Quanto penetra una vernice nel legno?

Catas Spa è considerato oggi il più grande istituto italiano per ricerca e prove nel settore legno-arredo, punto di riferimento in Italia e nel mondo. L’attività di Catas si svolge in due centri operativi situati in aree caratterizzate dalla numerosa e storica presenza di aziende del settore legno-arredo: il primo si trova a San Giovanni al Natisone (Udine), il secondo a Lissone (Brianza). Catas, inoltre, possiede una società partecipata estera, la Catas-Chile di Santiago del Cile, che svolge le stesse attività dei centri italiani.
Catas impiega oltre 40 dipendenti tra i quali chimici, ingegneri e matematici a testimonianza della competenza e della specializzazione che sono alla base del successo dell’azienda. Due dipartimenti, uno tecnologico e uno chimico, coprono il vasto campo di prove e ricerche commissionate sia sui materiali base sia sui prodotti finiti. Per ogni singolo materiale e prodotto, Catas è in grado di comprovare l’effettiva rispondenza ai requisiti voluti dal cliente, la conformità alle specifiche previste dalle norme, il controllo della qualità, la sicurezza, la resistenza e la durata. Le prove sono condotte in conformità alle norme europee (EN), internazionali (ISO) e nazionali (UNI, DIN, BS, NF, ASTM, ANSI, etc.). A queste si aggiungono quelle effettuate secondo capitolati specifici richiesti dal cliente. Catas è in prima linea anche per la sostenibilità edilizia e, grazie al laboratorio agroalimentare, è un polo di eccellenza per la ricerca e l’analisi nel settore agro-alimentare, industriale ed ambientale supportato da un gruppo di lavoro altamente specializzato.

a cura di Alessia Matellon
Franco Bulian ( CATAS, San Giovanni Natisone)

Introduzione

La penetrazione di una vernice nel legno è sempre stato un argomento di particolare interesse per gli operatori del settore, sia che si tratti di formulatori, sia di utilizzatori.
Le conseguenze positive di una maggior penetrazione delle vernice all’interno del substrato sono ampiamente riconosciute, essendo riassumibili nei seguenti punti:
maggior efficacia dei trattamenti effettuati con agenti biocidi nel caso della verniciatura del legno destinato all’esterno;
miglioramento dell’adesione sia per effetto dell’interazione meccanica sia per la creazione di una maggior superficie di contatto tra i due materiali (legno e vernice);
incremento della durata all’esterno per un effetto di ”stabilizzazione” del legno conseguente all’impregnazione dei conseguentemente penetrare facilmente e profondamente al suo interno riempiendone le cavità vuote.

In realtà bisogna considerare che la maggior parte delle cellule che costituiscono il legno è orientata lungo la direzione assiale e solo una piccola parte segue invece un andamento radiale.
Senza entrare troppo in dettaglio negli aspetti teorici della struttura suoi strati più superficiali con diminuzione delle tensioni tra legno e vernice;
miglioramento dell’effetto estetico (maggior profondità visiva) conseguente ad una accentuata bagnatura del supporto.
Questo articolo vuole considerare brevemente il tema della penetrazione delle vernici nel legno che in realtà è stato ed è ancora oggetto di numerosi studi ed approfondimenti. Il fulcro di queste note è tuttavia rappresentato da alcune immagini che testimoniano visivamente, al di là di ogni considerazione teorica, quale sia l’effettiva penetrazione delle vernici nel legno sfatando, forse, anche alcune convinzioni abbastanza diffuse su questo argomento.

Gli effetti della struttura del legno E’ noto che la struttura del legno è porosa ed in questo senso si ritiene spesso che le vernici possano

Immagine 2: fotografia al microscopio ottico di una sezione trasversale di legno di rovere. La freccia indica un raggio parenchimatico. Dall’immagine si riesce a notare che la penetrazione di vernice in superficie qui è leggermente maggiore

Immagine 3: fotografia al microscopio ottico di una sezione trasversale di legno di pino.  La non ottimale levigatura, è la probabile causa di questa superficie ondulata creatasi dopo l’applicazione del ciclo di verniciatura.

Nella zona primaverile vi è maggior assorbimento. Le cellule, dapprima schiacciate, si ridilatano a contatto con il prodotto verniciante a base acqua anatomica del legno, è comunque possibile considerare che, considerate le premesse sopra esposte, le vie di penetrazione di una vernice all’interno di questo materiale possono essere sostanzialmente tre [1]:

• Attraverso le estremità aperte delle cellule longitudinali che vengono riempite direttamente dalla vernice che penetra al loro interno (legno di testa).
• Analogamente la vernice può penetrare attraverso le estremità aperte dei raggi, quando la vernice viene applicata sulla superficie del legno a taglio tangenziale o radiale (immagine 2).
• il terzo modo prevede il passaggio della vernice tra le cellule che costituiscono i raggi, da cui penetra, alle cellule disposte longitudinalmente.La penetrazione di un qualsiasi liquido, vernici comprese, risulta quindi assai diversa secondo la direzione di taglio considerata; sarà quindi massima per il legno di testa e decisamente inferiore invece per le superfici a taglio radiale o tangenziale. Le diversità morfologiche tra le varie specie legnose, nonché la presenza di estrattivi e la zona del tronco considerata (durame o alburno) sono altresì fattori che rivestono ruoli importanti sui meccanismi di assorbimento. Per approfondimenti su questi aspetti si rimanda a testi e pubblicazioni specifiche sul legno.Immagine 4Immagine 5
  Immagini 4 e 5: sezioni trasversali di legno di abete verniciato

  Gli effetti delle caratteristiche delle vernici

  La penetrazione delle vernici all’interno delle minuscole cavità del legno è legata a fenomeni fisici di capillarità per i quali giocano un ruolo decisivo i seguenti fattori [1]:

  La viscosità: a maggior viscosità corrisponde una ridotta capacità di penetrazione:
  Il contenuto di sostanze solide riduce la capacità di penetrazione di una vernice. Vernici fortemente pigmentate penetrano quindi meno facilmente rispetto a quelle trasparenti.
  La tipologia di vernice da un punto di vista fisico. Vernici in soluzione di solventi organici generalmente penetrano più facilmente di quelle in emulsione o in dispersione acquosa. Ciò è dovuto al fatto che nel corso della risalita all’interno di una cellula l’acqua viene facilmente assorbita dalla parete cellulare determinando un aumento della viscosità della vernice che fluisce al suo interno. Tale effetto è maggiore per le dispersioni a causa della presenza di particelle di resina di dimensioni elevate [3]. La bagnabilità (tensione superficiale) delle vernici è anch’essa legata a questo fenomeno. Una maggior tensione superficiale riduce la capacità ”bagnante” di una vernice, influendo quindi negativamente sulla sua capacità di penetrazione.

Gli effetti delle lavorazioni

Tra gli effetti delle lavorazioni, meritano di essere menzionati due aspetti che possono influire sulla penetrazione della vernice all’interno del legno. Un primo aspetto è quello della levigatura che deve evitare lo schiacciamento del legno. In termini anatomici, infatti, lo schiacciamento del legno produce l’occlusione parziale o totale delle cellule degli strati superficiali impedendo o comunque riducendo la penetrazione della vernice al loro interno. Bisogna anche considerare che lo schiacciamento può essere in qualche modo reversibile per effetto dell’assorbimento di umidità per esempio derivante da trattamenti con vernici all’acqua con conseguenti difettosità. Il rigonfiamento delle cellule precedentemente schiacciate produce delle irregolarità sulle superfici verniciate che, oltre a determinare degli inestetismi (immagine3), possono essere il fulcro di tensioni che danneggiano progressivamente il film di vernice essiccato con formazione di rotture o screpolature. Sempre legato al tema della levigatura, il secondo punto da considerare è quello dei tempi. Le resine e gli estrattivi oleosi presenti all’interno del legno, possono infatti migrare lentamente verso le superfici andando progressivamente ad occludere le porosità qui presenti. La penetrazione delle vernici per legno dipende quindi anche dal tempo che trascorre tra la fase di levigatura e quella di verniciatura.

Le immagini dello studio effettuato

In questa pagina e in quelle precedenti sono presentate alcune immagini ricavate al microscopio e derivanti dall’archivio del CATAS che mettono in evidenza diverse situazioni in riferimento alla penetrazione delle vernici all’interno del legno.

Immagine 6

Come già accennato non si tratta di uno studio sistematico, ma solamente una presentazione di casi reali derivanti dall’esperienza quotidiana del nostro Istituto. Ovviamente, come già accade per altri temi, il CATAS è disponibile a collaborazioni specifiche finalizzate ad una maggior comprensione di questi fenomeni.

Immagine 7

Immagini 6 e 7: sezioni trasversali di legno di faggio verniciato.
Si nota il notevole l’effetto di assorbimento della vernice all’interno dei vasi anche in profondità

Immagine 8

Immagine 9 (ingrandimento inferiore rispetto alle precedenti immagini)

Immagini 8 e 9: sezioni trasversali di legno di meranti verniciato.
Nonostante il diametro importante dei vasi, la vernice è penetrata solo in quelli più superficiali, ma non in profondità come nel caso del faggio

Immagini 4, 5, 6, 7, 8 e 9: l’influenza dell’anatomia del legno nella penetrazione della vernice.

Bibliografia:

– M. de Meijer, A review of interfacial aspects in wood coatings: wetting, surface energy, substrate penetration and adhesion, COSTE E 18 Proceedings
B.A. Meylan e B.G. Butterfield (Trad. A. Speranza), La struttura tridimensionale del legno, CATAS
F. Bulian e J. Graystone, Wood Coatings. Theory and Practice, Elsevier.