Yield stress (soglia di scorrimento): cos'è, come si misura, perché conta nei prodotti industriali

Q: Cos'è lo yield stress (soglia di scorrimento)?

Lo yield stress (in italiano soglia di scorrimento, simbolo τ₀ o σ_y) è il valore minimo di sforzo di taglio che deve essere applicato a un fluido affinché questo inizi a scorrere. Si misura in Pascal (Pa). Sotto lo yield stress il materiale si comporta come un solido elastico (resiste alla deformazione); sopra lo yield stress si comporta come un fluido viscoso. È il parametro reologico più importante per la stabilità in stoccaggio dei prodotti industriali sospesi o emulsionati: vernici pigmentate, slurry batterie, detersivi strutturati, cosmetici, salse alimentari. Una sospensione con yield stress sufficiente non sedimenta nel barattolo; una con yield stress troppo basso sedimenta in poche settimane.

Q: Come si misura lo yield stress?

Esistono tre approcci principali: (1) Misura diretta con reometro rotazionale a controllo di stress crescente, identificando il punto in cui inizia il flusso. (2) Estrapolazione da curva di flusso misurata a diverse shear rate e fit con un modello reologico (Bingham, Casson, Herschel-Bulkley); l'intercetta del modello con l'asse dello stress dà lo yield stress. (3) Test pratici industriali come il Bostwick (per salse), penetrometro a cono (per cosmetici e burri), test di gocciolamento (sag test per vernici). Il reometro Fluidan RheoStream, misurando la curva di viscosità su 1-3 punti tra 1,5 e 1.000 s⁻¹, permette di estrarre lo yield stress via fit con modello Herschel-Bulkley.

Q: Differenza tra yield stress statico e dinamico

Lo yield stress statico (anche detto 'static yield' o 'true yield') è lo sforzo necessario per innescare il flusso a partire da uno stato di riposo prolungato — è il parametro che governa la stabilità in stoccaggio. Lo yield stress dinamico (o 'dynamic yield') è il valore estrapolato dalla curva di flusso a shear rate decrescente — è il parametro più rilevante per processi continui (pompaggio, miscelazione). I due valori sono diversi nei materiali tixotropici, dove la struttura interna si rebuild progressivamente a riposo. La differenza tra statico e dinamico è una misura della tixotropia del prodotto. Il reometro RheoStream caratterizza primariamente lo yield stress dinamico dal fit Herschel-Bulkley della curva di flusso.

Q: Come si gestisce lo yield stress nella produzione industriale?

Lo yield stress di un prodotto formulato dipende dagli ingredienti reologici aggiunti durante la produzione: addensanti polimerici (cellulosici HEC/HPMC, polimeri associativi HEUR/HASE, carbomeri), addensanti minerali (silice fumata, attapulgite, bentoniti modificate), tensioattivi strutturati (NaLaureth Sulfate al di sopra della CMC). Il loro dosaggio determina il valore finale di yield stress. La sfida produttiva è la consistenza lotto-lotto: piccole variazioni nelle materie prime possono produrre yield stress fuori finestra. Il reometro in linea misura yield stress in tempo reale e permette di regolare automaticamente il dosaggio di addensante durante la produzione.

📘 Guida tecnica reologia

Stabilità & struttura

Perché il ketchup non cola dal barattolo capovolto, e perché la vernice non sedimenta nel suo: si chiama yield stress.

Lo yield stress — in italiano soglia di scorrimento, simbolo τ₀ o σ_y, misurato in Pascal — è il valore minimo di sforzo che deve essere applicato a un fluido perché questo cominci a scorrere. Sotto questo valore il materiale si comporta come un solido elastico: resiste alla deformazione, mantiene la sua forma. Sopra, si comporta come un liquido viscoso e fluisce.

È il parametro che spiega perché certi prodotti industriali — vernici pigmentate, slurry batterie, detersivi strutturati, cosmetici, salse alimentari, adesivi tixotropici — restano stabili in confezione per mesi senza sedimentazione né separazione di fase, ma scorrono facilmente quando vengono spruzzati, spalmati o versati. È il parametro più importante della reologia industriale per la stabilità in stoccaggio, e uno dei più difficili da controllare in produzione.

→ Hub reometro in linea → Velocità di taglio

TL;DR Definizione & fisica Come si misura Stabilità & sedimentazione Valori tipici Esempi per settore FAQ

📌 In breve, se hai fretta

Lo yield stress τ₀ è la soglia di stress oltre la quale un fluido inizia a scorrere. Si misura in Pascal (Pa). Sotto τ₀ il materiale si comporta come un solido, sopra τ₀ come un liquido. Determina la stabilità in stoccaggio di tutti i prodotti formulati con particelle in sospensione o goccioline in emulsione: vernici pigmentate, slurry batterie, detersivi, salse, cosmetici.

Regola pratica: per evitare sedimentazione di particelle, lo yield stress del fluido deve essere maggiore di Δρ·g·r (con Δρ differenza di densità tra particella e fluido, r raggio della particella). Per particelle di pigmento o di materiale attivo batterie servono tipicamente 0,5-2 Pa minimo. Yield stress troppo alto, però, peggiora pompaggio e spalmabilità: ogni prodotto ha una finestra ottimale di yield stress che il QC deve garantire.

Il reometro Fluidan RheoStream estrae lo yield stress dal fit Herschel-Bulkley della curva di flusso misurata su 3 punti tra 1,5 e 1.000 s⁻¹, in tempo reale durante la produzione.

Definizione e fisica del fenomeno

Da un punto di vista fenomenologico, lo yield stress nasce dalla presenza di una microstruttura interna nel fluido che resiste alla deformazione fino a un certo livello di sforzo. Sotto lo yield stress questa microstruttura è intatta e il materiale si comporta come un solido (elastico o viscoelastico). Quando lo sforzo applicato raggiunge τ₀, la microstruttura si rompe e inizia il flusso.

τ > τ₀ → flusso (fluido)
τ < τ₀ → no flusso (solido) τ = sforzo di taglio applicato [Pa] · τ₀ = yield stress [Pa]

La microstruttura responsabile può essere di tipo diverso a seconda del prodotto:

Vernici e adesivi pigmentati: Reti tridimensionali formate da addensanti reologici (cellulosici, polimeri associativi HEUR/HASE) e particelle di pigmento che interagiscono via forze di van der Waals e ponti di legame.
Detersivi liquidi strutturati: Reti di micelle worm-like di tensioattivi e/o particelle minerali in sospensione (silice colloidale, attapulgite). La concentrazione di tensioattivi deve superare la CMC (Concentrazione Micellare Critica) per generare struttura.
Slurry batterie litio-ioni: Reti di particelle di materiale attivo (grafite, NMC, LFP) tenute insieme dal binder polimerico (PVDF in NMP per catodi NMC; CMC+SBR in acqua per anodi grafite) e da additivi conduttivi (Super-P, carbon black).
Salse alimentari: Maionese: struttura di goccioline d'olio in emulsione O/W (overflow di fase olio). Ketchup: reti di fibre di pomodoro disgregate + addensanti aggiunti (xantano, amido modificato).
Cosmetici (creme, lozioni): Emulsioni O/W o W/O con tensioattivi non-ionici (Tween, Span), addensanti polimerici (carbomeri, cellulosici), particelle solide cosmetiche (cariche minerali, pigmenti decorativi).

Come si misura lo yield stress

Esistono tre approcci principali per la misura dello yield stress, ciascuno con vantaggi e limitazioni.

Metodo 1: Misura diretta con reometro a controllo di stress: Si applica uno stress crescente al campione e si registra la deformazione. Quando lo stress raggiunge τ₀, la curva di deformazione mostra una variazione di pendenza marcata (passaggio da regime elastico a viscoso). Metodo molto accurato, ma richiede un reometro rotazionale da R&D (Anton Paar, TA Instruments) e prelievo di campione: non è una misura "in linea".
Metodo 2: Estrapolazione da curva di flusso: Si misura la viscosità a diverse shear rate (tipicamente 3-10 punti) e si fitta la curva con un modello reologico. L'intercetta del modello con l'asse dello stress (a shear rate → 0) dà lo yield stress. Il modello più usato per fluidi industriali è Herschel-Bulkley: τ = τ₀ + K · γ̇ⁿ. Approccio scelto dal reometro RheoStream: misura su 3 punti tra 1,5 e 1.000 s⁻¹, fit Herschel-Bulkley, estrazione automatica di τ₀.
Metodo 3: Test pratici industriali: Più rapidi e già usati nei laboratori QC, ma meno accurati: Bostwick (test di scorrimento per salse alimentari), penetrometro a cono (per cosmetici, burri, mastici), sag test con applicatore a strisce (per vernici, per misurare resistenza alla colatura su superficie verticale), test di stabilità statica in cilindri di vetro (visual evaluation della sedimentazione nel tempo).

Per QC industriale il metodo 2 (estrazione da curva di flusso) è il più adatto per il monitoraggio in linea: il reometro RheoStream lo applica automaticamente. Per R&D di nuove formulazioni il metodo 1 resta il gold standard. I metodi pratici industriali del gruppo 3 sono complementari per QC manuale rapido.

📊 Yield stress & stabilità in stoccaggio: la regola di base

Il valore minimo di yield stress per garantire stabilità in stoccaggio (no sedimentazione, no separazione) si stima con una semplice condizione di equilibrio gravitazionale:

τ₀ ≥ Δρ · g · r Δρ = differenza di densità particella-fluido [kg/m³] · g = 9,81 m/s² · r = raggio della particella [m]

Vediamo due casi reali per settori industriali italiani:

❌ Instabile

Vernice acrilica con yield stress 0,1 Pa

Pigmento TiO₂ con Δρ = 3.000 kg/m³, raggio 10 µm.

τ₀ richiesto: 3.000 · 9,81 · 10⁻⁵ = 0,29 Pa

Realmente misurato: 0,1 Pa → insufficiente.

Risultato: il pigmento sedimenta nel barattolo in 4-8 settimane. Reclami clienti, lotto da rilavorare.

✓ Stabile

Slurry catodo NMC con yield stress 50 Pa

Particelle NMC con Δρ = 3.000 kg/m³, raggio 20 µm.

τ₀ richiesto: 3.000 · 9,81 · 20·10⁻⁶ = 0,59 Pa

Realmente misurato: 50 Pa → più che sufficiente.

Risultato: stabile nel buffer tank pre-coater per ore di stoccaggio. Coating uniforme su collettore alluminio.

Nota: la formula è una stima di prim'ordine. Per emulsioni (goccioline in fluido continuo) la situazione è più complessa (effetto Marangoni, deformabilità delle gocce). Per sospensioni concentrate (slurry batterie con >40% solidi) interagiscono effetti di affollamento sterico che aumentano la stabilità apparente. Per stabilità a lungo termine (12-24 mesi shelf-life) servono yield stress 2-5 volte superiori al minimo teorico per compensare creep viscoso lento e variazioni di temperatura.

Valori tipici di yield stress nei prodotti industriali

I valori di yield stress nei prodotti industriali coprono diversi ordini di grandezza. La tabella seguente riassume le finestre tipiche per le principali categorie di prodotto, con riferimento ai settori italiani di maggior rilievo.

Categoria prodotto	Yield stress tipico	Note tecniche
Acqua, latte, succhi di frutta, bibite	0 Pa	Newtoniani: nessuna soglia di scorrimento
Birra, bevande lievemente gassate	0,01 – 0,1 Pa	Quasi newtoniani, stabilità da emulsionanti
Detersivi liquidi standard	0,5 – 5 Pa	Struttura da tensioattivi non-ionici + addensanti
Detersivi strutturati con micro-capsule	5 – 50 Pa	Yield stress alto per sospensione capsule profumo
Cosmetici fluidi (sieri, lozioni)	1 – 50 Pa	Sensoriale "leggero", fast-absorbing
Creme cosmetiche corpose (anti-age, ricostituenti)	50 – 500 Pa	Sensoriale "ricco", emollient, long-lasting
Maionese industriale	50 – 200 Pa	Emulsione O/W ad alta fase olio (75-80%)
Ketchup, salse pomodoro dense	10 – 100 Pa	Strutturate da fibre pomodoro + addensanti
Vernici acriliche per interno	5 – 50 Pa	Yield medio: stabilità + buona spalmabilità
Vernici industriali pigmentate ad alta carica	50 – 500 Pa	Pigmenti TiO₂, ossidi di ferro: serve yield alto
Adesivi tixotropici (sigillanti, mastici)	100 – 5.000 Pa	Adesivi PU, MS-polimeri, silicate, acetiche
Slurry batterie litio-ioni (NMC, LFP)	20 – 200 Pa	Anodi grafite + catodi NMC/LFP per slot-die
Inchiostri flessografici water-based	0,5 – 10 Pa	Bassa struttura: scorrimento facile in anilox
Inchiostri offset paste-ink	500 – 5.000 Pa	Alto yield: niente colatura su blanket di gomma
Mastici e prodotti per edilizia	500 – 50.000 Pa	Adesivi cementizi, malte fluide, sigillanti pasta

I valori sono indicativi e dipendono dalla formulazione specifica. Per il proprio prodotto la finestra ottimale di yield stress va determinata sperimentalmente in R&D e poi mantenuta in produzione con QC reologico continuo. Il reometro RheoStream è ideale per il QC in linea di tutta la finestra centrale (0,5 - 500 Pa).

Esempi per settore: yield stress, fenomeni critici, casi di fallimento

In ogni settore industriale italiano lo yield stress determina specifiche performance del prodotto. Vediamo i fenomeni critici legati allo yield stress per ognuno dei principali settori applicativi.

🎨 Vernici: sag & sedimentazione

Yield basso → pigmento sedimenta nel barattolo, vernice "cola" su parete verticale (sag).

Yield alto → vernice "pesante", difficile spalmare, segni di pennello visibili.

→ Finestra ottimale: 10-100 Pa per vernici da pennello

Vedi pagina applicazione vernici →

🔋 Slurry batterie: sedimentazione & coating

Yield basso → settling delle particelle attive nel buffer tank, slurry disomogeneo.

Yield alto → slot-die instabile, "strisce" sul coating.

→ Finestra ottimale: 20-100 Pa per slot-die a 10-50 m/min

Vedi pagina slurry batterie →

🧴 Detersivi: micro-capsule & texture

Yield basso → micro-capsule di profumo sedimentano, fragranza concentrata sul fondo flacone.

Yield alto → detersivo "pesante", non scorre dal flacone, esperienza utente negativa.

→ Finestra ottimale: 5-50 Pa per detersivi con capsule

Vedi pagina detersivi →

💄 Cosmetici: sensoriale & pick-up

Yield basso → crema "acquosa" che cola dalla mano prima dell'applicazione.

Yield alto → pick-up difficile, crema percepita come "pesante" e poco spalmabile.

→ Finestra ottimale: 50-300 Pa per creme corpose, 5-30 Pa per lozioni

Vedi pagina cosmetici →

🍅 Salse: Bostwick & consistenza

Yield basso → ketchup "liquido", Bostwick >10 cm/30s, perdita di posizionamento premium.

Yield alto → ketchup non esce dalla bottiglia, esperienza utente negativa.

→ Finestra ottimale: 30-80 Pa (Bostwick 4-8 cm/30s)

Vedi pagina salse →

🪵 Adesivi: tenuta verticale & mounting

Yield basso → adesivo cola su parete verticale dopo applicazione, no mounting istantaneo.

Yield alto → applicazione a rullo difficile, distribuzione disomogenea.

→ Finestra ottimale: 50-500 Pa per adesivi tixotropici tecnici

Vedi pagina adesivi →

Domande frequenti sullo yield stress

Cos'è lo yield stress (soglia di scorrimento)?

Lo yield stress (in italiano soglia di scorrimento, simbolo τ₀ o σ_y) è il valore minimo di sforzo di taglio che deve essere applicato a un fluido affinché questo inizi a scorrere. Si misura in Pascal (Pa). Sotto lo yield stress il materiale si comporta come un solido elastico (resiste alla deformazione); sopra lo yield stress si comporta come un fluido viscoso. È il parametro reologico più importante per la stabilità in stoccaggio dei prodotti industriali sospesi o emulsionati: vernici pigmentate, slurry batterie, detersivi strutturati, cosmetici, salse alimentari. Una sospensione con yield stress sufficiente non sedimenta nel barattolo; una con yield stress troppo basso sedimenta in poche settimane.

Come si misura lo yield stress?

Esistono tre approcci principali:

Misura diretta con reometro rotazionale a controllo di stress crescente, identificando il punto in cui inizia il flusso.
Estrapolazione da curva di flusso misurata a diverse shear rate e fit con un modello reologico (Bingham, Casson, Herschel-Bulkley); l'intercetta del modello con l'asse dello stress dà lo yield stress.
Test pratici industriali come il Bostwick (per salse), penetrometro a cono (per cosmetici e burri), sag test (per vernici).

Il reometro Fluidan RheoStream, misurando la curva di viscosità su 1-3 punti tra 1,5 e 1.000 s⁻¹, permette di estrarre lo yield stress via fit con modello Herschel-Bulkley.

Quali sono i valori tipici di yield stress?

I valori tipici di yield stress nei prodotti industriali variano di diversi ordini di grandezza:

Latte, succhi: 0 Pa (newtoniani)
Birra, bibite gassate: 0,01-0,1 Pa
Detersivi liquidi standard: 0,5-5 Pa
Cosmetici fluidi (sieri, lozioni): 1-50 Pa
Salse alimentari (ketchup, maionese): 10-100 Pa
Slurry batterie (NMC, LFP, grafite): 20-200 Pa
Vernici industriali pigmentate ad alta carica: 50-500 Pa
Adesivi tixotropici e mastici: 100-5.000 Pa
Adesivi cementizi e prodotti edilizia: 500-50.000 Pa

Per ogni prodotto esiste una finestra ottimale entro cui rientrare.

Perché lo yield stress è importante per la stabilità in stoccaggio?

Per evitare la sedimentazione di particelle solide (pigmenti in vernici, materiale attivo in slurry batterie, riempitivi in adesivi) o la separazione di fase di emulsioni (creme cosmetiche, maionese), lo yield stress del prodotto deve essere maggiore della forza gravitazionale per unità di area che le particelle/goccioline esercitano sul fluido circostante. Regola pratica per sospensioni: yield stress ≥ Δρ · g · r, dove Δρ è la differenza di densità tra particella e fluido continuo, g è 9,81 m/s², r è il raggio della particella. Per particelle di pigmento (Δρ ≈ 2.000 kg/m³) di 10 µm di raggio serve uno yield stress di almeno 0,2 Pa per evitare sedimentazione. Per slurry batterie con grafite o NMC (Δρ ≈ 1.500-3.000 kg/m³) di 20-30 µm di raggio servono 0,5-1 Pa minimo.

Differenza tra yield stress statico e dinamico

Lo yield stress statico (anche detto "static yield" o "true yield") è lo sforzo necessario per innescare il flusso a partire da uno stato di riposo prolungato — è il parametro che governa la stabilità in stoccaggio. Lo yield stress dinamico (o "dynamic yield") è il valore estrapolato dalla curva di flusso a shear rate decrescente — è il parametro più rilevante per processi continui (pompaggio, miscelazione). I due valori sono diversi nei materiali tixotropici, dove la struttura interna si rebuild progressivamente a riposo. La differenza tra statico e dinamico è una misura della tixotropia del prodotto. Il reometro RheoStream caratterizza primariamente lo yield stress dinamico dal fit Herschel-Bulkley della curva di flusso.

Come si gestisce lo yield stress nella produzione industriale?

Lo yield stress di un prodotto formulato dipende dagli ingredienti reologici aggiunti durante la produzione:

Addensanti polimerici: cellulosici (HEC, HPMC, CMC), polimeri associativi (HEUR, HASE), carbomeri, xantano
Addensanti minerali: silice fumata, attapulgite, bentoniti modificate, talco fine
Tensioattivi strutturati: NaLaureth Sulfate al di sopra della CMC, alkyl polyglucosidi APG

Il loro dosaggio determina il valore finale di yield stress. La sfida produttiva è la consistenza lotto-lotto: piccole variazioni nelle materie prime possono produrre yield stress fuori finestra. Il reometro in linea misura yield stress in tempo reale e permette di regolare automaticamente il dosaggio di addensante durante la produzione.

Tutti i fluidi hanno yield stress?

No. I fluidi newtoniani (acqua, oli minerali, glicerina, solventi puri) non hanno yield stress: scorrono a qualsiasi livello di sforzo, anche infinitesimale. Hanno yield stress = 0 Pa. Anche molti fluidi shear-thinning semplici (modello Power-Law puro come soluzioni polimeriche diluite) non hanno yield stress significativo. Lo yield stress è caratteristico dei fluidi strutturati: sospensioni concentrate, emulsioni con surfattanti, gel, paste, prodotti formulati con addensanti reologici. La maggior parte dei prodotti industriali formulati (vernici, cosmetici, detersivi, salse, slurry, adesivi) ha yield stress significativo, e questo è il motivo per cui sono stabili in confezione.

Si può aumentare lo yield stress di un prodotto già formulato?

Sì, aggiungendo addensanti reologici o aumentando il dosaggio di quelli già presenti. Le opzioni dipendono dal tipo di prodotto: per vernici e adesivi si usano addensanti associativi HEUR/HASE o cellulosici; per cosmetici carbomeri (Carbopol) o xantano; per detersivi acrilici alcalinizzabili o additivi minerali; per slurry batterie il binder (PVDF, CMC+SBR) è già anche addensante, ma si può modulare con additivi conduttivi. Attenzione: aumentare lo yield stress impatta anche viscosità apparente, spalmabilità, comportamento applicativo. Ogni modifica formulativa va testata reologicamente su tutta la curva di flusso, non solo a un singolo punto.

Il viscosimetro Brookfield può misurare lo yield stress?

Non direttamente. Il Brookfield misura la viscosità a un singolo punto di shear rate e non fornisce yield stress come output. Si possono fare misure Brookfield a diverse velocità di rotazione (RPM) e tentare un'estrapolazione, ma il numero limitato di punti accessibili e l'imprecisione a bassa shear rate rendono la stima poco accurata. I reometri rotazionali da R&D (Anton Paar, TA Instruments) possono misurare yield stress direttamente con metodi a controllo di stress. Il reometro RheoStream lo estrae automaticamente dal fit Herschel-Bulkley della curva di flusso misurata su 3 punti.

Lo yield stress dipende dalla temperatura?

Sì, ma in modo meno marcato della viscosità apparente. Per la maggior parte dei prodotti formulati lo yield stress varia tipicamente del 1-3% per ogni grado di temperatura (contro 2-5% della viscosità a media shear rate). Per emulsioni con tensioattivi non-ionici (creme cosmetiche, alcuni detersivi) la variazione può essere più marcata vicino al cloud point. Per prodotti con cera o materie prime grasse (rossetti, balsami, alcuni cosmetici) la variazione può essere drastica vicino al punto di fusione delle cere. Il reometro RheoStream termostata il campione a ±0,3°C per garantire ripetibilità delle misure.

Cosa succede se la formulazione non rispetta il yield stress di specifica?

Le conseguenze dipendono dalla direzione dello sforamento. Yield stress troppo basso: sedimentazione di particelle in stoccaggio (vernice, slurry, detersivo con capsule), separazione di emulsione (cosmetico, salsa), colatura su parete verticale (vernice, adesivo, smalti). Yield stress troppo alto: difficoltà di applicazione (vernice "pesante", crema poco spalmabile, ketchup che non esce dal flacone), scarso pumping in linea industriale, "strisce" su coating ad alta velocità (slurry batterie, coil coating). Entrambi gli scenari generano reclami clienti e lotti da rilavorare. Il reometro in linea intercetta lo scostamento prima che il lotto venga confezionato.