questi parametri sono specificate nelle procedure ASTM: ASTM D2373, ASTM D1644, ASTM D5125, e ASTM D2196. Ciascuno standard utilizza diversi strumenti analitici per la misurazione: bilance e forni, titolatori, idrometri e viscosimetri. Al contrario, l’utilizzo del NIRS per misurare tutti questi parametri simultaneamente consente di risparmiare una notevole quantità di tempo e di ridurre i costi per analisi.

Figure 10. Selezione di spettri Vis-NIR da campioni di vernice essiccata misurati su Metrohm NIRS DS2500 Liquid Analyzer in modalità di trasmissione. Gli spettri differiscono al variare del contenuto di cobalto.
Figure 11. Diagramma di correlazione per la previsione del contenuto di cobalto negli essiccatori di vernici utilizzando Metrohm NIRS DS2500 Liquid Analyzer.

Tabella 3. Cifre di merito per vari parametri QC in campioni di essiccatore per vernice utilizzando Metrohm NIRS DS2500 Liquid Analyzer.

Cifre di merito Contenuto di cobalto* Contenuto di solidi Peso specifico Viscosità
R2 0.999 0.999 0.977 0.999
SEC 0.08% 0.24% 0.003% 9.3 MPa
SECV 0.09% 0.29% 0.003% 10.9 MPa
* L'intervallo spettrale con i migliori risultati per la misurazione del cobalto era nella regione del visibile (400–800 nm, vedi Figura 9).

Riassunto

NIRS è una scelta eccellente per il controllo qualità e lo screening di inchiostri e vernici lungo l'intera catena produttiva, dalle materie prime ai prodotti finiti. I suoi vantaggi rispetto ad altre tecniche analitiche non possono essere sottovalutati. La possibilità di eseguire analisi multiparametriche su un singolo campione con risultati in meno di un minuto consente di risparmiare un'incredibile quantità di tempo e denaro.

Le tecniche di laboratorio convenzionali di solito richiedono il precondizionamento del campione o sostanze chimiche e personale qualificato per eseguire le analisi. Ciascun parametro viene misurato su uno strumento diverso e pertanto la generazione dei risultati richiede molto più tempo.

La tua conoscenza "take-aways"

Application Note: Contenuto di colorante, glicole dietilenico, acqua e tensioattivo nell'inchiostro

Application Note: Glicole butilico e alcool propileptilico nelle vernici a base acqua

Application Note: Determinazione del numero di ammine e del contenuto solido della vernice ad immersione

Application Note: Contenuto di cobalto, contenuto di solidi, peso specifico e viscosità nell'ottoato di cobalto

Application Note:  Additivo reologico e cera nella vernice per imballaggi mediante spettroscopia Vis-NIR – Parametri multipli con una misurazione

Application Bulletin: Analisi di lacche e vernici mediante spettroscopia nel vicino infrarosso

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Autori
Guns

Wim Guns

International Sales Support Spectroscopy
Metrohm International Headquarters, Herisau, Switzerland

Contatto

Lanciki

Dr. Alyson Lanciki

Scientific Editor
Metrohm International Headquarters, Herisau, Switzerland

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