¿Cuáles son las principales razones de la velocidad de secado de las pinturas al agua?
El secado rápido es la exigencia más común de los clientes de pinturas al agua. Debido a la singularidad de su estructura molecular, es decir, al fortísimo enlace de hidrógeno entre moléculas, sus propiedades son netamente distintas de las de la gran mayoría de disolventes orgánicos. En el campo de los recubrimientos al agua, esta característica se concentra en el hecho de que el agua se evapora más de diez o incluso decenas de veces más despacio que los disolventes de pintura comunes, debido a su elevado calor de evaporación. Además, la velocidad de evaporación del agua cambia debido a la importante cantidad de vapor de agua que hay en el aire y a las grandes variaciones estacionales que se producen. En el peor de los casos, la evaporación del agua se detiene si la humedad relativa del aire alcanza el 100%, mientras que los disolventes no acuosos no se ven afectados por este factor.
Aunque los recubrimientos al agua se enfrentan a los retos técnicos descritos, están destinados a convertirse en un actor importante en el sector de los recubrimientos debido a sus propiedades respetuosas con el medio ambiente. Gracias a los incansables esfuerzos de los pintores al agua durante la última década, la tecnología de las pinturas al agua está madurando cada vez más. A continuación se analizan los principales factores que afectan a la velocidad de secado de los recubrimientos al agua y las correspondientes medidas que pueden adoptarse al formularlos.
1. Elección de la resina.
Como todas las pinturas, el rendimiento de las pinturas al agua viene determinado en gran medida por la resina elegida en la formulación. La gran mayoría de las resinas formadoras de película al agua son sistemas de emulsión, que tienen un mecanismo de formación de película diferente al de los recubrimientos al disolvente. Las resinas de base disolvente forman un sistema monofásico con el disolvente y, a medida que éste se evapora, la viscosidad del sistema aumenta hasta que se solidifica, lo que supone un proceso continuo en cuanto a las propiedades mecánicas del sistema. Con la evaporación del agua, la viscosidad del sistema no cambia mucho al principio, pero cuando el volumen de las partículas de la emulsión alcanza un valor crítico, el sistema cambia repentinamente de estado a sólido, lo cual es un proceso discontinuo, y este punto crítico es el comienzo del secado superficial de los recubrimientos al agua, por lo que el tiempo de secado superficial de los recubrimientos al agua es más corto que el de algunos recubrimientos al disolvente. La gama completa de propiedades, desde el secado superficial hasta el rendimiento de la película de pintura, depende de la velocidad de evaporación del agua residual en el sistema, la interpenetración de macromoléculas en las partículas de la emulsión y la velocidad de volatilización de otras moléculas orgánicas pequeñas en el sistema. Para optimizar el sistema, la resina debe seleccionarse teniendo en cuenta los siguientes aspectos a la hora de elaborar una formulación de pintura al agua.
a. Contenido en sólidos: En general, cuanto mayor sea el contenido en sólidos de una emulsión, más cerca estará del umbral de secado superficial y más rápido secará. Sin embargo, un contenido en sólidos demasiado alto puede tener una serie de desventajas. El secado rápido de la superficie puede acortar los intervalos de aplicación y ocasionar inconvenientes en la construcción. Las emulsiones con alto contenido en sólidos suelen tener malas propiedades reológicas debido al pequeño espaciado de las partículas de resina y no son sensibles a los espesantes, lo que hace más difícil ajustar el rendimiento de pulverización o pintado de la pintura.
b. Tamaño de las partículas de la emulsión: cuanto más pequeñas son las partículas de la emulsión, menor es el espaciado entre las partículas bajo el mismo contenido sólido, menor es el valor crítico de secado de la tabla, mayor es la velocidad de secado. Las partículas de emulsión más pequeñas también aportan otras ventajas, como una buena formación de película y un alto brillo.
c. Temperatura de transición vítrea de la resina (Tg): En términos generales, cuanto mayor sea la Tg de la resina, mejor será el rendimiento final de la película. Las resinas con una Tg elevada suelen requerir que se añadan más aditivos formadores de película a la formulación para facilitar la interpenetración del polímero entre las partículas de la emulsión y promover la calidad de la película. Sin embargo, estos aditivos filmógenos necesitan tiempo suficiente para evaporarse del sistema y, de hecho, pueden prolongar el tiempo desde la superficie hasta el secado completo. Así que, en términos de este factor Tg, el tiempo de secado y las propiedades formadoras de película suelen estar reñidos.
d. Estructura de fase de las partículas de emulsión: dependiendo del proceso de preparación de la emulsión, la misma composición de monómero puede dar lugar a diferentes estructuras de fase de las partículas. La conocida estructura core-shell es un ejemplo de ello. Aunque no es posible que todas las partículas de una emulsión formen una estructura core-shell, esta imagen es una analogía que da una idea general de las propiedades de formación de película de una emulsión. Si las partículas tienen una Tg de cubierta baja y una Tg de núcleo alta, el sistema requiere menos auxiliares de formación de película y se seca más rápido, pero la dureza de la película se ve afectada por el hecho de que la fase continua tras la formación de la película es una resina de baja Tg. Por el contrario, si la Tg de la cubierta de las partículas es alta, entonces se necesita una cierta cantidad de auxiliares para la formación de la película, y la película secará más lentamente que la primera, pero la dureza tras el secado será mayor que la primera.
e. Tipo y cantidad de tensioactivo: las emulsiones comunes utilizan cierta cantidad de tensioactivo en el proceso de fabricación. Los tensioactivos tienen un efecto segregador y protector sobre las partículas de la emulsión y ejercen una gran influencia en el proceso de formación de la película en la que las partículas se fusionan entre sí, especialmente en la fase inicial, es decir, el secado superficial. Además, estos productos químicos únicos, que tienen una cierta solubilidad tanto en la fase acuosa como en la oleosa, la parte disuelta en la resina actuará realmente como ayuda para la formación de la película. Diferentes tensioactivos, debido a su diferente solubilidad en la resina, actuarán de forma diferente como agentes formadores de película.
2. Mecanismo de curado de la resina.
El curado de la resina de base acuosa formadora de película suele tener varios niveles de mecanismo. En primer lugar, la agregación y fusión de las partículas de la emulsión es un mecanismo que deben experimentar todas las emulsiones para secarse. A continuación, la evaporación del agua y de otros aditivos formadores de película, que permite la plena realización de las propiedades básicas de la propia resina termoplástica, constituye la segunda etapa del curado. Por último, algunas emulsiones introducen un mecanismo de reticulación durante la preparación, o agentes de reticulación cuando se aplica el revestimiento, para aumentar aún más la dureza de la película sobre la resina termoplástica. El mecanismo de reticulación en este último paso puede tener un impacto significativo en la velocidad final y el grado de curado de la película. Los mecanismos comunes de reticulación incluyen la reticulación oxidativa (por ejemplo, la reticulación de resinas alquídicas), la reticulación por adición de Michael (por ejemplo, algunos sistemas de emulsión auto-reticulantes) y la reticulación por sustitución nucleofílica (por ejemplo, epoxi, poliuretano, etc.). Estas reacciones de reticulación se ven influidas por la temperatura, el pH y otros factores, y deben equilibrarse con otras propiedades en la formulación de los requisitos de curado del sistema.
3. La cantidad y el tipo de aditivos formadores de película.
Teóricamente, el disolvente de cualquier resina es un aditivo formador de película. En la práctica, teniendo en cuenta la seguridad, el coste, la velocidad y otros factores, sólo hay una docena de aditivos filmógenos comunes, principalmente algunos alcoholes de alto punto de ebullición, éteres y ésteres. Estos aditivos formadores de película pueden ser preferidos por diferentes ingenieros de revestimientos al agua. Por lo general, un ingeniero experimentado sólo utilizará dos o tres aditivos filmógenos. Las principales consideraciones son la distribución del reactivo entre el agua y la resina y la distribución dentro de las partículas de resina. Especialmente cuando la resina de base acuosa es una resina multifásica, la selección y adecuación de los aditivos filmógenos es especialmente importante.
4. Entorno de construcción.
Al principio de este documento hemos tratado el tema del agua. Debido a las características del agua, las pinturas al agua requieren un entorno de construcción más exigente que las pinturas al aceite, principalmente para controlar la temperatura y la humedad durante la construcción. Las formulaciones universales deben aplicarse en un entorno que evite en lo posible la humedad elevada. Si es necesario trabajar con humedad elevada, debe ajustarse la formulación, seleccionar una resina con rápida formación de película o aislar la obra.