Continuamos en esta segunda parte el análisis sobre sistema pigmentario, los polímeros de dispersión y la relación entre ambos, con la meta de poner en evidencia particularidades obvias pero no siempre comprendidas.
por Jordi Calvo Carbonell*
En la primera parte de este artículo se habló sobre cómo se obtienen los polímeros en pinturas y qué tipo de características tienen los más utilizados en nuestro sector. Además se explicó en modo general la forma como se produce la coalescencia.
Ahora se tratará el tema de la coalescencia en presencia de partículas sólidas.
El sistema pigmentario formado por pigmentos y cargas constituyen en el film de pintura un entramado de partículas sólidas de tamaño muy variable. El tamaño de partícula del bióxido de titanio es de aproximadamente 0,2 micras mientras las cargas pueden oscilar entre las 2 y las 20 micras en el caso del carbonato cálcico. Para facilitar la exposición nos ceñiremos a esos dos componentes obviando otros de forma laminar como el talco, el caolín o la mica.
Cuando se dice que un carbonato cálcico tiene un tamaño de partícula de 10 micras se está indicando que este es el tamaño de corte de la partícula, la realidad es que las partículas de esta carga tienen una distribución gaussiana en la que mayoritariamente el tamaño de partícula es cercano a las 10 micras sin embargo hay una parte importante de partículas de tamaño inferior.
El tamaño de partícula de las dispersiones poliméricas es de 0,05 a 0,8 micras siendo representadas también por una campana de Gauss ya que existe una distribución del tamaño de partícula alrededor del valor nominal.
Durante el proceso de fabricación y almacenaje las partículas de polímero, dentro de sus micelas, tienden a adherirse sobre las partículas del sistema pigmentario debido a las características propias de los tensoactivos, en la micela los terminales lipófilos se orientan hacia el centro entrando en contacto con el polímero mientras que los terminales hidrófilos quedan en el exterior y tienden a unirse con las partículas del sistema pigmentario. Esto conlleva que en una pintura, de PVC < CPVC (1), las partículas de dispersión envuelven a las partículas de pigmento y parte de ellas quedan suspendidas en el medio continuo, el agua.
En la fig.-4 se puede ver lo expuesto hasta ahora. Un sistema pigmentario heterogéneo en cuanto a tamaño de partícula y la disposición de las partículas de dispersión polimérica.
Fig.-4 Distribución del pigmento y polímero en la pintura
Conforme avanza el proceso de evaporación del medio continuo, agua, las partículas se acercan unas a otras, ver Fig.-5, de forma que cuando el PVC (Pigment Volume Concentratión) es igual o inferior al CPVC (Critical Pigment Volume Concentration) el pigmento está envuelto en partículas de dispersión polimérica e incluso algunas de estas están distribuidas en el medio continuo sin tener contacto con las demás.
Fig.-5 Estado de las partículas justo antes del inicio de la coalescencia.
Al entrar en contacto las partículas de dispersión se deforman, tanto como les permite el ablandamiento producido por el coalescente o por el espesor de polímero blando en el caso de polímeros Core-Shell o secuenciales, esto produce un acercamiento entre las partículas de pigmento y la formación de un film de polímero a su alrededor, ver fig.-6.
Fig.-6 Film de polímero perfectamente coalescido alrededor de las partículas de pigmento.
Conforme se produce la evaporación del agua contenida en el film, las partículas de polímero que no están adheridas a las de pigmento tienden a coalescer entre sí antes de entrar en contacto con aquellas, el efecto de vacío succiona hacia el interior de los huecos las partículas sueltas, o los agregados de estas, lo cual produce un colmatado de los huecos con la posibilidad de dejar espacios vacíos en el interior del film. Esta posibilidad es tanto más probable cuanto más duro es el núcleo de la partícula, por lo visto en el apartado anterior la facilidad de penetración es superior en los polímeros blandos o secuenciales.
El tamaño de partícula del sistema pigmentario, su efecto sobre el PVCC
En la actualidad existe una cierta tendencia a la utilización de cargas de tamaño fino con objeto de obtener un poder de cubrición en seco superior, ahorrando de esta forma bióxido de titanio. La pregunta que surge es ¿hasta qué punto se puede abusar de esta medida? Y ¿Como afecta esto al PVCC?
En la tabla 1 se exponen los CPVC's calculados a partir del Índice de absorción de aceite (OAI por sus siglas anglosajonas) de carbonatos cálcicos con tamaños de corte de 20, 10 y 3 micras respectivamente.
Tabla-1 Comparación del PVCC según el tamaño de partícula.
Se observa de forma clara que conforme se reduce el tamaño de partícula del sistema pigmentario se reduce el valor del CPVC con las consecuencias que esto conlleva: Perdida de frote húmedo, mud-cracking, excesiva permeabilidad al agua, problemas de color en el parcheado, resistencia al exterior, etc.
De lo expuesto se llega a la conclusión de que cuanto mayor es el tamaño de partícula del sistema pigmentario mayor es el valor el CPVC debido a la menor necesidad de ligante para recubrir todas las partículas de pigmento.
Notas finales
En la formulación de pinturas de hogar y obra a base de polímeros en dispersión sean estas para interiores o exteriores deberá tenerse muy en cuenta el valor del CPVC tanto desde el punto de vista de las prestaciones como del económico.
En pinturas para exteriores el PVC de la pintura debe situarse en valores cercanos al CPVC con el objeto de asegurar la impermeabilidad de la película de pintura a fin de proteger el sustrato y evitar la penetración de agua a través de la misma. con este objetivo y el de obtener un balance económico adecuado es preferible que el PVC este entre 5 y 10 puntos por encima del PVCC con objeto de que el polímero forme un film continuo capaz de producir la impermeabilización y a su vez evitar los problemas de mud-craking que se producen en el CPVC.
En pinturas para interiores el PVC debe ser tan alto como permitan las prestaciones que deba cumplir la pintura de forma que se cumplan los requisitos de lavabilidad y de aceptación de pastas colorantes, estas prestaciones son tanto menores cuanto más elevado sea el PVC respecto al CPVC.
De forma general, como se ha visto en el apartado anterior el valor del CPVC menor cuando disminuye el tamaño de partícula del sistema pigmentario y por tanto la capacidad de aceptación de material de carga será inferior, esto nos lleva a la conclusión de que el tamaño de partícula del sistema pigmentario debe ser tan elevado como permita la calidad de la pintura que se desea formular con el fin de obtener buenos resultados técnicos.
En cuanto a la elección del polímero se ha visto que cuanto más delgada es la capa de polímero seco obtenido mayor es su capacidad de extensión y por tanto se precisa menor cantidad de polímero para recubrir las partículas de pigmento produciendo de esta forma un film continuo de ligante a pesar de no llenar todos los huecos entre partículas y por tanto asegurar la impermeabilidad del film. En el libro "Manual de pinturas y recubrimientos plásticos" de Enrique Schweigger se hace referencia un estudio de Holzinger presentado en el libro XI del congreso Fatipec 143 (1972) en el que se indica la variación del CPVC en función del tipo de ligante utilizado, según este trabajo el CPVC en una pintura basada en un polímero de acrilato de butilo-estireno se sitúa en el 68% mientras que la misma formulación utilizando un polímero de acetato de vinilo-acrilato de butilo muestra un CPVC del 63%. esto confirma la importancia del tamaño de partícula de las dispersiones poliméricas ya que en el primer caso el tamaño de partícula se sitúa en 0,07 micras y en el segundo en 0,3 micras.
La combinación de ambos conceptos nos llevaría a formular con un sistema pigmentario formado por cargas de 10 a 20 micras de tamaño de corte y con polímeros de pequeño tamaño de partícula con el fin de obtener las mejores características.
La misión del técnico está ahora en optimizar ambas variables utilizando cargas de tamaño adecuado que aporten suficiente poder cubriente pero que aumenten mínimamente el valor del CPVC y polímeros de pequeño tamaño de partícula de forma que se precise la mínima cantidad para envolver la totalidad del sistema pigmentario. La elección de unas y otras forma parte del trabajo del técnico formulador que deberá elegir entre dispersiones convencionales, core-shell o secuenciales en función de los objetivos requeridos.
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1 Se utilizan las siglas anglosajonas por ser las más ampliamente difundidas.
* Jordi Calvo Carbonell es Ingeniero Químico y puede ser contactado al correo electrónico [email protected]
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