appunti della conferenza del Prof. Lino Conte

SCIOLINE
Con il termine sciolina si identifica un prodotto che se applicato allo sci lo rende più scorrevole
sullo strato nevoso. Quando lo sci scivola sulla neve abbiamo due superfici che stanno scorrendo
l’una sull’altra e questa scorrevolezza è legata al coefficiente di attrito tra le due superfici. Come
ridurre questo attrito è la domanda che dobbiamo porci e a cui dobbiamo rispondere se vogliamo
che lo sci scorra più velocemente sulla neve. Le due superfici a contatto hanno caratteristiche
diverse ed in particolare quelle dello strato nevoso sono funzione dei parametri ambientali e quindi
non modificabili mentre quelle dello sci possono essere modificate. Se le caratteristiche della neve
fossero definite e costanti si potrebbe definire un tipo di soletta ed un tipo di sciolina aventi le
migliori caratteristiche di scorrevolezza e quindi garantire la massima velocità. Poiché le
caratteristiche dello strato nevoso sono diverse e variabili è evidente che non è possibile avere una
unica sciolina ma sarà necessario modificare di volta in volta, con tipi di sciolina diversi, la
superficie scivolante dello sci.
Quando lo sci scivola sulla neve la frizione (attrito) tra suola e neve crea un film di acqua il cui
spessore è controllato dalla rugosità della soletta e dalla sciolina. La sciolina è tipicamente una
miscela complessa di idrocarburi ed additivi specifici che dipendono dalle caratteristiche della neve.
Poiché, come detto le caratteristiche della neve variano, la scelta tra le numerose scioline disponibili
è difficile e se la scelta è sbagliata si osserva una diminuzione delle qualità scivolanti della soletta.
Ogni sciolina produce quantità di acqua tra soletta e neve variabili con la temperatura della neve
stessa. Quando la temperatura è bassa, la neve è dura e una sciolina dura crea un film di acqua più
sottile di una sciolina morbida; conseguentemente la durezza della sciolina scelta deve essere adatta
alla durezza della neve. Inoltre l’attrito di una soletta cala se è resa idrofobica. Queste osservazioni
hanno contribuito allo sviluppo di specifici additivi (molecole amphiphiliche) per le cere
tradizionali. La lunghezza della catena idrocarburica determina la durezza della cera mentre
molecole fluorurate sono usate per aumentare l’idrorepellenza delle superfici. L’aumento della
percentuale di molecole fluorurate e quindi di fluoro su una superficie fa calare l’energia
superficiale. Ciò nonostante le variazioni delle proprietà superficiali non sono prevedibili quando si
miscelano additivi fluorurati con un altro composto solido come una paraffina. Si può concludere
che l’ottimizzazione delle proprietà idrofobiche dipende dal tipo di additivo fluorurato aggiunto
oltre che dalla quantità di additivo.
Probabilmente ciò è dovuto al fatto che le catene fluorurate devono estendersi al di fuori della
massa della sciolina e formare una spazzola superficiale, la possibilità di formare questa spazzola
superficiale è legata alle caratteristiche della molecola fluorurata.
Il concetto di bagnabilità di una superficie aiuta a comprendere le motivazioni che sono alla base
dello sviluppo di molecole fluorurate da impiegare come additivi per scioline.
BAGNABILITA’
E’ lo studio di come un liquido depositato su un solido vi si spande. Quando una goccia di liquido è
depositata sopra un vetro pulito questa si spande completamente mentre se la goccia dello stesso
liquido è depositata sopra una lastrina di plastica rimane intatta. Si può concludere che ci sono due
modi di bagnare:
- bagnamento totale quando il liquido ha una forte affinità con il solido
- bagnamento parziale quando c’è poca o nulla affinità tra liquido e solido
Il parametro spandimento “S” consente di distinguere i due differenti modi di bagnare la superficie
da parte del liquido. Tale parametro misura la differenza di energia (per unità di area) del solido
secco e bagnato:
S = ( Esolido )sec co − ( Esolido )bagnato
o mediante l’equivalente:
γ = tensione superficiale mN/m o dine/cm
S = γ solido − (γ liquido + γ solido / liquido )
se S > 0 la superficie si bagna completamente, il liquido spande sopra il solido per diminuire la sua
energia superficiale, questa condizione è favorita se γ solido ha un alto valore (per esempio il vetro) e
se la γ liquido ha un basso valore (esano, etanolo).
se S < 0 la goccia non spande sulla superficie, assume una forma sferica e rimane sopra il solido
con un certo angolo di contatto θ . La bagnabilità è zero se θ = 180°
liquido
θ
solido
Fig. 1 spandimento di un liquido su superfici di solidi con energia superficiale più bassa
θ
liquido
solido
Fig. 2 spandimento di un liquido su superfici di solidi con energia superficiale più alta
Da quanto detto risulta che un liquido bagna un solido solo quando questo fenomeno è favorito,
cioè diminuisce l’energia del sistema. Una superficie non è bagnabile quando, al contrario, il
bagnamento della superficie darebbe origine ad un sistema a più alta energia. Una superficie non
bagnabile dall’acqua si definisce idrofobia se non bagnabile ne da un olio si definisce oleofobica.
Dalla misura dell’angolo di contatto si può determinare la tensione superficiale di un solido e quindi
prevedere se questo sarà bagnato dall’acqua, oppure sapendo la tensione superficiale dei liquidi
prevedere quale liquido bagnerà quel dato solido.
Nelle tabelle che seguono sono riportate le tensione superficiali di alcuni liquidi e solidi.
Liquidi
Temperatura °C
Acetone
Diethyl ether
Ethanol
n-Hexane
Mercury
n-Octane
Water
Water
Water
Water
20
20
20
20
15
20
0
25
50
100
Tensione superficiale
γ ( mN/m)
23.7
17.0
22.27
18.4
487
21.8
75.64
71.97
67.91
58.85
Polimeri
Tensione superficiale mN/m
Acrylonitrile butadiene styrene - ABS
35
Acrylic
41
Epoxy - typical amine cure
46
Nylon 6/6
41
Polycarbonate
46
Polyethylene terephthalate - PET
43
Polyimide
40
Polystyrene
33
Polysulfone
41
Polytetrafluoroethylene - PTFE
18
Polyvinyl chloride - PVC
39
Polyethylene
31
Polypropylene
33
Phenolic
52
Silicone
24
Styrene butadiene rubber
29
Materiali vari tensione superficiale mN/m
Aluminum
~500
Copper
1360
Nickel
1770
Iron oxide
1357
Beryllium oxide
1360
Lead
442
Silver
890
Glass
~1000
Possiamo concludere dicendo che un liquido si stenderà sulla superficie di un certo materiale se la
sua tensione superficiale sarà inferiore a quella del materiale, quindi l’acqua ( γ = 72 mN/m)
bagnerà il vetro ( γ = 1000 mN/m ) ma non la superficie di un polimero ( γ < 72 mN/m).
ADDITIVI FLUORURATI
Esiste una vasta gamma di additivi fluorurati per scioline, queste molecole possono essere
completamente o parzialmente fluorurate. La scelta è frutto di considerazioni sperimentali ma anche
dell’esperienza pratica degli ski-men che custodiscono gelosamente le loro conoscenze.
Gli additivi fluorurati o le scioline fluorurate sono ottenute da reazioni chimiche condotte a partire
da perfluoro alchil ioduri di formula generale CnF2n+1I che vengono addizionati ad olefine
idrogenate. La sequenza delle reazioni che consentono di ottenere le desiderate molecole fluorurate
può essere così schematizzata:
CnF2n+1I + CH2 = CH-CnH2n+1
CnF2n+1-CH2-CHI-CnH2n+1
2CnF2n+1I
Zn
AcOH
cat.
Zn
HCl
CnF2n+1-CH2-CHI-CnH2n+1
CnF2n+1-CH2-CH2-CnH2n+1 cere RFRH
CnF2n+1-CnF2n+1
cere RF
La scelta tra l’utilizzo di scioline completamente fluorurate (cere RF) o di quelle parzialmente
fluorurate (cere RFRH) è dettato da considerazioni sulle condizioni ambientali (temperatura neve,
umidità ecc..), esistono anche altri tipi di molecole in commercio che sono comunque riportabili al
concetto generale di molecola completamente o parzialmente fluorurate.
La bibliografia brevettuale su questi argomenti è ampia e le aziende interessate sono molto restie a
fornire informazioni per i logici interessi commerciali in gioco.