Fundamentos del recubrimiento con polvo

El recubrimiento con polvo es un proceso de acabado en seco, empleado para aplicar un material de recubrimiento seco. Dicho material está compuesto por partículas finas de resina y pigmento para dar color, junto con otros aditivos que cumplen funciones específicas, tales como brillo y dureza. El recubrimiento de polvo seco se envía a una punta de pistola de spray que está equipada con un electrodo para proporcionar una carga electrostática al polvo a medida que pasa a través de un área cargada en la punta de la pistola. Las partículas de polvo cargadas son entonces atraídas a una parte que se encuentra puesta a tierra, de manera que dichas partículas son retenidas allí por atracción electrostática, hasta que se funden formando un recubri­miento uniforme en un horno de curado.

Desde su introducción, hace más de cuarenta años, el recubrimiento con polvo ha ganado popularidad, usado actualmente por muchos fabricantes de electrodomés­ticos comunes y productos industriales. En Norteamérica, se estima que más de 5,000 compañías de acabado aplican polvo para obtener acabados durables y de alta calidad en una amplia gama de productos. Los acabados recubiertos con polvo resisten rasguños, corro­sión, abrasión, químicos y detergentes, y el proceso puede reducir costos, mejorar la efi­­cien­­cia y facilitar el cumplimiento de regulaciones ambientales.

Debido a que los materiales del recubrimiento en polvo no contienen solventes, el proceso emite a la atmósfera compuestos orgánicos volátiles (VOC, por su sigla en inglés) que pueden considerarse insigni­ficantes, si no nulos. Tampoco requieren ventilación, filtrado o sistemas de recuperación del solvente en el área de aplicación, como sí ocurre en el caso de ope­­raciones de acabado líquido. El aire de escape de la cabina del polvo puede ser retornado de manera segura al cuarto de recubrimiento y, por lo tanto, del horno sale al ambiente exterior menos aire, haciendo del recubrimiento con polvo una alternativa de acabado segura y limpia, a la vez que ahorra una considerable cantidad de energía y costos.

En teoría, el 100% del polvo sobreatomizado puede ser recuperado y reutilizado. Incluso con algunas pérdidas en los filtros de los sistemas de colección y en los ganchos para las partes, la utilización del polvo puede ser muy elevada. El polvo sobreatomizado puede ser recolectado mediante una unidad de recuperación que cuenta con una tolva de alimentación, para recirculación a través del sistema. El desperdicio resultante puede ser eliminado de manera fácil y económica.

Los recubrimientos con polvo no requieren de tiempos de secado de aire o de evaporación. Las partes pueden ser organizadas en estantes, más cerca entre sí que en el caso de algunos sistemas de recubrimiento líquido, y más partes pueden ser recubiertas automáticamente. Es muy difícil que el recubrimiento de polvo se ruede, gotee o se caiga, obteniendo por ende tasas de rechazo significativamente menores, debidas a problemas de apariencia.

Las operaciones de recubrimientos con polvo requieren un entrenamiento del operador y supervisión mínimos, en comparación con otras tecnologías de recubrimiento. Los empleados suelen preferir trabajar con polvo seco en lugar de pinturas líquidas, y los problemas de manteni­miento y la contaminación de la ropa se mantienen al mínimo. Igualmente, es más fácil el cumplimiento con las regulaciones gubernamentales, ahorrando tiempo y dinero. De manera resumida, el recubrimiento con polvo puede brindar economía, eficiencia, ahorro de energía, cumpli­miento con legislación ambiental y excelente acabado.

Existen dos tipos de recubrimientos con polvo: termoplásticos y de polímero termoestable. Los polvos termoplás­ticos se derriten y fluyen cuando se les aplica calor, pero mantienen la misma composición química una vez se enfrían y solidifican. Los recubrimientos con polvos de polímero termoestable también se derriten al ser expuestos al calor, pero en éstos las cadenas de polímeros se entrelazan internamente o con otros componentes reactivos. El recubri­miento curado tiene una estructura química diferente a la de la resina básica. Los recubrimientos con polvos poliméricos son estables al calor y, a diferencia de los termoplásticos, no vuelven a la fase líquida cuando son recalentados. Estos polvos poliméricos también pueden ser aplicados por ato­­mización, desarrollando películas más finas con mejor apa­­riencia que la de algunos polvos termoplásticos.

El principal motor en el desarrollo de materiales para recubrimientos con polvo fue la búsqueda de una alternativa a las pinturas cargadas de solvente, amigable con el ambiente. Al buscar un recubrimiento atomizable y bajo en VOC, el Doctor Pieter G. de Lange, de Holanda, desarrolló el proceso de derretimiento de compuestos en una mezcladora tipo Z-Blade. Este proceso hizo del material del recubri­miento con polvo mucho más consistente y ofreció la posibilidad de disponer de productos termoestables con capa más delgada, más competi­tivos frente a los recubrimientos líquidos. En 1960, De Lange también desarrolló el método de aplicación de atomizador electrostático para polvo termoestable. Usando una adición de aire comprimido al polvo seco, para fluidificar el material, él consiguió atomizar el recubrimiento y suministrar una pelí­cula decorativa. El proceso fue introducido en Estados Unidos en los años 60 y, rápidamente, creció durante los siguientes 30 años.

Pretratamiento del polvo

El primer paso en el proceso de recubrimiento con polvo es preparar o pretratar las partes. El producto por recubrir es sometido a operaciones de limpieza y pretratamiento para asegurar que las superficies que van a ser recubier­­tas estén limpias y libres de grasa, polvo, aceites, óxido y otros contaminantes. Normalmente, el pretratamiento químico tiene lugar en una serie de cámaras de atomiza­ción. En primer lugar, las partes son limpiadas usando un limpia­dor alcalino, ácido o neutral. En muchos casos, la parte recibe un tratamiento superficial con un recubri­miento de conversión de hierro o fosfato de zinc, o con un recubrimiento de conversión de metal transicional, como lo es un producto con óxido de circonio. Cada etapa es típicamente separada por una estación de enjuague para remover residuos químicos. Los sistemas de atomización permiten el pretratamiento de una amplia variedad de tamaños de parte y configuraciones; para algunas aplicaciones, se pueden utilizar tanques de inmersión en lugar del spray.

La selección del proceso de pretratamiento específico depende de las características del recubrimiento y de los materiales de sustrato, así como del uso final del producto que se está recubriendo. Los pretratamientos más frecuentemente usados en el recubrimiento con polvo son el fosfato de hierro para acero, fosfato de zinc para substratos galvanizados o de acero, y fosfato de cromo o tratamientos sin cromo para substratos de aluminio. Además de los tradicionales procesos con fosfato, ha surgido un nuevo grupo de tecnologías que usan metales de transición, materiales organometálicos y otras alternativas. Esos recubrimientos por conversión opcio­nales pueden ser aplicados con poco o incluso sin calor, y son menos tendientes a la acumulación de lodo en el baño de pretratamiento que en las tradicionales formulaciones de fosfato de hierro o zinc. El resultado: mayores eficiencias de operación en términos de disminución de costos de energía, menos uso de espacio y reducción de la necesidad de disposición de residuos. Otros avances incluyen sistemas de sellado sin cromo, los cuales pueden dar una mejorada protección contra la corrosión al acero, acero galvanizado y aleaciones de aluminio. 

Los productos de pretratamiento con secado en sitio, como un enjuague de sellado sobre un fosfato de metal alcalino, pueden reducir el número de etapas requeridas antes de la aplicación del recubrimiento con polvo. Los tratamientos de secado en sitio con cromo son efectivos en múltiples sustratos metálicos y podrían ser el único pretratamiento requerido en algunas aplicaciones. Las tecnologías sin cromo también son comúnmente usadas. Los tratamientos de aluminio sin cromo se han vuelto muy populares con el paso del tiempo, con excelentes propiedades de desempeño.

Una vez se completa el proceso de pretratamiento químico, las partes son secadas en un horno de baja temperatura de secado. Entonces, el producto queda listo para ser recubierto.

Un pretratamiento mecánico, como el granallado, puede ser usado para múltiples aplicaciones funcionales. Con este método se utiliza aire a alta velocidad, el cual conduce arena, gravilla o abrasivo de acero hacia el sustrato, desa­rrollando un perfil de anclaje en la parte, el cual mejora la adhesión del recubrimiento de polvo al sustrato. La limpieza mecánica es particularmente útil para remover contaminan­­tes inorgánicos, con óxidos, cascarilla de laminación y óxido de láser.

El granallado puede ser empleado solo o en conjunto con un tratamiento químico. La operación de granallado crea una superficie propicia para adherencia, pero no aporta ninguna protección contra la corrosión adicional. En muchos casos, la superficie granallada se recubre primero con una imprimación adecuada para agregar protección contra la corrosión adicional para superficies de solo granallado. La imprimación se puede mejorar aún más usando un material que contenga zinc.

Aplicación del polvo 

La forma más común de aplicar el material de recubrimiento con polvo es usando un atomizador con un sistema de suministro de polvo y una pistola de spray electrostática. También se utiliza una cabina de atomización con un sistema de recuperación de polvo, con el propósito de encerrar el proceso de aplicación y de recolectar cualquier polvo sobreatomizado.

El sistema de entrega de polvo está conformado por un contenedor de almacenamiento o una tolva de alimentación, y un dispositivo de bombeo que transporta una mezcla de polvo y aire dentro de mangueras o tubos de alimenta­ción. Algunas tolvas de alimentación vibran para ayudar a prevenir atasco o aglutinamiento del polvo antes de que este ingrese a las líneas de transporte.

Las pistolas de atomización de polvo electrostático condu­cen el flujo del mismo. Estas pistolas utilizan boquillas que controlan el patrón de tamaño, forma y densidad de atomi­zación cuando el polvo sale de la pistola. Ésta también carga el polvo que se atomiza y controla la rata de deposición y la localización del polvo en el objetivo. Las pistolas de spray también pueden funcionar en modo manual (sostenidas con la mano) o automático (montadas en un soporte fijo, en un reciprocador o en otro dispositivo que les proporcione movimiento). La carga aplicada a las partículas de polvo las potencia para envolver la parte y depositarse sobre superficies del producto que no estén directamente en la trayectoria de la pistola.

Las pistolas de carga Corona, las más utilizadas, generan un campo electrostático de alto voltaje y bajo amperaje entre el electrodo y el producto que se está recubriendo. Las partículas de polvo que pasan a través del campo electrostático ionizado en la punta del electrodo quedan cargadas y se depositan en la superficie de la parte, la cual se encuentra conectada a tierra.

Un mecanismo alternativo de carga es la pistola de carga Tribo, en la cual las partículas de polvo reciben su carga electrostática por fricción. Ésta ocurre cuando las partí­culas frotan un aislante o conductor dentro de la pistola. El aislador elimina los electrones del polvo, produciendo partículas de polvo con carga positiva.

El polvo también puede ser aplicado mediante un dispositivo denominado campana o atomizador rotativo. Las campanas de polvo utilizan una turbina que rota dentro de un cabezal de campana de polvo cerrado. El polvo llega a la cabeza de la campana y se propaga en un patrón circular por fuerza centrífuga. El polvo pasa a través de un campo eléctrico entre el cabezal de la campana o un electrodo montado externamente y entonces queda cargado. La campana de polvo ofrece una elevada eficiencia de carga y eficiencia de transferencia. El amplio patrón de la campana es muy ade­­cuado para recubrir partes grandes.

El uso de osciladores, reciprocadores y robots para con­­trolar el equipo de atomización reduce costos de mano de obra y brinda un cubrimiento más consistente en muchas aplicaciones. El accionamiento de la pistola (encendiéndola o apagándola usando un dispositivo que puede detectar cuando las partes se encuentran correctamente posiciona­­das) contribuye a reducir la sobreatomización, lo cual resulta en menos uso de material y disminución de costos de mantenimiento.

Otros sistemas de aplicación de polvo

Además de la atomización con pistolas electrostáticas, los materiales de recubrimiento con polvo también pueden ser aplicados mediante un método de inmersión denominado cama fluidizada. Este método fue desarrollado por Edwin Gemmer para la aplicación de resinas termoplásticas, patentado en 1953.

En los recubrimientos por cama fluidizada, las partes son precalentadas a una temperatura entre 232.2°C y 260°C (450°F y 500°F, respectivamente), y son sumergidas en un tanque lleno con material en polvo que ha sido “fluidizado” por la adición de aire comprimido a través de membranas porosas dispuestas en el fondo del tanque. En algunos casos, el polvo es cargado electrostáticamente.

Otra opción es la aplicación de llama en spray, la cual es usada para aplicar polvos termoplásticos. El polvo es impulsado a través de la llama en una pistola de calor, utilizando aire comprimido. El calor de la llama derrite el polvo, eliminando la necesidad de horno.

Existe otro método de aplicación, denominado flocado en caliente. En este proceso, la parte a ser recubierta es pre­calentada, de manera que el polvo atomizado se consolida cuando entra en contacto con la superficie de la parte calien­te. El flocado en caliente es usado con frecuencia para aplicaciones funcionales de epóxico, puesto que éste forma una capa gruesa que ofrece un desempeño excepcional. Este sistema epóxico de adhesión por fusión (FBE, por su sigla en inglés) es frecuentemente usado para recubrir válvulas y tuberías que operan en condiciones extremas, como es el caso de campos y plataformas petroleras.

Cabinas de atomización de polvo

Las cabinas son diseñadas para contener de manera segura el polvo sobreatomizado. La entrada de la cabina, así como las aperturas de salida deben ser adecuadamente dimensionados para permitir espacio libre suficiente para los rangos de tamaño de las partes a ser recubiertas, y los flujos de aire a través de la cabina deben ser suficientes para canalizar todo el material sobreatomizado hacia el sistema de recuperación, pero no tan fuertes que afecten la deposición de polvo y la retención del mismo en la parte.

Algunas cabinas son diseñadas para operaciones de producción por lotes limitada, y otras cabinas que son grandes, diseñadas para operaciones voluminosas, en las que las partes son transportadas en algún tipo de ganchos. Las cabinas por lotes son empleadas para recubrir partes individualmente o grupos de partes que cuelgan de un solo gancho, estante o carro. Las cabinas con sistemas de transporte permiten realizar un recubrimiento continuo de partes colgando de un transportador elevado, para operaciones de producción media y alta.

Las cabinas con cadenas en el borde son diseñadas para ser usadas con un transportador invertido, que incluyen husos o cargadores para sostener las partes. Las partes giran en los husillos a medida que estas pasan por las pistolas de polvo estacionarias.

Las cabinas de línea plana y los sistemas de transporte son utilizados para recubrimientos de láminas de metal por un solo lado, y para partes similares de espesor mínimo. Estas cabinas usan un transportador horizontal que pasa a través de la cabina de polvo, cargando la parte a recubrir en su superficie.

Los sistemas de polvo debidamente diseñados, operados y mantenidos pueden permitir cambios de color desde un color de recuperación a otro color de recuperación, en un tiempo de 45 a 15 minutos. Para cambios de colores que no recuperan el sobreatomizado, el tiempo de cambio de color puede ser reducido a unos pocos minutos para sistemas automatizados, y hasta menos de un minuto para sistemas manuales. Una cabina de polvo puede incluir características especiales que facilitan cambios de color, como paredes no conductoras que no atraen polvo, paredes curvadas de la cabina que dificul­­tan la acumulación de polvo en las esquinas, o barredoras automáticas que cepillan las partidas de polvo en el suelo y dentro de los sistemas de recuperación.

Los cambios rápidos de color también pueden ser facilita­­dos usando boquillas de soplado ajustadas en cada cañón de pistola y conexiones fácilmente cambiables en la parte de atrás de la pistola, fuera de la cabina. Las pistolas pueden tener el exterior de los cañones soplados automáticamente, y también emplean un sistema de automático de purga para el interior de las mangueras y los cañones de las pistolas.

Los sistemas de recuperación de polvo utilizan módulos con filtros de cartucho o de ciclón, los cuales pueden ser dedica­­dos para cada color, así como removidos y reemplazados cuando se necesita un cambio de color. Los proveedores de estos equipos han hecho mejoras de diseño significativas en cabinas de atomización que pueden permitir, tanto un cambio de color rápido con un tiempo mínimo de inactividad, como una elevada recuperación del sobreatomizado. El uso de una adecuada tecnología de recuperación puede incrementar la utilización del polvo. La decisión de recuperar o no polvo para ser reutilizado, depende del valor del polvo que está siendo sobreatomizado, en comparación con el tiempo y costos asociados al proceso de recuperación. En el caso de un polvo costoso para uso prolongado, este puede ser muy económico de ejecutar un tiempo de cambio de color de 15 minutos o más. Pero en el caso de un polvo de corta duración o de bajo valor, el tiempo puede que no se justifique.