Reologia delle dispersioni

Perché una vernice non cola dal pennello ma si stende bene, mentre il miele scorre lento e uniforme? Perché il dentifricio esce dal tubetto solo quando lo premi? Le risposte stanno nella reologia, la scienza che studia come i materiali scorrono e si deformano. Per le dispersioni e i colloidi — emulsioni, sospensioni, gel — è una proprietà decisiva.

Sforzo di taglio e velocità di deformazione

Per far scorrere un fluido bisogna applicare uno sforzo di taglio: si pensi a due lamine parallele che scivolano l’una sull’altra con il fluido in mezzo. La velocità con cui gli strati di fluido scorrono gli uni rispetto agli altri è la velocità di deformazione. Il legame tra questi due valori definisce il comportamento reologico del materiale.

I fluidi newtoniani

Nel caso più semplice, lo sforzo di taglio è proporzionale alla velocità di deformazione, e la costante di proporzionalità è proprio la viscosità:

τ = η · γ̇

dove τ è lo sforzo di taglio, η la viscosità e γ̇ la velocità di deformazione. I fluidi che obbediscono a questa legge, come acqua e oli leggeri, si dicono newtoniani: la loro viscosità è costante, non dipende da quanto forte li si sollecita.

I fluidi non newtoniani

La maggior parte delle dispersioni reali, però, non è così semplice: la loro viscosità cambia con la sollecitazione. I due comportamenti principali sono opposti. Nei fluidi pseudoplastici la viscosità diminuisce all’aumentare dello sforzo: è il caso di vernici, ketchup e molte emulsioni, che diventano più fluidi quando agitati o spalmati. Nei fluidi dilatanti avviene il contrario: la viscosità aumenta con lo sforzo, come nelle sospensioni molto concentrate di amido in acqua.

Soglia di scorrimento e tissotropia

Alcuni materiali si comportano come solidi finché lo sforzo non supera una soglia di scorrimento, oltre la quale iniziano a fluire: è il modello del fluido di Bingham, che descrive bene dentifrici, maionese e fanghi. Lo sforzo di taglio si scrive come somma di una soglia e di un termine viscoso:

τ = τ₀ + η_p · γ̇

Un fenomeno legato, ma diverso, è la tissotropia: la viscosità diminuisce nel tempo sotto agitazione costante e si ricostituisce a riposo. È ciò che permette a certe vernici di scorrere quando vengono mescolate e di “rapprendersi” una volta applicate, evitando le colature.

Perché la reologia conta nelle dispersioni

Nelle dispersioni la reologia è governata dalle interazioni tra le particelle e dalla loro concentrazione. All’aumentare della frazione di solido la viscosità cresce rapidamente, fino al punto in cui il sistema quasi non scorre più. Controllare la reologia è essenziale in moltissimi prodotti: vernici che non colano, creme spalmabili, fanghi pompabili, inchiostri per stampa, alimenti dalla consistenza giusta. La misura reologica è quindi uno strumento di controllo qualità insostituibile, perché lega la struttura microscopica al comportamento percepibile del prodotto. Spesso le interazioni tra particelle che danno origine a una soglia di scorrimento o alla tissotropia sono le stesse che governano la stabilità della dispersione nel tempo: un prodotto ben formulato dal punto di vista reologico tende a non separarsi e a non sedimentare. Reologia e stabilità colloidale, in altre parole, sono due facce della stessa medaglia, ed è per questo che chi formula emulsioni e sospensioni studia sempre entrambe insieme, regolando la consistenza desiderata senza compromettere la durata del prodotto.

Come si misura: viscosimetri e reometri

Per caratterizzare il comportamento di un materiale si usano strumenti dedicati. I viscosimetri più semplici misurano il tempo che un fluido impiega a scorrere attraverso un capillare o la resistenza che oppone a un corpo in rotazione, e bastano per i fluidi newtoniani. Per le dispersioni complesse servono invece i reometri, che impongono sforzi o velocità di deformazione controllati e ricostruiscono l’intera curva di flusso.

Misurando la viscosità a velocità di deformazione diverse si distingue immediatamente un fluido newtoniano da uno pseudoplastico o dilatante, e si individua l’eventuale soglia di scorrimento. Prove condotte nel tempo, invece, rivelano la tissotropia. Queste misure non sono un esercizio teorico: guidano la formulazione dei prodotti, perché piccole variazioni nella concentrazione di particelle, nella loro forma o nelle interazioni superficiali possono cambiare radicalmente il comportamento allo scorrimento. Il reometro diventa così una finestra sulla struttura interna della dispersione, capace di prevedere come il prodotto si comporterà quando verrà pompato, versato, spalmato o semplicemente lasciato a riposo sullo scaffale.

Domande frequenti

Cos’è la reologia?

È la scienza che studia come i materiali scorrono e si deformano sotto l’azione di uno sforzo. Per emulsioni, sospensioni e gel descrive proprietà pratiche come la spalmabilità e la tendenza a colare.

Cosa distingue un fluido newtoniano da uno non newtoniano?

Nel fluido newtoniano la viscosità è costante e non dipende dalla sollecitazione; nel fluido non newtoniano la viscosità cambia con lo sforzo o con la velocità di deformazione.

Cosa significa “pseudoplastico”?

Significa che la viscosità diminuisce all’aumentare dello sforzo: il materiale diventa più fluido quando viene agitato o spalmato. È il comportamento di molte vernici ed emulsioni.

Cos’è la soglia di scorrimento?

È lo sforzo minimo oltre il quale un materiale comincia a fluire: al di sotto si comporta come un solido. La descrivono i fluidi di Bingham, come il dentifricio o la maionese.

Perché la reologia è importante per i prodotti industriali?

Perché determina come un prodotto si comporta nell’uso reale: vernici che non colano, creme spalmabili, fanghi pompabili, alimenti dalla consistenza giusta. È uno strumento chiave di controllo qualità.