Análisis de un concepto novedoso en formulación que vienen ganando terreno dentro del sector de los recubrimientos.
por Ing. Orietta León*
Hace dos décadas se desarrollo un nuevo y revolucionario concepto sobre recubrimientos autoestratificantes, basado en la incompatibilidad termodinámica de las mezclas poliméricas, lo cual, permite la formación en un solo paso de multicapas complejas o estructuras gradientes de recubrimientos. Durante el proceso de formación de la película, el recubrimiento se separa espontáneamente dentro de dos capas continuas funcionalmente adherentes para formar un recubrimiento estratificado termodinámicamente estable [1].
El mecanismo de autoestratificación se fundamenta en las fuerzas intermoleculares que permiten la separación de fases y la formación de una estructura polimérica heterofásica a través de un proceso de difusión. Estas fuerzas, sin embargo, no pueden orientar la separación de fases en una dirección asignada. Así, el aglutinante necesita una fuerza conductora para su separación, la cual puede ser un gradiente de tensión, una humectación selectiva del sustrato, fuerzas de contracción, entre otras [2].
Los sistemas recubiertos, tradicionalmente, están compuestos de diferentes capas, cada una cumple una función específica. Un sistema típico de tres capas consiste de una primera capa interna, una última capa externa y una capa intermedia. La capa interna tiene como objetivo proteger el material contra la corrosión y mejorar la adhesión del recubrimiento al sustrato. La capa externa, por su parte, provee el aspecto estético, la durabilidad y resistencia química. La capa intermedia depende de las propiedades deseadas del recubrimiento y su composición es acorde con ello [3].
Los sistemas multicapas requieren formulaciones complejas por cada capa, períodos prolongados de aplicación y procesos de curado. Esto no siempre se adapta a las restricciones industriales, producen desechos ambientales y uso excesivo de energía. Los recubrimientos autoestratificantes vienen a superar estas desventajas, este concepto, económico y eficiente, busca reducir el número de capaz mientras provee un recubrimiento con igual o mejor desempeño que los sistemas tradicionales [1].
Funke y col., [4,5] aplicaron una mezcla de dos polímeros en polvo sobre una superficie metálica y trataron de minimizar la energía libre interfacial calentando ambos polímeros por encima de su temperatura de fusión. De estos resultados se definieron formulaciones específicas de recubrimientos autoestratificantes que fueron patentadas []. Posteriormente, el concepto de recubrimientos autoestratificantes fue aplicado a pinturas base solvente [2] y base agua [9] con el uso de procesos selectivos de coagulación, electrodeposición, humectación del sustrato o penetración para crear fuerzas conductoras específicas para la autoestratificación.
Los recubrimientos autoestratificantes han sido desarrollados para aplicaciones en automóviles [6], recubrimientos autocurantes [10], recubrimientos base solvente resistentes a la corrosión o resistentes al medio ambiente [8], recubrimientos base agua [7], entre otros.
Como es sabido, un recubrimiento se formula con una mezcla de distintos compuestos químicos que se categorizan en aglutinantes, solventes, pigmentos y aditivos. El aglutinante forma la película continua que permite la adhesión al sustrato, como aglutinantes en formulaciones de recubrimientos autoestratificantes se han empleado mezclas binarias, incluyendo o no agentes de curado; como capa interna se prefieren las resinas epóxicas mientras que como capa externa se seleccionan resinas acrílicas, poliésteres, poliuretanos, vinilicos, fluoropolímeros, entre otros [11].
Ahora bien, los solventes son compuestos líquidos y volátiles empleados para ajustar la viscosidad del recubrimiento para una aplicación dada. Para la capa externa se opta por un solvente con una alta volatilidad y polaridad dada la alta energía superficial de la resina interna mientras que para la capa interna se prefiere un solvente con baja volatilidad y polaridad debido a la baja energía superficial de la resina externa. Independientemente de la capa donde serán aplicados pueden emplearse solventes puros o mezclas de distintos solventes. Los solventes, generalmente, se seleccionan de manera que satisfagan los requisitos de solubilidad de las resinas y tomando en cuenta sus respectivos parámetros de solubilidad de Hansen [10,12].
Por su parte, los pigmentos son partículas sólidas insolubles que imparten, entre otras cosas, el color al revestimiento. Sus propiedades de absorción también como su tamaño de partícula y su afinidad al medio son importantes para el recubrimiento. Si el sistema está pigmentado, el grado de separación de fases es igual o incluso mejor que aquellos sistemas de recubrimientos libres de pigmentos. Normalmente, solo se adiciona un pigmento, preferentemente, el dióxido de titanio (TiO2), si se agrega más pigmentos estos pueden ser oxido de hierro rojo, oxido de cromo y fosfato de zinc, debido a que no influyen en el proceso de estratificación [11].
Los aditivos, tales como estabilizadores, modificadores de flujo, entre otros, se agregan a la formulación para dar propiedades deseadas al recubrimiento. Para los recubrimientos autoestratificantes se utilizan con frecuencia promotores de adhesión que promueven la interacción entre la resina del medio disperso y el pigmento, lo que, previene un posible intercambio de pigmentos entre las dos fases. Particularmente, se usa un agente de acoplamiento basado en silano, el amino propil trietoxi silano, AMEO [10].
La interfase sustrato-película es fundamental en los sistemas autoestratificados, por lo que, debe seleccionar un sustrato adecuado. Entre los más usados se encuentran el acero, los plásticos, el vidrio y el aluminio.
* Ing. Orietta León - Fábrica de pinturas Pintumaxx – Colombia
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Referencias bibliográficas
1. V.V. Verkholantsev, M. Flavian, 1995. Epoxy thermoplastic heterophase and self-stratifying coatings, Mod. Paint Coat., 85, 100-106.
2. V.V. Verkholantsev, 1995. Heterophase and self stratifying polymer coating, Prog. Org. Coat., 26, 31-52.
3. C. Carr, S. Benjamin, D.J. Walbridge, 1995. Fluorinated resin inself-stratifying coatings, Eur. Coat. J., 4, 262-266.
4. W. Funke, 1976. Preparation and properties of paint films with special morphological structure, J. Oil Colour Chem. Assoc., 59, 398-403.
5. H. Murase, W. Funke, 1980. XVth FATIPEC Congress, Netherland Association of Coatings Technologists, Congress Book 2, Amsterdam, 387-409.
6. Kansai Paint Co., Ltd., 1980. UK Patent 1 570 540.
7. R. Berkau, M. Gailberger, T. Gruber, K. Holdik, G. Meichsner, F. Mezger, 2007. Coating composition for forming self-layering or self-coating lacquer systems, US Patent 7186772 B2.
8. W. Fang, 2012. Waterborne organic silicon-acrylic acid self-stratifying coating, CN Patent 101724326B.
9. I. Nikiforow, J. Adams, A.M. König, A. Langhoff, K. Pohl, A. Turshatov, D. Johannsmann, 2010. Self-stratification during film formation from latex blends driven by differences in collective diffusivity, Langmuir, 26, 13162-13167.
10. V.V. Verkholantsev, 1985. Nonhomogeneous-in-layer coatings, Prog. Org. Coat., 13, 71-96.
11. V.V. Verkholantsev, 2003. Self-stratifying coatings for industrial applications, Pigm. Resin Technol., 32, 300-306.
12. A. Toussaint, 1996. Self-stratifying coatings for plastic substrates (Brite euram project RI 1B 0246 C(H)), Prog. Org. Coat., 28, 183-195.
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