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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE QUÍMICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE RECUBRIMIENTOS EPÓXICO Y POLIURETANO PARA LA PROTECCIÓN ANTICORROSIVA DE INSTALACIONES INDUSTRIALES Y SU FABRICACIÓN A PARTIR DE UN PROCESO DE MEZCLADO EN PLANTA MEDIANTE EL USO DE BASES Y COLORANTES. QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO PRESENTA CARLO OSVALDO MARTINEZ CENICEROS MÉXICO, D.F. 2012 1 UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. JURADO ASIGNADO: PRESIDENTE: Profesor: Marco Antonio Uresti Maldonado VOCAL: Profesor: Carlos Guzmán de las Casas SECRETARIO: Profesor: Minerva Estela Téllez Ortiz 1er. SUPLENTE: Profesor: Néstor Noé López Castillo 2° SUPLENTE: Profesor: Ma. Guadalupe Lemus Barajas SITIO DONDE SE DESARROLLÓ EL TEMA: FACULTAD DE QUÍMICA UNAM ASESOR DEL TEMA: M. en C. Carlos Guzmán de las Casas SUSTENTANTE: Carlo Osvaldo Martínez Ceniceros 2 [Hoja sin texto] 3 INDICE Pag. Capítulo I. Resumen 7 Capítulo II. Objetivos 9 Capítulo III. Introducción 10 Capítulo IV. Marco teórico 4.1 Comentarios preliminares 4.1.1 El mercado 4.1.2 Salud, seguridad y medio ambiente 4.1.3 Tendencias tecnológicas 4.2 Conceptos Básicos 4.2.1 Corrosión 4.2.2 Control de la corrosión con recubrimientos 4.2.3 Adhesión / Cohesión 4.2.4 Humectación 4.2.5 Formación de Película 4.3 Fundamentos de Formulación 4.3.1 Composición básica de un recubrimiento 4.3.2 Cálculo de propiedades de una formula 4.3.3 Métodos de Fabricación 4.4 Dispersión de pigmentos 4.4.1 Fundamentos de sistemas dispersos (dispersión) 4.4.2 Aditivos humectantes 13 13 15 16 17 17 23 30 31 33 35 35 57 63 71 71 74 4 4.4.3 Aditivos dispersantes 4.5 Sistemas epóxicos base disolvente de dos componentes 4.5.1 Resinas epóxicas 4.5.2 Agentes de curado 4.5.3 Formulación de epóxicos de dos componentes 4.6 Sistemas de poliuretano base solvente de dos componentes 4.6.1 Resinas de poliuretano 4.6.2 Sistema de poliuretano de dos componentes 4.6.3 Formulación de poliuretanos de dos componentes 4.7 Teoría del color 4.7.1 Conceptos básicos 4.7.2 Sistemas de clasificación del color 4.7.3 Sistemas tintométricos 75 80 80 85 88 92 92 96 98 101 101 105 110 Capítulo V. Diseño y desarrollo de un recubrimiento epóxico de altos sólidos base disolvente 5.1 Bases de formulación 5.2 Desarrollo de la fórmula 5.2.1 Componente A 5.2.2 Componente B 5.2.3 Fórmulas 112 112 112 117 120 Capítulo VI. Diseño y desarrollo de un recubrimiento de poliuretano de altos sólidos base disolvente 6.1 Bases de formulación 6.2 Desarrollo de la fórmula 6.2.1 Componente A 124 124 124 5 6.2.2 Componente B 6.2.3 Fórmulas 127 128 Capítulo VII. Desarrollo de las bases y tintas (colorantes) para el desarrollo del sistema de entintado en planta 7.1 Colorantes 7.1.1 Bases de formulación 7.1.2 Desarrollo de las fórmulas 7.1.3 Fórmulas 7.2 Bases entintables 7.2.1 Bases de formulación 7.2.2 Desarrollo de las fórmulas 132 132 133 135 138 138 138 Capítulo VIII. Desarrollo de la base de datos de color para la formulación de colores mediante el sistema tintométrico 144 Conclusiones 149 Bibliografía 152 Apéndice 153 6 Capitulo I. Resumen Dos recubrimientos para mantenimiento industrial en las tecnologías de mayor demanda en ese sector fueron desarrollados: El primero un recubrimiento epóxico de 2 componentes de 83% de sólidos en volumen, relación de mezcla 1:1, color blanco, resistente a ambientes ácidos, disolventes e inmersión en agua; El segundo un recubrimiento acrílico-uretano alifático de 2 componentes con 70% de sólidos en volumen, color blanco y relación de mezcla 4:1 con buena resistencia a disolventes. También se desarrollaron 7 concentrados de pigmento o tintas compatibles con estos recubrimientos en los colores más representativos de la industria para producir una gran variedad de matices. Tomando como referencia las concentraciones de pigmento y el Color Index de tintas ya existentes en el mercado, se seleccionó el pigmento requerido para cada fórmula. Para el desarrollo del sistema tintométrico se crearon dos bases entintables de cada producto: una base blanca y una base neutra. Para el caso de las bases blancas, se consideró como fórmula de arranque las fórmulas de los productos previamente desarrollados y se evaluó su afinidad con las tintas al igualar tres colores que generalmente causan separación de pigmentos o floculación debido a una incompatibilidad. En el caso de la base blanca del recubrimiento epóxico, no hubo separación de pigmentos; sin embargo, para la base blanca del recubrimiento acrílico-uretano fue necesario evaluar otros aditivos dispersantes y auxiliares post adición para evitar la separación de pigmentos. Como resultado se encontró que los aditivos TEGO 710 de Evonik (solución de un copolímero básico de uretano) y el ADITIVO 29 de Dow Corning (silicón) en combinación con los aditivos de la fórmula original corrigieron el problema. Para el desarrollo de las bases neutras, se eliminó el dióxido de titanio, se compensaron los sólidos en volumen y se ajustó la viscosidad con la adición extra de cargas y modificación en el contenido de aditivos reológicos incluidos en la fórmula de arranque. 7 Finalmente, mediante el uso de un espectrofotómetro y un programa de computo de la compañía DATACOLOR, se construyó una base de datos para cada uno de los productos realizando diferentes diluciones de las bases entintables en combinación con las tintas logrando tener un método de igualación de colores a través de un sistema tintométrico. 8 Capitulo II. Objetivos 1. Presentar de manera general una visión del mercado y la tecnología de pinturas y recubrimientos. 2. Abordar los aspectos esenciales de formulación, fabricación y aplicación, así como la teoría del color aplicada a esta industria. 3. Desarrollar las fórmulas para dos productos de alto desempeño en las tecnologías de mayor demanda en el sector de recubrimientos industriales: un recubrimiento epóxico y uno acrílico-uretano alifático de altos sólidos, así como también las fórmulas de siete concentrados de pigmento o tintas en la gama de colores frecuentemente encontrados para estos productos. 4. Formular dos bases entintables en cada una de las tecnologías desarrolladas compatibles con los concentrados de pigmento. 5. Construir una base de datos con el programa DATA COLOR MATCH PIGMENT para facilitar la igualación de colores optimizando el proceso de formulación de colores. 9 Capitulo III. Introducción La industria de los recubrimientos industriales en Méxicotuvo su principal crecimiento en los años 60s en donde empresas como Amercoat Mexicana S.A. de C.V. se constituyeron con el objetivo de fabricar y vender recubrimientos y cementos anticorrosivos que en esa época eran todavía desconocidos en México, ya que la pintura que se usaba para mantenimiento de instalaciones industriales era alquidálica o de aceites vegetales secantes como el de linaza con pigmentos principalmente de plomo. Fue hasta después de la segunda guerra mundial cuando la empresa “Amercoat” de California, una subsidiaria de “American Pipe”, inició la investigación para desarrollar algún recubrimiento de mayor resistencia que soportara el ataque en las tuberías de concreto de los sistemas de drenaje de aguas negras debido a la acción bacteriana que producían gases altamente corrosivos que atacaban el concreto destruyendo los tubos. Después de años de pruebas, finalmente se encontraron que las resinas sintéticas nuevas como las vinílicas, las epóxicas y las fenólicas tenían mucha mayor resistencia a ese ataque, y con ciertas modificaciones y ayuda de disolventes y aditivos, se convirtieron en novedosos sistemas de revestimientos con mucha mayor resistencia y duración que las pinturas convencionales de esa época. Los nuevos recubrimientos empezaron a usarse en gran escala en la industria química americana y principalmente en la petrolera y eventualmente llegaron a México como experimento para proteger instalaciones de Petróleos Mexicanos. Hoy en día el mercado de recubrimientos industriales tiene un comportamiento muy particular en cuanto a su consumo; debido a ello, la forma de comercializar los productos no es en mostrador como lo sería cualquier otro tipo de pintura como la dirigida al mercado arquitectónico o de maderas; más bien, se trata de una comercialización directa a tres principales sectores: gobierno, contratistas e industria química y de manufactura. 10 Los consumos de estos sectores están determinados por los programas de mantenimiento o proyectos de infraestructura que estos tienen; y no por una tendencia histórica o por una temporada. Otro punto que hay que destacar es que la solicitud de “colores especiales o personalizados” en el mercado industrial de recubrimientos ha tomado más auge ya que los consumidores además de protección desean darle una acabado decorativo a sus instalaciones. Este comportamiento da como resultado que no se puedan establecer programas para la planeación de la producción y de los inventarios ya que se trabaja en función de la demanda, lo cual origina que se generen “cuellos de botella” en producción; y por lo tanto, la capacidad de respuesta de las plantas se ve afectada. Como parte de una solución para mejorar los tiempos de proceso y entrega y mejorar la rentabilidad, las compañías fabricantes de pinturas han estado trabajando en desarrollar sistemas tintométricos que mediante el uso de bases entintables previamente fabricadas y concentrados de pigmento o tintas logren formular una amplia gama de colores directamente en los puntos de venta o inclusive en la fábrica. Con estos sistemas se reducen costos y tiempo en la formulación de colores a nivel laboratorio y su fabricación en planta, contribuyendo a mejorar la productividad y la velocidad de respuesta a las solicitudes de los clientes. Con estos sistemas se pasa de un proceso de dispersión o molienda a un proceso de mezclado y agitación mucho más corto en el tiempo para cada lote fabricado. En este trabajo se muestran las bases de diseño para el desarrollo de un sistema tintométrico para dos productos de alto consumo en el sector de recubrimientos industriales; así como también, se discuten la solución de problemas relacionados de acuerdo a la experiencia adquirida en la industria. Primeramente se muestra un marco teórico sobre la tecnología de pinturas y recubrimientos, seguido del desarrollo con un análisis de cada una de las formulaciones presentadas, el cual incluye: los cálculos de las características más 11 importantes relacionadas con la composición, cálculos de relación de mezcla y notas destacadas sobre cada uno de ellas. 12 Capítulo IV. Marco teórico 4.1 Comentarios preliminares La mayor parte de la información bibliográfica que se encuentra disponible está relacionada con la química básica de cada uno de los materiales que componen un recubrimiento; de tal forma que se encuentran libros específicos sobre polímeros, disolventes, resinas, pigmentos, etc. pero muy poca información publicada sobre el desarrollo y formulación de pinturas y recubrimientos industriales. Esto es debido a que las compañías mantienen esta información confidencial ya que es parte de su secreto tecnológico. Los recubrimientos industriales tienen un amplio espectro de aplicación; sin embargo, su principal función está enfocada en la protección de instalaciones contra el ataque de medios agresivos. Existen diferentes tipos de recubrimientos para cumplir con este objetivo. El tipo y selección del recubrimiento o sistema dependerá entre varios factores de: la instalación a proteger, el tipo de ambiente agresivo y principalmente del costo beneficio. Los recubrimientos epóxicos y de poliuretano han demostrado ser una solución bastante eficaz y de un costo relativamente bajo, comparado con otros sistemas. Por lo tanto resulta imprescindible establecer un marco teórico como referencia para el entendimiento del desarrollo de los productos y su uso. 4.1.1 El mercado Las pinturas son consideradas como productos semielaborados (intermedios); el producto final son los objetos recubiertos. Las pinturas son usadas en una amplia variedad de aplicaciones. 13 El mercado mundial de pinturas alcanzó un estimado de US$99,5 millones a finales de 2010 y las perspectivas indican que crecerá 3,2% hasta finales de 2015, según una investigación de mercados publicada por la firma Reportlinker.com. De acuerdo con el reporte, los recubrimientos base agua han reportado un crecimiento significativo que en 2010 sumó US$24,8 millones en 2010 y aumentará a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 5%, con lo que en 2015 podría rondar los US$31,6 millones. Estas estadísticas confirman la tendencia observada en los últimos años en Latinoamérica en donde el mercado de recubrimientos arquitectónicos se transformó hasta llegar a un 90% de formulaciones base agua, frente a un 10% de recubrimientos base disolvente. Entre tanto, el segmento de tecnologías emergentes que incluye la pintura en polvo se calculó en US$18 mil millones para finales de 2010 y se espera que sume US$23 mil millones en 2015, lo que significaría un crecimiento del 5,9%. El estudio fue realizado mediante encuestas a fabricantes y proveedores de materias primas y recubrimientos, usuarios de estos productos, organizaciones de investigación, agencias gubernamentales, asociaciones comerciales y proveedores de equipos, así como con el apoyo de diferentes bases de datos, estadísticas gubernamentales y medios de comunicación especializados. Recubrimientos industriales Las pinturas industriales o mejor conocidas como recubrimientos industriales tienen un campo de aplicación bastante extenso; por lo que se pueden clasificar en 2 principales grupos: mantenimiento ligero y mantenimiento pesado o de alto desempeño. Las condiciones climáticas, las características de exposición así como el desempeño o comportamiento en función del tiempo definen a estos dos grupos 14 siendo las condiciones más severas para el manteamiento pesado y las más flexibles para el mantenimiento ligero. En ambos grupos existe también una división que tiene que ver con el objetivo principal parael cual el recubrimiento es desarrollado. Por un lado tenemos a los recubrimientos anticorrosivos cuya principal función es proporcionar protección contra el deterioro debido a la interacción del material con el medio que lo rodea y por otra parte, tenemos a los recubrimientos profesionales cuya función es cumplir con una característica en especial como puede ser por ejemplo: que sea anti vegetativo para el sector marino, retardante al fuego para la industria de la construcción, etc. En la figura 1 se muestra una clasificación de los recubrimientos industriales. Figura 1. Clasificación de los recubrimientos industriales. 4.1.2 Salud, seguridad y medio ambiente Un punto muy importante y que hay que destacar de esta industria es que en los últimos años ha habido una fuerte tendencia al impulso de legislaciones Recubrimientos Industriales Mantenimiento ligero Diseñados para proteger los diferentes sustratos que encontramos en la industria o comercio con ambientes moderados a ligeros. Industrial Pesado. Mantenimiento de alto desempeño Especialmente formulados para resistir los ambientes industriales más agresivos y de mayor resistencia física y química. Diseñados para la industria química, petroquímica, farmacéutica y de alimentos. Anticorrosivos • Herrería comercial e industria. • Primarios de taller. • Pisos comerciales. Profesionales • Antigraffiti • Dry Fall •Repintado automotriz Anticorrosivos • Estructuras metálicas • Plantas químicas e interior de tanques. (alta resistencia química) • Ambiente Marino. Profesionales • Retardante a la flama • Antivegetativos. •Resistentes a altas temperaturas 15 y regulaciones más severas en lo que respecta a la salud, seguridad y medio ambiente. Como ejemplo, en la década de los 70’s en los Estados Unidos se prohibió el uso de pintura con plomo para el sector arquitectónico y durante los últimos años, de manera voluntaria, muchos fabricantes de recubrimientos industriales se han sumado a esta práctica siendo hoy en día muy pocas las aplicaciones en donde se utilizan productos con pigmentos basados en plomo. En lo que se refiere a emisiones a la atmósfera de compuestos orgánicos volátiles (COV’s) también destacan regulaciones bastante exigentes como la del estado de California, USA en donde el límite máximo permisible es de 50 g/l. En este tema las formulaciones 100% sólidos y base agua están siendo las tecnologías en las cuales los formuladores están empezando a trabajar; no obstante, el desarrollo tecnológico de materiales en esta industria aún no ha dado margen para hacer estos cambios de manera significativa ya que no se cuenta con suficientes opciones, además de que los costos comparados con los de los productos tradicionales aún son muy elevados. Es un hecho que hoy proveedores de materias primas y fabricantes de pinturas están trabajando arduamente en el desarrollo de tecnologías ecológicamente amigables; y en el transcurso de los años se ira eliminando el uso de productos base disolvente así como también se utilizarán recubrimientos basados en materias primas renovables y/ó con procesos sustentables. 4.1.3 Tendencias tecnológicas Como ya se ha mencionado, muchos de los desarrollos que hoy en día están tomando auge es a favor de la salud, seguridad y medio ambiente; sin embargo, también hay mucha investigación en la síntesis de nuevos polímeros más 16 funcionales, nano-tecnología, recubrimientos híbridos de moléculas inorgánicas y orgánicas como los poli-siloxanos y también el uso de materiales flúor carbonados entre otros para mejorar el desempeño y vida de los recubrimientos. Parte de las principales instituciones no particulares reconocidas en investigación en este sector y que actualmente se encuentran realizando investigación en nuevas tecnologías tenemos como ejemplo a la Universidad de North Dakota, el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), Universidad del Este de Michigan (EMU), Instituto de Polímeros y Materiales de alto desempeño de la Universidad del Sur de Mississippi, entre otras. 4.2 Conceptos Básicos 4.2.1 Corrosión El principal campo de aplicación de los recubrimientos industriales es combatir la corrosión, por lo cual resulta imprescindible hablar de ello; sin embargo, debido a que es un tema sumamente extenso y del cual existe demasiada información, se dará un enfoque general de algunos conceptos relevantes para el desarrollo de este trabajo. La corrosión es un fenómeno espontáneo que se presenta prácticamente en todos los materiales procesados por el hombre. Si bien existen varias definiciones, es común describir la corrosión como una oxidación acelerada y continua que desgasta, deteriora y que incluso puede afectar la integridad física de los objetos o estructuras. La industria de la corrosión, si por ello entendemos todos los recursos destinados a estudiarla y prevenirla, mueve anualmente miles de millones de dólares. Este fenómeno tiene implicaciones industriales muy importantes; la degradación de los materiales provoca interrupciones en la producción, pérdida de productos, 17 contaminación ambiental, reducción en la eficiencia de los procesos, mantenimientos y sobre diseños costosos. Se estima que los gastos atribuidos a los daños por corrosión representan entre el 3 y el 5 por ciento del producto interno bruto de los países industrializados; solamente hablando del acero, de cada diez toneladas fabricadas por año se pierden dos y media por corrosión1. Por esta razón, cada día se desarrollan nuevos recubrimientos, se mejoran los diseños de las estructuras, se crean nuevos materiales, se sintetizan mejores inhibidores, se optimizan los sistemas de monitoreo. Todo esto en un esfuerzo permanente por minimizar el impacto negativo de la corrosión. La corrosión es un fenómeno de naturaleza electroquímica y por lo tanto es conveniente analizarla bajo este contexto. En comparación con otras causas de deterioro de un material, los problemas que afectan a la superficie (desgaste, fricción, corrosión) requieren un consumo energético mínimo debido a que son sólo los átomos de unas pocas capas superficiales y los enlaces que los unen entre sí los que deben hacer frente a las fuerzas y ataques químicos del entorno. Estas interacciones siempre van a estar presentes y ningún proyecto de ingeniería puede considerarse completo si no se ha previsto cuál va a ser el comportamiento de la superficie. Es habitual que la gente se dirija de igual manera a la oxidación y a la corrosión; lo cual de cierta manera puede ser aceptado ya que durante la corrosión de los materiales, se lleva a cabo entre otros, un proceso de oxidación; sin embrago, es importante diferenciarlas. Para que un metal se oxide es necesario que en dos puntos distantes de su superficie se establezcan dos semi−pilas, en cada una de las cuales se producirá una de las semi−reacciones de oxidación y de reducción presentándose un flujo de electrones de las zonas anódicas donde se disuelve el metal hacia las zonas catódicas, pero éstas no se producirán únicamente con la presencia del metal, también es necesaria la intervención de agua y de oxígeno. 18 El acero es el más utilizado de las aleaciones y es la combinación entre un metal (el fierro) y un no metal (el carbono), que conserva las características metálicas del primero, pero con propiedades notablemente mejoradas gracias a la adición del segundo y de otros elementos metálicos y no metálicos; por lo tanto, es uno de los materiales de construcción más utilizados. El fenómeno de corrosión producido en un fragmento de acero dejado a la intemperie se explica mediante este proceso electroquímico en el que se forman pilas galvánicas locales de tamaño microscópicoen las que los electrodos son los diferentes granos de la superficie metálica. Figura 2. Proceso de corrosión del acero • En el ánodo, la formación de iones ferrosos por pérdida de electrones: Fe Fe ++ + 2 e – • En el cátodo: La formación de iones hidroxilo. H2O + ½ O2 + 2 e – 2 OH– En presencia de agua: El agua transporta los iones OH– y los pone en contacto con el hierro, dando lugar al producto inicial de la oxidación que es el Hidróxido Ferroso. Fe ++ + 2 OH– Fe (OH)2 En presencia de un exceso de oxígeno, el Hidróxido Ferroso es oxidado a Oxido Férrico Hidratado, conocido por nosotros como orín o sencillamente óxido. Fe (OH)2 + 1/4 O2 ½ Fe2O3 . H2O 19 Esta gradual destrucción y desintegración es debida a la tendencia general que tienen los materiales a buscar su forma más estable o de menor energía interna. En los metales es un fenómeno natural que ocurre debido a la inestabilidad termodinámica de la mayoría de los mismos ya que salvo raras excepciones como el oro, los metales están presentes en la Tierra en forma de óxido y desde la prehistoria, toda la metalurgia ha consistido en reducir los óxidos en bajos hornos, luego en altos hornos, para fabricar el metal. Para su estudio los procesos de corrosión pueden ser clasificados según en el medio que se desarrollan o según su forma: Clasificación según el medio: a) Corrosión Química: es por ataque directo del medio agresivo al metal, oxidándolo, y el intercambio de electrones se produce sin necesidad de la formación del par galvánico. b) Corrosión Electroquímica: considerados desde el punto de vista de la participación de iones metálicos, todos los procesos de corrosión son electroquímicos. Sin embargo, es usual designar corrosión electroquímica a la que implica un transporte simultáneo de electricidad a través de un electrolito. A este grupo pertenecen la corrosión en soluciones salinas y agua de mar, la corrosión atmosférica, en suelos, por presiones parciales de oxígeno, galvánica, etc. c) Corrosión Microbiológica: Se han identificado algunas especies hidrógeno- dependientes que usan el hidrógeno disuelto del agua en sus procesos metabólicos provocando una diferencia de potencial del medio circundante. La mayoría de los organismos activos son bacterias que reducen u oxidan compuestos de azufre como parte de su metabolismo. Clasificación según la forma: 20 Esta clasificación es útil cuando es necesario un estudio de evaluación respecto de los daños producidos por la corrosión: d) Corrosión Uniforme: es la forma más benigna de la corrosión. El ataque se extiende en forma homogénea sobre toda la superficie metálica, y su penetración media es igual en todos los puntos. e) Corrosión en placas: abarca los casos intermedios entre la corrosión uniforme y la corrosión localizada. En este caso la corrosión se extiende más en algunas zonas, pero se presenta más como un ataque general. f) Corrosión por picado: este tipo de ataque, así como el inter-granular y el fisurante, son las formas más peligrosas de la corrosión. En estos casos de ataque localizado la cantidad de material afectado no guarda relación con la magnitud de los inconvenientes que puede causar. Durante el picado, el ataque se localiza en puntos aislados de superficies metálicas pasivas, y se propaga al interior del metal, en ocasiones formando túneles microscópicos. En la práctica puede presentarse como perforación de cañerías o tanques. Una variación de la corrosión por picado es la denominada corrosión en hendiduras (crevice corrosión). Se presenta en uniones, intersticios, donde la renovación del medio corrosivo solo puede producirse por difusión. g) Corrosión inter-granular: Está directamente relacionada con la microestructura del material. Los metales o aleaciones están formados por granos; en este tipo de corrosión se presenta un ataque localizado en las fronteras de grano y está generalmente asociado a impurezas que tienden a acumularse en dichas fronteras. h) Corrosión fisurante: conocida también como corrosión bajo tensión. Puede presentarse cuando un metal está sometido simultáneamente a la acción de un medio corrosivo y a tensiones mecánicas de tracción. Se forman fisuras 21 que pueden ser trans-granulares o inter-granulares y que se propagan hacia el interior del metal, hasta que las tensiones se relajan o el metal se fractura. La velocidad de propagación puede oscilar entre 1 y 10 mm/h. i) Corrosión filiforme: es una forma de ataque en la cual el proceso de corrosión se manifiesta formando filamentos y representa un tipo particular de socavamiento anódico. Usualmente se produce en ambientes húmedos y es más común debajo de películas orgánicas aplicadas sobre acero, aluminio, magnesio y zinc (acero galvanizado). A veces, se desarrolla en aceros desnudos sobre los cuáles se han depositado accidentalmente pequeñas cantidades de sales contaminantes. Los filamentos formados por los productos de corrosión muestran una amplia variedad de configuraciones desde las nodulares (caso del aluminio) a los muy finos y bien definidos observados debajo de las lacas transparentes aplicadas sobre acero. Para su desarrollo, la corrosión filiforme requiere una humedad ambiental relativamente alta, > 55% a temperatura ambiente; su velocidad puede ser acelerada efectuando un corte en la película que llegue hasta el sustrato metálico y manteniendo luego la muestra a una humedad relativa mínima del 70 al 85%. Figura 3. Clasificación de la corrosión 22 4.2.2 Control de la corrosión con recubrimientos El uso de recubrimientos para la protección de instalaciones industriales constituye una de las prácticas más comunes en el control de corrosión, tanto por su versatilidad de uso como por su bajo costo relativo. A la fecha se han desarrollado gran diversidad de recubrimientos caracterizados fundamentalmente por el tipo de resina y pigmento utilizados en su formulación; generalmente un aumento de eficiencia va aunada a un aumento de costo, por lo que, la selección del tipo de recubrimiento para un caso específico debe ser el resultado de un balance técnico económico. Los recubrimientos pueden proteger al metal de tres formas: 1. Proporcionando una barrera para separar el electrolito del metal. La barrera es formada a partir de la aplicación de una dispersión liquida de una resina y un pigmento, obteniéndose una película sólida adherida a la superficie metálica siendo factores muy importantes, el espesor y la continuidad de la película. 2. Inhibiendo la corrosión mediante el uso de pigmentos inhibidores. Algunos pigmentos usados en primarios actúan como pasivadores inhibiendo los procesos anódicos y catódicos de la corrosión. El uso de cromatos y fosfatos de zinc en forma de pigmento han sido ampliamente usados con éxito y su funcionamiento está basado en el hecho de que muchos de los recubrimientos son permeables al agua solubilizando de esta manera al pigmento y logrando que suficientes iones migren a la superficie del metal formando una película pasivadora. 3. Proporcionando una protección catódica. Debido a la diferencia de electronegatividades en los diferentes metales, el contacto entre ellos invierte 23 el sentido en el flujo de los electrones evitando así la corrosión. Un ejemplo de ellos son los recubrimientos ricos en zinc Sistemas Consisten en dos o más recubrimientos los cuales proveen más de uno de los mecanismos de protección. Los sistemas pueden incluir: a) Primario / Intermedio / Acabado. b) Primario / Acabado. c) Solo Acabado (Auto imprimante) Figura 4. Sistemas de recubrimientos Primario: El primario debe asegurar una óptima adhesión al metal. Lacual deberá involucrar de ser posible, la formación de uniones de valencia primaria vía grupos de ácidos carboxílicos, epoxi, u otros grupos funcionales que puedan reaccionar con el sustrato. 24 Figura 5. Uniones de valencia primaria También puede considerarse el uso de un vehículo en el primario con grupos polares los cuales podrán facilitar uniones de valencias secundarias con los hidróxidos del metal. Los polímeros utilizados en el primario, generalmente son más rígidos que los de las capas subsecuentes ya que una cadena rígida reduce la posibilidad de penetración de la humedad al sustrato. Otra característica que debe poseer también es una baja viscosidad para permitir una buena humectación del sustrato. Los polímeros termo fijos de bajo peso molecular tienden a dar mejor humectación y adhesión al sustrato que polímeros termoplásticos de alto peso molecular. Cuando se diseñan primarios para servicios de alta humedad o de inmersión, estos no contienen pigmentos solubles (incluyendo pigmentos inhibidores) o impurezas iónicas. Los primarios inhibidores solo se utilizan en servicios de baja humedad y de no inmersión. Intermedio: El intermedio y el acabado se aplican a altos espesores de película, generalmente en una o dos capas formando películas muy cerradas logrando una baja permeabilidad. El intermedio ayuda sobre todo a construir sistemas en donde debido a las necesidades de protección anticorrosiva en particular, no existe compatibilidad entre el primario y el acabado. 25 Acabado: El acabado, por ser la capa expuesta directamente al medio corrosivo, debe de poseer características superiores de resistencia mecánica, química, a la temperatura y a la luz ultravioleta; además de, propiedades visuales de color, brillo y apariencia. Esto sugiere que los polímeros y pigmentos utilizados deberán de poseer buena resistencia a esos factores que alteran o dañan la integridad de la película. Por ejemplo, estructuras poliméricas con grupos sensibles a los álcalis (típicamente grupos esteres) como las resinas alquidálicas o vehículos basados en aceites vegetales, no pueden utilizarse en ambientes alcalinos y de inmersión. Así mismo el uso de pigmentos extremadamente sensibles al pH, como carbonato de calcio, óxido de zinc y zinc metálico, no pueden utilizarse en estos ambientes. Preparación de superficie La vida de cualquier recubrimiento dependerá del cuidado que se tenga en la preparación de la superficie, una adecuada preparación alargará la vida del recubrimiento aplicado. Los beneficios que se obtienen de una adecuada preparación son los siguientes: • La escarificación de la superficie incrementa el número de sitios polares altamente reactivos lo cual incrementa la adhesión. • El mismo proceso libra la superficie de cualquier contaminación iónica que pudiera reducir el número de sitios polares disponibles. Por lo que también reduce la velocidad de permeabilidad al agua a través de la película por osmosis. • Esto también ayuda a la humectación mejorando la adhesión. • Podemos tratar también a la superficie mediante fosfatado, el cual hace a la superficie más hidrofílica y porosa e incrementa el anclaje mecánico del sistema de recubrimientos al metal. Existen también otros tratamientos como el uso de silanos que dentro de su estructura poseen una parte inorgánica 26 que forma uniones con los óxidos del metal y una parte orgánica que se une con el vehículo de la pintura. Los principales métodos de preparación de superficies especificados por el STEEL STRUCTURES PAINTING COUNCIL (SSPC) y la NATIONAL ASSOCIATION OF CORROSION ENGINEERS (NACE), que son las principales organizaciones Internacionales que han normado los grados de preparación son: a) SSPC-SP-1. Limpieza con solvente; sin embargo, está basado en la utilización de productos tales como: vapor de agua, soluciones alcalinas, emulsiones jabonosas, detergentes y solventes orgánicos. Mediante este método son removidos la mayoría de los contaminantes como: grasa, aceite, polvo y sales solubles en el agente limpiador. La solución limpiadora es aplicada suavemente o mediante equipo de presión, seguido de un lavado con agua natural y secado con equipo de vacío o simplemente utilizando aire seco. b) SSPC-SP-2. Limpieza Manual. Este método utiliza herramientas manuales, no eléctricas, para eliminar impurezas, tales como: residuos de soldaduras, oxidación, pintura envejecida y otras incrustantes que puedan ser removidos con el solo esfuerzo humano. A través de este método, generalmente no es posible desprender completamente todas las incrustaciones c) SSPC-SP-3. Limpieza Mecánica. La limpieza mecánica, es un método que utiliza herramientas eléctricas o neumáticas como esmeriladoras, lijadoras, cardas y cepillos, para eliminar impurezas tales como: residuos de soldadura, oxidación, pintura envejecida y otros incrustantes que pueden ser removidos con estas herramientas. A través de este método, generalmente no es posible desprender completamente todas las incrustaciones. d) SSPC-SP-4. Limpieza con flama. Este método consiste en pasar sobre las superficies metálicas, altas temperaturas a alta velocidad. Generalmente se 27 usa flama de acetileno. Una vez aplicada la flama a la superficie, ésta debe limpiarse con cepillo de alambre para eliminar la escama floja y el óxido. La pintura primaria deberá aplicarse antes de que la superficie esté completamente fría. e) SSPC-SP-5 NACE-1. Limpieza con chorro de Abrasivo Grado Metal Blanco. Este tipo de limpieza, utiliza algún tipo de abrasivo a presión para limpiar la superficie, a través de este método, se elimina toda la escama de laminación, óxido, pintura y cualquier material incrustante. Una superficie tratada con este método, presenta un uniforme color gris claro, ligeramente rugoso, que proporciona un excelente anclaje a los recubrimientos. La pintura primaria debe ser aplicada antes de que el medio ambiente ataque a la superficie preparada. f) SSPC-SP-6 NACE-3. Limpieza con chorro de Abrasivo Grado Comercial. Procedimiento para preparar superficies metálicas, mediante abrasivos a presión, a través del cual es eliminado todo el óxido, escama de laminación, pintura y materiales extraños. Es permitido que pintura en buen estado e incrustaciones permanezcan adheridas aún después de la preparación de la superficie, siempre y cuando éstas no rebasen la tercera parte de cada superficie. g) SSPC-SP-7 NACE-4. Limpieza con chorro de Abrasivo Grado Ráfaga. Este tipo de limpieza, utiliza algún abrasivo a presión para preparar superficies metálicas que tengan una cantidad mínima de escoria, pintura, oxidación y otros contaminantes, se conoce generalmente como 'Ráfaga' y consiste en una limpieza muy superficial que permite que algunas incrustantes y pintura no sean eliminados del sustrato. h) SSPC-SP-8. Limpieza Química. Método para limpieza de metales, mediante reacción química, electrólisis o por medio de ambos. A través de una reacción química con algún producto específico, superficies metálicas son liberadas de 28 escamas, óxido, pintura y materiales extraños, posteriormente la reacción es neutralizada con alguna otra solución y secada con aire o vacío. i) SSPC-SP-9. Limpieza por agentes atmosféricos. Consiste en la remoción de pintura, escamas de laminación u óxido, por medio de la acción de agentes atmosféricos, seguido de alguno de los métodos de limpieza mencionados anteriormente. La alteración debida a agentes atmosféricos, usualmente no constituye un método efectivo en la preparación de superficies, por lo que debe ir siempre acompañado de alguno de los métodos sugeridos anteriormente, ya sea con herramientas mecánicas o mediante la aplicaciónde chorro de abrasivo. j) SSPC-SP-10 NACE-2. Limpieza con chorro de Abrasivo Grado Cercano a Blanco. Método para preparar superficies metálicas, mediante abrasivos a presión, a través del cual es removido todo el óxido, escama de laminación, pintura y materiales extraños. La superficie debe tener un color gris claro y deben eliminarse sombras de oxidación visibles en un 95%. De hecho la diferencia entro una limpieza con chorro de arena grado metal blanco y metal cercano al blanco, radica en el tiempo empleado para pintar, ya que el metal es atacado por el medio ambiente y pasa a ser grado cercana al blanco en poco tiempo. k) Metal Galvanizado. Este tipo de sustrato, usualmente no requiere preparación de superficie exhaustiva y por lo general, es suficiente una limpieza con estopa impregnada de algún solvente con el fin de remover aceite o grasa en el sustrato. El metal recién galvanizado generalmente representa una gran tersura que puede impedir la adherencia con el recubrimiento protector, por lo que se sugiere efectuar una limpieza SSPC-SP-7 para asegurar buen anclaje y por tanto buena adherencia con el recubrimiento a aplicar. La mayoría de los metales galvanizados forman un polvo blanco sobra la superficie (Oxido de Zinc) el cual es fácilmente removido mediante agua y detergente, y enjuagado con agua natural. 29 l) Aluminio. El aluminio puede ser fácilmente preparado mediante una estopa impregnada de algún solvente con el fin de remover aceite o grasa del sustrato. Para una mejor adherencia se recomienda utilizar ligera limpieza con chorro de abrasivo o un tratamiento fosfatizante, el cual proporciona la porosidad necesaria para recibir al recubrimiento protector. 4.2.3 Adhesión / Cohesión La fuerza de adhesión es la medida de la resistencia de un recubrimiento a ser removido mecánicamente del sustrato. La unidad de medida utilizada en recubrimientos es fuerza/área (N/mm2; Mpa). La adhesión permanente del recubrimiento sobre el sustrato y en un sistema de varias capas es intrínsecamente un pre-requisito para el efecto de protección. Desde el punto de vista físico, la adhesión es definida como el efecto de las fuerzas de atracción en la interfaz entre dos diferentes fases sólidas. En contraparte, la cohesión es el efecto de las fuerzas de atracción entre la misma fase. La cohesión es el estado en el cual las partículas (moléculas) de una sustancia están unidas. Existen diferentes mecanismos pero en general existe una distinción entre adhesión específica (interacción de interfaces independientemente de la forma geométrica de la superficie) y adhesión mecánica la cual toma lugar cuando el líquido entra dentro de las cavidades (rugosidad, vacíos) del sustrato y se “ancla” mecánicamente en él una vez que la película se ha formado. Otra mecanismo que también se presenta es la adhesión por enlaces químicos los cuales ocurren cuando átomos del mismo o diferente elemento se aproximan uno al otro lo suficientemente cerca como para compartir (enlaces covalentes) ó transferir (enlaces iónicos) electrones de valencia de manera que cada elemento es estabilizado satisfactoriamente con ocho o dos electrones en su última capa. 30 También los enlaces por puente de hidrógeno son importantes dentro de los mecanismos para la adhesión. Figura 6. Promotores de adhesión Uno de los mayores promotores de adhesión son los alcoxi silanos. Los grupos silanol pueden reaccionar por condensación con los grupos hidroxilo en la superficie de los metales (Me-OH), vidrio (Si-OH), cargas minerales y materiales de construcción. La reacción con grupos hidroxilo sobre la superficie afecta un cambio en la funcionalidad de la superficie inorgánica. 4.2.4 Humectación En un líquido como el agua, todas las moléculas en su mayor parte están uniformemente rodeadas por sus moléculas vecinas, por lo tanto, las fuerzas de atracción actuando en esas moléculas se extienden igualmente en todos los espacios y direcciones. En la interfaz agua/aire las cosas cambian dramáticamente debido a que solo están rodeadas moléculas por otras moléculas solo en la interfaz en dirección a la masa líquida, por consiguiente, las fuerzas de atracción no se cancelan unas a otras. Una fuerza actúa en dirección a la fase interior del líquido. El efecto de esta fuerza hace que la superficie del líquido se contraiga en lo más que se posible. Esto explica porque una gota en un espacio libre de gravedad es esférica – la esfera tiene un área mínima de superficie combinada con un volumen máximo. 31 A mayor tensión superficial mayor es la cohesión en la fase respectiva y más fuerte son las fuerzas de interacción entre los átomos o moléculas en esa fase. Una medida de la humectación es el ángulo de contacto entre el sustrato sólido y una gota del líquido aplicado. Entre menor sea el ángulo de contacto mejor es la humectación. Figura7. Humectación de una superficie solida (sustrato) por un líquido Por consiguiente, si un líquido tiene una tensión superficial más alta que el sustrato, no lo podrá humectar. La siguiente tabla muestra la tensión superficial de varios líquidos: Tabla1. Tensión superficial de varios líquidos Líquido Tensión superficial (mN/m) Mercurio 500 Agua 73 Resinas epoxi 45 - 60 Resinas melamina 42 - 58 Resinas alquidálicas 33 - 60 Resinas acrílicas 32 - 40 Butil Glicol 32 Xileno 29 - 30 Butil acetato 25 Butanol 23 Hexano 18 32 4.2.5 Formación de Película En general, los recubrimientos se aplican en capas delgadas sobre un soporte y tienen la propiedad de transformarse en una película sólida, continua y adherente por evaporación del solvente y, en algunos casos, además por reacciones químicas. El proceso por el cual se forma la película está relacionado con el tipo de resina empleada en el recubrimiento. 1) Secado. Involucra el paso de la película de pintura líquida, en forma de capa delgada aplicada sobre un sustrato, al estado sólido por la evaporación del solvente. Las pinturas de naturaleza termoplástica presentan en general un secado rápido. Al mismo tiempo, el espesor final de la película se relaciona directamente con el contenido de sólidos en volumen del producto. En el caso de las pinturas base solvente orgánico, el vehículo es una solución líquida (dispersión molecular del material polimérico) que rodea las partículas del pigmento dispersado en la pintura; durante el secado el sistema se hace más viscoso y el ligante fluye alrededor de las partículas durante casi toda esta etapa; se observa una significativa contracción volumétrica de la película. Látex: La dispersión del pigmento en “emulsiones” y la forma en que la etapa de secado ocurre son únicas y diferentes a las del tipo solvente orgánico. Resulta oportuno mencionar que las emulsiones, desde un punto de vista fisicoquímico, son sistemas conformados por una fase continua líquida y otra dispersa también líquida. Por su parte, en los látices (plural de látex) la fase dispersa del sistema es sólida. En realidad, en la formulación y elaboración de pinturas y recubrimientos de base acuosa se emplean, desde un punto de vista conceptual, látices como materiales formadores de película. En consecuencia, el término “emulsión” se emplea erróneamente; esto último se debe a que los látices se elaboran generalmente en fase acuosa a partir de 33 reactivos en forma de emulsión (las pequeñas gotas de las unidades de monómero se comportan como verdaderos reactores en suspensión). En resumen, los látices no son soluciones de un ligante en un solvente sino suspensiones concentradas de partículas sólidas discretas y esféricas, relativamente pegajosas de un material resinoso en agua. El secado de un látex conduce a que las partículasresinosas se adhieran fuertemente entre sí debido a la creciente tensión superficial por la disminución de las distancias entre partículas del copolímero. 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 (fusión en frío de las partículas resinosas) alrededor de las partículas del pigmento/carga, lo cual conduce a una disposición más o menos densamente empaquetada. La compactación del pigmento para alcanzar un alto valor en la película seca es lograda principalmente por deformación plástica de las partículas del copolímero, generalmente asistida por un agente coalescente (solvente orgánico). 2) Curado. La etapa de formación de la película sólida, adherente, elástica y de buena resistencia de algunas pinturas involucra, además de la evaporación de los solventes, reacciones químicas de diferente complejidad con elementos del medio ambiente o con agentes que se incorporan a la formulación. En resumen, el curado se define como el conjunto de cambios físicos y químicos que transforman el material de su estado termoplástico original (líquido o sólido, soluble y de peso molecular finito) a una condición final termoestable (sólido, insoluble, infusible y de peso molecular infinito). El curado de las pinturas no convencionales (epoxis, poliuretanos, etc.) generalmente se formulan en doble envase: uno de ellos contiene el vehículo de la pintura con los pigmentos dispersados (base) y e l restante el agente de curado para la copolimerización (endurecedor). La base y el endurecedor se deben mezclar 34 en forma previa a su aplicación, en la relación cuantitativa indicada por el formulador. Finalizado el proceso de secado/curado se puede lograr una película brillante, semi- brillante o mate con el fin de proteger y mejorar además el aspecto general del sustrato. 4.3 Fundamentos de Formulación 4.3.1 Composición básica de un recubrimiento Los recubrimientos, desde un punto de vista técnico-económico, constituyen el método más adecuado para la protección de los materiales empleados en la construcción y en la industria. Un recubrimiento líquido, considerado desde un punto de vista fisicoquímico, es un sistema disperso. Está constituido generalmente por sólidos finamente divididos y dispersados en un medio fluido denominado vehículo. Este último está basado en una sustancia aglutinante, también llamada formadora de película o ligante, dispuesta en un solvente o mezcla solvente al cual se le incorporan aditivos y eventualmente plastificantes. En el caso de recubrimientos base solvente, el vehículo es una solución líquida (dispersión molecular del material polimérico) que rodea las partículas del pigmento dispersado en el líquido; durante el secado el sistema se hace más viscoso y el ligante fluye alrededor de las partículas durante casi toda esta etapa; se observa una significativa contracción volumétrica de la película. Resulta oportuno mencionar que algunos recubrimientos están exentos de solventes ya que el propio material formador de película es líquido (bajo peso molecular). Los pigmentos se dispersan en ese medio fluido altamente viscoso. Estos recubrimientos exentos de solvente durante la formación de película exclusivamente involucran reacciones de curado entre los dos componentes del sistema. 35 En resumen y en función de las diferentes definiciones, se tiene que los componentes fundamentales de una pintura son: el material formador de película (también llamado aglutinante o ligante), los pigmentos, los aditivos y eventualmente la mezcla solvente (disolvente y diluyente). La formulación de una pintura eficiente requiere conocer las propiedades intrínsecas de los diferentes componentes involucrados y además establecer las reacciones o interacciones que tienen lugar entre los mismos tanto durante la elaboración y almacenamiento del producto como en servicio luego de la aplicación sobre una superficie. La estructura general de un recubrimiento se puede esquematizar de la siguiente manera: Figura 8. Estructura general de la composición de un recubrimiento 36 Figura 9. Componentes del vehículo en una pintura Figura 10. Características del pigmento 37 Resina / Ligante La química de las pinturas está íntimamente ligada al tipo de resina utilizada, ya que constituye el componente fundamental en la formulación para obtener productos con propiedades preestablecidas con el fin de satisfacer las condiciones que determinan el sustrato y el medio ambiente. Los materiales formadores de película, también llamados frecuentemente ligantes, son polímeros o bien pre-polímeros que forman una película cohesiva sobre un sustrato y que tienen como función aglutinar adecuadamente los pigmentos y cargas ó extendedores luego del secado y/o curado. El ligante o aglutinante se selecciona desde un punto de vista técnico económico, considerando fundamentalmente las características del sustrato (naturaleza química, estado de la superficie, etc.), la acción agresiva del medio de exposición (acidez o alcalinidad, radiación UV, etc.), las exigencias físico mecánicas de la película (dureza, resistencia a la erosión y los impactos, etc.), los requerimientos de preparación de la superficie previos (grado de limpieza, rugosidad, etc.), las condiciones de aplicabilidad y secado/curado (humedad relativa, temperatura, viento, etc.) y la expectativa de comportamiento en servicio (vida útil con mínimo o nulo mantenimiento, costos de materiales y mano de obra involucrados, etc.). Definido el material formador de película (uno o más ligantes) y como consecuencia directa la composición de la mezcla de solventes en función del método de aplicación (pincel, rodillo, equipos con o sin aire comprimido, inmersión, etc.), se requiere la elección de los demás componentes (pigmentos, cargas y aditivos) para finalmente formular el producto final (relación cuantitativa). En muchos casos, los equipos empleados para la elaboración de la pintura y la tecnología involucrada (forma y secuencia de incorporación de las materias primas, tiempos de procesamiento, viscosidad del sistema base, etc.) influyen significativamente sobre las propiedades tanto del material líquido como en forma de película delgada. 38 Tabla 2. Ventajas y limitaciones de las principales resinas para recubrimientos. Tipo de resina Ventajas Desventajas Comentarios Alquidálica Buena resistencia a la intemperie y vapores en ambientes químicos moderados. No resisten derrames y salpicaduras. Los alquidálicos de cadena larga de aceite tienen buena penetración pero son de secado lento; los alquidálicos de cadena corta son más rápidos en curado. Resisten temperaturas hasta 105°C. No tienen buena resistencia química. No son apropiados para aplicarse sobre superficies alcalinas como concreto fresco ó inmersión en agua. Se pueden hacer excelentes primarios con buena adherencia en superficies ligeramente oxidadas con resinas de cadena larga de aceite. Su resistencia a la corrosión es apropiada para vapores químicos ligeros que predominan en muchas áreas industriales. Epoxi-éster Buena resistencia a la intemperie, mayor resistencia química que la de las resinas alquidálicas, suficiente para resistir el ataque corrosivo atmosférico normal. Menor resistencia que las resinas epóxicas. No resisten el ataque de vapores, salpicaduras ni derrames de químicos fuertes. Resisten hasta 105°C de temperatura. No se recomiendan para servicios de inmersión. Es un recubrimiento basado en aceite de alta calidad compatible con muchos otros tipos de recubrimientos. Fáciles de aplicar. Usados ampliamente para laresistencia atmosférica en ambientes químicos sobre estructuras de acero, exterior de tanques, etc. Vinílica Insoluble en aceites, grasas, hidrocarburos alifáticos y alcoholes. Resistentes al agua y soluciones salinas. A temperatura ambiente, resisten el ataque de ácidos inorgánicos y álcalis; resistentes al fuego y buena resistencia a la abrasión. Solventes fuertemente polares disuelven al vinilo. Pobre adhesión inicial. Se aplican varias capas a bajos espesores (1.5 – 2.0 milésimas de pulgada). Vulnerables a la presencia de puntos de alfiler (pinholes). Duros y flexibles, baja toxicidad, Recomendados para el interior de agua potable y equipo sanitario. No cumplen con las regulaciones de VOC’s Caucho clorado (Hule Clorado) Baja permeabilidad a la humedad y excelente resistencia al agua. Resiste ácidos fuertes, álcalis, blanqueadores, detergentes, aceites minerales. Buena resistencia a la abrasión. Se disuelven en solventes fuertes. Se degradan con el calor (95°C) y la luz ultravioleta, pero pueden ser estabilizados para mejorar estas propiedades. Pueden ser difíciles de aplicar por aspersión, principalmente en ambientes cálidos. Resistentes al fuego, no tóxicos. Secado rápido y excelente adhesión al concreto y al acero. Utilizados en pintura para mampostería, concreto, albercas, y en recubrimientos industriales. Alquitrán de hulla Excelente resistencia al agua (mayor que todos los otros tipos de recubrimientos), buena resistencia a los ácidos, álcalis, aceites minerales, animal y vegetal. Se necesita entrecruzar con otro tipo de resina, es termoplástico y fluye a temperaturas de 40°C o menos. Se endurece y vuelve quebradizo en agua fría. Es de color negro. Bajo la influencia de los rayos del sol, se pude quebrar o formar agrietamiento. Usado como recubrimiento para inmersión y resistencia al humedad; también para el exterior de tuberías y tanques enterrados. Relativamente económicos. Epóxico Poliamida Superior en resistencia al agua que los recubrimientos epóxicos curados con aminas. Excelente adhesión, brillo, dureza al impacto y resistencia a la abrasión. Más flexibles y duro que un recubrimiento epoxi- amina. Resiste temperaturas de hasta 105°C. No cura a temperaturas menores a 5°C. Para lograr su máxima resistencia generalmente se requiere de 7 días de curado. Ligeramente menor resistencia química que los epoxi-amina. Fáciles de aplicar y recubrir. Excelente adhesión sobre acero y concreto. Ampliamente usados para mantenimiento industrial y marino. Algunas formulaciones se pueden aplicar sobre superficies húmedas o bajo el agua. 39 Tabla 2. Continuación Tipo de resina Ventajas Desventajas Comentarios Epóxicos curados con amina Excelente resistencia a los álcalis, a la mayoría de los ácidos orgánicos e inorgánicos, y soluciones acuosas de sales. Poseen buena resistencia a derrames y salpicaduras de solventes y agentes oxidantes más no para servicios de inmersión. Más duros y menos flexibles que otros epóxicos e intolerantes a la humedad durante la aplicación. Se descomponen (“calean”) debido a la luz ultravioleta por lo que no se recomiendan para exposición al exterior. Sus resistencia a la temperatura está limitada hasta 105ºC y la aplicación de capas subsecuentes se debe de realizar durante las siguientes 72 hrs para evitar delaminación entre capas. Buena resistencia química y a la intemperie. La mejor resistencia química dentro de la familia de los epóxicos. Excelente adherencia al acero y al concreto. Ampliamente utilizados para el mantenimiento industrial y el interior de tanques. Fenólicas Poseen la mejor resistencia a solventes que todos los demás recubrimientos descritos. Excelente resistencia a hidrocarburos aromáticos y alifáticos, esteres, éteres, cetonas y solventes clorados. Resistencia a la temperatura hasta 95ºC. Sin olor, sabor y toxicidad por lo que son los más utilizados como recubrimientos que pueden estar en contacto con alimentos. Deben ser aplicados en varias capas de bajo espesor y ser curados a temperaturas entre 175ºC y 200ºC entre cada capa. Difíciles de reparar debido a la alta resistencia a los solventes. Pobre resistencia a los álcalis y agentes oxidantes fuertes. Debido al curado a altas temperaturas se tornan de un color café el cual puede utilizarse para medir el grado de entrecruzamiento logrado. Ampliamente utilizados en el interior de tanques para servicios de inmersión de alcohol y productos de fermentación. También son excelentes recubrimientos para el servicio de inmersión de agua caliente. Pueden ser modificados con epóxicos para mejorar su resistencia química. Epoxi-alquitrán de hulla. Excelente resistencia a la inmersión en agua fresca o salada. Muy buena resistencia a los ácidos y álcalis. Buena resistencia a los solventes, aunque en inmersión en solventes fuertes puede lixiviar el alquitrán. Se vuelven quebradizos en el frío o por la influencia de la luz ultravioleta. Tienen baja resistencia a la abrasión en climas fríos. Deben ser recubiertos por otra capa durante las primeras 48 horas para evitar problemas de adhesión entre capas. No curan a temperaturas menores a los 5°C. solo en color negro. Resistencia a la temperatura hasta 105°C Buena resistencia al agua. Puede aplicarse sobre estructuras metálicas o de concreto sin necesidad de usar algún primario. Bajo costo por unidad de área. Poliuretanos (Aromáticos o alifáticos) Los poliuretanos alifáticos destacan por su excelente brillo, color y resistencia a la luz ultravioleta. Sus propiedades varían ampliamente dependiendo del poliol que se utilice como co- reactante. Su resistencia química y a la humedad es similar a los recubrimientos epoxi-poliamida. Su resistencia a la abrasión es normalmente excelente. Existe una amplia diversidad de propiedades específicas debido a la gran versatilidad de las reacciones de los isocianatos. La exposición a los isocianatos debe minimizarse debido a su alta toxicidad. Se desprende dióxido de carbono durante el curado el cual puede manifestarse con la aparición de “micro burbujas” en la película del recubrimiento. Los poliuretanos aromáticos tienden a amarillearse y obscurecerse debido a la exposición a la radiación ultravioleta. Los poliuretanos alifáticos son ampliamente usados como acabados brillantes en estructuras en ambientes corrosivos. Son relativamente caros, pero considerablemente durables. 40 Tabla 2. continuación Tipo de resina Ventajas Desventajas Comentarios Acrílicas Excelente estabilidad a la luz y radiación ultravioleta, buena retención de color y brillo. Buena resistencia química y excelente resistencia a la intemperie. Ofrecen una resistencia química media, sobre todo a vapores y salpicaduras de algunas sustancias químicas Las emulsiones acrílicas y termoplásticas no son recomendadas para servicios de inmersión en agua, álcalis y ácidos. La mayoría de las recubrimientos utilizados para la protección atmosférica común son del tipo acrílicos. Son utilizados también cuando se desea buena estabilidad a la luz, retención de brillo y color. El uso de reticulantes (crosslinkers) mejora su resistencia química como lo sería el caso de los recubrimientos para la industria automotriz. Ricos en Zinc Orgánicos Protección galvánica debida al alto contenido de zinc con la resistencia química y a la humedad similar a la de otras resinas orgánicas. Deben ser recubiertos cuando van a estar expuestos a ambientes químicos con pH por fuera de 5-10. Son más tolerantes a la preparación de superficie que los inorgánicos de zinc. Generalmente tienen un menor desempeño en el tiempo que un inorgánico rico en zinc pero son de fácil aplicación y toleran preparaciones de superficie más simples. Ampliamente utilizadosen Europa mientras que los inorgánicos son utilizados en Norte América. Son muy utilizados para reparar galvanizados o recubrimientos inorgánicos de zinc. Debido a su aglutinante orgánico, son ampliamente compatibles con muchos de los recubrimientos orgánicos utilizados como acabados. Ricos en Zinc Inorgánicos Proveen una excelente protección anticorrosiva a largo plazo inclusive en algunos servicios de inmersión. Su resistencia a la abrasión es excelente y sus resistencia al calor supera llega a los 400ºC. Silicatos inorgánicos base agua están disponibles para espacios confinados y bajos COV’s. Requieren de una preparación de superficie del acero a “metal blanco”. El zinc es reactivo a pH fuera del rango de 5-10 y es necesario un recubrimiento de acabado en ambientes de vapores químicos. Se “agrietan ” a espesores altos, por lo que el control de los mismos es importante. Los recubrimientos basados en etíl silicato requieren de humedad para su curado. Son usualmente utilizados en la protección de puentes, estructuras metálicas de taller. Pigmentos Los pigmentos están constituidos por partículas pequeñas de sólidos finamente divididos, seleccionados para impartirle a la película propiedades específicas. En resumen, el pigmento es una partícula sólida ópticamente activa o no, que debe ser insoluble en el vehículo y además no reaccionar químicamente con el resto de los componentes del sistema. 41 Existen también los colorantes, los cuales son sólidos coloridos solubles generalmente en agua o alcoholes y tiene una afinidad con el sustrato al que se está aplicando. Su uso es generalmente en textiles y maderas. A pesar de que existe una diferencia entre colorante y pigmento, es muy común en la industria de pinturas, llamar colorante o tinta a concentrados de pigmento, esto debido a la acción que tienen de colorear o impartir color a la pintura. Por su naturaleza química los pigmentos se pueden clasificar en dos grupos: 1) Pigmentos inorgánicos. Estos pigmentos generalmente incluyen productos naturales y sintéticos. Los pigmentos inorgánicos imparten en general, entre otras propiedades, color, opacidad, resistencia al calor y a la acción de la intemperie. Tienen un precio relativamente bajo en relación a otros componentes de las pinturas. 2) Pigmentos orgánicos. Los pigmentos orgánicos más frecuentemente empleados son en la actualidad de origen sintético; conducen, entre otras propiedades generales, a películas fuertemente coloreadas, con reducido poder cubriente, variable resistencia al calor, a la acción de la intemperie y a los agentes químicos. Tienen un costo generalmente elevado en términos comparativos. Además, los pigmentos en general modifican las características de flujo de la pintura y aumentan la adhesión específica y la cohesión, reducen el brillo e incrementan la permeabilidad de la película seca. Una clasificación en relación con su función es: 1. Pigmentos funcionales. Otorgan propiedades especiales tales como resistencia a la corrosión (pigmentos inhibidores), a la incrustación biológica (biocidas), a la acción del fuego (ignífugos), etc. Estos pigmentos 42 generalmente tienen elevado índice de refracción (poder cubriente) e imparten color. 2. Pigmentos extendedores o cargas. En general, se utilizan como refuerzo para completar las propiedades de otros pigmentos y disminuir los costos. Estos materiales tienen un índice de refracción sensiblemente inferior al de los pigmentos funcionales (en realidad similar al de las resinas) y en consecuencia no mejoran el poder cubriente; tampoco inciden significativamente sobre el color; además de que modifican el brillo de manera significativa. Disolventes Un disolvente o comúnmente llamado en la industria de pinturas como solvente es cualquier material, en general líquido, que tiene la capacidad de disolver otro material y formar una mezcla homogénea, llamada solución. El disolvente más común en la vida diaria es el agua. Muchos otros disolevntes son compuestos orgánicos, es decir que tienen enlaces de carbono-hidrógeno en su estructura (alcoholes, cetonas, hidrocarburos, entre otros). Estos diferentes disolventes se utilizarán con diferentes materiales dependiendo de las características físicas y químicas de ambos. La disolución de un sólido (soluto) implica, por definición, la mezcla homogénea de éste en el disolvente. Dicho de otra forma, las moléculas del solvente se introducen entre las moléculas del sólido para separarlas. Los disolventes no son muy específicos en su acción, pudiendo tener mayor o menor efecto sobre todos los materiales orgánicos con los cuales entran en contacto. 43 En la práctica, es fácil constatar que no cualquier disolvente tiene la capacidad para disolver determinado sólido. Lo que esencialmente deben tener en común una resina y el disolvente, en orden de lograr el grado de dispersión necesaria, son los tipos de fuerzas que mantienen sus moléculas respectivamente unidas. Otros factores como la capacidad de los disolventes para penetrar (difundirse) en la resina y el tiempo que éstos pueden permanecer ahí (retención), hasta evaporarse completamente son factores también a considerar. La capacidad de penetrar así como la retención de los disolventes están determinadas por dos y tres características físicas, respectivamente: la viscosidad y la tensión superficial, definen la penetración mientras la temperatura de ebullición, la presión de vapor de saturación y el calor latente de evaporación, la retención. • Tipos de uniones entre las moléculas: Las fuerzas a través de las cuales las moléculas se mantienen juntas se llaman intermoleculares (fuerzas atractivas y repulsivas que se producen entre las moléculas como consecuencia de la polaridad que poseen las moléculas). Estas son mucho más débiles que los enlaces covalentes, iónicos y metálicos (fuerzas a través de las cuales las moléculas se conforman). Por esto las fuerzas intermoleculares no se consideran enlaces sino solo son fuerzas de atracción. Estas fuerzas de atracción son los puentes de hidrógeno, las fuerzas de Van Der Waals, las interacciones dipolo: dipolo-dipolo, dipolo-dipolo inducido, y fuerzas de dispersión o de London. Las primeras son características de las moléculas compuestas por el hidrógeno, unido a átomos pequeños con alta electronegatividad como el nitrógeno, el oxígeno, el flúor y el cloro. 44 Las fuerzas de dispersión o de London son el resultado de la formación de dipolos temporales que se producen cuando dos átomos con electronegatividades parecidas forman un enlace covalente en el cual cada uno aporta un electrón, el átomo más electronegativo ejercerá una mayor atracción sobre el par de electrones del enlace lo cual da origen a un desequilibrio electroestático que hace que uno de los átomos quede cargado positivamente y el otro negativamente. Son fuerzas débiles, que predominan en los hidrocarburos aromáticos como el tolueno y el xileno. Finalmente, las interacciones dipolo-dipolo o fuerzas polares, existen entre moléculas con dipolos permanentes (fuerzas de Keesom) o en moléculas en que un dipolo permanente induce dipolos en moléculas vecinas (fuerzas de Debye). La acetona tiene fuertes fuerzas polares. El tolueno, que es un solvente no polar, es muy propenso a tener dipolos inducidos, si interactúa con algún solvente polar, como la acetona, por ejemplo. A esta característica, se le denomina polarizabilidad. La similitud química entre el disolvente y el soluto (resina) está principalmente determinada por la existencia de estas fuerzas de atracción. Si las moléculas del disolvente se encuentran unidas entre sí de forma similar a las moléculas de la resina, se puede entonces esperar que se produzca la disolución.Dicho de otra forma, si la resina está conformado por cierto tipo de uniones entre sus moléculas, estas moléculas estarán dispuestas a separarse o soltarse, si es que el solvente les ofrece la posibilidad de interactuar con ellas con el mismo tipo de fuerzas de atracción que las mantenía unidas. Al establecer una relación entre los solventes y los solutos que éstos logran dispersar, se puede deducir el tipo de fuerzas de atracción intermoleculares que predominan en determinados solutos, ya que éstas serán similares a las del disolvente que los disolvió. La identificación y cuantificación de este tipo de fuerzas de atracción del disolvente son posibles gracias a la determinación de sus parámetros de solubilidad. 45 • Parámetros de solubilidad: Existen diversos parámetros para evaluar el poder disolvente de una determinada sustancia. Por ejemplo el número Kauri-butanol, para hidrocarburos, que se define como la cantidad máxima de solvente que puede agregarse a una solución de resina Kauri (una resina que se extrae de una especie de coníferas: Agathis australis) en butanol sin producir turbidez. Dado que la resina es insoluble en hidrocarburos, mientras mayor cantidad de disolvente se pueda agregar, mayor será el poder disolvente del mismo. Así los disolventes “fuertes” como el xileno tienen un alto número Kauri-butanol. Este método esta estandarizado por ASTM. Tabla 3. Índices Kauri-butanol Otro índice similar es el número de cera, que indica la cantidad máxima de solvente que puede agregarse a una solución de cera en benceno. En punto de anilina, en cambio, es la mínima temperatura a la que volúmenes iguales de solvente a ensayar y anilina son completamente miscibles. 46 Por otro lado, para estimar la solubilidad de un polímero, se utiliza el grado de solubilidad, como el mínimo porcentaje de tolueno que debe agregarse a una mezcla del polímero y n-dodecano (en proporción 10-90) para obtener una solución límpida. Cuanto más soluble sea el polímero, menor la cantidad de tolueno que deberá agregarse. En la tabla 4 se muestran algunos ejemplos. Tabla 4. Grado de solubilidad Para mezclas solvente polímero también existe una estimación de la solubilidad mutua. El número de heptano representa la cantidad máxima de n-heptano que puede agregarse a una solución polímero/solvente sin presentar turbidez. Estos índices tienen la ventaja de aportar información concisa acerca de los disolventes, pero carecen de una base teórica e ignoran el hecho que cada disolvente o tipo de disolvente es más o menos afín a determinada resina o tipo de resina (un disolvente que puede disolver fácilmente una resina, quizá no sea tan eficiente con otra, y un segundo disolvente que sea incapaz de solubilizar a la primer resina, sí pueda hacerlo con la segunda). El parámetro de Hildebrand: La presencia de los tres tipos de fuerzas de atracción intermoleculares en diferentes disolventes fue calculada inicialmente por Hildebrand, quien determinó la energía necesaria para romper la cohesión entre las moléculas de los solventes, en función de su calor latente de evaporación. El parámetro δ 47 corresponde a un promedio de las fuerzas de interacción entre las moléculas del solvente. Según esta teoría, mientras más similares sean los parámetros de solubilidad de dos sustancias, más posibilidad hay de que sean miscibles entre si. De este modo, la variación de entalpía involucrada en el proceso de solvatación será: Donde Φ es el volumen parcial de cada componente y los subíndices 1 y 2 se refieren al disolvente y al soluto. Esto implica que cuanto menor sea la diferencia de los parámetros de solubilidad del soluto y el disolvente, más posibilidades hay de que estos resulten miscibles (dependiendo de la variación entrópica, que ya se había establecido positiva). Este parámetro, tiene la gran ventaja de ser un valor único que brinda información concisa acerca de un disolvente. Pero cuenta con la ventaja adicional de brindar también información acerca de los solutos, en un mismo formato, lo que permite estimar rápidamente la solubilidad mutua: si los respectivos δ no son muy distintos, probablemente el disolvente y el soluto formarán una solución homogénea. Sin embargo no predice la selectividad de los disolventes. El modelo de Hansen: Posteriormente se introdujeron tres parámetros, correspondientes a cada tipo de atracciones intermoleculares δh, δd y δp (puentes de hidrógeno, fuerzas de dispersión y fuerzas polares, respectivamente) llamados 48 parámetros de solubilidad de Hansen. Esto, con el fin de precisar mejor el comportamiento de ciertos disolventes, que mostraban tener un parámetro único promedio δ muy similar, a pesar de comportarse de forma muy distinta sobre el mismo material a disolver. Esto permite ubicar a los solventes y los polímeros en un espacio tridimensional, de coordenadas (δp, δd, δh), como se observa en la figura 11. Figura11. Coordenadas de Hansen La posible solubilidad ente un polímero y un solvente está dada por la distancia entre los puntos correspondiente a uno y al otro en este espacio tridimensional: si esta distancia D es menor que un radio R, característico del polímero, este par podrá ser miscible, si es igual o similar será parcialmente miscible y si es mayor serán insolubles. La ecuación propuesta por Hansen es (Nótese que el 4 que afecta el 49 término de fuerzas de dispersión, fue propuesto para aproximar los volúmenes de solubilidad a esferas). Donde los subíndices 1 y 2 representan al polímero y al solvente respectivamente. Cabe destacar el método por el cuál se determinaron los componentes de este sistema. En primer lugar se define el término homomorfo, que es una sustancia que tiene igual estructura molecular que las que se desea estudiar. Al homomorfo no polar se le asigna el total de las fuerzas de dispersión. Por ejemplo para estudiar el n-octanol se elige como homomorfo no polar al n- octano, y el valor del parámetro de Hildebrand para el hidrocarburo se lo considera como el valor de la componente de dispersión de Hansen. El resto de las componentes se obtiene posteriormente por métodos de ensayo y error sobre numerosos polímeros y solventes, y de acuerdo a la evidencia experimental. Tabla 5. Parámetros de Hansen y radio de interacción de polímeros 50 Tabla 6. Parámetros de Hansen de solventes 51 Solvente óllMPa % Solvente óll1v1Pa Y2 al ad ap ah al ad ap Oh n- Butano 14.1 14.1 0.0 0.0 Carbonato de Etilo 29.6 19.4 21.7 5.1 n-Pentano 145 14 5 0.0 00 Acetato de Metilo 18.7 15.5 7.2 7.6 n-He)(ano 111 .9 H.9 0.0 0.0 FormiOilo de Etilo 18.7 15.5 7.2 7.6 n-Heptano 15.3 15.3 0.0 0.0 Acetato de Etilo 18.1 15.8 53 7.2 n- Octano 15.5 15.5 0.0 0.0 Acetato de n-butilo 174 158 37 6.3 lsooctano 14.3 14.3 0.0 0.0 Acetato de isobutilo 16.8 15.1 3.7 6.3 n-Dodecano 16.0 16.0 0.0 0.0 Ciclohexano 16.8 16 .8 0.0 0.2 Solvente ól/MPa Y2 Metilciclohexano 16.0 16.0 0.0 0.0 al ad ap ah Aceton a 20.0 15.5 10.4 7.0 Solvente óllMPa Y2 Metil etil cetona 190 160 9.0 51 JI ad ap ah Ciclohe)(anona 19.6 17.8 6 .3 5.1 Benceno 18.6 18.4 0.0 2.0 Dietil cetona 18.1 15.8 7 .6 4.7 Tolueno 18.2 18.0 1.4 2.0 Acetofenona 21.8 19.6 8.6 3.7 Naftaleno 203 192 2.0 59 Metil isobutil cetona 17.0 15.3 6 .1 4.1 Estiren o 19.0 18.6 1.0 4.1 Metil isoamil cetona 17.4 16.0 5.7 4.1 o-Xileno 18.0 17.8 1.0 3.1 Isoforona 19.9 16.6 8.2 7.4 Etil benceno 17.8 17.8 0.6 1.4 Di-(isobutil) cetona 16.9 16.0 3.7 4.1 p-Oietil benceno 18.0 18.0 0.0 0.6 Solvente ól/MPa 'h Solvente ól/MPa 'h 01 JO ap ah JI ad ap ah T etrah idrof ura no 19.4 16.8 5.7 8.0 Cloro metano 17.0 15.3 6 .1