I coating funzionali modificano le proprietà delle superfici, specialmente quelle delle materie plastiche, attraverso il processo sol-gel
I materiali intelligenti riscuotono da anni un interesse sempre maggiore e generano aspettative in numerosi e diversificati settori applicativi, non solo come materiali funzionali avanzati, ma anche come parte integrante di strutture complesse considerate integralmente “smart”, in quanto costituite da differenti elementi che comprendono sensori, attuatori, algoritmi di controllo software e hardware, così come elementi strutturali propriamente detti. Parallelamente si evidenzia un crescente interesse verso lo sviluppo di nuovi materiali e tecnologie in grado di trasformare sistemi di rivestimento convenzionali in rivestimenti “intelligenti”. Di particolare interesse risultano, fra gli altri, i rivestimenti polimerici, data la loro particolare versatilità e capacità di accogliere additivi e modificatori sia organici sia inorganici, che ben si prestano a nuovi approcci alla formulazione “smart”.
Negli ultimi anni, il mondo dell’ingegneria dei materiali si è occupato di sviluppare nuovi coating funzionali per modificare le proprietà delle superfici, specialmente quelle delle materie plastiche, attraverso il processo sol-gel. Questo tipo di processo, che porta alla formazione di rivestimenti ibridi organici-inorganici a struttura nanocomposita, è in grado di modificare proprietà quali la resistenza all’abrasione, la bagnabilità, nonché di impartire caratteristiche di antibattericità, di resistenza alle radiazioni UV, ai grassi e ai solventi in genere, e di rilasciare eventuali sostanze bioattive.
La tecnologia sol-gel
La tecnologia sol-gel costituisce uno dei principali metodi per la produzione di materiali, tipicamente ceramici, a partire da precursori in fase liquida. I precursori tipici sono costituiti da alcossidi e cloruri di metalli o metalloidi, che partecipano a reazioni di idrolisi e condensazione per formare una soluzione colloidale di particelle solide, di dimensioni comprese tra 1 nm e 1 µm in una fase liquida, ovvero un sol. Il sol evolve fino alla formazione di un reticolo inorganico continuo, contenente una fase liquida interconnessa, che viene definito gel. A ciò segue tipicamente un trattamento termico per eliminare la fase liquida dal gel, stabilizzare il sistema e migliorare le proprietà meccaniche.
Il sol può essere processato in vari modi per ottenere prodotti con la forma desiderata: può essere versato in uno stampo per ottenere prodotti massivi (monoliti, membrane, aerogel); può essere utilizzato per la sintesi di polveri (nano e microsfere che potranno essere utilizzate come prodotti finiti ovvero come prodotti di partenza per la produzione di sinterizzati); infine, può essere depositato su un substrato per la formazione di film sottili o spessi.
Per quanto riguarda il mondo industriale, sicuramente i film sottili sono quelli che suscitano maggior interesse. Infatti, la versatilità del metodo consente, attraverso un’appropriata scelta dei reagenti, di controllare l’adesione del coating al substrato e la morfologia su scala nanometrica (e di conseguenza le proprietà). Il processo sol-gel consente inoltre di produrre film sottili con tecnologie economiche e ben consolidate, e in condizioni blande (solventi alcolici o acquosi, reticolazione a basse temperature). La possibilità di includere in modo semplice ed economico sostanze sia organiche sia inorganiche, consente facilmente di aggiungere più di una funzionalità nello stesso coating (coating multifunzionali). Le applicazioni dei prodotti sol-gel derivati sono numerose e varie: uno dei più grandi campi di applicazione riguarda la produzione di film sottili, depositabili su un substrato solido tramite rivestimento per rotazione (spin-coating) o rivestimento per immersione (dip-coating), mentre altri metodi includono lo spruzzo, l’elettroforesi, la stampa a getto d’inchiostro o il capillary-coating.
Il sol-gel dip-coating
Una tecnologia interessante è il sol-gel dip-coating, particolarmente promettente nella deposizione di rivestimenti funzionali a basso costo su una vasta tipologia di substrati, perché permette di ottenere rivestimenti continui, dello spessore di circa 100 nm, inorganici o organici-inorganici su vetro, ceramica, metallo e plastica. Questa tecnologia consente il rivestimento di substrati con geometrie semplici quali lastre o tubi, anche di grandi dimensioni.
Lo scopo principale dei film sottili è quello di funzionalizzare una superficie migliorandone le caratteristiche, come le proprietà tribologiche, la resistenza chimica o conferire proprietà ottiche. Per ottenere un effetto super-idrofobico e antimacchia (effetto loto), per esempio, il parametro critico è la rugosità a livello nanometrico. Sui metalli, il rivestimento con funzione anticorrosione e antiossidazione deve essere ottimizzato dal punto di vista dell’adesione e della continuità. Per ottenere un effetto antiriflesso i parametri critici sono lo spessore e l’indice di rifrazione.
La deposizione di film sottili a base di silice, allumina, zirconio, titanio o altri ossidi inorganici apre un ampio spettro di applicazioni in vari settori industriali. È possibile ottenere proprietà antiriflesso su vetro o plastica, incrementare durezza, resistenza all’usura di leghe leggere o polimeri. I rivestimenti idrofilici sui vetri sono ideali per applicazioni che richiedono caratteristiche antiappannanti e antibatteriche; interessante anche l’applicazione di rivestimenti sol-gel con funzione anticorrosione o anti-ossidazione. I rivestimenti organici-inorganici possono conferire altre funzionalità, in particolare effetti idrofilici, idrofobici o antisporco.
Un’altra applicazione interessante del sol-gel, ancora poco sviluppata, è la possibilità di sigillare piccole porosità (il cosiddetto “sealing”) in rivestimenti ottenuti con altre tecniche, in particolare il plasma spray, indispensabile per aumentare la resistenza alla corrosione (per esempio per i serbatoi). Infine sul mercato sono presenti dei coating a basso spessore di silice nano strutturata autolivellante, che reticolano mediante procedimento sol-gel con l’umidità presente nell’aria. Questi rivestimenti nano tecnologici sono stati sviluppati come trattamenti anti graffiti per bus, treni, trasporti pubblici, facciate di costruzioni, settore nautico e in tutte quelle applicazioni dove è necessario rendere la superficie easy to clean.
Nonostante sia nota da molto tempo e potenzialmente di grande interesse, la tecnica del sol-gel dip-coating è ancora poco diffusa a livello industriale, in quanto richiede, in fase di messa a punto, personale qualificato e la disponibilità di laboratori attrezzati.
