Pintat de plàstics en base aquosa

Antoni Porta Mateu

S'exposa la situació actual de les pintures en base aquosa per a plàstics des del punt de vista tècnic, i les raons que han portat al seu desenvolupament. L'aplicació de les directives de la UE faran precís replantejar els sistemes de pintura de plàstics. S'està realitzant un important esforç tècnic perquè els processos d'aplicació no plantegin problemes per a l'aplicador ni es produeixin reculades en la qualitat final del recobriment.

Antoni Porta Mateu és director de Cromaresme, S.L., signatura subministradora de pintures per a plàstics.

1. Raons del pintat de plàstics

El pintat de plàstics s'ha generalitzat per diverses raons. Les més freqüents són tres: protecció, estètica i motius tecnològics concrets.

1.1 Raons de protecció:

Un percentatge molt elevat de plàstics no resisteixen la radiació ultraviolada. La radiació ultraviolada afecta a la superfície del plàstic, trencant les macromóleculas i formant microfisuras que, ajudades pels canvis de temperatura i la humitat ambienti, acaben per degradar el plàstic amb la consegüent pèrdues de propietats mecàniques i unes altres. Es precisa, doncs:

• Protecció enfront de les accions mecàniques, augmentant la resistència a l'abrasió i al rayado.
• Protecció davant mitjans agressius com a agents químics, dissolvents, detergents, grasses i uns altres.
• Protecció contra la migració de certs plastificantes a la superfície.

1.2 Raons estètiques

A fi d'ocultar defectes produïts per la transformació, tals com les línies de flux en peces injectades, porus o desperfectes.

• Conferir a la superfície més lisura o diferent tacte
• Igualar tons i lluentor entre diferents peces quan no existeix la possibilitat d'aconseguir-ho directament en la massa del plàstic
• Aconseguir aspectes especials com metal·litzats, texturados, soft o altres

1.3 Raons tecnològiques

Conferir característiques antiestàtiques, augmentar la conductivitat elèctrica, aïllar components electrònics, augmentar les característiques mecàniques o la resistència al caminamiento.
Descrites les raons per les quals es pinten els plàstics, es presenten a continuació les motivacions que han portat a la indústria de recobriments orgànics a desenvolupar les pintures en base aquosa.

2. Problemes dels dissolvents en el medi ambient

La major part de les pintures emprades en el pintat de plàstics són encara en base dissolvent. Si considerem l'extracte sec que presenten aquestes pintures, veurem que el seu valor mitjà és d'un 25-30% en pes. Això significa que, per cada tona de pintura aplicada, s'emeten a l'atmosfera al voltant de 700-750 kg de dissolvents.

Figura 1Resines autoemulsionantes tipus "core-shell".

La part hidròfoba forma un nucli (core), i la part hidrófila forma l'embolcall (shell) de cadascuna de les gotes d'emulsió

Els dissolvents de les pintures pertanyen al grup més general de compostos orgànics volàtils i es coneixen, generalment, per les inicials VOC (de l'anglès Volatile Organic Compounds).
Els efectes que produeixen els VOC en el medi ambient són varis, i tots ells perjudicials. Els mecanismes perjudicials bàsics són quatre:

• La destrucció de la capa estratosfèrica d'ozó.
• L'efecte hivernacle, amb el consegüent augment de la temperatura global.
• La pluja àcida
• La formació d'ozó en la troposfera.

Els dissolvents participen plenament en els punts 1 i 4, i indirectament en el 2 (taula I). Per pal·liar aquests efectes, els països mes avançats en la protecció mediambiental han legislat normatives restrictives a l'ús dels dissolvents, reduint les quantitats permeses d'emissió o les que intervenen en la pintura. La directiva europea sobre els VOC afectarà a tots els integrants de la Unió Europea.

3. Directiva europea sobre els VOC.

La directiva defineix al dissolvent com qualsevol compost orgànic que té una pressió de vapor de 0.01 KPa o major a 293K, i separa als dissolvents de la resta de VOC, tals com a combustibles i altres compostos, els quals al seu torn són objecte d'altres accions de la directiva.
En la directiva es defineixen 10 annexos (taula II) en els quals es tracta de manera individual cada sector. El que afecta al pintat de plàstics (pintura industrial en general) és l'annex VII. En els paràmetres proposats, s'estableixen dos nivells en funció del consum de dissolvent anual, i es limita l'emissió per xemeneia a un valor màxim, expressat en mil·ligrams de carboni per metre cúbic d'aire, al mateix temps que obliga a portar un Pla de Gestió de Dissolvents (taula III). En aquest pla es quantifiquen les entrades de dissolvents comprats o recuperats, i les sortides com a dissolvents emesos. La diferència entre tots dos valors és considerada emissió fugitiva (dissolvents perduts en emissions a l'aire no capturades).

Figura 2Les dispersions coloidales es formen per copolimerización de monòmers que contenen grups carboxil

A la vista de tot l'anterior és clar que s'imposa un canvi de tecnologia. A l'aplicador de pintures se li presenten dues alternatives: invertir en una instal·lació que elimini les emissions de dissolvents evaporats en el procés d'assecat, mitjançant diverses tècniques com la condensació, absorció i posterior incineració; o bé canviar l'actual sistema de pintures en base dissolvent a un sistema en el qual es compleixi la normativa. Els sistemes alternatius actuals són tres:

• Sistemes d'alt contingut en solguts.
• Sistemes de guarit per ultraviolat
• Sistemes en base aquosa.

L'aplicador de pintures haurà d'escollir l'opció que millor s'adapti al seu procés.

4. Tecnologia de les pintures en base aquosa per a plàstics

Els tipus de polímers utilitzats usats en les pintures en base aigua, atenent a la seva naturalesa química, són pràcticament els mateixos que s'utilitzen en base dissolvent:

• Acríliques.
• Acríliques modificades o en combinació amb altres polímers.
• Poliuretans en dispersió.
• Èsters d'epoxi.
• Acríliques hidroxiladas amb isocianatos emulsionables.
• Polièsters hidroxilados amb isocianatos emulsionables.
• Alquídicas modificades.

La presentació física d'aquests polímers és en forma de dispersions-emulsionis i dispersions coloidales (existeix un grup de polímers que es presenta en forma de solucions, però pràcticament no s'utilitzen en el pintat de plàstics).

4.1 Dispersions o emulsions:

S'obtenen polimerizando monòmers hidròfobs, al mig aquós, en presència d'un agent emulsionant, que manté en equilibri als agregats moleculars hidratats resultants. La polimerització s'activa mitjançant catalitzadors solubles en aigua. La grandària de les partícules de la dispersió oscil·la al voltant de 0.5-1 m. La viscositat és independent del pes molecular, la qual cosa té gran importància posat que permet obtenir pesos moleculars alts sense problemes de viscositat. Contenen petites quantitats de dissolvents com coalescentes.
L'última aportació tècnica a aquest tipus de resines són les trucades autoemulsionantes core-shell (figura 1), que es componen d'una part de resina hidròfoba i segments de polímers hidrófilos empeltats. En el procés d'emulsió, la part hidròfoba forma un nucli (core), i la part hidrófila forma l'embolcall (shell) de cadascuna de les gotetes de l'emulsió.

Figura 3Quadre de comandament d'ABS per a automòbil. El sistema utilitzat és l'Hidromar monocomponente (acrílic)

Els avantatges d'aquest tipus de resines respecte a les convencionals resideix en l'absència d'emulsionants externs, la qual cosa millora la resistència a les forces de cizalladuras en la fabricació de la pintura, la reducció de la quantitat de coalescentes i la resistència a l'aigua de la pel·lícula de pintura seca.

4.2 Dispersions coloidales

Es formen per copolimerización de monòmers funcionals que contenen grups carboxil, que solubilizan mitjançant una neutralització amb amines o amoníac, dins d'un camp de pH alcalí (8-9). Aquest procés dóna nom a aquest tipus de polímers com álcali-solubles. La viscositat depèn del pes molecular i del contingut en sòlids. La grandària de les partícules és menor que 0.1 m. Contenen també una petita quantitat de dissolvents com coalescentes.

4.3 Procés álcali-soluble

Es tracta (figura 2) d'un sistema reactiu de poliuretà de dos components. És la tecnologia en base aigua més recent de totes, i el seu origen està en els treballs de recerca sobre els poliisocianatos emulsionables realitzats per la signatura Bayer.
Els sistemes de poliuretà dos components, tant els acrílic/isocianato com els polièster/isocianato en base dissolvent, són els més utilitzats en el pintat de plàstics quan es desitja un acabat de la màxima qualitat i resistència a l'exterior. La capacitat de reacció dels poliisocianatos en l'aigua semblava limitar aquest sistema només als productes en base dissolvent però, malgrat aquesta aparent limitació, s'ha aconseguit un sistema similar soluble en aigua.
El sistema poliuretà en base aquosa es basa en un component polihidroxilado en dispersió, amb la grandària de partícula el més petit possible i amb propietats emulsionants del poliisocianato. El poliisocianato és alifático de baixa viscositat al 100% de sòlids, per facilitar la seva emulsió en el component polihidroxilado i no incorporar dissolvents a la barreja. Les molècules de polímer se situen envoltant les gotetes de poliisocianato tal com ho farien les molècules d'un emulsionant. En començar la reacció, els grups NCO de l'isocianato reaccionen alhora amb els grups OH del poliol i amb l'aigua, per la qual cosa s'obtenen, a més de l'estructura del poliuretà, composts de poliurea.
La seva aplicació es realitza mitjançant pistola convencional, i la barreja dels dos components ha de realitzar-se amb un agitador, a fi d'aconseguir la màxima emulsió de la mateixa. Les propietats del sistema són similars als basats en dissolvent i el tipus de pintures el mateix.
Els tipus d'assecat de les pintures hidrosolubles, són els mateixos que les pintures en base dissolvent:

• Físic, per evaporació de l'aigua i sense modificació química del ligante
• Oxidació: es realitza una reacció del ligante amb l'oxigen de l'aire, produint-se una modificació química del mateix
• Polimerització, es realitza una reacció química entre dos compostos, que es presenten barrejats en la mateixa pintura (els de assecat al forn) o en envasos separats que es barregen abans de la seva aplicació.

5. Característiques de les pintures en dispersió per a plàstics

En comparar-les amb les clàssiques en dissolvent, les resines en dispersió tenen unes característiques diferents a les pintures convencionals que convé explicar, i que són depenents de la temperatura de formació de pel·lícula MFT i del fenomen de la coalescència.
Perquè una pintura en dispersió formi una pel·lícula uniforme i sense defectes és necessari que les partícules s'uneixin sense deixar espais entre si: a aquest efecte se li denomina coalescència. Perquè aquesta tingui lloc es requereix un equilibri entre diversos factors oposats entre si:

• Factors favorables: temperatura elevada, elevada energia superficial de contacte, addició de plastificantes, addició de dissolvents coalescentes i petita grandària de la partícula.
• Factors desfavorables: elevat mòdul elàstic del polímer i Tg del polímer elevada.

La Tg (temperatura de transició vítria) del polímer és la que determina la temperatura de formació de la pel·lícula (MFT), i alhora determinarà les característiques finals del recobriment quant a duresa, resistència al rayado, etc.
En la practica, l'addició de coalescentes redueix la MFT. El coalescente redueix la Tg del polímer perquè aquest formi correctament el film. Després de l'evaporació de l'aigua, el coalescente també s'evapora, el Tg torna al seu valor original i milloren les característiques físiques de la pintura. Si s'efectua un assecat forçat a temperatura (60-90C) no és necessària l'addició de coalescentes.
A causa de l'addició de coalescentes es produeix un retard en l'abast de les condicions òptimes de la pintura doncs, en molts casos, el coalescente és retingut a l'interior de la pintura i triga un temps a evaporar-se totalment. Aquest retard es pot pal·liar en part, segons el tipus de coalescentes escollits o efectuant un assecat forçat.
Una altra característica diferent en comparació de les pintures al dissolvent és la seva viscositat estructural (figura 3). Les pintures al dissolvent per al pintat de plàstics tenen una viscositat de tipus newtonià o seudoplástico. El sistema habitual de controlar la viscositat és mitjançant copa Ford o DIN. En les pintures hidrosolubles, a causa de la seva viscositat estructural, aquest tipus de viscosímetres no són adequats per a la majoria de formulacions, per la qual cosa és necessari emprar viscosímetres dinàmics. També ha de controlar-se el pH de la pintura a causa de la seva influència sobre la viscositat.

Figura 4En les pintures hidrosolubles, a causa de la seva viscositat estructural, no són adequats, per la mayoria de formacions, els viscosímetres tipus copa FORD o DIN, per la qual cosa és necessari emprar viscosímetres dinàmics. També ha de controlar-se el pH de la pintura a causa de la seva influència sobre la viscositat.

Una tercera característica diferent respecte a les de base dissolvent és la gran influència, en la seva aplicació i assecat, de la temperatura i la humitat relativa de l'aire. En utilitzar aigua com a dissolvent, no es disposa del recurs a la modificació de les característiques d'evaporació mitjançant barreges de dissolvents, per la qual cosa la saturació de vapor d'aigua existent en l'ambient influirà en la velocitat d'evaporació de l'aigua de la pintura. Les condicions normals d'aplicació de les pintures a l'aigua es troben entre el 50 al 70% d'humitat relativa i una temperatura de 18 a 28C. En el pintat industrial de plàstics es recomana l'assecat forçat a 50-90C, segons el tipus de plàstic.
Una característica molt benvolguda és la no agressió als plàstics a causa de la baixa quantitat de dissolvents (els coalescentes poden representar com a màxim un 5% sobre el total de la pintura). Un problema que es presenta en les pintures hidrosolubles és la seva dificultat per humectar bé els substrats.
La tensió superficial de l'aigua és molt alta, de l'ordre de 70 mN/m, la qual cosa dificulta la mojabilidad dels suports. El problema se soluciona mitjançant additius que rebaixin la tensió superficial de la pintura, i cuidant la neteja de les superfícies de plàstic. Un altre problema característic de les pintures en base aigua és la seva facilitat per produir escuma, la qual cosa obliga a la utilització d'antiespumantes en la seva formulació.

6. Tipus de pintures en base aquosa per al pintat de plàstics

Són sistemes d'adherència directa sobre el plàstic, sense necessitat d'imprimación d'ancoratge. Poden ser monocomponentes o bicomponentes. Colors opacs o metal·litzats amb diferents lluentors segons el tipus de resina escollit. En els monocomponentes les lluentors no són molt elevats (màxim 80% a 60C). Per aconseguir lluentors altes similars als de base dissolvent s'han d'utilitzar els poliuretans bicomponentes.

6.2 Sistemes bicapa

El sistema es compon d'un fons opac o metal·litzat i un vernís d'acabat transparent aplicat damunt del fons. En el pintat actual d'aquests sistemes es donen dos casos:

• Fons opac o metal·litzat en base aquosa + vernís poliuretà 2 components en base dissolvent, o
• Fons opac o metal·litzat en base aigua + vernís poliuretà 2 components en base aigua.

Aquest últim sistema és el més recent, i la seva resistència a l'exterior encara està en observació (Florida), si ben tant per la seva naturalesa química, com pels resultats obtinguts en els assajos d'envelliment accelerat, cal pensar que no han de tenir cap problema. En l'aplicació dels sistemes bicapa és necessari que en aplicar el vernís d'acabat (tant si és a l'aigua com si és al dissolvent) l'aigua del fons s'hagi evaporat completament. Això obliga a estufar prèviament el fons a 80C durant 3 a 5 minuts. El sistema bicapa pot ser d'adherència directa sobre el plàstic o requerir una imprimación d'ancoratge segons el tipus de plàstic que es tracti.

6.3 Imprimaciones

• Selladoras: S'utilitzen normalment per segellar o tapar defectes superficials dels plàstics.
• Conductores: La seva funció és convertir en conductora la peça de plàstic per al seu pintat posterior sistemàticament electrostàtic.

Poden ser mononcomponentes i bicomponentes.

6.4 Vernissis

Els vernissos hidrosolubles monocomponentes s'utilitzen per a la protecció de certs plàstics o per proporcionar aspectes estètics concrets; en general, la seva lluentor no és tan elevat com els vernissos en base dissolvent. En el cas dels bicomponentes, la lluentor és similar als quals s'aconsegueixen amb els vernissos en base dissolvent.

6.5 Acabats hidrosolubles amb efectes especials:

• Acabats amb efectes tèxtils, soft, texturados i uns altres.
• Monocomponentes i bicomponentes.

7. Tipus de plàstics que es poden pintar en base aquosa

Els principals tipus de plàstics que es pinten en base dissolvent poden ser pintats en base aquosa: ABS, PS, PC, PMMA, PVCr, PVCf, PURr, PURf, PA, PP/EPDM, SMC.

Figura 5Retrovisor de poliamida. S'ha utilitzat el sistema bicapa de base metal·litzada Hidromar, més un vernís de dos components (PUR) amb base dissolvent Hidromar

El PP és un dels plàstics d'ús corrent en la indústria que presenta més dificultats per ser pintat amb pintures aquoses. Si es tracta la seva superfície hi ha sistemes amb bona adherència, i s'està treballant per aconseguir promotors d'adherència emulsionats en aigua.

8. Instal·lacions per a l'aplicació de les pintures en base aquosa

Les característiques principals a tenir en compte en les instal·lacions d'aplicació de pintures a l'aigua són:

• Adequar la cabina d'aplicació a l'interval de temperatura i humitat relativa òptim
• Un assecat forçat per evaporar l'aigua
• Els conductes i calderines han de ser d'acer inoxidable o plàstic
• Les bombes no han de ser de discos o engranatges o qualsevol altre sistema que produeixi forces de cisallament elevades

9. Conclusió

La tecnologia del pintat en base aquosa és una de les quals s'està desenvolupant més ràpidament a causa de les seves característiques de respecte pel medi ambient. Els problemes que presenta s'estan solucionant gradualment.

Emissions de VOC a Europa, 1985

Procedència	Quantitat (MT/any)	%
Emissions de dissolvents	3,4	34%
Emissions del transport	5,3	53%
Emissions de refineries	0,2	2%
Emissions de processos industrials	0,5	5%
Altres fonts d'emissió	0,6	6%
Total VOC	10	100

Taula I.- Emissió de compostos orgànics volàtils a Europa, per procedència. Font: Corinair

Paràmetres de la directiva europea sobre VOC (1)

Annex VII Aplicació de pintures	Primer nivell	Segon nivell
Consum anual	> 2 T/any; < 25 T/any	> 25 T/any
Capacitat nominal	> 2 kg/hora; < 25 kg/hora	> 25 kg/hora
Pla de gestió	Tipus A	Tipus A (5 anys); després Tipus B
Límits d'emissió	150 mg C/m3	Assecat: 50 mg C/m3 Aplicació: 100 mg C/m3
Emissions fugitives	< 25%	< 25%
Derogació instal·lacions existents	7 anys	5 anys
Condicions d'exempció	Pla de reducció d'emissions	Pla de reducció d'emissions

 

Taula II.- Paràmetres de la directiva europea sobre VOC.

Paràmetres de la directiva europea sobre VOC (i 2)

Temps (anys) des que la directiva entri en vigor	Temps (anys) des que la directiva entri en vigor	% tolerat sobre les emissions controlades i fugitives que es permetran com a màxim per a les indústries que no presentin pla de reducció. El % es calcularà en les T/any de la taula II.
Mitjanes/grans	Mitjanes/grans
3 (5*) / 2 (4*) 10 (12*) / 8 (10*) 14 (16*) / 12 (14*)	8 (12)* / 7 (9*) 12 (14*) / 10 (12*) 14 (16*) / 12 (14*)	150% 100% 75%

Taula III.- Temps d'adaptació segons la directiva europea sobre VOC. (*): Per a processos que usin recobriments que deuen que complir amb les condicions de contacte amb aliments.

SUBMINISTRADORS DE QUIPOS I INSTAL·LACIONS PER A PINTURES A l'AIGUA