El curado es un aspecto fundamental en el proceso de los recubrimientos. Conozcamos este interesante análisis basado en revestimientos termoestables.
por Ing. Orietta León*
Un recubrimiento es una capa delgada que se aplica sobre un sustrato para mejorar su apariencia, para protegerlo de daños o para prevenir que el sustrato interaccione con otras sustancias. Los recubrimientos que son empleados principalmente para mejorar la apariencia de una superficie, se denominan recubrimientos decorativos mientras que los que proveen funcionalidad son llamados recubrimientos industriales como por ejemplo los recubrimientos protectores contra la corrosión.
Los recubrimientos industriales se aplican sobre sustratos como metales, concreto, madera, papel, vidrio o materiales compuestos, entre otros. Estos a su vez se subdividen por sectores industriales: Transporte (aviones, trenes y buques), infraestructuras (edificios, puentes y tuberías), petroquímica, empaques, entre otros.
También, se clasifican según el aglutinante utilizado como materiales poliméricos y no poliméricos. Los recubrimientos poliméricos están conformados por los recubrimientos termoplásticos y recubrimientos termoestables. Los recubrimientos no poliméricos incluyen metales, óxidos, cristales y biopelículas. A diferencia de los recubrimientos termoplásticos, los recubrimientos termoestables son formados in situ y se aplican en forma líquida o en polvo.
Ahora bien, para los recubrimientos termoestables están formados por uno o dos compuestos. Algunos componentes adicionales como diluyentes, aceleradores, pigmentos pueden adicionarse para formar el recubrimiento justo antes de aplicarse. Un sistema de un componente depende del calor, la humedad, el oxígeno, los rayos UV y la radiación de haz de electrones para curar. Sin embargo, la técnica más comúnmente aplicada para lo recubrimientos termoestables líquidos es el mezclado de dos componentes, normalmente llamados resina y endurecedor.
Es importante resaltar que a pesar de todos los progresos realizados en el área de los polímeros termoestables, una sola capa de recubrimiento o solo un tipo de revestimiento termoestable no provee los tres atributos claves de los recubrimientos termoestables: adhesión al sustrato, propiedades de barrera o baja permeabilidad a los gases o líquidos, y resistencia al ambiente al cual será expuesto el recubrimiento. Por lo que es una práctica frecuente aplicar una primera capa que asegure la buena adhesión al sustrato, una capa intermedia que provea las propiedades de barrera, y una capa superior para proteger a la capa intermedia de daños por UV o dar funcionalidad adicional tal como antiespumante. Los sistemas de recubrimiento multicapa frecuentemente son una combinación de dos o más tipos de polímeros termoestables, estos también pueden incluir capas de materiales termoplásticos.
Los recubrimientos basados en epóxicos ocupan más de un cuarto de todos los recubrimientos consumidos globalmente en aplicaciones industriales seguido por los poliuretanos, acrílicos y alquídicos. En la composición de los recubrimientos en polvo de epóxicos y poliuretanos se incluyen poliésteres funcionales con grupos carboxilo e hidroxilo, acrílicos, siliconas, fluoropolímeros. Por lo que los recubrimientos termoestables tienen un amplio rango de propiedades de adhesión, barrera y resistencia que pueden adaptarse a cada sustrato y ambiente de servicio.
Por otra parte, la química y estructura de la interface entre el recubrimiento y el sustrato son fundamentales para lograr la adhesión requerida en todas las aplicaciones donde se utilicen los recubrimientos termoestables. La interface recubrimiento-sustrato se desarrolla desde el momento que se aplica el recubrimiento en líquido o forma fundida hasta que alcanza una viscosidad infinita en el proceso de curado. La adhesión adecuada entre el recubrimiento y el sustrato significa que la región interfacial no muestra fallas cohesivas o adhesivas después que el revestimiento se aplicó y curó.
La fuerza de adhesión entre el revestimiento y el sustrato es el resultado de una compleja interacción física y química, y por lo tanto, se requiere un esfuerzo significativo no solo para desarrollar un sistema termoestable con excelente adhesión sino también para asegurar que la superficie del sustrato se prepare bien antes que el recubrimiento se aplique.
Para lograr buenas propiedades de adhesión y de barrera, el sistema de recubrimiento debe fluir, humedecer el sustrato y curar antes de su puesta en servicio. La formación de películas de recubrimientos epóxicos muestran un perfil de isotermas de curado, que incluye el grado de conversión, la velocidad de reacción y la viscosidad del recubrimiento como una función del tiempo.
La cinética de reacción de curado inicialmente depende del tipo y naturaleza de los grupos funcionales y la cantidad de catalizador en la formulación. En esta etapa, la masa molar, la viscosidad y la temperatura de transición vítrea (Tg) incrementan linealmente con el grado de curado.
A medida que la reacción de curado procede, se generan nuevos grupos funcionales. En los recubrimientos epóxicos, un grupo hidroxilo se genera cada vez que un grupo epóxico se abre por un nucleófilo o un endurecedor. Estos grupos hidroxilos pueden catalizar la reacción de curado. Aún cuando la concentración de grupos epóxico disminuye durante la reacción, la velocidad de reacción de curado incrementa debido al efecto autocatalítico de los nuevos grupos hidroxilo producidos durante la reacción de curado. En la región autocatalizada la masa molar y la viscosidad, muestran una fuerte dependencia no lineal con el grado de curado.
Sin embargo, la Tg incrementa linealmente con el nivel de curado. Como la reacción de curado avanza, aumenta el entrecruzamiento y comienza a formase geles macroscópicos. El punto en el cual aparece el primer gel macroscópico se denomina punto de gelificación. En esta etapa, la masa molar y la viscosidad del recubrimiento se acercan a infinito, y el material deja de fluir para todos los propósitos prácticos. En el punto de gelificación, el recubrimiento todavía contiene una significativa cantidad de oligómeros solubles.
Para casi todas las aplicaciones industriales, la Tg del revestimiento, en esta región, aún es significativamente menor que la Tg final de curado. A medida que continua avanzando la reacción de curado, la Tg comienza a acercarse a la temperatura de curado, y el material comienza a vitrificar. La vitrificación limita la movilidad de los segmentos de moléculas y su capacidad para difundir hacia otras moléculas, y en consecuencia, se limita la velocidad de reacción de curado. El uso de solventes en la formulación de recubrimientos líquidos incrementa el punto de vitrificación permitiendo un mayor grado de curado a una temperatura dada de curado. El tipo y la cantidad de solvente también son críticos para lograr una adecuada formación de la película.
Además de ajustar la quimioreología del recubrimiento para lograr una buena formación de la película en un tiempo razonable, las propiedades de barrera del recubrimiento o su baja permeabilidad a los agentes corrosivos también deben ajustarse a la intención atmosférica o servicio de inmersión mediante el uso de una amplia gama de resinas, endurecedores, solventes, extendedores y aditivos.
Finalmente la naturaleza química y física de la superficie a recubrir también es fundamental para la aplicación prevista.
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