Desaireantes TEGO® Airex

Figura 1: Tensoactivos orientados por sí mismos a la interfase líquido/aire

La espuma – un problema bien conocido La espuma es uno de los problemas más comunes que un formulador debe considerar cuando está desarrollando recubrimientos y tintas de impresión, y es particularmente importante en formulaciones acuosas, de curado por radiación, exentas de disolventes o de altos sólidos.

No todas las espumas son lo mismo

La espuma es una distribución estable de pequeñas burbujas de gas (generalmente aire), en un líquido. Sin embargo, los líquidos puros no forman espuma. Una espuma estable sólo tiene lugar cuando en el líquido hay substancias presentes con estructura de tensoactivos.

En principio es posible clasificar la macro y micro-espuma. La primera se encuentra, por ejemplo, en la superficie de la película de recubrimiento, y la segunda está en el interior de la película. Ambos tipos de espuma se pueden distinguir tanto en el material líquido del recubrimiento como en la película seca del mismo.

Los tensoactivos, con sus partes hidrófilas e hidrófobas, se orientan por sí mismos preferentemente a las interfaces líquido/ aire. Un líquido que incluye aire incorporado posee tales interfases. Los tensoactivos se orientan espontáneamente hacia ellas y estabilizan las burbujas de aire produciendo una espuma estable.

Existen dos tipos de espuma: la microespuma y la macro-espuma. Sin embargo, frecuentemente es difícil distinguirlas con facilidad y a menudo aparecen juntas como “un problema de espuma”

Las burbujas de macro-espuma de la pintura líquida son generalmente burbujas de aire rodeadas por una película dúplex formada por una doble capa de tensoactivos. Existen aquí dos interfases líquido/aire. Las burbujas de micro-espuma pueden describirse como inclusiones de aire que

sólo se encuentran en la interfase líquido/ aire Los tensoactivos también se orientan espontáneamente a esta interfase y “encapsulan” la micro-espuma (fig. 1). Los aditivos para pinturas de la gama TEGO® Foamex de Evonik eliminan principalmente la macro-espuma de las formulaciones acuosas. Sin embargo, dependiendo de la estructura del aditivo también son efectivos contra la microespuma. Una descripción completa de estos aditivos la encontrarán en “Fundamentos Técnicos – Antiespumantes” Los aditivos TEGO® Airex son efectivos predominantemente contra la microespuma, aunque tiene efectos positivos en la lucha contra la macro-espuma. La forma en que actúa la familia TEGO® Airex se describe a continuación.

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Figura 2: Recubrimiento acuoso para madera, aplicado con pistola sin aire

Normalmente la micro-espuma sólo se reconoce al segundo examen visual En primera instancia, muchos problemas de los recubrimientos no se cree que estén asociados directamente con la micro-espuma; además, frecuentemente sólo es posible identificar el aire ocluido con la ayuda de aparatos ópticos tales como lentes de aumento o microscopio. Un efecto indeseable, por ejemplo, en los acabados de alto brillo, es la turbidez o pérdida de brillo que pueden causar las burbujas de micro-espuma (fig. 2). La corrosión prematura puede ser causada por la micro-espuma, ya que reduce el grosor efectivo de la película de recubrimiento. Las burbujas de micro-espuma pueden también causar pequeños “puntos de alfiler” cuando el recubrimiento seca. Estos son pequeños canales que pueden llegar hasta el fondo de substrato metálico. La función protectora del recubrimiento se ve comprometida y la corrosión puede progresar con mayor rapidez.

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¿Cómo se forma la micro-espuma? La micro-espuma consiste en pequeñas burbujas de gas o de aire en el recubrimiento. Cuando están presentes, los tensoactivos se orientan por sí mismos a la interfase aire/líquido, y estabilizan las burbujas de gas o aire (fig. 1). El aire o el gas se puede incorporar a la película de recubrimiento por: • agitación/mezcla/dispersión durante la fabricación del recubrimiento • adición y mezcla de los agentes de curado en los sistemas de 2 componentes • procesos de aplicación tales como rodillo, inmersión y los más importantes, pistola con o sin aire • desprendimiento de gas por reacción química durante el curado del recubrimiento, (p.ej., desprendimiento de CO2 por reacción del isocianato con humedad) • aplicación sobre substratos porosos como madera o piedra (el aire atrapado en los poros asciende al recubrimiento)

Además de los tensoactivos, dos factores más juegan un papel clave en la formación de micro-espuma: • la viscosidad del recubrimiento • el tamaño de las burbujas de gas o aire

Micro-espuma – relación entre la viscosidad del recubrimiento y el tamaño de la burbuja Los factores mencionados están estrechamente relacionados por la Ley de Stokes, que en forma simplificada es:

v ~ r2/ donde v = velocidad de ascenso de la burbuja de espuma r = radio de la burbuja de espuma  = viscosidad del recubrimiento (fig. 3).

Esto significa que si la viscosidad del recubrimiento es relativamente alta, la velocidad de ascenso de las burbujas de gas/ aire es relativamente pequeña. Las burbujas de gas/aire, especialmente en formulaciones con una viscosidad relativamente alta, (p.ej., formulaciones de altos sólidos y sistemas UV, recubrimientos para suelos (pisos), esmaltes de alto cuerpo y recubrimientos anticorrosivos) ascienden lentamente a la superficie del recubrimiento. La viscosidad del recubrimiento aumenta a medida que progresa el secado. Como consecuencia las burbujas permanecen en la película del recubrimiento y el resultado es el bien conocido problema de microespuma. Sin embargo, la Ley de Stokes indica otra relación importante: El tamaño de la burbuja de aire tiene un efecto en la velocidad de ascenso mucho más marcado que la viscosidad del recubrimiento, porque en la ecuación el radio de la burbuja aparece elevado al cuadrado.

Figura 3: La velocidad de ascenso depende de la viscosidad de la pintura y del tamaño de la burbuja

La fig. 4 muestra la velocidad de ascenso de una burbuja de gas/aire a velocidad constante, en función de su radio, es decir, su medida en base a la Ley de Stokes. La velocidad de ascenso de las burbujas muy grandes de gas/aire crece exponencialmente. Estas llegan a la superficie durante el curado del recubrimiento, donde forman macro-espuma que puede ser eliminada con la ayuda de antiespumantes (ver “Fundamentos Técnicos – Antiespumantes). Esto plantea una pregunta: ¿qué sucede con las pequeñas burbujas de aire, conocidas como micro-espuma? En la próxima sección se da una respuesta.

Figura 4: La velocidad de ascenso depende del radio de la burbuja

v ~ r2

V  Velocidad de ascenso

viscosidad



velocidad de ascenso (v)



r radio de la burbuja de espuma (r)

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Micro-espuma inmediatamente después de la aplicación

Micro-espuma después de 10 min.

¿Pueden las burbujas de micro-espuma disolverse por sí mismas? Las burbujas de micro-espuma pueden desaparecer por sí mismas. Pueden encogerse continuadamente hasta desaparecer. Este fenómeno se puede observar fácilmente con un microscopio durante, por ejemplo, la fase de secado de un recubrimiento aplicado con pistola sin aire. Uno puede realizar fácilmente un seguimiento de como las burbujas de micro-espuma cambian durante este período (fig. 5).

Micro-espuma después de 20 min.

Al principio hay una mezcla de micro-burbujas de diferentes tamaños. Al proceder a secarse esta imagen se altera. Las microburbujas relativamente grandes se vuelven lentamente más grandes, mientras que rápidamente las micro-burbujas pequeñas se vuelven aún más pequeñas, encogiéndose literalmente hasta desaparecer. La fuerza que impulse esta retracción es la presión de Laplace de la burbuja.

Ecuación de Young-Laplace

Pi

r

Pa

Presión interna pi > Presión externa pa pi = pa + 2 s

r

s - Tensión interfacial

La presión interna de una burbuja de aire es mayor que la presión externa ya que el efecto de la tensión interfacial debe ser superado. La relación entre la tensión interfacial y el radio de la burbuja 2s/r es más grande cuanto más pequeña es la burbuja de aire, lo que conduce a un aumento de la presión interna Pi. Para pequeñas burbujas de aire de entre 10 y 20 µm de diámetro, la presión interna debe ser del 10 al 15 % más alta que la presión externa.

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Presión de Laplace Derivada de Young-Laplace Ecuación con Pi = Pa + 2s/r. Pi = Presión interna de la burbuja de aire Pa = Presión externa de la burbuja de aire s = tensión interfacial r = radio de la burbuja de aire

Figura 5: Vista a través del microscopio: disolución de micro-burbujas en un lapso de tiempo. Sistema acuoso sobre vidrio, aplicación con pistola sin aire

La presión de Laplace es dada por la ecuación de Young-Laplace, que relaciona la presión interna de la burbuja de microespuma con la presión externa del medio que la envuelve. Cuanto más pequeña es la micro-burbuja de espuma, más grande es el aumento de la presión interna en comparación con la presión externa. Esta diferencia de presión hace que el aire de la micro-burbuja se difunda por el medio que la rodea, disolviéndose en él. La difusión, y con ella, la contracción de las micro-burbujas de espuma continúa cada vez más rápido ya que la burbuja se va haciendo más pequeña.

¿Cómo actúan los desaireantes? Los desaireantes efectivos exhiben una parcial e intencionada insolubilidad en el medio que debe tratarse y, de forma ideal, una cierta actividad superficial. Los desaireantes se concentran preferentemente en la interfase líquido/aire y forman, en el caso ideal, una película de aditivo alrededor de la burbuja de micro-espuma, previniendo, por tanto, que los tensoactivos estabilicen la burbuja. Además, las substancias activas desaireantes parcialmente insolubles promueven la difusión del aire de la burbuja en el medio que la envuelve.

La incompatibilidad parcial e intencionada del desaireante significa que existe un equilibrio óptimo entre la efectividad del mismo y la formulación del recubrimiento. Por una parte, si el desaireante es demasiado compatible puede no ser efectivo, pero por otro lado, si es demasiado incompatible pueden aparecer defectos tales como cráteres, ojos de pez o turbidez. (fig 6).

¿qué substancias son efectivas como desaireantes? Hay un amplio abanico de compuestos químicos que son potencialmente adecuados para ser usados como desaireantes en los recubrimientos, incluyendo • polímeros orgánicos como poliéteres y poliacrilatos • dimetilpolisiloxanos (aceites de silicona) • polisiloxanos modificados orgánicamente, como polisiloxanos de arilalquilo • fluorosiliconas

Figura 6: Recubrimiento transparente a base de disolventes con adición de diferentes desaireantes: de izquierda a derecha, completamente soluble, insoluble, parcialmente e intencionadamente insoluble, incompatible

¿Existe un desaireante universal?

Las combinaciones de aditivos son útiles

Un desaireante es efectivo contra la micro-espuma y, al mismo tiempo, suficientemente compatible con la formulación de pintura, laca o tinta de impresión. Esto significa que el desaireante previene y/o elimina la micro-espuma pero no debe dar lugar a, por ejemplo, problemas de nivelación, ojos de pez, cráteres o turbidez.

En los casos donde los desaireantes son muy efectivos pero causan defectos superficiales tales como cráteres, se recomienda una combinación con agentes humectantes de substrato o aditivos de actividad superficial (ver “Fundamentos Técnicos – Aditivos Deslizantes, Nivelantes y de Curado por Radiación” y Aditivos Humectantes de Substrato”).

Este equilibrio depende de la formulación del recubrimiento. Los cambios, especialmente en el ligante o los disolventes, influyen fuertemente en la compatibilidad Todos ellos son frecuentemente usados en y efectividad de un desaireante, por lo la formulación de desaireantes, y se sumi- que no existe un desaireante universal para todos los sistemas de recubrimiento. nistran en las siguientes variantes: Preferiblemente, no sólo debe compro• como concentrados conteniendo el barse la efectividad sino también la com100 % de substancia activa patibilidad con el sistema. La elección y • como soluciones en disolventes orgácantidad de desaireante, así como el nicos método de aplicación del recubrimiento • como emulsiones acuosas, especialjuegan un papel importante. Los ensayos mente para su uso en formulaciones previos son ciertamente una ayuda en la acuosas elección de posibles desaireantes. El efecto de las formulaciones de desaiPara confirmar la elección de un desaireantes se ve fuertemente reforzado por reante, es esencial evaluarlo bajo las conla adición de sólidos hidrófobos a las substancias activas mencionadas anterior- diciones de la aplicación final. mente. Los sólidos hidrófobos incluyen sílices, ureas y jabones metálicos.

Los ensayos de estabilidad al almacenamiento son necesarios En muchos sistemas de recubrimientos es de esperar una elevada estabilidad al almacenamiento. El desaireante ideal debe por tanto ser efectivo y compatible incluso después de un prolongado almacenamiento. Son esenciales los ensayos bajo condiciones específicas (p.ej., 4 semanas a temperatura ambiente, a 40 °C y a 4 °C). En muchos casos la mejor solución es una combinación de varios desaireantes, o de un desaireante con un antiespumante.

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¿Qué métodos de ensayos se han probado para la selección previa de los desaireantes? Método de ensayo para formulaciones de recubrimientos de baja a media viscosidad

especialmente en formulaciones de aplicación en capa gruesa y con pistola con o sin aire. Es más significativo llevar a cabo ensayos de aplicación real a pistola. Después del curado, las micro-burbujas se 50 g. de recubrimiento se agitan durante examinan con una lente de aumento o un un minuto con un disco Dissolver a alta microscopio. Puede resultar útil docuvelocidad (3.000 rpm), lo que hace que se incorpore aire y se distribuya finamente mentar los resultados con fotografías. en el recubrimiento. Inmediatamente La evaluación de recubrimientos pigmendespués de agitado, el recubrimiento se vierte sobre una lámina de poliéster trans- tados puede ofrecer dificultades por su pobre transparencia. En este caso puede parente fijado a un panel de vidrio inclinado 25° respecto a la vertical. Durante el usarse como criterio las diferencias de brillo: cuantas más micro-burbujas hay, curado el recubrimiento puede desairear. Después del secado la película es evaluada menor es el brillo. visualmente en cuanto a burbujas, “puntos de alfiler” (efectividad), y posibles defecEnsayo de recubrimientos compuestos tos tales como cráteres, ojos de pez, turbidez o problemas de fluidez o nivelación de alta viscosidad (compatibilidad) (fig. 7). Para recubrimientos compuestos (p.ej., recubrimientos de dos componentes para suelos (pisos)), no es adecuado el ensayo Método de ensayo para formulaciones de vertido sobre superficies inclinadas. de recubrimientos de media a alta visPara tales formulaciones se ha probado cosidad satisfactoria la selección en un grosor de Es difícil encontrar el desaireante ideal por película definido, (p.ej., 3 mm.). En este ensayo el material de recubrimiento se medio de simples ensayos preliminares,

Figura 7: Lámina de ensayo de la prueba de vertido, izquierda con desaireante, derecha sin aditivos

agita durante dos minutos a 2.000 rpm para incorporar aire. Inmediatamente después se vierte sobre una película de PE. Después de diez minutos un tercio de la superficie se enmarca, y después del curado se valoran visualmente las burbujas de espuma o los defectos superficiales (fig. 8). En el caso de aplicaciones de alto cuerpo, se puede simplemente llenar una tapa, (p.ej., de un bote de pintura metálico, o de un vaso de plástico), con el recubrimiento recién espumado, y después del curado desprender el recubrimiento de la tapa para su evaluación (ver también el vídeo “Desaireantes para recubrimientos para suelos/pisos”).

Ensayos para la micro-espuma más fina La micro-espuma puede producirse en una forma tan fina que no sea visible a simple vista, y se requiera la ayuda de lentes de aumento o microscopio para su examen. Sin embargo, hay otros métodos para representarla de forma visible, o para medir los poros muy finos que pueden resultar de las micro-burbujas del recubrimiento:

Ensayo del sulfato de cobre El recubrimiento se aplica con el grosor habitual en la práctica sobre un panel de acero sandblasteado. Después de su completo secado o curado, se vierten en un pequeño vidrio de reloj aprox. 4 ml. de una solución al 10 % de sulfato de cobre. El panel se coloca con la superficie pin-

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tada hacia abajo sobre el vidrio de reloj, y se invierte el conjunto para que la solución de sulfato de cobre pueda reaccionar. Pasadas 24 horas se enjuaga con agua la superficie del recubrimiento. Si existen finos poros en el recubrimiento, aparecen mostrándose como puntos rojos. Estos puntos rojos son cobre elemental depositado desde la solución de sulfato de cobre, mientras se ha disuelto el acero del panel.

Figura 8: Tipo de recubrimiento para suelos/pisos

Detector de “puntos de alfiler” Este método se basa en que todo material de recubrimiento aislante eléctricamente, tiene una fuerza dieléctrica mayor que el aire. Los poros se detectan por chispas entre el electrodo de ensayo y el substrato conductor donde está el defecto. La presencia de poros se muestra de forma óptica y acústica. Sin embargo, este método detector sólo puede usarse en recubrimientos aplicados sobre substratos metálicos.

Evaluación del aire ocluido en recubrimientos para paneles y marcos de madera Este método es usado para evaluar el aire ocluido en películas de recubrimiento (después del curado o secado) que se aplican sobre substratos de madera. Se efectúan secciones transversales definidas sobre la “película de recubrimiento/substrato de madera” y se examinan microscópicamente para evaluar el número y tamaño de las micro-burbujas de espuma. Este método es particularmente adecuado para formulaciones pigmentadas.

FAQ - Preguntas frecuentes: ¿En qué etapa de la formulación del recubrimiento debe añadirse el desaireante? Los desaireantes pueden añadirse a la base de molienda o durante la dilución, dependiendo principalmente de la incompatibilidad del desaireante con el sistema de recubrimiento. Es generalmente cierto que a mayor incompatibilidad se requieren más altas fuerzas de cizalla para su incorporación. Algunos desaireantes son excelentes en la base de molienda, mientras otros pueden utilizarse en la dilución o en sistemas transparentes. Para conocer el momento ideal de la adición, por favor consulten las hojas de datos técnicos. ¿Es muy importante el método de aplicación, cuando estamos eligiendo un desaireante? El método con que se aplicará el recubrimiento juega un papel muy importante. Hay desaireantes que por su fuerte incompatibilidad, pueden, por ejemplo, producir roturas en la cortina cuando se aplica con este sistema. En estos casos sólo se deben utilizar desaireantes que sean relativamente compatibles.

En la aplicación a pistola con o sin aire, la formación de micro-burbujas es muy fuerte. Se requieren desaireantes muy efectivos y por tanto más incompatibles, debiendo encontrarse un equilibrio entre efectividad y compatibilidad. ¿Qué formas fundamentales existen para prevenir la micro-espuma? Hay varias maneras de contrarrestar la micro-espuma en pinturas y tintas de impresión. La elección de primeras materias poco espumantes o ajustar de forma óptima la viscosidad del recubrimiento, pueden reducir significativamente los problemas de micro-espuma de una formulación. En la producción y aplicación del recubrimiento, el diseño de la ingeniería de la instalación debe minimizar la incorporación de aire en el material del recubrimiento. Sin embargo, parámetros tales como las materias primas, las regulaciones de producción y el método de aplicación, están normalmente especificados y el margen de maniobra está por tanto significativamente restringido. La adición de aditivos es la manera más sencilla de prevenir y eliminar la micro-espuma.

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