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Revisión de la importancia de la CPVC (II)

altEste trabajo corresponde a la segunda parte del artículo "Revisión de la importancia de la CPVC (I)", publicada en la edición 14 - 6 de INPRA LATINA, donde el autor busca dilucidar importantes aspectos relacionados con la concentración crítica de pigmentos.

Por: Julián A. Restrepo*

En la anterior edición se discutió la parte teórica fundamental relacionada con el concepto del PVC (concentración de pigmento en volumen) y el CPVC (concentración crítica de pigmento en volumen), siendo el PVC definido como la relación volumétrica entre el sistema pigmentario y los sólidos del recubrimiento seco, siendo expresado matemáticamente como:


PVC=      VP       
             VP + VR         (1)

siendo,
VP: Volumen del sistema pigmentario del recubrimiento
VR: Volumen de los sólidos del ligante o resina

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En donde el sistema pigmentario es considerado como el conjunto de todos los pigmentos presentes en la pintura (pigmentos activos e inactivos).

Para determinar el valor del CPVC, de una manera atrevidamente breve, se presenta una ecuación que puede emplearse para su determinación matemática y otras expresiones relacionadas. El autor ha considerado a su vez una tercera parte, en la que intentará explicar de manera práctica la utilidad de conocer el CPVC.

Deducción de una expresión general para el CPVC [2]
Teniendo presente los conceptos discutidos anteriormente, a partir de la expresión inicial dada para el PVC (ecuación 1) se puede definir el CPVC como:

PVC=      VP       
           VP + VR.C      (2)

en donde,
VP: Volumen del sistema pigmentario del recubrimiento
VR.C.: Volumen de los sólidos del ligante en el CPVC

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La expresión anterior, se puede reescribir como:


CPVC = (1 +   VR.C  )-1         (3)
                           VP         

y teniendo presente que: Volumen = masa/densidad, se obtiene:

CPVC = (1 + IAm.     P  )-1   (4)
                       100    m.h

en donde,
IAm: Es el índice de absorción (IA) de la mezcla pigmentaria determinado en un medio humectante (m.h.), y expresado en unidades de (gr. de medio humectante)/(100 gr. de pigmento).
P: Es la gravedad específica de la mezcla pigmentaria
m.h.: Es la gravedad específica del medio humectante en que se realizó la medida del IA.

Es necesario tener presente que el índice de absorción de aceite comúnmente es reportado en unidades másicas, pero también puede encontrarse en unidades volumétricas, tal como (mL de medio humectante/100 gr. de pigmento). Así, el éxito de la ecuación (4) dependerá de la elección del medio humectante y debe tenerse especial cuidado con las unidades del IA: En la deducción de esta ecuación se ha establecido que el medio humectante debe corresponder al ligante polimérico (al 100% de sólidos) empleado como resina en el recubrimiento analizado, considerando que la gran mayoría de las resinas convencionalmente empleadas en pinturas base disolvente son suministradas por el fabricante en forma líquida, conteniendo éstas una fracción de componente volátil.

En realidad, medir el IA con la resina líquida no proporciona un valor realista del IA de la mezcla pigmentaria, ya que cuando la resina se encuentra disuelta en el disolvente, no posee las mismas características de humectación que tendría al 100% de sólidos.

Si recordamos que el CPVC es definido como el valor del PVC en donde hay justo la cantidad suficiente de resina para humectar y llenar completamente los espacios entre las partículas del sistema pigmentario, y teniendo presente que la prueba para la determinación del índice de absorción de aceite, en donde se establece el punto final de la prueba como el punto en donde hay justo la cantidad suficiente de medio humectante (aceite de linaza, cuya calidad se establece según la norma ASTM D-281 [3]), para humectar completamente una cantidad dada de pigmento, advertimos que ambas definiciones son equivalentes. Por esto se acepta, en los recubrimientos base disolvente, que la medida del IA es una parámetro que permite establecer con un buen grado de precisión la medida del CPVC [2a].

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Por otro lado, para los recubrimientos base agua (aquellos que emplean resinas en dispersión acuosa), no se tiene una medida “tan exitosa” del CPVC a partir del IA (en este caso, se analiza el WAI y no el OAI ya que el agua, como medio humectante, representa mejor las características de humectación de una resina en dispersión acuosa) [2b]. El hecho de que la “resina base agua” se encuentre en dispersión modifica sustancialmente sus características de humectación, presentando una menor capacidad ligante (definido por Berardi como Binder Power Index –BPI- [4]).

Debido a que el aceite de linaza es un ligante liquido al 100% de sólidos es el “ligante ideal” para ser empleado como medio humectante en la prueba de absorción. Pero es necesario tener presente cuán bien el aceite de linaza reproduce las características de humectación del sistema pigmentario, tal como lo harán las resinas empleadas en las pinturas base disolvente convencionales.

Así, examinando con más rigurosidad, nos daremos cuenta de que el aceite de linaza humectará el pigmento de una manera muy similar a cómo lo harán ligantes poliméricos de su misma naturaleza química o cercana, tales como resinas alquídicas, un aceite Body o un aceite uretánico. Mientras que las mayores diferencias de humectación las tendrá con aquellas resinas con las que tenga mayores diferencias físico-químicas, como resinas epóxicas, amínicas (ya sea urea- formaldehído, poliamina o poliamida) o poliésteres insaturados. Así el aceite de linaza se ha extendido como el medio humectante por excelencia para realizar la determinación del IA porque ofrece, entre los diferentes ligantes empleados en las pinturas convencionales, características muy similares de humectación a este tipo de resinas.


altDeterminación del CPVC en sistemas base disolvente [2]
Considerando que se tiene un “estado de dispersión ideal” (ver ecuación 2, de la parte 1), CPVC = UPVC, y que el medio humectante empleado para determinar el IA es aceite de linaza, el término IAm (en la ecuación 4), se transforma en OAIm, y sabiendo que su gravedad específica es 0.935, se tiene que:

UPVC = (1+ OIAm. P)-1    (5)

                       93,5 

en donde,
OAIm: Es el índice de absorción de aceite de linaza del sistema pigmentario
P: Es la gravedad específica de la mezcla pigmentaria

Recordando que la expresión del CPVC en función del UPVC viene dada por:

CPVC = UPVC - UPVC2 ( d )3   (6)
                                               D
siendo,
                n
OAIm = [ E  (   Xi   ) ] -1    (7)
                 i     OAIi

              n
 P = [ E   ( Xi ) ] -1          (8)
              i       i

La relación PVC/CPVC
La relación matemática entre el PVC y el CPVC fue definida conjuntamente por Bierwagen y Hay [5] como el PVC reducido o parámetro lambda, viniendo expresada por:

Λ =   PVC           (9)

       CPVC

Actualmente dicho parámetro también se denomina simplemente como relación PVC/CPVC, empleando la letra griega lambda (Λ) para denotarla.

El nivel de pigmentación de la pintura, que viene dado por el PVC, depende de diferentes requerimientos tales como su viscosidad, brillo, dureza, resistencia química, coste, entre otros, y su relación con el CPVC definirá la porosidad y permeabilidad de la película. Así, si se cambia el nivel de pigmentación, cambian las propiedades de protección del recubrimiento, lo que hace que el proceso de optimización de la formulación de un recubrimiento pueda considerarse un proceso complejo [6].

Comentarios finales
La relación PVC/CPVC es importante considerando que diferentes tipos de sistemas han mostrado que su desempeño depende estrechamente de dicho parámetro, ya que el sistema pigmentario tiene un importante papel en la performance final del recubrimiento.

Teniendo en cuenta que la determinación experimental del CPVC puede implicar una inestimable inversión de tiempo y dinero, se encuentra entonces aquí la importancia de establecer matemáticamente el CPVC de un recubrimiento, lo que nos permitirá formular recubrimientos de manera más versátil.

Debemos tener presente la importancia de fabricar pinturas que presenten una excelente dispersión: cuando se tiene la mejor dispersión del sistema tenemos una condición de “dispersión ideal” y el recubrimiento tiene el máximo CPVC que puede alcanzar, lo que le permite al formulador desarrollar productos que presenten una excelente relación costo/beneficio.
Finalmente, como autor ofrezco mis excusas al presentar este tema de una manera tan breve, ya que su importancia amerita escritos de una mayor extensión, por esta razón he intentado dividirlo en diversas partes, tratando siempre de conservar la rigurosidad técnica.

Dedicatoria
Este trabajo está dedicado a la memoria de D. Francisco Martínez (Q.E.P.D.), quien tuvo una importante influencia en mi formación en el mundo de las pinturas, en especial en mis inicios y a quien he admirado profundamente.

Referencias
[1] Restrepo, J.A. “Una revisión de la importancia de la concentración crítica de pigmento, p1. Fundamentos”. Inpralatina, Vol. 14, No. 6, nov./dic. 2009.
[2] a) Restrepo, J.A. “Una mirada técnica a la determinación teórica del CPVC en recubrimientos base disolvente”. REC, No 11, dic. 2006, págs. 7-14; b) Restrepo, J.A. “Cálculos predictivos del CPVC en pinturas base agua”. Trabajo presentado en Andina Paint: “Francisco Martínez”, Medellín (Colombia), marzo 2005; c) Restrepo, J.A. “Análisis Práctico de la relación PVC/CPVC en pinturas anticorrosivas”. Trabajo presentado en Eurocoat 2009, Barcelona (España), sept. 29 a oct. 1.
[3] Norma ASTM D 281-84: “Standard Test Method for oil Absorption of pigments by Spatula Rub-out”
[4] Berardi, P. “Parameters affecting the CPVC of resins in aqueous dispersions”. Paint technology, 27, 24, Julio (1963), p. 24.
[5] 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), pp. 281-303.
[6] Erich, S.J.F., Huinink, H.P., Adan, O.C.G., Laven, J. and Esteves, A.C. “The influence of the pigment volume concentration on the curing of alkyd coatings: A 1D MRI depth profiling study”. Prog. Org. Coat., 63 (2008), pp. 399-404.

* Pinturas Sapolín - Invesa S.A.
jarestrepo@invesa.com
Girardota, Colombia

Author: Vanesa Restrepo

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