Applicazione industriale — MCA Strumentazione Industriale
Dispersione di pigmenti nelle vernici con Cowles
Tip speed, rapporto D/T, scala Hegman e workflow per la produzione di vernici e coating
Applicazione industriale — MCA Strumentazione Industriale
Tip speed, rapporto D/T, scala Hegman e workflow per la produzione di vernici e coating
Caso applicativo — Vernici, inchiostri, coating
La dispersione di pigmenti (TiO₂, carbon black, pigmenti organici, ossidi metallici) nelle vernici e nei coating è un processo ad alto taglio che richiede un disco dentato — noto come Cowles — operante a velocità periferica (tip speed) di 20–25 m/s. A queste velocità i pigmenti agglomerati vengono rotti in cristalli primari. La finezza del grinding si misura sulla scala Hegman (0–7, corrispondente a 100–2,5 µm).
Questa pagina copre la geometria del disco Cowles, la relazione tra tip speed e tipo di pigmento, il workflow standard di produzione vernice e il dimensionamento dell'azionamento elettrico.
Il disco Cowles (dispersore Cowless, disco dentato) è una girante radiale ad alto shear. Caratteristiche:
A differenza delle giranti standard, il Cowles NON serve per miscelare grandi volumi — serve per concentrare energia meccanica in una zona ristretta. Il prodotto deve attraversare ripetutamente il disco per essere disperso completamente.
La velocità periferica (tip speed) è il parametro dominante per la dispersione. Si calcola come π × N × D, dove N è la velocità in giri/secondo e D il diametro del disco.
| Tipo di pigmento | Tip speed ottimale (m/s) | Note |
|---|---|---|
| Biossido di titanio (TiO₂) | 18 – 22 | Pigmento "facile" — si disperde senza difficoltà |
| Gesso, cariche calcaree | 15 – 20 | Cariche di riempimento — bassa tip speed sufficiente |
| Pigmenti organici (ftalocianine, azoici) | 20 – 23 | Agglomerati più resistenti — serve più energia |
| Pigmenti inorganici (ossidi ferro, cromati) | 20 – 24 | Simili ad organici |
| Carbon black | 22 – 25 | Il più difficile — agglomerati fortissimi |
| Pigmenti per inchiostri flessografici | 24 – 26 | Finezza spinta richiesta |
Sotto 15 m/s: la dispersione non è efficace, gli agglomerati rimangono. Il tempo di lavorazione si allunga ma la qualità non migliora.
Sopra 25 m/s: rischio di surriscaldamento del prodotto (anche > 70°C in pochi minuti), degrado del legante, evaporazione solventi, rischio di incendio (molti solventi sono infiammabili).
Verificare sempre la tip speed effettiva in funzione della velocità dell'asse motore e del diametro scelto. Un Cowles da 300 mm a 1.400 rpm dà tip speed = π × 23,3 × 0,3 = 22 m/s.
Il rapporto tra diametro del disco Cowles e diametro della vasca (D/T) influenza l'efficienza della dispersione:
| D/T | Valutazione | Effetto |
|---|---|---|
| 0,30 – 0,40 | ✓ Ottimale | Buon equilibrio tra shear locale e ricircolo del prodotto |
| < 0,25 | ✗ Sconsigliato | Zona di shear troppo piccola, ricircolo lento, dispersione incompleta |
| > 0,50 | ✗ Sconsigliato | Eccessiva energia ai bordi, surriscaldamento, wear del disco |
Altezza del disco dal fondo: H = D/2 è il riferimento. Più alto significa meno ricircolo delle particelle. Più basso può causare impingement e usura del fondo della vasca.
La scala Hegman (North-American Standard) misura la finezza di macinazione usando un grindometro — una piastra piana con una scanalatura di profondità progressivamente variabile da 100 µm a 0 µm. Il prodotto viene tirato lungo la scanalatura con una racla e si osserva da quale profondità compaiono strie o granelli.
| Hegman | Profondità (µm) | Applicazione tipica |
|---|---|---|
| 0 | 100 | Prodotto grossolano, non commerciale |
| 3 | 50 | Pitture industriali standard, fondi |
| 5 | 25 | Vernici decorative di qualità |
| 6 | 12,5 | Vernici architettoniche premium |
| 7 | 2,5 | Vernici automotive top coat, inchiostri grafici |
Nelle vasche di dispersione vernici la potenza specifica è molto alta rispetto ad altre applicazioni:
Il motore deve essere a velocità variabile (inverter) per passare dalle alte velocità del grind alle basse velocità del letdown. Raffreddamento a camicia essenziale: durante il grind il prodotto può raggiungere 50–70°C in pochi minuti — oltre questa temperatura molti leganti degradano.
Quasi tutte le vernici usano solventi infiammabili (toluene, xilene, n-butil acetato, MEK). La zona di produzione è ATEX zona 1 o 2. L'agitatore Cowles deve avere motore e componenti elettrici certificati ATEX. Vedi la guida alle certificazioni.
Boero, Colorificio San Marco, Sikkens Italia, PPG, Attiva, Rembrandtin, Max Meyer, Industria Chimica Reggiana, Cromology. Mercato italiano vernici > 3 miliardi €/anno. Milano, Bergamo, Treviso, Genova i principali distretti produttivi.
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La tip speed ottimale dipende dal pigmento da disperdere: 18-20 m/s per pigmenti facili (TiO2, gesso), 20-23 m/s per pigmenti organici, 23-25 m/s per carbon black e pigmenti difficili. Sotto 15 m/s la dispersione non è efficace. Sopra 25 m/s c'è rischio di surriscaldamento e degrado del legante.
La scala Hegman misura la finezza di macinazione di una dispersione. Si usa un grindometro con scanalatura progressivamente più profonda. La scala va da 0 (100 µm) a 7 (2,5 µm). Valori tipici: Hegman 3 = 50 µm (standard industriale), Hegman 5 = 25 µm (vernici di qualità), Hegman 7 = 10 µm (automotive top, inchiostri).
Il Cowles porta la dispersione fino a circa 5-10 µm (Hegman 6-7). Per ottenere dimensioni submicroniche o nanopigmenti occorrono tecnologie complementari: molazze a perle (bead mill), rotori-statori ad alta velocità, omogeneizzatori ad alta pressione. Il Cowles rimane il pre-disperditore nei processi a più stadi.
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