Un repaso para destacar algunas de las más importantes innovación en el uso de pigmentos inactivos.
por M.Sc. Ph.D. Julián A. Restrepo R.*
Me declaro un apasionado por el mundo de los recubrimientos, mundo que me fascinó desde hace casi 15 años cuando empezaba mi trabajo final de grado para obtener mi título como Ingeniero Químico: Vi todo un universo de posibilidades en el uso de tan diversa cantidad de materiales, sus múltiples combinaciones potenciales, sus funcionalidades, la posibilidad de recurrir a diversas disciplinas y técnicas de análisis, en fin. Desde dicho momento me cautivó y he tenido la fortuna de poder desempeñar mi carrera profesional en este campo.
También me declaro un apasionado por la historia, de hecho, tengo una colaboración anterior bajo el título: “Anécdotas de la historia de las pinturas” [1], pero siempre quise escribir un artículo que mostrara diversas ideas muy innovadoras que han aportado los fabricantes asociados al mundo de las pinturas y recubrimientos, y que permiten optimizar y maximizar la potencialidad de muchos de las materias primas empleadas en pinturas.
Este artículo pues, pretende discutir muy brevemente, algunas grandes ideas e innovaciones relacionadas con diversos pigmentos inactivos, inertes ó “cargas funcionales” (espesantes inorgánicos, exténderes de dióxido de titanio) empleadas en el sector de pinturas y recubrimientos y cuyos usos, en opinión del autor, constituyen ideas muy creativas e innovadoras, y en otros casos resuelven de una manera muy sencilla diversos problemas de formulación asociados.
Pigmentos inactivos [2]
Los pigmentos inactivos son aquellos que “no tienen actividad óptica” en el recubrimiento, ya que por definición no proveen color y opacidad, pero que tienen un precio mucho más bajo que el de los pigmentos activos (como el asociado al dióxido de titanio y otros pigmentos orgánicos, por ejemplo), y se utilizan fundamentalmente para abaratar el costo de las pinturas. El nombre general empleado para designar el tipo de pigmentos que no proveen color es el de pigmentos inactivos, pigmentos inertes o simplemente cargas.
Pero a pesar de ser denominados sólo como cargas, mediante una selección cuidadosa de un tipo específico de pigmento inactivo, para cada tipo particular de recubrimiento, en algunos casos, se pueden mejorar ciertas propiedades de la misma. Esto es, la selección adecuada del pigmento inactivo en la etapa de formulación, puede mejorar diferentes propiedades, tales como la viscosidad, fluidez, reología, permeabilidad, dureza, lavabilidad y resistencia a la abrasión; así como favorecer convenientemente las condiciones de sedimentación en el envase durante el tiempo de almacenamiento, a fin de evitarla o reducirla al máximo. Ciertas cargas refuerzan mecánicamente la estructura de la película seca, mientras que otras aumentan su resistencia y en especial a la penetración de humedad a través de ésta.
En estos casos en que los pigmentos inactivos no solo se limitan a bajar el costo de las pinturas, sino que además proveen efectos y propiedades adicionales, se denominan “cargas funcionales”; es decir, su función no se limita a reducir el costo de la pintura, sino a proveer propiedades benéficas adicionales a ésta.
Tal es el caso de los exténderes, como sustituto parcial del pigmento activo. Pero hay otra serie de cargas funcionales (en algunos casos considerados como aditivos, acorde con la dosis empleada), tales como algunos agentes reológicos y antidecantantes (bentonitas y hectoritas, como se discutirá más adelante), agentes mateantes (sílices), inhibidores de corrosión (fosfatos, hidroxifosfitos, fosfosilicatos), entre otros; pero el costo de estas cargas funcionales es, en muchos casos, superior al de los pigmentos activos; es decir, aunque no proveen color, proveen otras ventajas que son muy apreciadas por los formuladores y para las cuales difícilmente son superados por otros materiales.
Innovaciones en el uso de pigmentos inactivos
A continuación presentaré y discutiré brevemente un corto listado de pigmentos inactivos empleados en la industria de pinturas y recubrimientos, en algunos casos, desde hace ya muchos años, pero en donde, en realidad, el técnico formulador de recubrimientos desconoce que para poderlos usar se han resuelto diversos y difíciles problemas de producción o de formulación asociados, o que con su uso, se resuelven muchos problemas.
1. Modificadores reológicos, tipo Bentonas: Las Bentonas comerciales actuales, denominadas comúnmente Bentonitas ó espesantes bentoníticos, son una gama de modificadores reológicos usados tanto en sistemas base solvente como sistemas acuosos y empleados para modificar reologicamente una pintura: para aumentar o aportar tixotropía, como agentes antisedimentantes, para disminuir el salpique, espesar o aumentar la consistencia del producto.
Las Bentonas se obtienen a través de la modificación química de Bentonas naturales, las cuales provienen de arcillas (rocas de origen volcánico y rocas piroclásticas) [3], de tamaño de partícula muy fino (coloidal), siendo parte de la familia de las esmectitas, montmorillonitas, hectoritas, sepiolitas, atapulguitas, entre otras. Su nombre proviene de un yacimiento que se encuentra en Fort Benton, Estados Unidos [4]. De manera natural, este tipo de arcillas tienen la propiedad de absorber una gran cantidad de agua e hincharse, reteniéndola.
El objetivo de tratar químicamente las Bentonas (al modificarlas orgánicamente, empleando sales de amonio cuaternario), es brindar una polaridad y alta compatibilidad en medios orgánicos. Se resalta aquí, el hecho de que se ha logrado que la Bentona que antes absorbía agua y se hinchaba con ella, ahora absorbe e hincha con disolventes (sean aromáticos o alifaticos, esto dependiendo del tipo de sal cuaternaria empleada). Ejemplos comerciales se tienen en la marca Bentone® de Elementis Specialties.
El tema es que este tipo de materiales han sido muy estudiados, encontrándose, además, interesantes propiedades asociadas:
a) Uso de activadores polares en sistemas base solvente: El agua es un enemigo para la mayoría de los sistemas base solvente, ya que puede ocasionar defectos superficiales como cráter, poros, puntos de alfiler (pin-hole), burbujas, brillo no uniforme, velados, entre otros, pero en el caso de las Bentonas para aplicaciones base solvente, los fabricantes encontraron que la adición de una pequeña porción de lo que denominan un “activador polar”, que no es más que una mezcla de un solvente hidrocarbonado polar (ya sea un alcohol o acetona) con una pequeña porción de agua, mejora de manera importante el desempeño de dicha bentona, lo que se refleja en un aumento apreciable de la viscosidad hasta un punto óptimo, como se puede apreciar en la Figura 1. Esto sin afectar el desempeño del recubrimiento ni ocasionar defectos superficiales.
Figura 1. Desempeño de una Bentona como espesante en un sistema base solvente típico:
a) Curva roja: sistema bentonítico sin activador polar; b) Curva azul: sistema bentonítico adicionado con activador polar [Imágenes tomadas de la ref. 5].
b) Formación de pregeles en sistemas base solvente y base agua: Se ha encontrado que el desempeño de las Bentonas puede mejorarse apreciablemente mediante la fabricación de pregeles (producción de un concentrado de bentona ready-to-use): a) para el caso de sistemas base solvente, aprox. al 10%, incluyendo la adición del “activador polar”; b) para sistemas base agua, la concentración está entre 3-5%. Esto permite una completa incorporación y activación de la bentona, además de que al permanecer algún tiempo almacenado como producto intermedio para el proceso de fabricación, “se permite que el intermedio madure”, se humecte y active completamente, mejorando apreciablemente su desempeño, y permitiendo bajar costos, tiempo de fabricación y defectos en el producto (mayor homogeneidad).
c) Influencia del pH en sistemas acuosos: Los sistemas acuosos muestran ser más complejos que los sistemas base solvente, al ser, por ejemplo, sensibles al pH del medio. En la Figura 2 se aprecian diferentes referencias de Bentonas acuosas que muestran una viscosidad máxima a diferentes pHs.
Figura 2. Efecto del pH en la viscosidad final de diferentes pregeles de Bentonas acuosas (3% en peso, 50 rpm): a) Curva azul: Bentona no dependiente del pH (rango de uso, pH: 6-11); b) Curva roja: Bentona que muestra una viscosidad óptima a un pH = 5; c) Curva verde: Bentona que muestra una viscosidad óptima a un pH = 7.5; d) Curva violeta: Bentona que muestra un desempeño en aumento para pHs > 7 [Imágenes tomadas de la ref. 5].
Nota: En la segunda parte continuaremos desarrollando este artículo mencionando el uso de pigmentos tipo “Esferas Huecas” y el uso de Sílices Diatomáceas (diatomeas).
[1] a) Restrepo, J.A., “Anécdotas de la historia de las pinturas, parte I”. Inpralatina, Vol. 19, No. 2, mar/abr de 2014 págs. 16-20; b) Restrepo, J.A., “Anécdotas de la historia de las pinturas, parte II”. Inpralatina, Vol. 19, No. 3, may/jun de 2014 págs. 15-18; c) Restrepo, J.A., “Anécdotas de la historia de las pinturas, parte III”. Inpralatina, Vol. 19, No. 4, jul/ago de 2014 págs. 19-22.
[2] a) Restrepo, J.A., “Pigmentos inactivos en formulación. Parte I”. Inpralatina, Vol. 17, No. 1, ene/feb de 2012, págs. 21-25; b) Restrepo, J.A., “Pigmentos inactivos en formulación. Parte II”. Inpralatina, Vol. 17, No. 2, mar/abr de 2012, págs. 18-21; c) Correa, G. y Orrego, J., “Minerales son metálicos en la industria de recubrimientos”. Inpralatina, Vol. 4, No. 4, agosto/septiembre de 1999, págs. 20-26
[3] Karakaya, M.C.; Karakaya, N.; Bakır, S., “Some properties and potential applications of the Na- and Ca-bentonites of ordu (NE. Turkey)”. Applied Clay Science, 54 (2011), pp. 159-165
[4] https://es.wikipedia.org/wiki/Bentonita
[5] Rheology Handbook de la compañía Elementis Specialties, 2005.
* Julián A. Restrepo R. es Asesor y Consultor Técnico en Recubrimientos CoatingXPERTS. [email protected] Medellín, Colombia.
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