I sistemi Duplex

Perché verniciare l’ acciaio zincato a caldo

La zincatura a caldo da sola è in grado di offrire una soddisfacente durata della protezione dalla corrosione dei manufatti, in maniera da evitare manutenzioni per parecchie decine di anni o evitarla del tutto durante l’ intero arco di utilizzo.
Nelle costruzioni, per le quali si tendono a richiedere durate di parecchi decenni, le più lunghe possibili, si può aumentare ulteriormente la persistenza della protezione mediante l’ applicazione di un sistema duplex, il quale è costituito da una verniciatura eseguita sulla superficie dell’ acciaio zincato a caldo. Quest’ associazione dei due sistemi protettivi, con la scelta della vernice più adatta, è utilizzata per incrementare la resistenza alla corrosione anche quando si debba contrastare un ambiente particolarmente aggressivo.

Al di là della durata, il sistema duplex può essere adottato quando occorra dare colore alle strutture per accrescerne la visibilità attraverso il contrasto cromatico. Esempi applicativi sono la cartellonistica e la segnaletica stradale. L’ applicazione di vernici colorate può anche costituire un’ importante misura di sicurezza per accrescere la visibilità dai mezzi aerei delle alte torri elettriche, delle installazioni di telecomunicazione e delle strutture aeroportuali, per cui in genere si utilizza un’ alternanza di fasce rosse e bianche. Analoga esigenza di evidenziazione si verifica per l’ identificazione delle tubazioni per il trasporto di fluidi infiammabili, dove il colore serve a dare evidenza al tracciato delle linee di alimentazione.

Per converso, la verniciatura delle opere zincate può essere richiesta in situazioni nelle quali è necessario ottenerne la mimetizzazione, delle strutture come per le installazioni militari o per la riduzione dell’ impatto ambientale in paesaggi di particolare pregio

L’ ultima e più banale motivazione per l’ utilizzo di un sistema duplex, sicuramente la più frequente, è di ordine estetico e risponde alle esigenze di chi richiede la durata della protezione offerta dalla zincatura senza voler rinunciare ad una diversa colorazione del manufatto per mere preferenze estetiche. In tal caso, è sempre possibile scegliere tra innumerevoli sfumature cromatiche, possibili con i sistemi duplex come con qualsiasi altra verniciatura su metallo.

Durata di un sistema duplex

Mediante l’ applicazione dello strato di verniciatura si ottiene una protezione ulteriore della superficie zincata. Il rivestimento organico si frappone ad evitare il contatto diretto con l’ ambiente corrosivo e l’ erosione degli agenti atmosferici, mantenendo così intatto lo spessore del rivestimento di zinco sottostante. Questa condizione permane fino a quando la vernice esplica la sua azione protettiva, cioè fino a quando non si deteriora a causa della degradazione dovuta all’ invecchiamento o per danneggiamenti meccanici, distaccandosi dal substrato.

La verniciatura, per effetto della sua permanenza in ambiente aggressivo, tende a perdere elasticità e a coprirsi di cricche. D’ altro canto la criccatura del rivestimento può anche essere conseguenza di urti accidentali, abrasione superficiale per usura o graffiatura. Le cricche sono dei veri e propri solchi nel rivestimento che possono incontrare acciaio non protetto, nel caso della semplice verniciatura su acciaio tal quale, oppure lo zinco nel caso di acciaio protetto dalla zincatura.

Nel primo caso, la corrosione dell’ acciaio procede spedita, provocando il distacco della vernice in breve tempo. Nel secondo caso, i prodotti della corrosione dello zinco, che presentano un volume non eccessivo e sono più compatti della ruggine, hanno un effetto sigillante, frapponendosi tra l’ agente aggressivo penetrato attraverso la cricca e la superficie zincata. In questo modo, la corrosione è notevolmente rallentata e la protezione dura molto di più della somma delle durate della protezione che sarebbe stata esplicata dei due trattamenti idealmente applicati separatamente.

Anche la porosità o la presenza di percorsi a conduzione ionica, che caratterizzano più o meno incisivamente le vernici, non costituiscono un problema se al di sotto del rivestimento vi è lo strato di zincatura a caldo.

La sinergia riscontrabile tra zincatura a caldo e verniciatura nel sistema duplex è stata investigata da ricercatori olandesi, che hanno ricavato dalle sperimentazioni condotte la seguente formula empirica:

DSistema Duplex = [1,2÷2,5] (DZincatura+DVerniciatura)

La durata del sistema duplex è definita come l’ intervallo di tempo tra l’ applicazione del sistema e l’ arruginimento del 5% della superficie di acciaio protetto. La variabilità del coefficiente moltiplicativo nella formula, dipende dalla natura della resina organica scelta e dalle sue interazioni con il particolare ambiente corrosivo.

Come affermato il precedenza, solo a partire dal momento in cui si verifica deterioramento globale della vernice, quando avviene il suo distacco completo, lo strato di zincatura comincia a consumarsi alla velocità determinata dall’ aggressività dell’ atmosfera.

A questo stadio, è possibile intervenire ancora con interventi di ripristino della verniciatura molto semplici da attuare, dato che, nella maggior parte dei casi, è sufficiente passare sulla superficie una spazzola metallica o un qualsiasi altro blando abrasivo per eliminare la vernice deteriorata. Successivamente, si può procedere ad applicare un nuovo strato protettivo. Si noti che queste operazioni non vanno ad interessare minimamente il substrato d’ acciaio, che in ogni caso risulta totalmente protetto ed immune dalla corrosione per effetto della zincatura a caldo. Anzi la relativa facilità con cui si ottiene la manutenzione del sistema duplex è dovuta al fatto che non occorre preoccuparsi delle condizioni dell’ acciaio e non occorre nessun particolare trattamento, oltre la normale pulitura, per il suo ripristino. In questo modo, anche quando sia necessario un intervento di manutenzione, esso si prospetta molto economico ed efficace.

Qualità della zincatura e preparazione superficiale

La qualità del rivestimento duplex è influenzata dalla qualità della zincatura. I difetti eventualmente presenti nel rivestimento di zinco siano essi causati da condizioni superficiali della base di acciaio interferiscono anche con la qualità finale del sistema duplex. I pezzi da sottoporre a verniciatura vanno dunque ispezionati e si deve fare in modo da riparare, se possibile, eventuali imperfezioni quali presenza di ingrossamenti, gocce e punte sui bordi, difetti di rivestimento nei punti di aggancio del materiale. Eventuali riparazioni del rivestimento di zincatura devono essere effettuate rispettando i criteri della UNI EN ISO 1461 e attenendosi al principio fondamentale della minimizzazione dell’ asportazione di zinco del rivestimento. Per esempio, le punte piccole ed aguzze che sono conseguenza di schegge di acciaio sotto il rivestimento, causate dalla laminazione, possono essere rimosse levigando la superficie con carta vetro, ma senza consumare la zincatura. Le aree non rivestite o danneggiate (se inferiori ai 10cm e massimo 0,5% dell’ area della superficie, secondo la UNI EN ISO 1461) devono essere riparate con un metodo compatibile con il sistema organico di rivestimento da applicare. La scelta dovrà essere operata tra la metallizzazione, l’ uso di vernici ad alto contenuto di zinco ed il riporto effettuato con barre di zinco a basso punto di fusione.

In ogni caso, la rugosità propria della zincatura a caldo non può essere considerata in sé un difetto. In un norma tecnica olandese (NEN 525) si è stabilito un criterio che determina l’ accettabilità se da una distanza di 3 metri dalla superficie del sistema duplex non appaiono disuniformità all’ osservazione effettuata ad occhio nudo con vista normale.

L’ ottenimento di un sistema duplex di qualità passa attraverso l’ osservanza di procedure applicative che comportano in primis un’ attenzione particolare alla preparazione superficiale. Lo scopo di questo pre-trattamento è la rimozione di qualunque tipo di inquinamento dalla superficie dello zinco, compresi grasso, sporco e i prodotti della corrosione dello zinco, per promuovere l’ adesione del rivestimento.

Per raggiungere risultati ottimali è indispensabile preparare accuratamente e in modo adeguato la superficie da trattare, in base all’ età e alle condizioni del rivestimento di zinco.

In passato si attendevano uno o due anni prima di verniciare un manufatto zincato. Si intendeva, in tal modo, consentire allo strato di zinco di reagire con l’ anidride carbonica presente nell’ atmosfera per formare, come si è visto precedentemente, una pellicola protettiva a base di carbonati basici di zinco. Effettivamente, aumenta così l’ effetto aggrappante tra superficie zincata e vernice, poiché quest’ ultima è in grado di incorporare i prodotti inerti stratificatisi sulla zincatura.

Oggigiorno, a causa dell’ inquinamento atmosferico, dopo un periodo non necessariamente lungo, la superficie zincata potrebbe essere stata aggredita da inquinanti capaci di deteriorarla, o aver reagito con l’ atmosfera in maniera diversa da punto a punto, o, ancora, potrebbero essersi formati prodotti di corrosione dello zinco igroscopici e idrosolubili. Si renderebbe necessario, in tal caso, asportare uno strato rilevante dalla superficie da verniciare attraverso un’ energica pulizia meccanica accompagnata da una fase di sgrassaggio e da condizionamento superficiale a base fosforica con susseguenti operazioni di lavaggio ed asciugatura.

In generale, è bene evitare che la superficie zincata venga contaminata da agenti atmosferici o da altra sostanza durante il trasporto e il montaggio, pertanto, si consiglia di verniciare il manufatto subito dopo la zincatura, quando possibile. In tal caso il sistema duplex è effettuato, completamente, presso le zincherie munite di reparto di verniciatura.

Tuttavia, anche il manufatto appena zincato deve essere sottoposto ad adeguata preparazione. L’ossidazione superficiale, la permanenza di residui di lavorazione e i contatti in fase di movimentazione dei pezzi, creano inevitabilmente una certo grado di contaminazione anche se il prodotto non lascia la zincheria.

Nel caso, più frequente, in cui la verniciatura debba essere eseguita con prodotti liquidi, per rimuovere le sostanze inquinanti è sufficiente, come accennato, impiegare una spazzola metallica, trattando successivamente le superfici con sostanze chimiche sgrassanti a base di soluzioni ammoniacali deboli e/o fosforiche, seguite da accurato lavaggio con acqua e asciugamento.

Esistono, in effetti, diversi metodi affidabili per rimuovere i contaminanti dalla superficie e prepararla ad accettare la vernice. Tutti, però, sono riconducibili alle due metodologie citate. Riportiamo in Tab. 10.1 differenti procedure di preparazione.

Alternativamente, una pulizia meccanica generale può essere accompagnata da leggera sabbiatura. Tale sistema è nella maggior parte dei casi quello che offre le maggiori garanzie.

La sabbiatura merita un’ attenzione particolare: essa deve essere eseguita con movimenti molto regolari, in modo da non generare disuniformità superficiali. L’ operazione va fatta con molta perizia per evitare che lo strato di zinco venga danneggiato o asportato in quantità inaccettabile. Si usano prodotti a grana fine, acuminati, inerti, non-metallici. In genere si usa sabbia silicea, scorie fini di rame o polvere di corindone. Le condizioni della superficie dopo la sabbiatura devono essere tali da avere una leggera rugosità che promuove l’ adesione. L’ aspetto normale è con finitura opaca liscia.

Fermo restando che condizioni di sabbiatura leggermente diverse possono fornire ugualmente risultati accettabili, un buon procedimento prevede:

  • dimensione dei grani del prodotto di sabbiatura fino a 0.5mm;
  • pressione dell’ aria fino a 3 bar;
  • distanza di sabbiatura minima 60 cm;
  • angolo di sabbiatura (getto di sabbiatura-superficie) 50÷70 gradi.

L’ azione della sabbiatura non dovrebbe rimuovere più di 10µm di zinco. Questo appare un giusto compromesso tra l’ esigenza di preparazione superficiale e l’ inevitabile azione abrasiva della sabbiatura.

L’ applicazione della vernice sui pezzi sabbiati, di solito, avviene senza intermedi. È tuttavia possibile anche l’ applicazione di sottili strati di prodotti specifici per la conversione superficiale. Questi composti chimici sono in grado di migliorare l’ aderenza del rivestimento organico da applicare e generalmente migliorano anche le caratteristiche di resistenza alla corrosione. Esistono sul mercato dei pre-trattamenti di tipo industriale di composizione metallo-organica con calcio, nickel, manganese, o inorganica come la cromatazione (che può essere anche esente da cromo esavalente) o la zinco-fosfatazione. Alcuni di essi sono no-rinse, cioè senza necessità di lavaggio post-applicazione e possono essere applicati semplicemente attraverso immersione in bagni di soluzione appena dopo l’ estrazione dal bagno di zinco fuso.

Vernici e metodi di applicazione

In primo luogo bisogna fare attenzione al tipo di prodotto che si applica, onde fornire l’ aderenza e la resistenza opportuna al rivestimento organico.

A prescindere dalle condizioni superficiali, per la verniciatura dell’ acciaio zincato non si possono utilizzare gli smalti alchidici (quelli comunemente utilizzati per il legno o per la copertura delle normali antiruggini) come mano di fondo, a contatto diretto con la zincatura. Questi possono essere impiegati dopo che sulla superficie sia stato applicato un primer opportuno, in grado di assicurare la compatibilità tra zinco e topcoat. Il fatto che si debba ricorrere a prodotti adatti alla zincatura non significa che la fase di verniciatura del sistema duplex comporti costi superiori ad ogni altra verniciatura per effetto dei costi della vernice. Le vernici appropriate per la zincatura sono, infatti, comunque economiche e di facile reperibilità, sia per l’ applicazione domestica che industriale. I costi sono appena un po’ superiori alle vernici normali. Ovviamente, il costo globale dipende dal risultato che si vuole ottenere e dalla qualità dei materiali adoperati, ma questa è una considerazione di carattere generale valida universalmente. Per ottenere un sistema duplex con caratteristiche accettabili basta essere sicuri di utilizzare un prodotto specificamente preparato per l’ applicazione sulla zincatura, il che si può ottenere semplicemente consultandone le schede tecniche, verificando l’ adeguatezza oltre che alla superficie anche alle condizioni di impiego.

Assieme all’ adesione, per lungo tempo il sistema duplex deve assicurare resistenza ed impermeabilità all’ umidità.

Nel caso di cicli di verniciatura che comportino l’ utilizzo simultaneo di prodotti diversi per le differenti mani, è consigliabile rivolgersi allo stesso produttore, in grado di fornire tutti i ragguagli necessari per stabilirne la compatibilità. Sarà compito dell’ applicatore attenersi alle giuste procedure indicate dal produttore della specifica vernice che si intende applicare. Non è possibile, infatti, dettare una ricetta unica, data l’ ampia gamma di prodotti presenti sul mercato.

Sono possibili applicazioni di vernice a base di solvente anche ad alto solido, oppure all’ acqua o in polvere. Come detto precedentemente, l’ ampia e variegata offerta sul mercato di prodotti vernicianti adatti alla zincatura consente in molti casi di verniciare direttamente la superficie del manufatto precedentemente pulito dalle impurità, meglio se reso leggermente scabro con una leggera sabbiatura, come precedentemente affermato. Le vernici adoperate ovviamente non devono interagire con lo zinco compromettendo l’ aderenza, per esempio, con formazione di acqua di condensazione, o reazioni di saponificazione o di produzione di composti gassosi o, addirittura, corrosivi. In ogni caso, se non si vuole rinunciare all’ effetto finale della vernice, questo può essere spesso evitato applicando sullo zinco una mano di fondo compatibile sia con lo zinco che con le mani di vernice successive.

Per le vernici liquide a solvente, l’ esperienza maturata negli anni porta a considerare maggiormente affidabili cicli che comprendano rispettivamente:

- resina acrilica e gomma clorurara (ad esempio, cloro-caucciù);
- resine epossidiche, purché esenti da ammine, in combinazione o meno con resine poliuretaniche a basso tenore di isocianati, a finire;
- resine epossiviniliche o epossifenoliche;
- combinazioni di resine acriliche e alchiliche, purchè l’ alchidica non sia a diretto contatto con lo zinco.

Buoni risultati si ottengono anche con le vernici all’ acqua di composizione simile (resine acriliche, acriliche modificate, stirolo-acriliche).

Per la verniciatura con polveri si realizzano rivestimenti di qualità con cicli tecnologici molto accurati. L’ applicazione è di tipo industriale con l’ impiego di letti fluidi o spruzzatura elettrostatica e cura del rivestimento (fase di polimerizzazione) ottenuta in forni statici a 150°C o, comunque, per temperature non superiori ai 175-180°C (o secondo le prescrizioni del produttore della polvere) per evitare comparsa di crateri o delaminazione dello stesso strato di zinco. Un metodo alternativo per la reticolazione di certe vernici è costituito dall’ irraggiamento IR (ad infrarossi). Le formulazioni disponibili comprendono polveri epossidiche, poliuretaniche o loro combinazioni. È sempre consigliabile formare uno strato di conversione che separi lo zinco ed il film di polveri allo scopo di evitare qualsiasi reazione tra lo zinco ed i componenti del topcoat. In particolare, occorre evitare di verniciare acciaio zincato non trattato, sulla cui superficie possono esserci umidità residua o sali. In tal caso, lo zinco dimostra una forte reattività. Ideale è l’ utilizzo di passivanti in grado di ottenere la trasformazione della superficie metallica in fosfato o cromato di zinco non metallico.

Un tipico ciclo applicativo di vernici a polveri comprende un trattamento di conversione chimica con il seguente schema di massima:

- sgrassaggio alcalino;
- uno o due lavaggi in acqua;
- attacco acido con soluzione fosforica;
- lavaggio con acqua demineralizzata;
- cromatazione o diversa passivazione compatibile;
- lavaggio con acqua demineralizzata;
- asciugatura in forno a 60-90°C;
- deposizione della polvere;
- polimerizzazione (cottura in forno o irraggiamento)

I cicli applicativi sono in genere specifici rispetto al tipo di vernice utilizzata, a polveri o liquida che sia. Vanno perciò scrupolosamente osservate le prescrizioni del produttore. Tuttavia possono essere indicati alcuni criteri generali di applicazione.

Il sistema di rivestimento organico, qualunque sia la sua natura, dovrebbe essere applicato subito immediatamente dopo il pretrattamento chimico o meccanico. Dopo la sabbiatura il rivestimento va deposto entro le 12 ore, ma se l’ umidità relativa è maggiore del 70% questo tempo è limitato a 3 ore per impedire la formazione di prodotti di corrosione dello zinco.

Standardizzazione dei sistemi duplex

La superficie dello zinco deve rispettare i requisiti della norma UNI EN ISO 1461, che stabilisce inoltre che lo zincatore deve essere informato preventivamente che occorre applicare un rivestimento organico. Allo stesso tempo, occorre concordare la preparazione più opportuna del substrato per il rivestimento nei casi in cui l’ applicatore è diverso dallo zincatore. La verniciatura successiva è regolata dalla norma UNI EN ISO 12944 e dalla UNI EN 13484 per i rivestimenti a polveri. Un utile riferimento sulle migliori procedure da adottare è senza dubbio la norma olandese NEN 525, o la recente UNI EN 15773:2009, anche dal punto di vista del comportamento che deve tenere il cliente, anche diverse specifiche possono essere indicate dal produttore della vernice.

Le norme stabiliscono anche una serie di test del sistema di rivestimento che riguardano lo spessore, l’ aspetto, l’ adesione, la durezza, la porosità, l’ elasticità, la resistenza ai colpi, all’ impatto, al graffio e le differenze in colore e brillantezza. I test possono essere di tipo meccanico, non-meccanico e climatico, e non sono dissimili dai test effettuati per ogni altro sistema di verniciatura.

Come scegliere una vernice

Nelle tabelle seguenti le vernici acriliche ed il policloruro di vinile (PVC) sono normalmente mono-componenti, e le vernici poliuretaniche ed epossidiche sono normalmente bi-componenti. È possibile avere delle vernici acriliche ed epossidiche all’ acqua per uso sia come primer che come rivestimento di finitura. La norma ISO 12944 raccomanda che si utilizzi una vernice alifatica poliuretanica per il rivestimento di finitura quando sono importanti la lucentezza e la conservazione del colore.

Nelle tabelle seguenti alcune indicazioni di massima sull’uso di sistemi di verniciatura su zincatura.

Vernici da utilizzare in ambienti nei quali la corrosione è leggera

Vernici

Primer

Intermedi/finitura

Spessore minimo per rivestimento (μm)

Spessore totale minimo (μm)

PVC - 1 80 80
Acrilica - 1 80 80
Epossidica o Poliuretanica - 1 80 80

Oppure uno qualsiasi dei rivestimenti più pesanti indicati nelle tabelle di seguito.

Vernici da utilizzare in ambienti nei quali la corrosione è moderata

Vernici

Primer

Intermedi/finitura

Spessore minimo per rivestimento (μm)

Spessore totale minimo (μm)

PVC 1 1 80 160
Acrilica 1 1 80 160
Epossidica o Poliuretanica 1 1 40 + 80 120

Oppure uno qualsiasi dei rivestimenti più pesanti nelle tabelle seguenti.

Vernici da utilizzare in ambienti nei quali la corrosione è elevata

Vernici

Primer

Intermedi/finitura

Spessore minimo per rivestimento (μm)

Spessore totale minimo (μm)

PVC 1 2 80 240
Acrilica 1 2 80 240
Epossidica o Poliuretanica 1 1 80 160

Oppure uno qualsiasi dei rivestimenti più pesanti nelle tabelle seguenti.

Vernici da utilizzare in ambienti industriali od in ambienti particolarmente corrosivi.

Vernici

Primer

Intermedi/finitura

Spessore minimo per rivestimento (μm)

Spessore totale minimo (μm)

PVC* 1 2 80 240
Acrilica** 1 2 80 240
Epossidica o Poliuretanica* 1 1 80 160

*Non adatto alle condizioni più severe

**Adatto solo per le velocità di corrosione più basse in questa categoria

Vernici da utilizzare in ambienti industiali pesanti ed in ambiente marino

Vernici

Primer

Intermedi/finitura

Spessore minimo per rivestimento (μm)

Spessore totale minimo (μm)

PVC* 1 2 80 240
Acrilica** 1 2 80 240
Epossidica o Poliuretanica* 1 2 - 3 80 240 - 320

*Non adatto alle condizioni più severe

**Adatto solo per le velocità di corrosione più basse in questa categoria

Quando si prevede di verniciare acciaio che debba essere usato in un ambiente industriale pesante si dovrebbe consultare uno specialista che abbia una buona comprensione della tecnologia delle vernici e che conosca le condizioni del sito.

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