MEMORIE DI SVERNICIATURA ATOSSICA ED ECOLOGICA A MEZZO CRIOGENIA IN FASE LIQUIDA

(sverniciatura ad azoto liquido)

Prefazione

La verniciatura si rende necessaria per estiticizzare o per proteggere dalla corrosione la maggior parte dei beni di utilizzo.

Di uguale importanza è la sverniciatura degli stessi; che comporta la rimozione dello strato protettivo (vernice) per poter riverniciare l’oggetto, oppure per ripristinare l’azione primitiva e principale delle attrezzature degli impianti di verniciatura.

Nel primo caso si utilizza per ringiovanire il bene o per recuperarlo da qualità estetiche inferiori, nel secondo per riportarlo a livelli di riimpiego industriale.

Questa trattazione si inserisce soprattutto nel recupero di attrezzature industriali utilizzate per la verniciatura dei beni di consumo; e in modo specifico ai telai portapezzi degli impianti di verniciatura (il concetto è comunque universalizzato).

CAUSE

I telai in oggetto dopo vari cicli di lavorazione divengono inutilizzabili a causa del forte spessore di vernice accumulato, che produce eccessivo consumo della vernice stessa e di calore di polimerizzazione, oppure per notevoli incrementi di peso, di isolamento elettrico, che rendono inefficienti tutti i metodi di verniciatura elettrostatica ed anche per imbrattamento ed inquinamento degli oggetti da rivestire.

A questo punto è d’uopo o sostituirli oppure rimuovere gli strati di prodotto verniciante accumulato per riportarli allo stato iniziale mediante sverniciatura.

SVERNICIATURA CRIOGENICA

La sverniciatura criogenia utilizza fenomeni fisici naturali per facilitare la rimozione degli strati di prodotto verniciante dai particolari in oggetto.

Si utilizzano fluidi criogenici a bassa temperatura in fase liquida, per raffreddare, infragilire e ciccare (fessurare) il rivestimento,

Un oggetto ricoperto di vernice immerso in un fluido a bassa temperatura compresa tra 0° K e 173° K, (- 273 °C e – 100 °C) subisce un violento raffreddamento che genera una riduzione dimensionale del volume.

Detta riduzione è direttamente proporzionale al coefficiente di dilatazione termica specifica (K), sia al metallo che al rivestimento organico.

Di K estremamente diversi la vernice subisce prima l’azione della riduzione volumica, sia per la sua stessa natura organica che chimica, sia perché è a diretto contatto con la fase liquida del fluido criogenico (temperatura più bassa e maggior resa in frigorie), mentre il metallo essendo isolato dal prodotto verniciante risente in modo minore l’azione del freddo e di conseguenza subisce un ritiro dimensionale più lento.

La vernice trovando così un ostacolo nel supporto metallico per le diverse velocità di ritiro volumico, si cricca e si fessura, generando nel contempo la separazione di strato col metallo, ossia si suddivide in pezzi di diverse dimensioni separandosi dal supporto.

La separazione è proporzionale alla forma spaziale che assumono i pezzi di vernice risultati e per ottenere la rimozione completa bisogna esercitare un’azione meccanica.

Ulteriore proprietà delle basse temperature è di conferire al rivestimento organico una notevole fragilità, ossia mancanza di elasticità plastica, che rende possibile, con una leggera azione meccanica, la rimozione completa delle risulte.

Detta azione può essere esercitata da scalpellatori pneumatici e martellatori ad aghi, ma anche normalmente con masse battenti o corpi similari e con impianti semiautomatici o completamente automatici di proiezioni di piccole masse o di vibrazioni variabili ed intermittenti.

L’azione meccanica deve essere sempre debole in entità (ed è sufficiente), in quanto anche il supporto metallico subisce un raffreddamento e quindi acquisisce una certa fragilità.

Lo schoch termico è di limitato effetto, infatti lo sbalzo è nell’ordine dei 200 °C, e quindi non si hanno apprezzabili variazioni a livello strutturale e di stato del metallo, garantendo così l’affidabilità richiesta originariamente.

L’effettuabilità dell’operazione è assicurata dalla fase liquida dei fluidi utilizzati, in quanto la stessa è riscontro della bassa temperatura raggiunta.

In fase gassosa è pure possibile, però l’efficacia diminuisce fino a scomparire, in quanto il gas tende velocemente a riportarsi in una condizione di equilibrio termico, per cui il raffreddamento, lo shock termico e tutti gli effetti fisici, tendono a minimizzarsi.

FLUIDI

Per ottenere i risultati sopradescritti sono utilizzabili tutti quei fluidi che si presentano in fase liquida al di sotto di 173 °K (-100 °C), contemplando nel medesimo tempo tutte quelle garanzie di sicurezza dell’ambiente e delle persone.

L’elenco comprende:

AZOTO               - 195,80 °C
ARGON              - 185,86 °C
ELIO                    - 268,92 °C
NEON                 - 246,05 °C
KRYPTON          - 153,35 °C
XENON               - 108,10 °C
Questi fluidi sono non combustibili, non infiammabili, non detonanti, non comburenti, non tossici, non corrosivi e si comportano come asfissianti semplici.

Per asfissiante semplice si fa riferimento all’aspetto fisiologico, nel senso che questi potrebbero sostituire il diluente naturale dell’aria, l’azoto, formando con l’ossigeno miscele aventi caratteristiche respirabili, però possono diluire il tenore naturale dell’ossigeno dell’aria abbassandolo a concentrazioni al di sotto del 21%, creando atmosfere sotto ossigenate con rischio di asfissia.

Pure è utilizzabile l’anidride carbonica o biossido di carbonio –78,5 °C, però con particolari riguardi alla concentrazione in aria, TLV di 5000 ppM (TLV = valore limite di soglia), in quanto pur essendo considerata gas inerte e poco reattivo in condizioni naturali, non è completamente inoffensiva a concentrazioni maggiori.

IMPIANTO

L’impianto è costituito da un contenitore per liquidi criogenici tipo DEWAR super isolato ad alto vuoto, nel caso dell’anidride carbonica sono TanK coibentati, gestiti in comodato dalla ditta fornitrice del fluido criogenico, mentre un altro contenitore, tipo vasca, viene utilizzato per immergervi il pezzo o i pezzi da sverniciare.

Detta vasca deve essere costruita con lamiera di acciaio inossidabile, austenitico 18/8, acciaio al nikel, (9%), alluminio o leghe di alluminio della serie 5000, di spessore compreso tra 0,5 e 0,8 mm. e saldata con procedimento TIG o saldobrasata.

La forma deve essere similare a quella dell’oggetto o dei telai portapezzi da sverniciare, il tutto per minimizzare i consumi di fluido criogenico, dovuti in primo luogo alla maggiore quantità necessaria per il riempimento della vasca, che poi a lavoro ultimato evapora nell’atmosfera, in secondo per ridurre l’evaporazione superficiale, dovuta al pelo libero durante l’utilizzo.

Onde evitare ulteriori consumi per l’evaporazione dovuti al calore di conduzione delle pareti, la vasca deve essere isolata con schiuma di poliuretano espanso oppure farina fossile per uno spessore perimetrale di almeno 200 mm.

Il tutto posizionato in un’altra vasca di contenimento costruita in lamiera d’acciaio P01 di spessore di 1 mm, con fori di scolo sulla parte inferiore per l’evacuazione della condensa formatasi a causa della bassa temperatura contigua e a debita distanza dal terreno.

Tra le due vasche, nella parte superiore, deve esistere soluzione di continuità per evitare ponti freddi di trasmissione e di dissapazione di frigorie.

Detto giunto freddo deve essere realizzato con guarnizioni di teflon o Kel –F compatibili con le basse temperature.

La vasca deve inoltre essere munita di coperchio possibilmente in alluminio per mantenere i gas freddi necessari al raffreddamento della stessa durante il riempimento.

Infine una tubazione in acciaio austenitico tipo 304 o 304L o alluminio o leghe di serie 5000 deve collegare il contenitore di stoccaggio alla vasca di utilizzo intercettata da almeno due valvole, una all’uscita del contenitore ed una in prossimità dell’estremità del tubo, dove si trova l’ugello antispruzzo.

Anche la tubazione deve essere isolata termicamente, utilizzando manicotti o coppelle in schiuma sintetica tipo Armaflex dello spessore di 20 mm.

Nota di riguardo va riservata alla costruzione dei telai portapezzi in quanto dovendo subire l’infragilimento dovuto alle basse temperature, vanno realizzati con acciai a basso tenore di carbonio, elettrosaldati in atmosfera inert, e costruiti con laminati a sezione quadra o tonda piena o scatolati aperti di forte spessore.

METODO

Per ottenere l’effetto desiderato, ossia la rimozione del prodotto verniciante da supporti metallici, occorre immergere, singolarmente od a gruppi di numero limitato.

Ad immersione avvenuta si riscontra un’evaporazione violenta del fluido, similare all’immersione di un metallo incandescente nell’acqua, seguita da un notevole crepitio.

Detto rumore è l’effetto sonoro dello shock termico a cui è sottoposto il prodotto verniciante ed a cui consegue la criccatura o fessurazione.

Il fenomeno persiste per ca. 10/20 sec., dopodiché fa seguito un’ebollizione meno violenta del fluido simile a quella dell’acqua a temperatura di 100 °C, ed è l’effetto del raffreddamento ed infragilimento che è in atto.

L’ebollizione infatti è dovuta al notevole ∆ T° esistente tra i due strati quando questo diminuisce, ossia la T° dell’oggetto tende alla temperatura del fluido, l’effetto scompare.

L’azione completa è realizzabile nell’arco di pochi minuti, normalmente da 1 a 3, ed è inversamente proporzionale allo spessore del prodotto verniciante e direttamente al coefficiente di conducibilità termica K1, rispettivamente diminuisce ed aumenta il tempo impiegato.

A “bollitura” ultimata si estrae l’oggetto dal fluido e si rimuovono le risulte di prodotto verniciante ove rimaste con leggera azione meccanica.

1. il fenomeno di infragilimento è attuabile in tempi diversi per tutti i tipi di vernice sia a polvere che a liquido, e con vari tipi di resina di base come epossidica, epossipoliestere, poliuretanica aromatica, poliuretanica alifatica, poliestere, poliestere TGIC, epossifenolica, acrilica, ecc…, così pure non influenzano i vari metodi di applicazione utilizzati come la verniciatura elettrostatica a polvere o a liquido, l’elettroforesi (anaforesi e cataforesi),  l’airless, la verniciatura ad immersione od a letto fluido (plastificazione).

L’effetto è sempre esistente ed è direttamente proporzionale solo alla T° raggiunta dall’oggetto, più questa tende allo zero assoluto, maggiore è l’infragilimento e la sua seguente facilità di rimozione della vernice (con le dovute precauzioni), mentre a parità di T° C è direttamente proporzionale, entro una forchetta di valori determinati secondo il tipo di vernice e al tempo di immersione nel fluido cryogenico.

1. la criccatura o fessurazione e l’abbinata azione di separazione di strato sono visualizzabili in modo maggiore soprattutto per quei prodotti vernicianti a consistenza sufficientemente porosa con media durezza superficiale < 2H e con alta percentuale di resina e con basso coefficiente di conducibilità termica K1, in quanto isolano maggiormente il supporto metallico facilitando gli effetti della riduzione volumica (es. vernici a polvere a base poliuretanica aromatica).

Notevole importanza ricopre il valore del coefficiente di conducibilità termica, infatti in una struttura porosa con durezza 1H (es.: vernice in polvere poliestere) e con K1 elevato gli effetti di criccatura o separazione di strato diminuiscono, quindi bisogna affidarsi maggiormente all’infragilimento e di conseguenza si deve aumentare il tempo di permanenza nel fluido.
Situazione che si verifica soprattutto per quei prodotti vernicianti ad alto contenuto di cariche minerali, come carbonato di calcio, carbonato di bario, silice, ecc.

FLUIDI CRIOGENICI ALTERNATIVI ALL’AZOTO

L’ARGON (Ar) e l’ANIDRIDE CARBONICA (CO2) sono da considerarsi fluidi criogenici utilizzabili anche se di minor interesse economico.

L’Argon è dotato, al pari dell’azoto di una stabilità chimico fisica perfetta, fisiologicamente inerte ed è catalogato come asfissiante semplice.

Allo stato liquido si trova a 87 °K (- 186 °C) e con peso specifico di 1392,8 Kg/mc (azoto 808,6 Kg/mc). Nel comportamento operativo è molto simile all’azoto dal quale si discosta a causa di una minor resa criogenia determinata dal maggior peso specifico (50% più pesante rispetto a N2), dalla temperatura meno fredda raggiunta allo stato liquido (ca. 5% = 10 °K più caldo) e soprattutto dall’elevato prezzo d’acquisto (ca. 350% più oneroso) dovuto alla scarsità in natura ed al notevole costo di separazione dell’aria.

L’anidride carbonica (CO2) trova impiego nella rimozione di prodotti vernicianti altamente porosi e cellulari con bassi valori di tixotropia e coefficiente  di  conducibilità  termica,  situazione   limite   possibile   anche   a
- 78,5 °C (194,5 °K), temperatura della CO2.

L’impiego di questo fluido cryogenico è auspicato soprattutto dalle minor complicanze di isolamento termico e di impiego di metalli meno nobili, dovute alla temperatura relativamente calda.

Tuttavia bisogna porre particolare riguardo ed attenzione durante l’impiego, allo stato fisiologico, in quanto pur essendo poco reattiva, in condizioni normali, a concentrazioni superiori a 5000 ppM o 9000 mg/mc. Diventa tossica per la vita umana.

PARAMETRI RELATIVI AL TIPO DI RESINA IMPIEGATA

L’efficacia della sverniciatura criogenia è legata anche alla natura chimico-fisica del prodotto verniciante da rimuovere.

Nel contesto sono valutabili e riscontrabili due casi limite: il primo si ha quando una vernice è di tipo poroso, con durezza superficiale min. 1H, poco tixotropica, con elevata percentuale di resina, mag. 70%, con bassa temperatura di polimerizzazione, min. 160 °C e con elevata plasticità; il secondo estremo è determinato dalla durezza maggiore di 3H, elevata percentuale di cariche minerali mag. 12%, elevata tixotropia, temperatura di reticolazione mag. 180 °C, e la comparsa di una fase vetrosa dopo 20/30 polimerizzazioni.

Prodotti che tendono al primo tipo sono i poliuretani aromatici e i poliesteri e tutte quelle vernici a bassa temperatura, mentre tendono al secondo gli epossidici e gli epossifenolici e le altre vernici analizzate si collocano all’interno in una posizione determinata soprattutto dalla percentuale delle cariche minerali presenti e dal grado di tixotropia.

Per ottimizzare la rimozione di prodotto verniciante, soprattutto per vernici del secondo tipo è opportuno effettuare uno strato iniziale di verniciatura dei telai portapezzi con prodotti del primo tipo, onde creare una maggiore facilità di rimozione dovuta all’azione combinata della vernice porosa del primo tipo e dell’incompatibilità di resina tra i due prodotti vernicianti che determina una separazione di strato tra gli stessi.