Cos'è l'emulsione di silicone e quali sono i suoi principali utilizzi industriali?

Cos’è l’emulsione di silicone? Chimica fondamentale e principali caratteristiche prestazionali

Emulsioni e come i polimeri silossanici si disperdono in acqua

L'emulsione di silicone è una dispersione in acqua di olio di polimero silossanico stabilizzata mediante tensioattivi e metodi meccanici ad alta energia di taglio. Le goccioline di silossano, tipicamente comprese tra 0,1 e 5 micrometri, sono distribuite uniformemente e rimangono sospese senza coalescere, rendendo più agevole la manipolazione, la diluizione e l’applicazione. Centralmente, la flessibile catena inorganica Si–O–Si conferisce all’emulsione di silossano stabilità termica e chimica, nonché bassa energia superficiale. La reattività, la compatibilità e le prestazioni del silossano vengono modulate mediante le catene organiche legate al suo scheletro. Quando il silossano viene applicato su substrati quali tessuti, metalli o carta, l’acqua evapora lasciando un film continuo di silossano. Questa struttura consente un controllo ottimale dello spessore del rivestimento e dell’adesione, offrendo al contempo la robusta chimica del silicone con l’efficienza dei processi a base acquosa.

Parametri tecnici chiave: dimensione delle particelle, stabilità, viscosità e contenuto di sostanza secca

Le prestazioni e l'applicazione dell'emulsione di silicone dipendono da quattro parametri interagenti:

Dimensione delle particelle: particelle inferiori a 1 micrometro migliorano la penetrazione in substrati porosi, come le fibre di cotone, e producono film più lisci e uniformi. In altre applicazioni, ad esempio nello stampaggio, particelle di dimensioni maggiori possono migliorare lo spessore del film e le proprietà di distacco.

Stabilità: questa viene generalmente valutata in base alla tendenza dell'emulsione a creare una crema in superficie (cream), a sedimentare o a subire una separazione di fase sotto l'azione di sollecitazioni meccaniche (shear), a temperature elevate (fino a 60 gradi Celsius) o a variazioni di pH (pH 4-10). Un'emulsione di silicone di grado industriale deve presentare una stabilità superiore a 6 mesi per consentire un immagazzinamento a lungo termine.

Viscosità: L'intervallo normale per la viscosità dell'emulsione di silicone è compreso tra 50 e 5.000 cP. Questo intervallo influisce sulla facilità di pompaggio, di nebulizzazione e sulla capacità dell'emulsione di silicone di resistere alla forza di gravità dopo l'applicazione. Le formulazioni a bassa viscosità sono preferite per i sistemi di dosaggio in linea. Al contrario, le formulazioni ad alta viscosità sono più indicate per applicazioni su superfici verticali.

Il contenuto di estratto secco indica i solidi non volatili di silicone, il cui valore tipico varia dal 25% al 70% p/p. Poiché la densità del rivestimento è strettamente correlata alla quantità di estratto secco presente nella formulazione, un contenuto maggiore di estratto secco migliora l’efficienza economica e la densità del rivestimento per unità di volume. Tuttavia, ciò ha un impatto negativo sulla stabilità della formulazione, che potrebbe richiedere una progettazione accurata dei sistemi tensioattivi e polimerici.

Nella progettazione di formulazioni a base di silicone, la stabilità della formulazione e le prestazioni desiderate da quest’ultima tendono a determinare gli elementi progettuali relativi al peso molecolare e al tipo di silossano, al gruppo funzionale, al tensioattivo e al grado di dispersione del tensioattivo. Ad esempio, nel settore tessile, i morbidenti richiedono una dispersione di silossano con un contenuto secco del 30–40% p/p, in modo che il morbidente possa penetrare nelle fibre e ottimizzare sia l’effetto ammorbidente sia la resistenza al lavaggio delle particelle. Al contrario, gli agenti distaccanti per stampi a base di silicone ad alte temperature richiedono un contenuto secco del 60% p/p, un’elevata stabilità a elevati sforzi di taglio e polimeri di silossano fenilico, affinché l’agente distaccante presenti un’elevata stabilità termica.

Emulsioni di silicone nel trattamento tessile: ammorbidimento, idrorepellenza e controllo dell’elettricità statica

Le emulsioni di silicone offrono tre benefici sinergici nella finitura tessile: morbidezza e caduta, idrorepellenza duratura e dissipazione dell’acqua. La bassa tensione superficiale dei siliconi consente loro di ricoprire facilmente la superficie delle fibre (anche quelle idrofile). Essi bilanciano il contatto tra le fibre mediante un film flessibile e reticolabile che aumenta la lubrificazione delle superfici a contatto. Ciò risulta utile durante la finitura dei tessuti e migliora notevolmente la qualità percepita del materiale, aspetto particolarmente importante nei capi d’abbigliamento e nei tessili per la casa. I siliconi creano inoltre una superficie microstrutturata che consente l’effetto «loto», caratterizzato dalla formazione di gocce d’acqua sulla stoffa e dalla traspirabilità del tessuto, pur mantenendo un’idrorepellenza superiore al 90% dopo 50 lavaggi industriali, risultando nettamente superiori agli agenti di finitura a base di paraffina e di fluorocarburi. Per il controllo dell’elettricità statica, la polarità intrinseca dei siliconi riduce agevolmente la resistività superficiale, impedendo l’accumulo di carica durante operazioni ad alta velocità quali il taglio, lo spostamento o l’imballaggio. Diversi metodi di applicazione (esaurimento, impregnazione, nebulizzazione) consentono un certo grado di controllo nell’applicazione su vari tipi di fibre (naturali, sintetiche e miscele) e offrono inoltre una gamma funzionale di siliconi con elevata affinità

Emulsione di silicone come agente di distacco e lubrificante industriale ad alte prestazioni

Le emulsioni di silicone sono efficaci agenti distaccanti e lubrificanti per temperature elevate, utilizzati nei processi produttivi di gomma, plastica, compositi e pressofusione. Dopo l’applicazione e l’essiccazione, le emulsioni di silicone formano un rivestimento stabile e a bassa adesione sulle superfici degli stampi, in grado di resistere a un impiego continuo fino a 300 °C. In molti processi produttivi, in particolare quelli che prevedono la vulcanizzazione della gomma al silicone e la polimerizzazione dei compositi termoindurenti, la temperatura di impiego continuo delle emulsioni di silicone è molto più elevata rispetto a quella delle emulsioni lubrificanti derivate da petrolio e acidi grassi. Quando vengono utilizzate come agenti distaccanti, le emulsioni di silicone contribuiscono a ridurre l’usura grazie alla loro lubrificità. Inoltre, le emulsioni di silicone riducono l’attrito interfaciale, limitando così l’usura tra parti in movimento, come nastri trasportatori o rulli. Essendo chimicamente inerti, le emulsioni di silicone sono compatibili con tutti i tipi di resine, acidi e solventi; pertanto non è necessario sviluppare una formulazione diversa per ogni substrato. Tipicamente, le emulsioni di silicone richiedono una sola applicazione per supportare da 10 a 20 cicli produttivi, riducendo così manodopera e tempi di fermo rispetto agli spray distaccanti a base di solvente. La combinazione di tutte queste proprietà rende le emulsioni di silicone l’agente distaccante di riferimento per la produzione ad alta richiesta.

Additivi funzionali per emulsioni per rivestimenti, carta e imballaggi

Le emulsioni di silicone sono additivi multifunzionali utilizzati nelle vernici edili e industriali per migliorare la resistenza agli agenti atmosferici, l’effetto idrofobo (formazione di gocce d’acqua) e le proprietà antimicrobiche. Possono ridurre l’assorbimento d’acqua del 40% e, secondo la norma ASTM D3273, possono prevenire la crescita di muffe e funghi in condizioni di umidità elevata. Inoltre, possono impedire la formazione di crepe superficiali causate dai raggi UV. Ciò consente di estendere la durata di servizio fino a 2–3 volte rispetto a sistemi analoghi che impiegano rivestimenti acrilici o alchidici. Nel settore cartario, le emulsioni di silicone vengono utilizzate per realizzare rivestimenti antiaderenti per etichette autoadesive, supporti di rilascio e carta da forno alimentare. Ciò migliora la facilità di distacco (peel) e riduce i residui di adesivo. Come modificatori di barriera, le emulsioni di silicone aumentano la resistenza al grasso e all’umidità negli imballaggi alimentari, senza compromettere la stampabilità né la compostabilità, come certificato dalle norme ISO 17088 ed EN 13432. Quando applicate su imballaggi ondulati e flessibili, le emulsioni di silicone migliorano la resistenza degli imballaggi durante il trasporto, riducendo i danni ai prodotti e i resi. Formulazioni avanzate di emulsioni di silicone anioniche e non ioniche sono state sviluppate per rispettare le normative più severe sui COV (composti organici volatili). Possono inoltre sostituire vecchie formulazioni chimiche con bassa ecotossicità, garantendo al contempo prodotti altamente funzionali e performanti.

Domande frequenti

Cos'è un'emulsione di silicone?

Un'emulsione di silicone è una dispersione stabile in acqua di polimero silossanico. Di solito è costituita da goccioline di silicone di diametro compreso tra 0,1 e 5 µm, stabilizzate da tensioattivi e ottenute mediante lavorazione meccanica ad alta energia di taglio.

Quali sono i principali parametri tecnici delle emulsioni di silicone?

Alcuni dei parametri chiave che influenzano la qualità delle emulsioni di silicone sono la dimensione delle particelle, la stabilità, la viscosità e il contenuto di sostanza secca. Tutti questi parametri influiscono sull'applicazione delle emulsioni di silicone.

Quali sono alcune applicazioni pratiche delle emulsioni di silicone nel settore tessile?

Le emulsioni di silicone conferiscono ai tessuti una morbidezza duratura e altamente idrorepellente, eliminano le cariche elettrostatiche e creano rivestimenti sottili e resistenti che proteggono i tessuti e ne migliorano le prestazioni.

Qual è la vera natura dei benefici offerti dalle emulsioni di silicone nelle applicazioni industriali?

Poiché le emulsioni di silicone contribuiscono a creare film a basso attrito e altamente resistenti al calore, rilasciano costantemente i componenti e forniscono lubrificazione proteggendo nel contempo le macchine.

Le emulsioni di silicone possono essere utilizzate nei sistemi di rivestimento e di imballaggio?

Le emulsioni di silicone rendono i rivestimenti più impermeabili alle intemperie, gli imballaggi e la carta più resistenti all’umidità e ai grassi, e contribuiscono al raggiungimento degli obiettivi di sviluppo sostenibile.