Las modificaciones superficiales de las partículas del pigmento a menudo también traen otros beneficios tales como una mejorada durabilidad del recubrimiento.
por ING. ORIETTA LEÓN
La forma más sencilla de considerar el efecto de la pigmentación en las características de recubrimiento es asumir que el efecto es proporcional al contenido de pigmento incorporado en el aglutinante, independientemente del tipo de pigmento y aglutinante.
Mientras esta forma de proceder podría ser una buena aproximación para recubrimientos que contienen una baja proporción de pigmentos inertes, para la mayoría de los recubrimientos, en la práctica, tal enfoque lleva a errores significativos.
Con algunas excepciones, todas las propiedades de recubrimiento se pueden describir como una función de la concentración de volumen de pigmento (PVC, por sus siglas en inglés pigment volume concentration) o fracción de volumétrica del pigmento (φ), ya que son principalmente dependientes del volumen, como se mencionó por primera vez en 1925 y claramente se demostró en 1949.
PVC=VpVp+Vb100=WpdpWpdp+Wbdb100
donde V, W y d representan el volumen del pigmento, peso y densidad, respectivamente. Los subíndices p y b representan el (los) pigmento(s) y aglutinante(s), respectivamente.
Un importante concepto de recubrimiento práctico y teórico es la concentración de volumen crítico del pigmento (CPVC, por sus siglas en inglés de critical pigment volume concentration) introducida por Asbeck y Van Loo.
El CPVC representa el PVC correspondiente a las “partículas de pigmento de empaquetado lo más aleatorias posibles y la cantidad mínima de aglutinante necesaria para llenar el intersticio entre partículas”. La gran importancia de este concepto consiste en el hecho de que en este nivel de pigmentos prácticamente todas las propiedades del recubrimiento cambian drásticamente.
Por debajo del CPVC, la película de recubrimiento es continua y hecha únicamente de aglutigante y pigmentos. Por encima del CPVC, la película es discontinua debido a la presencia de bolsas de aire alrededor de las partículas de pigmento que sustituyen al aglutinante.
Se sabe que el CPVC está afectado por muchos factores tales como la naturaleza química de la carga y el aglutinante, tamaño de partícula y morfología de la carga, condiciones de secado y tipo de sustrato. Por esta razón, siempre que el CPVC tenga que ser conocido con mayor precisión, se sugiere determinarlo directamente, en lugar de evaluarlo a partir de modelos matemáticos.
Si bien la determinación del CPVC es útil para todo tipo de recubrimientos, por ejemplo industriales y arquitectónicos, para recubrimientos de papel es imperativo ya que están formulados por encima del CPVC por razones económicas.
En ciertos casos se representarán las propiedades del recubrimiento en función de Λ (PVC reducido, PVC/CPVC). Tal representación permite comparar las propiedades de los recubrimientos a idéntico efecto de embalaje en un volumen de pigmento dado.
Curado y formación de película
Ciertos pigmentos son inertes, mientras que otros interactúan con el aglutinante. Una desviación consistente del flujo newtoniano, y cambios en el tiempo de inducción, velocidad de reacción, grado de reacción, entalpía de reacción, tiempo de gelificación y la temperatura de transición vítrea son algunos de los indicadores que los pigmentos y aglutinantes están interactuando.
La superficie de los pigmentos tiene un carácter básico o ácido, así estos pueden reaccionar con los grupos funcionales del aglutinante para formar enlaces tipo puente de hidrógeno e incluso enlaces covalentes. Como resultado, en algunos casos la incorporación de pigmentos en un aglutinante puede afectar el proceso de curado de las pinturas respectivas. A pesar de su importancia práctica, este aspecto ha sido poco investigado.
En trabajos realizados sobre ZnO (todavía usado como fungistato no tóxico) y plomo rojo (actualmente poco utilizado debido a su toxicidad), se demostró que estos pigmentos pueden reaccionar con grupos éster de aceite de linaza, aceite de soporte, alquidos y productos similares para formar jabones de zinc y plomo, respectivamente.
Otros estudios indicaron que ciertos pigmentos podrían tener una gran influencia en el proceso de curado, e incluso eliminarlo completamente. Por ejemplo, los termogramas obtenidos por calorimetría diferencial de barrido (DSC, por sus siglas en inglés de differential scanning calorimetry) para el prepolímero ftalato de dialilo, catalizado por el peróxido de dicumilo, muestra que el tipo de pigmento incorporado afecta el proceso de reacción.
Tres pigmentos (sílice, wollastonita y amianto) presentan picos exotérmicos, prácticamente idénticos a los de la muestra no pigmentada, indicando que afectan ligeramente el proceso de reacción. Por el contrario, la arcilla caolinita virtualmente elimina el curado, como lo indica la presencia de una pequeña entalpía de reacción.
La descomposición del iniciador por los grupos ácidos presentes en la superficie de la arcilla fue considerada como la causa de este efecto. Los químicos de recubrimiento en polvo son bien conscientes del hecho de que las partículas de pigmento, por ejemplo TiO2 y resinas funcionalizadas con carboxilo, puede interactuar llevando a mayores valores de rendimientos y viscosidades.
Estudios paralelos
Otras investigaciones indican que, dependiendo del tipo de óxidos de hierro amarillo, el proceso de curado de los recubrimientos en polvo se ve afectado de manera diferente.
Hoy en día, para disminuir o aumentar la reactividad de los pigmentos inorgánicos, muchos son tratados con productos inorgánicos u orgánicos. Las modificaciones superficiales de las partículas del pigmento a menudo también traen otros beneficios tales como una mejorada durabilidad del recubrimiento, mejor dispersión de pigmento, cambio en la reología de la pintura y mejora de las propiedades mecánicas del recubrimiento.
Varios estudios se dedicaron al efecto de la pigmentación sobre la formación de película de recubrimientos de látex. Por ejemplo, a pesar de la dificultad de tal investigación, algunos estudios fueron diseñados para observar las formas en que las partículas del látex se esparcieron y ordenaron en pigmentos inorgánicos.
Se constató que, en general, la ordenación y difusión de las partículas de látex se ven afectadas por las características físicas y químicas de las partículas de látex y pigmentos inorgánicos, así como por las condiciones de secado.
Un estudio indicó que un pigmento extensor, CaCO3, incorporado en un copolímero látex de estireno/acrilato de butilo no modifica la estructura del polímero. Se concluyó que, a mayor PVC, las partículas de pigmento extensor se fijan por partículas de látex aisladas y que el polímero no se extiende completamente sobre el pigmento.
Otra investigación utilizó un copolímero látex de metacrilato de metilo/acrilato de 2-etilhexilo cargado con dos pigmentos extensores (250-300 nm de CaCO3 y 25 nm de sílice) para determinar cómo un alto PVC afecta la coalescencia y los posteriores procesos de difusión de polímeros.
Los resultados obtenidos indican la importancia del tipo de carga, su tamaño de partícula y naturaleza química, y el arreglo espacial del pigmento y partículas de látex, mientras ambos pigmentos extensores no interfieren en la coalescencia de las partículas de látex, ellos afectan de manera diferente la velocidad de interdifusión del polímero.
Hasta el 80 % (en peso) de los 250-300 nm de CaCO3 tiene un efecto insignificante en la velocidad de interdifusión del polímero, mientras que las partículas de 25 nm de sílice lo hacen lentamente, incluso en pequeñas cantidades.
Este efecto de retardación fue atribuido a la fuerte interacción entre el polímero y la superficie de la nanosílice. Un efecto de retradación similar fue también descrito cuando los pigmentos de plástico de poli(metacrilato de metilo) se incorporan en recubrimientos orgánicos.
Referencias consultadas
C.B. Ng, B. J Ash, L.S. Schadler, R.W. Siegel, 2001. A study of the mechanical and permeability properties of nano- and micron-TiO2 filled epoxy composites, Advanced Composites Letters, 10(3), 101-111.
C.J. Rieger, 1995. Pearlescent pigments, in: J.V. Koleske (Ed.), The Gardner Sward Handbook: Paint and Coating Testing Manual, vol. 17, 14th ed., ASTM Manual MNL, p. 229.
D.H. Solomon, D.G. Hawthorne, 1983. Chemistry of Pigments and Fillers, Willey/Interscience, New York.
D.Ik. Lee, 2002. The structure of model coatings: latex-bound plastic pigment coatings, Progress in Organic Coatings, 45, 341-358.
D.Y. Perera, 2003. Physical ageing of organic coatings, Progress in Organic Coatings, 47, 61-76.
E. Herrmann, 1976. Inorganic coloured pigments, in: G.D. Parfitt, K.S.W. Sing (Eds.), Characterization of Pigment Surfaces, Academic Press, London.
F.R. Spinelli, 1995. Black pigments, in: J.V. Koleske (Ed.), The Gardner Sward Handbook: Paint and Coating Testing Manual, vol. 17, 14th ed., ASTM Manual MNL, p. 179.
G.D. Shay, 1995. Thickeners and rheology modifiers, in: J.V. Koleske (Ed.), The Gardner Sward Handbook: Paint and Coating Testing Manual, vol. 17, 14th ed., ASTM Manual MNL, p. 268.
H.P. Ralston, 1995. Extender pigments, in: J.V. Koleske (Ed.), The Gardner Sward Handbook: Paint and Coating Testing Manual, vol. 17, 14th ed., ASTM Manual MNL, p. 217.
J. Oberdisse, 2002. Structure and rheological properties of latex-silica nanocomposite films: stress-strain isotherms, Macromolecules 35, 9441-9450.
J.H. Braun, 1995. White pigments, in: J.V. Koleske (Ed.), The Gardner Sward Handbook: Paint and Coating Testing Manual, vol. 17, 14th ed., ASTM Manual MNL, p. 159.
M. Kobayashi, Y. Rharbi, M.A. Winnik, 2001. Effect of inorganic pigments on polymer interdiffusion in a low-Tg latex film, Macromolecules, 34, 1855-1863.
M.J. Austin, 1995. Inorganic anti-corrosive pigments, in: J.V. Koleske (Ed.), The Gardner Sward Handbook: Paint and Coating Testing Manual, vol. 17, 14th ed., ASTM Manual MNL, p. 238.
Oil Colloidal Chemistry Association, Australia, 1983. Surface Coatings, vol. 1: Raw Materials and their Usage, Chapman & Hall, London.
Oil Colloidal Chemistry Association, Australia, 1984. Surface Coatings, vol. 2: Paint and their Applications, Tafe Educational Books.
P. Nylén, E. Sunderland, 1965. Modern Surface Coatings, Willey/Interscience, London.
P.A. Lewis, 1995. Colored organic pigments, in: J.V. Koleske (Ed.), The Gardner Sward Handbook: Paint and Coating Testing Manual, vol. 17, 14th ed., ASTM Manual MNL, p. 190.
P.A. Lewis, 1995. Inorganic colored pigments, in: J.V. Koleske (Ed.), The Gardner Sward Handbook: Paint and Coating Testing Manual, vol. 17, 14th ed., ASTM Manual MNL, p. 209.
R.L. Ferguson, 1995. Metallic pigments, in: J.V. Koleske (Ed.), The Gardner Sward Handbook: Paint and Coating Testing Manual, vol. 17, 14th ed., ASTM Manual MNL, p. 223.
S. Paul (Ed.), 1966. Surface coatings, Science and Technology, Wiley, New York.
S. Zhou, L. Wu, J. Sun, W. Shen, The change of the properties of acrylic-based polyurethane via addition of nano-silica. Progress in Organic Coatings, 45, 33-42.
S.H. Mansour, 2000. J. Elastomers Plast., 32.
S.L. Simon, G.B. McKenna, 2000. Quantitative analysis of errors in TMDSC in the glass transition region, Thermochimica Acta, 348, 77-89.
T.C. Patton (Ed.), 1973. Pigment Handbook, Willey/Interscience, New York.
V. Kovacevic, S. Lucic, M. Lescovac, 2002. Morphology and failure in nanocomposites. Part I: Structural and mechanical properties, Journal of Adhesion Science and Technology, 16(10), 1343-1365.
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