IMPORTANCIA DEL CPV Y CPVC EN RECUBRIMIENTOS

Por: Perla Itzel Alcántara Llanas

La concentración de pigmento en volumen es un término importante para la formulación de pinturas y recubrimientos, y puede definirse como la fracción de volumen de pigmento o cargas en volumen de película seca; es decir, es la relación que hay entre pigmento y ligante. La expresión matemática que define esta relación está dada por PVC = VP / (VP + VL), donde VP es el volumen de pigmento y VL representa el volumen de ligante. Es importante visualizar los dos casos extremos del sistema pigmento/ligante: PVC de 100% que implica solo pigmento, mientras que PVC de 0% implica ligante como único componente. Entre el 0 y 100% existen diversas relaciones intermedias entre pigmento y ligante, sin embargo, un punto importante de análisis es la concentración crítica de pigmento en volumen (CPVC), en el que el aire que se encuentra entre las partículas del pigmento es absolutamente desalojado, y el ligante completa totalmente los espacios vacíos entre las partículas densamente dispuestas.

En resumen, si el valor de PVC es mayor que PCVC, significa que la cantidad de ligante no es suficiente para llenar los espacios vacíos entre las partículas. 

Ciertas propiedades de una pintura son el reflejo de la relación que existe entre la CPV y la CPVC, valores que se pueden determinar a partir de la evaluación de dichas propiedades; tales como la densidad, la adhesión, la porosidad, el ampollamiento, la resistencia a la abrasión húmeda, el brillo o el poder cubriente.

La porosidad de una película seca indica la presencia de espacios vacíos ocupados por aire, es decir, que existe sólo para valores de PVC > CPVC. Ésta puede ser expresada como porosidad total PT o bien, como índice de porosidad IP; la primera consiste en considerar el porcentaje volumétrico de aire sobre la totalidad de la película mientras que el índice contempla sólo la fracción del espacio intersticial ocupado por aire. Una de las formas de expresar la porosidad de una película es a través de la ecuación dada por PT = (PVC - CPVC) / PVC. La porosidad también se puede calcular con la expresión IP = (PVC - CPVC) / [PVC - (1 - CPVC)]; de este modo, ambas porosidades están vinculadas por PT = IP (1 - CPVC).

Los valores de concentraciones de pigmento pueden variar de un producto a otro, sin embargo, la dispersión de pigmento en emulsiones son muy diferentes a los valores de una pintura base solvente, por lo tanto,  el secado también se da de una manera distinta. 

Las emulsiones, a diferencia de los recubrimientos base solvente, no son soluciones sino suspensiones de partículas relativamente pegajosas de un material resinoso en agua. El secado de una emulsión tiene como resultado que las partículas suspendidas se adhieran fuertemente entre sí, debido a la creciente disminución de las distancias entre ellas. La pérdida de agua puede suceder ya sea por su evaporación a la atmósfera y/o por la absorción de un sustrato poroso. La contracción de la película involucrada en esta etapa genera la coalescencia alrededor de las partículas de la carga, lo cual conduce a una disposición más o menos densamente empaquetada. La compactación del pigmento para alcanzar un alto valor de la CPVC es lograda principalmente por deformación plástica de las partículas del polímero.

PIGMENTOS INORGÁNICOS

Por: Perla Itzel Alcántara Llanas

Parte fundamental de las pinturas y recubrimientos es la coloración de los mismos, y esta es productos de los pigmentos que se le añadan. Los tipos de pigmentos se pueden dividir en orgánicos e inorgánicos, que generalmente aparecen en forma de pequeñas partículas. 

Los pigmentos inorgánicos pueden ser llamados también pigmentos minerales, y normalmente son componentes metálicos que se pueden obtener mediante tres métodos principales, de los cuales, los que se obtienen a las más altas temperaturas, presentan una mayor estabilidad al calor y mejor resistencia al ambiente:

• Precipitación y Secado: Amarillos de cromo, Naranjas de cromo y de molibdato.
• Precipitación, Secado y Calcinación: Pigmentos de cadmio, Azul de ultramar.
• Calcinación de mezcla de óxidos: Titanato de níquel.

Los pigmentos inorgánicos presentan ciertas desventajas frente a los orgánicos, ya que estos últimos presentan una mayor capacidad de coloración, y los inorgánicos generalmente son más tóxicos debido a su origen metálicos, como los amarillos de cromo y los naranjas de molibdeno por el plomo y el cromo que contienen.

En la industria de las pinturas y recubrimientos, algunos de los pigmentos inorgánicos más utilizados son:

Dióxido de Titanio: es el pigmento blanco más utilizado gracias a su alta capacidad de cubrición y su resistencia. En la naturaleza el dióxido de titanio se puede encontrar en forma de rutilo y de anatasa, que se diferencian de tener diferentes estructuras cristalinas. En la industria de las pinturas es más utilizado el rutilo debido a que no presenta exudación hacia la superficie a diferencia de la anatasa. En general, el dióxido de titanio se caracteriza por su excelente opacidad, alto rendimiento y blancura, estabilidad química y térmica y excelente solidez a la luz. Además, es químicamente inerte e insoluble en disolventes orgánicos y acuosos

Existen dos métodos de obtención del dióxido de titanio, vía cloruro en el que se obtiene un producto de mayor blancura y pureza, y vía sulfato (método clásico) que es menos costoso pero mucho más contaminante. Posterior a su obtención el dióxido de titanio, suele ser tratado con aluminio, silicio y algunos otros metales para modificar y mejorar propiedades de estabilidad de color, dispersabilidad, opacidad etc. 

Los dióxidos de titanio son utilizados en la obtención de pinturas blancas opacas o de colores claros opacos como rosa pastel, salmón, azul cielo, ocre o gris. La opacidad viene dada por la diferencia de los índices de refracción entre el pigmento y el medio en el que se encuentra disperso, y entre mayor sea esta diferencia, mayor será el grado de opacidad.

Óxidos de Hierro: pueden obtenerse de manera natural de los minerales hematita, magnetita y limonita, o de manera sintética. De ambas maneras y dependiendo del precursor, se pueden tener pigmentos rojos, amarillos y negros.

Los óxidos de hierro sintéticos tienen un tamaño de partícula alrededor de 0.1-1.0 μm, y en función al tamaño de partícula y su dispersión estarán la tonalidad, la fuerza colorante y la capacidad de cubrición finales del pigmento. A pesar de que se tienen coloraciones amarillas, rojas y negras a partir de estos óxidos, las tonalidades amarillas y negras tienen menor resistencia térmica, por lo que a temperaturas relativamente altas (180°C), comienzan a degradarse y toman un color rojizo.

Cromatos y molibdatos de plomo: estos compuestos producen pigmentos de tonalidades amarillas, anaranjadas y rojizas. Como pigmentos inorgánicos, no se disuelven en componentes orgánicos, es decir, no presentan sangrado ni migración. Presentan una moderada resistencia a los álcalis y ácidos, una resistencia térmica de alrededor de 200 a 240°C, no son muy resistentes a la luz ya que pueden presentar tonos verdosos “sucios” u opacos. Los cromatos de plomo pueden generar una gran variedad de tonalidades debido a la capacidad de formar cristales mixtos y a su polimorfismo, es decir, se pueden encontrar en estructura monoclínica que da tonalidades amarillo rojizo, en estructura ortorrómbica de color amarillo verdoso, y en estructura tetragonal de color rojo. 

Sólo los cromatos de plomo en estructura monoclínica son estables a temperaturas, mientras que las dos estructuras restantes son estabilizadas con la adición de sulfatos o molibdatos de plomo.

Pigmentos de Ultramar: El pigmento principal en este grupo es el azul ultramar, pero también se encuentran el violeta y el rosado, en general son sílico aluminato de sodio. Se consideran pigmentos no tóxicos, tienen resistencia a altas temperaturas, a la luz ultravioleta, a la intemperie y a los álcalis, no presentan migración, son amigables con el medio ambiente, excelentes correctores de blancos y no presentan metamerismo.

Pigmentos de Negro de Humo: además de su uso como colorantes, en tintas de imprentas por ejemplo, el negro de humo es usado en aplicaciones que necesitan un comportamiento antiestático o de conductividad eléctrica, debido a sus propiedades eléctricas, por lo tanto, el negro de humo además de ser utilizado como pigmento, es usado como carga reforzante para productos de plástico y caucho.

Consideraciones en la formulación de recubrimientos para exteriores.

Por: Perla Itzel Alcántara Llanas

Al hablar de recubrimientos para exteriores se deben tomar en cuenta ciertas funciones que deben cumplir, como la protección del sustrato teniendo en consideración del tipo de soporte al cual serán aplicados. Por lo general son utilizados en la protección de cementos, morteros u hormigones, por lo que deben ser resistentes a los álcalis, ya que estos sustratos tienen una alta tendencia hacia la alcalinidad.

En este tipo de recubrimientos es común el uso se emulsiones de acetato de vinilo/vinil versatato (veoVa), o emulsiones acrílico-estirénicas ya que las dos son altamente resistentes a ambientes alcalinos. Para la pigmentación se tiene en su mayoría dióxido de titanio y carbonato cálcico, además de la incorporación de algún tipo de extender como el caolín.

Los poliacrílicos son comúnmente utilizados como dispersantes, como lo es el poliacrilato sódico ó poliacrilato amónico (en caso de ser un recubrimiento reflectante), para ser utilizado, por ejemplo, en recubrimientos para techos y hacer eficiente el consumo energético debido a que actúan como aislantes térmicos y disipadores de energía. El funcionamiento de las pinturas reflectantes se basa principalmente en el uso de colores claros y/o brillantes, ya que estos son los que tienen mayor capacidad de reflejar y dispersar. Cuando el recubrimiento que se usa tiene una pigmentación clara o no brillante se puede recurrir a la adición de micro esferas de vidrio u otros cerámicos dispersas en pinturas base acrílico, que serán las encargadas de reflectar y dispersar la luz, así como la energía térmica.

Los ésteres de celulosa y de poliuretano son los más utilizados como espesantes en los recubrimientos para exteriores. Los primeros ayudan a proveer de la consistencia necesaria a la pintura, mientras que los espumantes de poliuretano aportan un carácter newtoniano a la reología del sistema, de manera que se puedan aplicar capas de cierto espesor pero sin que se tengan tendencias al descuelgue. Es decir, se conservará el comportamiento tixotrópico del recubrimiento a fin de que no se escurra tan fácilmente durante la aplicación, pero la viscosidad no se eleve en exceso.

También es necesaria la adición de un antiespumante a fin de evitar la formación de espuma durante el proceso y la aplicación. De igual manera se utilizan biocidas (bactericidas y fungicidas) con el objeto de prevenir la formación de contaminación desde el envase; una isotiazolona puede ser utilizada como bactericida. En caso de los impermeabilizantes o recubrimientos aplicados en zonas húmedas y/o poco soleadas se utilizan fungicidas como el acetato de fenil mercurio.

Por último, la cantidad del coalescente añadido se calcula en función de la cantidad de resina que contenga la pintura es común el uso de texanol, pero se evitan los ésteres de glicol, debido a que tienen una baja resistencia a la hidrólisis.

RELACIÓN ENTRE PIGMENTO Y RESINA: CONCENTRACIÓN DE PIGMENTO EN VOLUMEN Y SU VALOR CRÍTICO

Por: Marcela Correa Cortés

Considerando que se ha optado por las materias primas adecuadas, la relación pigmento/ligante influye sobre algunas propiedades importantes del film de la pintura como el brillo, la permeabilidad, la adhesión, la elongación, la resistencia a la abrasión, el poder cubriente tanto en seco como en húmedo, etc.
La relación cuantitativa entre el pigmento y el ligante habitualmente se expresa como concentración de pigmento en volumen de la película seca y se lo indica como PVC (pigment volume concentration). La expresión matemática que define esta relación está dada por PVC= VP/ (VP +VL), donde VP es el volumen de pigmento y VL representa el volumen de ligante.

Como primer punto es necesario mencionar qué sucede cuando una cantidad limitada de resina es sistemáticamente añadida a una cantidad limitada de pigmento, en el sistema inicial, el aire ocupa los intersticios entre las partículas del pigmento y en la condición final sólo el ligante está presente. Estos dos extremos dan el rango que representa la escala del PVC, es decir sólo pigmento representa un 100% de PVC y un 0% de PVC representa sólo ligante (Resina), pero dentro de este rango se presentan situaciones intermedias, si vamos disminuyendo el porcentaje de PVC añadiendo paulatinamente ligante, en algún punto estará presente aire, ligante y pigmento; a medida que seguimos aumentando el ligante se presentará un punto en el que sólo habrá ligante y pigmento, en la que los espacios vacíos están totalmente completados por la resina y además hay un exceso de este por lo que la densidad de empaquetamiento de las partículas de pigmento no alcanza su máximo valor.

Para encontrar un punto en donde podemos mediar las propiedades ideales con los mejores porcentajes de resina y pigmento otorgando propiedades al film se introdujo un concepto que fue desarrollado por Van Loo Asbeck y Liderman con respecto al valor de la PVC en el que la demanda de ligante por parte del pigmento, en su máximo grado de empaquetamiento, está exactamente satisfecha.

Este punto único, intermedio que se presenta entre los casos anteriores mencionados, se llama PVCC (Concentración Crítica de Pigmento en Volumen), un valor de PVC superior al de PVCC significa que la cantidad de ligante no es suficiente para completar los espacios vacíos e inversamente un valor de PVC inferior a la de PVCC indica que la resina está en exceso y las partículas de pigmento no están en contacto entre sí. La consecuencia de estos puntos, dan origen a cambios abruptos en las propiedades del film de la película, por ejemplo por encima del PVCC, se produce un aumento de la porosidad del film de la pintura, aumento de la absorción del agua, pérdida del efecto barrera frente a los contaminantes exteriores solubles en agua, pérdida de frote en húmedo, pérdida de brillo, de poder cubriente tanto en seco como en húmedo, etc.

Es preciso saber que, en primer lugar, el PVCC varía en función del grado de dispersión del sistema pigmentario; cuando aumenta el grado de dispersión aumenta también el valor del PVCC debido a que el volumen de huecos es menor. En segundo lugar, el tipo de ligante puede variar el PVCC. Ambas razones conllevan a la necesidad de determinar este parámetro para cada sistema pigmentario y para cada ligante. Hay tres métodos para la determinación del PVCC: Método de la tensión del secado, Método de la gilsonita y Métodos Matemáticos que pueden ser encontrados en la literatura.

¿Cómo influye tanto la estructura morfológica, como tamaño de Cargas y Extender en la tixotropía y film de la pintura?

Por: Marcela Correa

Con frecuencia solemos pasar a un “extender” como “carga”, pero existe una gran diferencia; las cargas aportan materia sólida a la pintura en cuestión y un “extender” mejora el rendimiento de los pigmentos cubrientes. También es preciso indicar que en función de la carga utilizada varía de forma sostenible la viscosidad, la reología, el brillo y otras características del producto final. En la Norma EN ISO 3262 se encuentran definidas las propiedades de la carga para su uso en recubrimientos.

 A los “extender” también se les llama pigmentos inactivos, que aunque no aportan en sí color ayudan a una mejor distribución del pigmento, reduciendo con esto cantidad del mismo y como consecuencia costo final.

Para poder definir la influencia técnica de la “carga” y los “extender” en los acabados es básico conocer su estructura morfológica, la granulometría y absorción de aceite. La suma de estos tres criterios define la compactación de un recubrimiento y con ello sus características tales como:

-Viscosidad y fluidez del producto

-Formación de grietas al secado

-Poder Cubriente

-Porosidad y permeabilidad del agua y al gas carbónico

-Resistencia al frote en húmedo

Las “cargas” son por lo general de estructura esférica, mientras que los “extender” son de estructura laminar o acircular. Esta diferencia de estructuras  hace que en un medio líquido los pigmentos cubrientes, especialmente el bióxido de titanio, se distribuyan de forma completamente distinta.

Los “extender” van en pequeñas cantidades ya que un abuso de estos proporciona una alta viscosidad y probablemente un agrietamiento de la película final.

Las partículas esféricas son fáciles de dispersar y generalmente dan viscosidades estructurales bajas; las partículas laminares por el contrario muestran una elevada dificultad de dispersión y estructuras más rígidas; finalmente las acirculares tienen dificultad de dispersión y aportan una elevada viscosidad estructural.   

El tamaño de la partícula también es importante, ya que una partícula más fina tendrá un mejor mojado y con esto se obtendrá una menor tensión superficial final, reduciendo así problemas en el acabado como cuarteamiento.

¿Qué componentes debemos de tomar en cuenta para formular un recubrimiento?

Cualquiera que sea su aplicación, un recubrimiento o pintura líquida es una mezcla heterogénea de productos que una vez aplicada y seca se transforma en una película uniforme, continua, sin pegajosidad y con las características para las que ha sido concebida.

Estemos donde estemos al abrir los ojos lo primero que vemos es pintura; es una industria que aporta un efecto estético y de protección de gran importancia tanto cuantitativa como  cualitativamente.

Los componentes de la pintura varían en función del tipo de acabado que se requiera y de las condiciones de aplicación y secado; sin embargo, su composición genérica es la siguiente: 

• Pigmentos
• Cargas
• Ligante o resina
• Disolventes
• Aditivos

La cantidad total de cada uno de los componentes en la formulación, va ligado con las propiedades finales requeridas. Pero no debemos olvidar que la cantidad de algunos elementos como los disolventes y aditivos también pueden ser ajustados en relación al total de cargas y al tipo de resina o ligante a utilizar, así como a la dispersión del pigmento, es decir, algunos elementos dependen tanto de las propiedades finales, como del contenido de los elementos sobrantes del total de la formulación. 

Para saber qué tipo de elementos debemos de tener en cuenta y cuáles descartar, las pinturas se pueden clasificar de diversas formas en función del tipo de ligante o resina, de la aplicación a que van destinadas, etc. y son:

• Decorativas
• Industriales
• Para suelos
• De protección industrial

Para entrar de lleno al diseño de una pintura o recubrimiento, es preciso saber sobre la reología, relaciones estequiometrias y el control de calidad, para el buen comportamiento de la pintura aplicada.