Un repaso para destacar algunas de las más importantes innovaciones en el uso de pigmentos inactivos. En esta segunda parte se desarrollará el uso de pigmentos tipo “Esferas Huecas” y el uso de Sílices Diatomáceas (diatomeas).
por M.Sc. Ph.D. Julián A. Restrepo R.*
Tras la primera arte de este artículo que hizo referencia a algunas ideas innovadoras de los fabricantes de pinturas y recubrimientos para optimizar las materias primas. Se mencionaron los pigmentos inactivos y las principales novedades en su uso como Modificadores reológicos, tipo Bentonas, ahora se desatacarán el uso de pigmentos tipo “Esferas Huecas” y de Sílices Diatomáceas (diatomeas).
2. Uso de pigmentos tipo “Esferas Huecas”: Decimos que un pigmento es activo cuando tiene la propiedad de proveer color y opacidad (poder cubriente) a una pintura [6], mientras que los pigmentos inactivos no logran proveer color ni opacidad a la pintura [2]. En rigor, aquí entran en juego los conceptos del PVC (Concentración de Pigmento en Volumen, por sus siglas en inglés) y del CPVC (Concentración de Pigmento en Volumen Crítica), ya que ambos constituyen los parámetros de formulación fundamentales que nos permiten entender la importancia e influencia de la presencia de aire en el sistema de recubrimiento: A PVCs por encima del CPVC, se tiene la presencia de aire en la película del recubrimiento, aire que se encuentra alojado en espacios aleatorios e irregulares. La presencia de este aire aumenta la porosidad del recubrimiento y la permeabilidad de la película, pero a su vez aumenta el cubrimiento en seco. Es así pues, como un pigmento inactivo puede contribuir al cubrimiento a PVCs cercanos o por encima del CPVC (PVC crítico) [2].
Por su parte, el pigmento opacificante blanco por excelencia es el dióxido de titanio [7], el cual es algo costoso, en especial, cuando se compara con los demás pigmentos inactivos usualmente empleados para abaratar los costos (caolines, talcos, carbonatos de calcio, entre otros) [2]. Por tanto, cuando se quiere bajar los costos de formulación, encontramos que en el pareto, las materias primas que más impactan, usualmente, son la resina y el pigmento activo, en este caso, el dióxido de titanio. Por ello, para bajar el costo sin afectar el cubrimiento, se recurre a lo que se han denominado “Exténderes de dióxido de titanio” o sustitutos funcionales del dióxido de titanio.
Así, algunas de las aplicaciones de las “Esferas Huecas” en recubrimientos son: a) disminución del consumo de dióxido de titanio en la pintura, a través del reemplazo de parte de éste por pigmento en forma de “esferas huecas”. En este caso, lo que hace dicho pigmento es imitar los efectos ópticos del dióxido de titanio en blancura y opacidad, pero empleando una materia prima más económica; b) el aire es un buen aislante e incluir aire (u otro gas), en la película de recubrimiento permite formular un recubrimiento con propiedades aislantes, lo que permite disminuir el consumo de aire acondicionado, por ejemplo, si se piensa en su uso para las denominadas “pinturas para techos fríos” o “pinturas termo-reguladoras”; c) como aislante acústico, al permitir la absorción de sonidos o ruido, al constituir una barrera gaseosa dentro del recubrimiento, al proveer un recubrimiento “menos masivo”; d) disminución del peso de las películas de recubrimiento, sin afectar el cubrimiento final. De particular importancia en pinturas aeroespaciales, para disminuir el consumo de combustible y no afectar e peso de la aeronave; e) para disminuir el costo de la pintura a través de una disminución de la densidad de la pintura líquida, ya que al incluir “esferas huecas” en la pintura baja la densidad final del recubrimiento y por tanto los costos finales del mismo.
Brevemente discutiremos dos de las aplicaciones más conocidas comercialmente de pigmentos en forma de “Esferas Huecas”:
a) Uso de “Esferas huecas” como exténderes: En el año 1982 y después de 8 años de investigación [8], el fabricante de polímeros Rohm and Haas (hoy, Dow Chemical), introdujo el revolucionario concepto de “esferas huecas” en su producto Ropaque®, con lo que sugirió la brillante idea de incluir aire en el recubrimiento, pero “aire de manera controlada y encapsulado”, a través de burbujas de aire, y nada mejor que hacerlo a través de un “polímero inteligente” y desarrollaron el primer pigmento sintético formado por “esferas huecas rígidas”.
Este “polímero inteligente” es considerado un polímero opaco, debido a que en seco, provee cubrimiento, comportándose entonces como un pigmento. Es decir, aunque si bien el polímero opaco es una resina sintética de origen orgánico, se comporta en el recubrimiento como un pigmento inorgánico, de ahí que pueda considerarse, además, uno de los primeros “polímeros inteligentes”.
En la Figura 3 se explica la manera cómo funciona el polímero opaco: Tener en cuenta que la coraza del polímero es permeable al agua (la deja salir, pero no la dejará entrar más), y una vez el agua interna ha salido, esta es reemplazada por aire y la coraza permanecerá como una esfera rígida, embebida en la resina, junto con los demás pigmentos del sistema pigmentario. Es decir, se comportará como un pigmento más, de forma esférica. Esto es la clave de su funcionamiento: A pesar de ser una resina, no se deformará durante el proceso de formación de película, ni presentará coalescencia como las demás partículas de resina presentes. Además, este tipo de partículas no tienen tendencia a la absorción de aceite (OAI), y por el contrario, aportarán un pequeño contenido de resina, aunque no formadora de película (pero que si constituiría sólidos). Sin olvidar, que debido a que, considerando su naturaleza polimérica, su tamaño de partícula es muy pequeño (0.4 um) y funciona bien como extender de dióxido de titanio.
Figura 3. Funcionamiento del polímero opaco: a) La coraza de polímero contiene agua; b) durante el secado, el agua es reemplazada por aire; c) la parte interna de la coraza del polímero se llena completamente de aire; d) la esfera hueca resultante es de naturaleza opaca (Imágenes tomadas de la ref. 8).
b) Uso de “Esferas huecas” para termo-regulación: Por su parte, a principios de los años 90s y en la misma línea de investigación, el fabricante Akzo Nobel introdujo el concepto de “esferas plásticas huecas”, como agentes de soplado para la industria del plástico, aunque posteriormente le han encontrado múltiples aplicaciones, incluso para la industria de pinturas[9]: Las microesferas de Expancel® son pequeñas partículas esféricas de plástico (20-150 um), sensibles al calor, las cuales consisten en un polímero que encapsula un gas. En la Figura 4 se explica cómo reaccionan las “esferas plásticas huecas” ante el calor: Cuando se calienta, la presión interna del gas aumenta y la cubierta termoplástica se ablanda, dando como resultado un drástico aumento del volumen de las microesferas. El gas permanece dentro de las esferas. Esta capacidad de contener un importante volumen de gas constituye una ventaja muy importante, por ejemplo, en la formulación de pinturas termo-reguladoras, o pinturas para la regulación del calor o la temperatura, ya que el volumen contenido en las esferas hace las veces de aislante térmico.
Figura 4. Proceso de expansión de las microesferas de Expancel® ante el calor, lo que da como resultado una reducción drástica de su densidad aparente (los valores típicos van de 1000 a 30 kg/m³) [Imágenes tomadas de la ref. 9].
Las microesferas expandidas son fáciles de comprimir, cuando se libera la presión, las microesferas recuperan su volumen original. Las microesferas se comercializan expandidas y no expandidas, en formato húmedo o seco, o como masterbatch, y presentan temperaturas de expansión en el rango de 80 a 230°C [9].
3. Uso de Sílices Diatomáceas (diatomeas): Las Diatomeas son una clase de algas unicelulares que constituye uno de los tipos más comunes de fitoplancton (diminutas plantas acuáticas) [10]. En el caso de las denominadas Sílices Diatomáceas, Diatomita, tierra de Diatomeas ó sílice orgánica, se trata de los esqueletos naturales provenientes de la fosilización de Diatomeas (en forma de dióxido de silicio, SiO2), las cuales vivieron y se multiplicaron en aguas prehistóricas que cubrían vastas regiones de California (Estados Unidos) y Jalisco (México) [11].
A través de los tiempos (hace unos 30 millones de años), al morir, los esqueletos (conchas) de las diatomeas fueron formando grandes depósitos en el fondo del océano. Hoy en día, cientos de grandes depósitos de tierra de diatomeas se encuentran en todo el mundo. Algunos todavía están bajo el agua y algunos otros se encuentran en el fondo de antiguos lagos secos. Se ha estimado que una pulgada cúbica de tierra de diatomeas puede contener hasta 400 millones de conchas [12], y se caracterizan por su alta pureza y por la casi infinita variedad de formas y tamaños que presentan estos esqueletos prehistóricos. Se resalta aquí pues, la idea del empleo de este material como pigmento inactivo (ya sea como agente mateante, carga o extender de dióxido de titanio), y que presenta formas excepcionales (como se puede apreciar en la Figura 5), las cuales no se encuentran en otros pigmentos inertes. Lo que permite además, pensar en su uso adecuado podría proveer ventajas mecánicas al recubrimiento, sólo basándonos en su forma. Ejemplos comerciales se tienen en la marca Celite® de la compañía World Minerals.
Figura 5. Las Sílices Diatomáceas presentan formas excepcionales, no encontradas en otros pigmentos inorgánicos [Imágenes tomadas de la ref. 12].
Referencias
[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.
[6] Restrepo, J.A., “Nuevos desarrollos en pigmentos”. Inpralatina, Vol. 14, No. 1, enero/febrero de 2008, págs. 28-33
[7] Restrepo, J.A., “Dióxido de titanio: Dé a su aplicación el pigmento ideal”. Inpralatina, Vol. 10, No. 1, ene/feb de 2005, págs. 22-23
[8] a) http://mattorourke.net/samples/dow/ourstory/innovation_revolutionizingpaints.htm ; b) http://coatings.dow.com/en/products/ropaque#history-of-hiding
[9] a) https://www.akzonobel.com/expancel/system/Images/AkzoNobel_Expancel_Short_introduction_ES_tcm65-75515.pdf; b) https://www.akzonobel.com/expancel/system/Images/AkzoNobel_Expancel_Multiperformance%20additive_ES_tcm65-91989.pdf; c) https://www.akzonobel.com/expancel/system/Images/AkzoNobel_Expancel_The_art_of_microspheres_tcm65-72368.pdf
[10] https://es.wikipedia.org/wiki/Diatomea
[11] http://www.quimicuy.com.ar/folletocelite.pdf
[12] http://dietasparabajardepeso.co/tierra-de-diatomea-silicio-organico/
* Julián A. Restrepo R. es Asesor y Consultor Técnico en Recubrimientos CoatingXPERTS. [email protected] Medellín, Colombia.
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