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Poliuretanos Base Agua: Tecnología y Desempeño para la Protección de Maderas Ing. Carlos Patiño.(*) Departamento de Investigación y Desarrollo Colpisa Motriz S.A. Nada se compara con la belleza natural de la madera, el más noble de los materiales de construcción, por eso su protección ha sido a través de los años motivo de investigación y desarrollo a fin de lograr productos cuyas propiedades y belleza perduren en el tiempo. Sin embargo y a pesar de ser precisamente el acabado de la madera una antigua industria, aún hoy en día la mayoría de las personas que trabajan la materia prima, transformándola en muebles y objetos, ignoran aspectos importantes relacionados con las tecnologías actuales existentes para tal fin. Por ejemplo, es notorio el desconocimiento sobre la diversidad de productos existentes, ya posicionados en otros mercados, basados en desarrollos provenientes de las tres décadas precedentes; hecho que se ratifica en que aunque la mayoría de industriales sólo reconoce tres o cuatro sistemas para el recubrimiento de la madera, la diversidad es asombrosa (Tabla 1). Tabla 1. Sistemas de recubrimientos para el acabado de mueblería (1)

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Lacas nitrocelulósicas Uralquídicas y alquídicas modificadas (uretanos) Sistemas úrea-formaldehído de curado en frío (catalizadas con ácido) Sistemas úrea- o melamina-formaldehído / alquídicas Poliuretanos de 2 componentes base solvente (polioles acrílicos o poliéster, curados con poliisocianatos alifáticos o aromáticos) Poliuretanos de 2 componentes, base agua (polioles acrílicos o poliéstes, curados con poliisocianatos alifáticos) Dispersiones de poliuretano base agua (basadas en isocianatos alifáticos o aromáticos) Dispersiones acrílicas base agua Sistemas acrílicos o de poliésteres insaturados, curados con UV (luz ultravioleta) o EB (campos electromagnéticos) Sistemas epoxi-acrílicos, curados con UV o EB Poliésteres base agua, curados con UV Poliésteres insaturados base agua, curados con peróxidos Poliuretanos, curados con inyección de vapor Sistemas vinílicos, curados con melamina-formaldehído Lacas nitrocelulósicas base agua (incluyendo modificaciones con acrílicas) Sistemas híbridos poliisocianato / cloruro de vinilo-acetato de vinilo / nitrocelulosa Sistemas híbridos epoxi / silicona Lacas nitrocelulósicas catalizadas (con poliisocianatos o con poliaminas) Lacas nitrocelulósicas-acrílicas, curadas con UV

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Foto: Fine WoodWorking

Los siguientes sistemas han sido propuestos como vehículos apropiados para acabados de mueblería.

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De hecho, los países más adelantados en protección del medio ambiente han legislado normativas restrictivas al uso de disolventes reduciendo así las cantidades permitidas de emisión; lo que impone un cambio de tecnología para los industriales de la madera y abre dos alternativas:

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Adquirir instalaciones que eliminen las emisiones de disolvente en el proceso de secado, lo que implica un alto costo de inversión

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Cambiar el sistema de pintura utilizado por uno más «amigable» con el ambiente, como por ejemplo:

1. Dispersiones polimétricas acuosas.

Foto: Wagner

2. Sistema 100 por ciento polimerizable. 3. Curado por ultravioleta. 4. Sistema de alto contenido de sólidos. 5. Sistemas diluibles con agua.

Foto: Fine WoodWorking

Sin duda, los países desarrollados ha sido los más activos promotores del uso de pinturas de Poliuretano a base de agua, incrementando su uso muy probablemente debido tres factores fundamentales (3): una continua presión gubernamental hacia la reducción de emisiones de solventes a la atmósfera, un aumento progresivo de los precios de los solventes y una mejora

El intenso trabajo investigativo, acompañado de la creciente conciencia ambiental desarrollada en los últimos años, han permitido el desarrollo de Poliuretanos base agua apropiados para el acabado de la madera a nivel industrial y doméstico.

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en el desempeño de estos productos a partir de la investigación. Paralelamente también ha influido la consabida inflamabilidad de los solventes y la necesidad de sistemas que no ataquen el sustrato, cuestiones que tiene gran incidencia en el desarrollo de nuevos productos. A continuación, en el siguiente artículo se presentará brevemente la tecnología de emulsiones de poliuretanos base agua, que merece un capítulo especial en la medida que ha ganando importancia a nivel industrial y de investigación debido a sus ya reconocidas propiedades (2): acabados de alta calidad, curado rápido al ambiente o al horneo que permiten completar trabajos en un día, mínimo de olores residuales, característicos de los productos base solvente, facilidad de aplicación y protección del medio ambiente y del trabajador.

Generalidades de la Pintura Químicamente, una pintura es un sistema heterogéneo presentado en forma líquida o pastosa de aspecto homogéneo y estable que involucra cuatro tipos de sustancias: Pigmentos, resinas, solventes y aditivos. Al ser aplicada sobre el sustrato (material sobre el que va la pintura) forma una película uniforme, capaz de proporcionar propiedades estéticas y de protección a dicho sustrato. -

Los pigmentos: Son materiales sólidos, capaces de interactuar con la luz y con su medio, y son responsables de algunas propiedades ópticas de la pintura (color), así como algunas de protección (resistencia a la corrosión, a la luz ultravioleta, etc.).

- Las resinas: Los componente de mayor importancia tecnológica en las pinturas, ya que son las responsables de la formación de una película uniforme, con las

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propiedades mecánicas (dureza, flexibilidad, impermeabilidad, etc.), las propiedades químicas (resistencia al agua, a los solventes, etc.) y de acabado (transparencia, brillo, etc.). Químicamente, las resinas son polímeros capaces de formar películas delgadas y su importancia es tal, que las diferentes tecnologías de pinturas reciben su nombre a partir de la resina empleada en ellas (acrílicas, poliuretánicas, alquídicas, etc.). -

Los solventes: Necesarios en las pinturas para que puedan ser aplicadas en estado líquido. Éstos confieren a la pintura una viscosidad adecuada para su forma de aplicación (brocha, rodillo, pistola, etc.), a la vez que influyen en su velocidad de secado, ya que una vez aplicado el producto, éstos se evaporan y no permanecen en la película, es decir, se volatilizan. Adicionalmente, del balance de los solventes dependen y se controlan los brillos.

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Los aditivos: Son sustancias de diversas familias químicas, y de variada naturaleza y origen, cuya función es conferir a la pintura propiedades necesarias para su estabilidad, conservación y aplicación. Son los que van normalmente en menor cantidad en la formulación de la pintura, pero no por esto son los menos importantes, pues gracias a ellos se diferencia la calidad y el comportamiento de las pinturas de la misma familia de resinas y los de mayor incidencia en precio final.

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Los Poliuretanos Como ejemplo de las pinturas acuosas hemos tomado, para este caso los poliuretanos que son pinturas cuyas resinas están basadas principalmente en la repetición de unidades de uretano, que es un grupo químico sintetizado a partir de bloques de isocianato y alcohol. La experiencia de más de 40 años ha demostrado que estas resinas confieren a la película las propiedades características de las pinturas de poliuretano (4): -

Secado rápido. Retención de color y brillo. Diversa estética (acabado de poro abierto, cerrado, etc.). Alto brillo o acabado satinado. Versatilidad en la aplicación (aspersión, rodillo, cortina o electrostático). Resalta la belleza del poro. Concede dureza balanceada con flexibilidad. Excelente sellador contra la migración de extractivos. Alta resistencia y durabilidad. Resistencias mecánica y química. Posibilidad de ser pulida y brillada.

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• Base Solvente vs. Base Agua Los poliuretanos se pueden formular usando solventes derivados del petróleo, en cuyo caso son conocidos como base solvente los que teniendo base solvente son diluíbles en agua, o base agua. En un poliuretano base solvente la resina se encuentra disuelta en los solventes, es decir, las cadenas moleculares del polímero se encuentran «estiradas» en medio del solvente (Figura 1) y esto se debe a la alta compatibilidad química de la resina y el solvente. Figura 1. Resina disuelta en el solvente

Para el caso de un poliuretano base agua la resina se encuentra dispersa, es decir, las cadenas de resina se encuentran «encapsuladas» en partículas que «flotan» en el agua, como partículas de polvo en el aire (Figura 2) y esto obedece a que la resina de poliuretano no es compatible químicamente con el agua.

Debido a su incompatibilidad con las resinas, el agua puede ser clasificada como un «mal solvente». Cabe preguntarse entonces ¿Por qué se han tratado de eliminar los solventes de las formulaciones de los poliuretanos? Las razones son ambientales y de higiene ocupacional (5). Por una parte, algunos solventes son Compuestos Orgánicos Volátiles, o VOCs, responsables de la destrucción del ozono en las capas bajas de la atmósfera por ser, éste último, componente del smog ambien-

Diagramas: Carlos Patiño

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• Un Componente vs. Dos Componentes En los poliuretanos de un componente, o 1K, se incluyen todas las materias primas de la pintura dentro de «un solo envase», quedando sólo la necesidad de agregar solventes (o agua) para reducir la viscosidad de presentación a la de aplicación (si así lo especifica el fabricante).

Figura 3.

Figura 2. Partículas de resina dispersas en el agua.

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tal. Por otro lado, la mayoría de solventes orgánicos hacen parte de las sustancias conocidas como Contaminantes Peligrosos del Aire, HAPs, que son sustancias volátiles capaces de generar efectos nocivos sobre la salud humana.

Dada esta diferencia, los procesos de formación de película de los poliuretanos base agua y base solvente difieren bastante ya que en los base solvente la película se forma a partir de la simple evaporación del solvente, depositándose las partículas una sobre la otra hasta completar la película, mientras que en los base agua las partículas de resina deben primero coalescer, es decir, deben fundirse como cuando dos gotas de agua se juntan sobre una superficie para luego formar una película uniforme (Figura 3). Debido a esto los poliuretanos base agua contienen -a veces- cierta cantidad de un solvente compatible con la resina, que ayude en el proceso.

Foto: Fine WoodWorking

La Clasificación (2,3)

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Los poliuretanos de dos componentes, o 2K, en cambio, se encuentran constituidos por dos partes, donde cada una constituye una fracción de la formulación total de la pintura. Las dos partes deben ser mezcladas en una proporción exacta, con un cierto tiempo de anticipación a la aplicación para, de nuevo ajustar la viscosidad de la mezcla según el requerimiento del fabricante, con solvente (o agua) adicional. Como desventaja de los sistemas de dos componentes, puede citarse que a veces éstos requieren equipos especiales para su aplicación pues el incorrecto mezclado de los dos componentes puede llevar a que la pintura incluso no seque, hecho grave si se tiene en cuenta que la mezcla una vez preparada tiene una vida útil de unas pocas horas, al cabo de las cuales debe ser desechada. • Poliuretanos modificados y mezclas de resinas No todas las pinturas de poliuretano contienen exclusivamente resinas de poliuretano, cabe la posibilidad de que éstas sean modificadas químicamente con otras materias primas, resultando así un «híbrido» (2) que simplemente combina las propiedades de las materias primas. Por ejemplo, si en el proceso de fabricación de la resina de poliuretano se incluyen aceites vegetales en la fórmula, queda un poliuretano con modificación alquídica, o «uralquido», que tiene ciertas características del poliuretano (resistencias físicas y químicas) y algunas de una alquídica (penetración del poro). Otro hecho es que en muchas pinturas llamadas de poliuretano se incluyen mezclas de otras resinas, proporcionando así un balance de propiedades en la pintura. Por ejemplo, son muy populares las formulaciones base agua con mezclas de acrílicas y poliuretanos.

Propiedades de los Poliuretanos Base Agua Ahora se revisarán brevemente algunas propiedades de importancia a evaluar en estos productos. Se hablará en términos cualitativos, no cuantitativos, ya que los valores de las propiedades mencionadas pueden variar mucho dependiendo del producto particular en cuestión.

El intenso trabajo investigativo, acompañado de la creciente conciencia ambiental desarrollada en los últimos años, han permitido el desarrollo de Poliuretanos base agua apropiados para el acabado de la madera a nivel industrial y doméstico. Hoy en día se cuenta con productos de alta calidad, que pueden llegar a igualar e incluso a mejorar el desempeño global de los sistemas tradicionales. M M &

Propiedades del producto líquido Viscosidad:

Normalmente el producto viene listo para aplicar, de acuerdo con el método recomendado por el fabricante.

Contenido de sólidos:

Suele ser bajo comparado con el resto de productos normal mente aplicados.

Rendimiento:

Debido a su bajo contenido de sólidos el rendimiento también es bajo, lo que implica la aplicación de más manos.

Apariencia:

Debido a tratarse de una dispersión, suelen tener apariencia lechosa.

Olor:

La mayoría son formulados para tener un mínimo de olor.

Inflamabilidad:

Debido a su alto de contenido de agua, no son inflamables.

Desempeño ambiental:

Al ser base agua, la emisión de vapores orgánicos a la atmósfera es mínima, además que el lavado de los equipos puede realizarse con agua y jabón.

Secado:

Es rápido, comparado con poliuretanos base solvente.

Propiedades de la película aplicada (8) Claridad y brillo:

La película es uniforme, libre de defectos y transparente. Se pueden formular para cualquier nivel de brillo.

Resistencia a la abrasión:

Son los recubrimientos con mayor resistencia a la abrasión, por ello suelen ser muy usados en pisos.

Resistencia a la intemperie:

Son transparentes a la radiación solar, por tanto, aunque la película no se afecte, la madera puede decolorarse. Sin embargo, algunos sistemas están formulados con filtros de luz que sí protegen la madera.

Resistencia química:

Es muy buena, sin alcanzar los niveles del poliuretano base solvente. Los sistemas de dos componentes se comportan mejor que los de un componente.

Adhesión:

Se ancla fuertemente en la madera.

Flexibilidad:

Algunas formulaciones alcanzan una flexibilidad que ningún otro tipo de pintura puede ofrecer, conservando la dureza de la película.

Dureza:

Los de dos componentes pueden alcanzar niveles y resultados superiores a los de sistemas catalizados. Los de un componente se comportan bien.

Brillado y pulido:

Se comportan de forma excelente en estas operaciones.

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Bibliografía

Rhoplex CL and WL Products. Rohm and Haas. Philadelphia, 1994.

1. Hare, Clive. Paint Film Degradation. Mechanisms and Control. Society for Protective Coatings, Pittsburgh, 2001. pp. 519-524.

8. Rohm and Haas Coatings. Test Procedures for Furniture Finishes. Rohm and Haas. Philadelphia.

2. Henderson, Robert. Waterborne Polyurethanes: One and Two Component Systems. Bayer Corporation. Pittsburgh, 1999. 30 p. 3. Rosthauser, James y Klaus, Nachtkamp. Waterborne Polyurethanes. Bayer Corporation. Pittsburgh, 1987. 37 pp. 4. Feng, Sharon y Dvorchak, Michel. High Performance Coatings For Wood. Bayer Corporation. Pittsburgh, 1999. 17 pp.

(* ) Fuente: Carlos Patiño: Ingeniero Químico, Universidad Pontificia Bolivariana. Se desempeña desde hace dos años como formulador de la línea industrial en el Departamento de Investigación y Desarrollo de Colpisa Motriz S.A.

5. Dow Chemical Company. Dowanol Glycol Ethers. Health and Environmental Data. Midland, 1995. 11 pp. 6. Garzón, Alain. Waterborne meets solventborne. En: European Coatings Journal. Vincentz: Hannover, No. 9, 2003. pp. 56-60. 7. Rohm and Haas Coatings. Formulation Guidelines for Brushable Clears Based on

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