El autor señala los principales aspectos relacionados con la concentración crítica de pigmentos. Conzca las causas y consecuencias de este defecto en la formulación.por: Julián A. Restrepo.*
La concentración volumétrica del sistema pigmentario o la también denominada concentración de pigmento en volumen (PVC, de su acrónimo en inglés), ha demostrado tener un efecto muy significativo en el desempeño y propiedades físicas de los recubrimientos pigmentados.
El PVC está definido como la relación entre el volumen fraccional del sistema pigmentario en el recubrimiento seco (esto es, los sólidos en volumen de la pintura) y es expresado matemáticamente como:
(1) PVC= VP / VP + VR
Siendo:
VP: Volumen del sistema pigmentario del recubrimiento
VR: Volumen de los sólidos del ligante o resina
En este trabajo, se considera al sistema pigmentario como el conjunto de todos los pigmentos presentes en la pintura, esto es, pigmentos activos e inactivos (estos últimos, comúnmente denominados cargas).
El efecto del PVC en las propiedades de los recubrimientos pigmentados fue explicado conjuntamente por Walter Asbeck y Maurice Van Loo en 1949 [1], quienes demostraron que a medida que este contenido de pigmento aumenta, cambian las propiedades del recubrimiento hasta un punto critico en donde sufren un marcado cambio; así el PVC en donde ocurre este cambio se denomina el PVC crítico, concentración crítica de pigmento en volumen o simplemente CPVC (critical pigment volume concentration).
En español nos referimos al CPVC como CCPV (concentración crítica de pigmento en volumen), pero en el presente trabajo se han empleado los acrónimos en inglés para referirnos al PVC y CPVC, para evitar confusiones al lector y la introducción innecesaria de diferentes acrónimos para los mismos conceptos en español.
Debe mencionarse que, analizado como un parámetro de interacción entre el pigmento y el vehículo, también se tiene una definición teórica del CPVC, siendo interpretado como la condición física en donde hay justo la cantidad suficiente de polímero del recubrimiento para humectar y llenar completamente los espacios entre las partículas del sistema pigmentario.
En estudios posteriores, los investigadores Bierwagen y Hay dividieron las propiedades que se ven afectadas por el CPVC en tres grupos principales [2]:
a.Propiedades de transporte: Permeabilidad, lavabilidad, resistencia a la corrosión, ampollamiento, penetración en sustratos porosos y resistencia eléctrica. Todas éstas dependen del flujo de material o corriente eléctrica a través del recubrimiento.
b.Propiedades mecánicas: Flexibilidad, esfuerzo tensil, temperatura de transición vítrea (Tg), resistencia al frote en húmedo y resistencia al craqueo en frío (“cold crack”). Estas propiedades indican el grado de resistencia a las fuerzas externas y dependen del desempeño del ligante, el cual puede ser modificado por la adición de pigmento.
c.Propiedades ópticas: Brillo, opacidad y aceptación de tinte (“tint aceptance”). Todas estas son propiedades de la apariencia de la película seca.
En la figura 1 (Representación grafica de la variación de algunas de las propiedades de un recubrimiento con el PVC: en azul, el brillo; en marrón, tendencia al ampollamiento; en rojo, tendencia a la oxidación; en verde, la permeabilidad) se puede apreciar cómo cambian algunas de las propiedades de la película seca a medida que aumenta el PVC, observándose que los mayores cambios se obtienen a un mismo PVC, este punto se interpreta gráficamente como el PVC crítico [3].
La determinación experimental del CPVC requiere por tanto el registro de la variación de una propiedad de interés a medida que se aumenta el PVC, obteniéndose el PVC crítico como aquel en el que se presenta el punto de inflexión de la gráfica, que puede determinarse visualmente (de manera aproximada), o con más precisión matemáticamente, calculando la raíz de la derivada de segundo orden o trazando líneas tangentes a las curvas en las inmediaciones del valor del CPVC, siendo el punto de intersección de las mismas el PVC crítico.
Debe aclararse que la figura 1 está planteada con fines ilustrativos, ya que es una simplificación de los resultados experimentales que corrientemente se obtienen, debido al hecho de que dependiendo de la propiedad seleccionada para determinar la ubicación del CPVC, su método de medición y equipamiento, se puede obtener no un único valor, sino que en la práctica se obtienen valores con cada método de medición y propiedad escogida, pero normalmente deberán estar lo suficientemente cerca, de manera que si tenemos presente la desviación experimental de cada método empleado podríamos afirmar que hemos obtenido el CPVC en un único valor.
En este punto es importante resaltar que el CPVC es físicamente un punto y no una región, y el hecho de que erróneamente se considere como una zona es debido a lo discutido anteriormente, en donde el experimentador ,al observar que puede obtener diferentes CPVC's muy cercanos entre sí, está tentado a considerar que el CPVC corresponde a una región de variación del PVC.
Aunque el concepto del CPVC fue originalmente desarrollado para recubrimientos base disolvente, naturalmente su concepto aplica igualmente para sistemas en dispersión acuosa (pinturas en emulsión), aunque deben tenerse presente las diferencias particulares de cada uno de estos sistemas de recubrimientos: En el caso de las pinturas en emulsión el mecanismo por el cual una película húmeda evoluciona al estado seco es totalmente diferente al que presentan las pinturas base disolvente, y esto último hace necesario introducir un concepto modificado de CPVC para látices [4]. Por ello, el CPVC de las pinturas base agua es más precisamente referido como látex CPVC (LCPVC).
Algunos factores que afectan el CPVC
El CPVC de las pinturas base disolvente se ve afectado principalmente por las siguientes variables [1] (para un análisis de las variables consideradas en los sistemas acuosos se puede consultar las refs. [3-6]):
- El índice de absorción de aceite del sistema pigmentario
- El factor de empaquetamiento del sistema pigmentario
- El grado de dispersión del sistema pigmentario
- La dureza (Tg) y tipo de ligante empleado
- El tipo y la cantidad de aditivos presentes
El concepto del UPVC fue definido por Asbeck en 1977 [7], como el máximo valor que puede llegar a tener el CPVC en un recubrimiento pigmentado en función del grado de dispersión. En este grado de dispersión, CPVC = UPVC y si se aumenta dicho grado de dispersión el CPVC no cambiará más.
En su trabajo, Asbeck expresó el CPVC en función del grado de dispersión, considerando el tamaño promedio del aglomerado presente en la pintura, a través de la expresión:
(2) CPVC = UPVC - UPVC2 {1- d/D}3
Siendo,
d: Es la tamaño de partícula promedio del sistema pigmentario
D: Es el tamaño promedio del aglomerado.
La relación d/D se interpreta como el tamaño relativo del grado de aglomeración, así cuando D = d, no se tiene aglomeración y el término d/D = 1; mientras que en los casos que se presenta aglomeración dicho término será menor que 1.
Obsérvese en la figura 2 (Ejemplo de la variación del CPVC con el grado de dispersión del sistema pigmentario) que, a medida que aumenta el grado de dispersión aumenta el CPVC, hasta llegar al punto en donde se tiene la condición de “dispersión ideal” (d/D = 1), en donde el CPVC = UPVC, mientras que si no se presentara dispersión ideal el CPVC sería menor al valor del UPVC.Comentarios finales
El CPVC muestra ser un parámetro clave para la predicción e interpretación del desempeño de los recubrimientos, siendo considerada una de las variables más importantes a tener en cuenta cuando se formula cualquier recubrimiento pigmentado [8].
Cuando se tiene presente el valor del CPVC de la formulación con relación al valor del PVC, su adecuada proporción puede conducir a la formulación de recubrimientos pigmentados con excelentes prestaciones, por ejemplo en:
a) Pinturas arquitectónicas: Mejorar su cubrimiento, resistencia al frote en húmedo y flexibilidad, evitar la formación de grietas en la pintura durante el proceso de secado, penetración en sustratos porosos
b) Pinturas anticorrosivas: la formulación de pinturas menos permeables al agua (proveyendo una correcta protección del sustrato), con mayor efecto anticorrosivo, menor tendencia al ampollamiento, entre otras.
Así, conocer la ubicación del CPVC le permite al formulador desarrollar recubrimientos con un apreciable desempeño, y si además tenemos en cuenta el factor de impacto medioambiental, diremos que a partir de su análisis se pueden formular recubrimientos con una excelente relación costo/beneficio/impacto ambiental [9].
Referencias
[1] Asbeck, W.K. y Van Loo, M. “Critical pigment volume relationships”. Ind. Eng. Chem., Vol. 41, No. 7 (1949), págs. 1470-1475.
[2] Bierwagen, G.P. y Hay, T.K. “The reduced pigment volume concentration as an important parameter in interpreting and predicting the properties of organic coatings”. Prog. Org. Coat., 281, No. 3, (1975), págs. 281-303.
[3] Restrepo, J.A. “Cálculos predictivos del CPVC en pinturas base agua”. Trabajo presentado en Andina Paint: “Francisco Martínez”, Medellín (Colombia), marzo 2005.
[4] Giudice, C.A. y Pereyra, A.M. “Concentración crítica de pigmento”. Inpralatina, Vol. 13, julio-agosto, 2008. págs. 19-27.
[5] Bierwagen, G.P. y Rich, D.C. “ The critical pigment volume concentration in latex coatings”. Prog. Org. Coat., 11 (1983), págs. 339-352.
[6] Berardi, P. “Parameters affecting the CPVC of resins in aqueous dispersions”. Paint technology, 27, 24, Julio (1963), p. 24.
[7] Asbeck, W.K. “Dispersion and agglomeration effects on coatings performance”. Jour. Coat. Tech.. Vol. 49, No. 635 (1977), págs. 59-70.
[8] Restrepo, J.A. “Una mirada técnica a la determinación teórica del CPVC en recubrimientos base disolvente”. Revista REC, No 11, diciembre 2006, pág. 7-14.
[9] Visite www.invesa.com, productos amigos de la calidad y el medioambiente.
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Girardota, Colombia
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