27/11/2019 | 16 MINUTOS DE LECTURA

Recubrimientos líquidos

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Fundamentos de formulación y opciones para un acabado amigable con el medio ambiente.

La creciente preocupación por el medio ambiente y la consiguiente demanda de productos ambientalmente amigables por parte del consumidor, han influido en la industria de acabados de productos en todos los mercados y usos finales. Si bien los fabricantes buscan satisfacer estas demandas sin cambios significativos en la productividad o el costo, los avances en materias primas y tecnologías han facilitado la fabricación de productos más ecológicos de una manera más sostenible. A medida que aumentan, tanto las regulaciones gubernamentales como la influencia de los programas de especificación que regulan la calidad del aire y otros atributos ambientales, la amplia gama de tecnologías y opciones de procesamiento disponibles en la actualidad ofrecen a los profesionales del acabado y a los fabricantes una mayor flexibilidad para mantenerse competitivos en el panorama de la producción en evolución.

La tecnología para crear recubrimientos nunca ha sido mejor que ahora. Ya sean los tipos de materias primas disponibles, los nuevos métodos de combinación de materiales o la evolución de las tecnologías tradicionales, los recubrimientos ofrecen una gama de opciones para que los profesionales del acabado cumplan con los requisitos ambientales, de desempeño y apariencia. Esto se aplica especialmente a los recubrimientos líquidos, los cuales constituyen el tipo de acabado de mayor volumen para fabricantes de equipos originales (OEM) y los profesionales de acabado de productos. Antes de seleccionar cualquier recubrimiento para la línea de acabado, es importante tener una comprensión clara de cómo “opera” un recubrimiento. Una apreciación de los componentes de un recubrimiento y de cómo estas materias primas se unen para lograr el rendimiento, la adherencia y las propiedades de aplicación, proporcionan una base de conocimientos para una selección de recubrimiento de valor agregado.

Composición del recubrimiento

Hay cuatro clases de ingredientes básicos que se encuentran en todos los recubrimientos líquidos: aglomerantes, pigmentos, portadores y aditivos. En combinación, estos componentes crean una tecnología líquida que se seca en una película, brindando protección y estética. Cada uno de estos cuatro componentes es parte integral de la composición del recubrimiento.

Los aglomerantes son las resinas no volátiles que proporcionan la base para cualquier recubrimiento. La elección del aglomerante influye directamente en el rendimiento y la elección de las aplicaciones de uso final apropiadas para cualquier recubrimiento, así como también mucho sobre la apariencia final. Las clasificaciones de los aglomerantes para recubrimientos incluyen emulsiones (acrílicas o vinílicas), dispersiones (acrílicas, alquídicas o poliuretanos) y soluciones (productos alquídicos, poliésteres, epóxicos, acrílicos y uretanos). También existen híbridos de estas tecnologías, como los uretanos acrílicos y los uretanos de poliéster. Muchas de estas, como las resinas alquídicas, se han formulado para que las versiones del aglomerante estén disponibles para su uso tanto en formulaciones a base de solvente como a base de agua, lo cual aumenta la gama de usuarios finales apropiados para tecnologías con base agua.

La selección del aglomerante en el desarrollo del recubrimiento con frecuencia implica un compromiso entre el rendimiento y el costo, y está determinado por el uso final previsto del acabado. Por ejemplo, las aplicaciones que requieren una resistencia significativa a los ambientes corrosivos, demandan el uso de resinas más avanzadas tecnológicamente, como epoxis y uretanos, lo cual aumenta el costo de estos acabados. Dado que el uso de un producto desarrollado para tales condiciones extremas en una aplicación residencial interior sería excesivo, los productos desarrollados para uso decorativo incluyen en su lugar resinas acrílicas de vinilo que proporcionan un nivel adecuado de protección a un costo adecuado. Dependiendo de los requerimientos del uso final, se pueden combinar múltiples resinas en una mezcla híbrida diseñada para ofrecer capacidades de rendimiento adaptadas a la aplicación. Independientemente de la tecnología utilizada, la elección del aglomerante determina el grado de adherencia, las características de tiempo de secado y gran parte de la apariencia final y el rendimiento de cualquier recubrimiento. Investigar las propiedades del recubrimiento y trabajar con su proveedor puede ayudarlo a comprender mejor la diferencia entre los tipos de tecnologías disponibles para reducir rápidamente las opciones de tecnología.

Los pigmentos también ejercen una fuerte influencia en la apariencia y el rendimiento de un recubrimiento. Los pigmentos, a manera de partículas sólidas, finamente trituradas, pueden ser de naturaleza tanto mineral como polimérica. El volumen de pigmentos en un recubrimiento se correlaciona con el brillo de la película: a una mayor carga de pigmento resultan recubrimientos de brillo más bajo. Las pinturas planas tienen una carga de pigmento tan alta que algunos pigmentos sobresalen realmente de la película de pintura seca, disminuyendo el brillo, pero reduciendo la durabilidad total. Los fabricantes de productos generalmente eligen recubrimientos brillantes, en parte debido a que el rendimiento necesario se logra mejor con productos de mayor brillo, y en parte por la calidad de la apariencia final que ofrecen.

Por consiguiente, el papel del pigmento en los recubrimientos aplicados en fábrica generalmente es proporcionar color y rendimiento. El dióxido de titanio y otros pigmentos coloreados se usan para ocultar y colorear, mientras que otros tipos de pigmento influyen en la resistencia a la corrosión y al clima, así como a la durabilidad general. Un ejemplo de esto serían los pigmentos a base de zinc que brindan protección contra la corrosión en primers.

Los portadores son un componente importante de cualquier formulación de pintura. El portador es el líquido principal en una formulación de recubrimiento, y puede ser agua, un solvente o cualquier mezcla de los anteriores. Los pigmentos se dispersan en el aglomerante con la ayuda del portador, lo cual también ayuda a reducir la viscosidad del recubrimiento para que se pueda aplicar fácilmente. Debe haber una sinergia entre el portador y el aglomerante, ya que el aglomerante debe permanecer estable y ser capaz de formar una película a pesar de la caída de la viscosidad y la adición de otras materias primas. La elección del portador también influye en la aplicación, ya que los diferentes tipos de portadores tienen diferentes tasas de evaporación y tiempo de secado. Para la elección del portador —especialmente con los solventes—, se requiere decidir entre el tiempo de secado, las restricciones ambientales y las necesidades del proceso. Por ejemplo, usar solamente disolventes de secado rápido puede ser óptimo para el procedimiento, pero puede que no cumpla con los requerimientos reglamentarios e incluso puede dar lugar a deformidades de la película al acelerar demasiado el tiempo de secado. Las combinaciones de los portadores permiten cubrir mejor las necesidades de la formulación y del proceso de aplicación.

Los aditivos son el componente final de la pintura. Con una clasificación de amplio rango, estas materias primas ofrecen cualidades especiales de rendimiento, como son la inhibición de la oxidación o la protección UV. En general, los aditivos constituyen un pequeño porcentaje de la composición general de la pintura, pero pueden ser clave para cumplir con las necesidades de rendimiento de los profesionales del acabado.

Las opciones de acabado preferibles, desde el punto de vista del medio ambiente, aprovechan los avances en las clasificaciones de materias primas. Desde aglomerantes reducibles en agua que permiten el uso de agua como solvente, hasta tecnologías con alto contenido de sólidos que reducen los Compuestos Orgánicos Volátiles (COV), mediante la disminución de la necesidad de solventes, e incluyendo el uso de solventes con bajo o nulos COV, los profesionales de acabados tienen una gama más amplia de opciones tecnológicas que pueden ayudar a que sus productos y procesos sean más ecológicos.

Formación de la película de pintura

Independientemente del método de aplicación, una vez que se aplica un recubrimiento, hay cuatro mecanismos básicos que permiten que la película de pintura se forme: evaporación, coalescencia, oxidación y curado químico.

La evaporación es el modo más simple de formación de película e implica la liberación del portador después de la aplicación. Las lacas se secan por este mecanismo. A medida que el portador se evapora, deja un recubrimiento sólido sin ningún cambio químico o estructural en el resto de las materias primas. Los recubrimientos que se secan por evaporación generalmente toman de 10 a 30 minutos para curarse completamente.

La coalescencia es el proceso de formación de película para recubrimientos de látex en emulsión. En una pintura de látex, las largas hebras de polímeros de látex se dispersan por toda la mezcla líquida. Una vez aplicado, el agua comienza a evaporarse y deja la película de pintura. A medida que disminuye el porcentaje de agua, los polímeros comienzan a empaquetarse cada vez más. Después de que se evapora suficiente agua, las largas cadenas se vuelven tan apretadas que comienzan a fusionarse, o se unen, para formar una película. Esta película puede formarse en tan solo 30 minutos, pero puede demorar hasta un mes para que la película se cure completamente.

La oxidación es un proceso de dos pasos para la formación de película. Primero se secan los recubrimientos por evaporación del solvente. Luego, la mezcla de aglomerante reacciona con el oxígeno del aire para curar y endurecer aún más. Los recubrimientos que se secan por oxidación pasan primero por una etapa de evaporación de 10 minutos para disminuir el porcentaje de portador en la película y exponer más del aglomerante al aire. Luego, la oxidación comienza cuando los ingredientes restantes comienzan a reaccionar con el oxígeno en la atmósfera. Los recubrimientos alquídicos son un gran ejemplo de oxidación en el sentido de que la resina alquídica y los aditivos más secos en la formulación comienzan a reticularse químicamente entre sí una vez que se exponen al oxígeno, creando una película. El proceso de formación y curado de la película generalmente toma entre cuatro y seis horas. No obstante, la película de pintura se continuará oxidando durante la vida útil del recubrimiento, de manera que esta reticulación continua ofrece una comprensión de por qué la pintura alquídica vieja se vuelve quebradiza. Los requerimientos simultáneos de evaporación del solvente y de suministro constante de oxígeno también explican por qué un buen flujo de aire afecta directamente el tiempo de curado de muchos recubrimientos convencionales.

Finalmente, el curado químico ocurre cuando las moléculas pequeñas reaccionan para formar moléculas cada vez más grandes, lo que trae como resultado una película curada. Los epoxis y los uretanos de dos partes son ejemplos de este tipo de mecanismo de curado. Al igual que con los otros medios para formar una película, la primera parte del curado químico es una evaporación del portador durante 10 minutos, seguida de una reacción química que puede llevar de 30 minutos a varias horas, dependiendo de la formulación. El curado químico puede ofrecer una película más duradera y tolerante, y se utiliza a menudo para usos finales de mayor rendimiento.

El tipo de proceso de curado no tiene tanto impacto en las regulaciones y en los COV como el tipo de tecnología utilizada. Las emisiones son una regulación clave que enfrentan los profesionales del acabado, mientras que el tipo de curado no necesariamente reduce o aumenta los COV, aunque la selección podría generar emisiones de otros químicos que pueden estar regulados, como el caso del formaldehído. Sin embargo, mecanismos de curado más intensos, como el químico, dan como resultado un acabado más duradero y pueden ayudar a los profesionales del acabado a fabricar productos perdurables que finalmente sean más sostenibles.

Vinculando las necesidades con el rendimiento

La comprensión de la composición y el proceso de curado de los recubrimientos provee conocimiento para hacer la selección de un recubrimiento, lo cual ayuda a los profesionales de acabados a adaptar su elección de producto a los requisitos, bien sean de rendimiento, regulatorios o de aplicación. Entender los conceptos básicos sobre la tecnología también hace que sea más fácil comprender cuándo las tecnologías ambientalmente preferibles pueden ser una opción de acabado viable. La primera decisión en la selección del recubrimiento es, a menudo, considerar el tipo general de tecnología que se prefiere: a base de solventes, alta en sólidos y acuosa. La elección de un tipo de tecnología específica para el acabado requiere que los atributos de aplicación y rendimiento coincidan con los requisitos de uso final, las especificaciones del cliente y las directrices regulatorias.

Los recubrimientos a base de solventes comúnmente se reconocen como los caballos de batalla de la industria debido a su reputación de ofrecer acabados de larga duración que se secan rápidamente y cumplen con los programas de alta producción. Disponibles como sistemas de recubrimiento total, los productos a base de solventes pueden ser empleados para una amplia gama de necesidades de recubrimiento con tipos de productos que incluyen rellenos, primers, selladores y topcoats. La amplitud de las formulaciones a base de solventes ha surgido para satisfacer las demandas específicas pero variables de brillo, retención de color y resistencia química en todas las industrias y usos finales.

Las características de durabilidad y apariencia perdurable, históricamente proporcionadas por los productos a base de solventes, los han convertido en una opción popular para aplicaciones de acabado de metales tan diversas como las militares, industriales, agrícolas, equipos de construcción, mobiliario de oficina y electrónicos de consumo. De hecho, los productos a base de solventes dominan el listado de estándares federales debido a su larga historia y la comodidad general con la tecnología y el rendimiento que proporcionan.

Los profesionales del acabado que desean recubrimientos muy duraderos para sustratos de plástico también han recurrido a los recubrimientos que contienen solventes, ya que ofrecen una excepcional durabilidad de la película, rendimiento a largo plazo y textura superior sobre este sustrato. La industria del plástico también valora los materiales de acabado a base de solventes por su capacidad de curar por debajo de 300°F, la cual es la temperatura de deformación de muchos plásticos.

Si bien las formulaciones con base de solvente se desarrollaron teniendo en cuenta las necesidades de rendimiento y de la aplicación, las ventajas en estas tecnologías y las materias primas han ayudado a hacer que los acabados sean más ecológicos. Hay muchas opciones de recubrimientos que cumplen con las regulaciones gubernamentales y las diversas especificaciones relacionadas con los Contaminantes Peligrosos del Aire (CPA) y los COV. Por ejemplo, están disponibles esmaltes de poliéster con contenido de COV ultra bajo para hornear que emiten menos de una libra/gal de COV, los cuales ofrecen a los profesionales del acabado excelentes características de aplicación y rendimiento. Incluso los esmaltes metálicos solventes tradicionales están ahora disponibles en formulaciones con menos COV y sin CPA.

Los proveedores de recubrimientos también están adoptando procesos de fabricación más ecológicos para recubrimientos a base de solventes, mejoras que se han aprovechado en todas las tecnologías. Las prácticas como la recuperación de solventes, la reutilización de productos de desecho y una mejor contención para reducir las emisiones de solventes, son ganancias de sostenibilidad proactivas que minimizan el impacto general de los acabados a base de solventes. Dichas prácticas son cada vez más habituales dentro de la industria de los recubrimientos, al igual que otras mejoras de fabricación enfocadas en el medio ambiente, como la iluminación de mayor eficiencia y prácticas de procesamiento más optimizadas.

Los recubrimientos con alto contenido de sólidos tienen sus propias ventajas como opción de tecnología. Al contener menos solvente que los materiales convencionales, hay menos emisiones y una mayor eficiencia de transferencia del recubrimiento. Disponibles en sistemas de uno o dos componentes, las tecnologías de recubrimientos con alto contenido de sólidos incluyen poliésteres, alquidos, epoxis, uretanos y acrílicos.

Los recubrimientos con alto contenido de sólidos se definen generalmente como aquellos que tienen al menos un 60 por ciento de contenido de sólidos por volumen, y algunos productos incluso superan el 90 por ciento de contenido de sólidos. El desafío para los fabricantes en el desarrollo de estos recubrimientos ha sido entregar un producto que se pueda aplicar fácilmente con equipos convencionales. Dado que los solventes reducen la viscosidad del recubrimiento en el contenedor y proporcionan las características de aplicación óptimas, encontrar una manera de mantener la aplicación convencional y minimizar el uso de solventes presenta un desafío adicional durante el desarrollo de estos productos. Utilizando materias primas únicas, que incluyen polímeros con un peso molecular más bajo y solventes más eficientes, se logran fácilmente formulaciones con viscosidades estándar y propiedades similares a las de las tecnologías convencionales.

Los avances en la tecnología de polímeros han impulsado el desarrollo de recubrimientos con alto contenido de sólidos. La investigación y el desarrollo continuos han llevado a nuevos polímeros que actúan como solventes y como aglomerantes. El uso de estos polímeros en formulaciones con alto contenido de sólidos reduce el peso molecular y/o la viscosidad del recubrimiento, lo cual resulta en una mejor retención de brillo, flujo y nivelación, así como adhesión. De hecho, los recubrimientos actuales con alto contenido de sólidos pueden brindar las mismas o mejores características de rendimiento que sus equivalentes convencionales de alta calidad y bajo contenido de sólidos.

El desarrollo de nuevas tecnologías de reticulación también ha conducido a mejoras en los recubrimientos con alto contenido de sólidos. Usados con frecuencia en condiciones donde se espera que curen a pesar de un entorno desafiante, los recubrimientos con alto contenido de sólidos también se requieren para brindar características de alto rendimiento. Se han desarrollado tecnologías de reticulación que maximizan el rendimiento de los polímeros al tiempo que reducen la viscosidad inicial, lo cual facilita su aplicación. La combinación de reticuladores de melamina con alto contenido de sólidos y poliésteres con alto contenido de sólidos para crear recubrimientos atractivos para electrodomésticos, muebles de oficina y equipos recreativos, son un gran ejemplo de la tecnología de reticulación en operación. Además de crear una amplia gama de acabados atractivos y altamente duraderos, los fabricantes han utilizado combinaciones de reticuladores y polímeros para aplicaciones más especializadas, como lo son recubrimientos que curan a temperatura ambiente o con sistemas de energía UV/EB que son ideales para sustratos como madera y plásticos. La industria se está acercando a su objetivo de crear formulaciones 100 por ciento sólidas que puedan curarse con los sistemas convencionales de horneado.

Durante muchos años, los recubrimientos a base de agua se consideraron una opción de recubrimiento inferior en comparación con las opciones a base de solventes porque no proporcionaban las mismas características de rendimiento duraderas y tenían diferentes necesidades de tiempo de secado. Pero el mayor interés del consumidor y el crecimiento de las regulaciones gubernamentales han impulsado mejoras tecnológicas en los acabados a base de agua, creando opciones de productos que son en muchos aspectos iguales o, en algunos casos, mejores que los acabados a base de solventes.

Los recubrimientos a base de agua obtienen sus características de rendimiento en parte de materias primas con diseño más sofisticado, como lo son los polímeros sintéticos que se usan en combinación con aditivos que le dan al recubrimiento un tiempo de secado más rápido y una excelente adhesión a los sustratos. Desde las resinas hasta las combinaciones de materias primas, la tecnología para el acabado al agua ha mejorado, y los fabricantes han puesto más recursos en la creación de este tipo de opciones de recubrimientos para los acabados. Los recubrimientos a base de agua se pueden aplicar a toda la gama de sustratos (madera, metal, vidrio, mampostería y plástico) utilizando la mayoría de los tipos de equipos de aplicación, incluido el recubrimiento por pulverización, inmersión o flujo. Algunos recubrimientos a base de agua se secan al aire, mientras que otros requieren cocción para curar.

Las opciones de acabado a base de agua ofrecen la ventaja significativa de un COV más bajo. Con la mayoría de los recubrimientos a base de agua presentando niveles de COV muy por debajo de los niveles de 2.0 lb/gal y cero CPA, estas formulaciones brindan la flexibilidad que necesitan los profesionales del acabado para satisfacer los cambiantes requerimientos de las regulaciones y de los consumidores. Las ventajas adicionales de los acabados a base de agua incluyen menores costos relacionados con la reducción y limpieza, mejor ambiente de trabajo con menor olor y potencial reducción de los costos de seguros.

Los recubrimientos a base de agua vienen en diferentes tipos de formulaciones que contienen uno de los tres tipos de tecnologías de resinas poliméricas: reducibles en agua, solubilizadas en agua y emulsión de agua. Dado que estos polímeros tienen diferencias significativas, cada uno proporciona su propio conjunto específico de características al producto terminado.

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