Preparación de plásticos para pintura

Preparación de plásticos para pintura

Los procesos utilizados para aplicar la mayoría de las pinturas líquidas sobre plásticos no difieren mucho de los empleados para pintar metales, aunque el recubrimiento en polvo sigue siendo poco común en plásticos. Además, ciertos métodos de pintura específicos ampliamente utilizados en metales, como la deposición química (autoforética) y el recubrimiento por electrodeposición, no son posibles con plásticos. Pero todas las demás técnicas, como brocha, inmersión, recubrimiento por flujo, recubrimiento en cortina, incluidas todas las variantes de aspersión y atomización rotativa, se utilizan para recubrir tanto metales como plásticos. Con la llegada del curado por radiación UV y del curado a baja temperatura de ciertos recubrimientos en polvo, ya se realiza la aplicación de polvo en algunos plásticos con cierta resistencia al calor, aunque esta tecnología aún está en sus inicios.

La capacidad de pintado de todos los metales de uso común en manufactura es bastante similar. Esto es posible en parte porque los valores de energía superficial, conductividad eléctrica, conductividad térmica y resistencia al calor de los metales están muy próximos entre sí. Esto decididamente no ocurre con los plásticos. En general, los valores de estos atributos en los plásticos son mucho menores que en los metales, y además los valores entre distintos plásticos muestran una variación extrema. Incluso dentro de una misma familia de plásticos, su capacidad de pintado puede ser sorprendentemente distinta debido a diferencias en los pesos moleculares y a la incorporación de distintos aditivos en la fabricación de las diversas resinas. La composición base del plástico puede consistir en una sola resina o en una mezcla de dos o más resinas diferentes. En una composición de resina pueden formularse diversas cargas, extendedores y plastificantes. A menudo se añaden aditivos a las resinas para obtener propiedades físicas y químicas deseables; se introducen pigmentos para modificar el brillo o dar color. La naturaleza química y las cantidades de estos aditivos probablemente cambien de forma significativa la capacidad de pintado de esa formulación en particular. Incluso las piezas fabricadas con la misma formulación de resina no necesariamente son iguales en capacidad de pintado. El proceso de moldeo, extrusión u otro proceso de conformado utilizado para producir la pieza también puede desempeñar un papel importante en su capacidad de pintado, debido a los esfuerzos inducidos en la pieza y a la reticulación de la resina.

La naturaleza química de la resina determina en gran medida la energía superficial del plástico. En general, una superficie con mayor energía superficial es “humectada” con más facilidad por la pintura y, por lo tanto, es más “pintable”, lo que significa que la adhesión del recubrimiento será mejor. Se ha observado que la adhesión de la pintura a los metales suele ser superior a la adhesión sobre plásticos porque los metales suelen tener energías superficiales sustancialmente más altas que los plásticos. La baja polaridad de las moléculas en plásticos como el polietileno y el polipropileno es la causa de la baja energía superficial (y de la mala capacidad de pintado) de estos plásticos. Aumentar la energía superficial y, con ella, la adhesión de la pintura es uno de los principales propósitos del pretratamiento de plásticos.

Puntos clave

• La mayoría de los métodos de pintura líquida se trasladan desde los metales, pero la deposición química y el recubrimiento por electrodeposición no son posibles en plásticos.
• La estática es un problema propio de los plásticos. Los plásticos son aislantes, por lo que acumulan carga y atraen polvo del aire antes de pintarse.
• Los desmoldantes de cera son el enemigo de la pintura. Los desmoldantes solubles en agua son mucho más recomendables y se eliminan con detergente acuoso común.
• Las superficies lisas necesitan rugosidad, química o mecánica, para crear los sitios de anclaje que requiere la pintura.
• Las pruebas de envejecimiento acelerado predicen el desempeño en campo: calor seco, calor húmedo y un grupo de control, seguidos de una prueba de pelado conforme a ASTM D3330.

Preguntas frecuentes

¿Qué contaminantes deben eliminarse antes de pintar plástico?

Huellas dactilares, polvo, pelusa y residuos de desmoldante. La limpieza con detergente suele eliminar las sales y los aceites depositados por las manos desnudas, y la contaminación por huellas dactilares puede evitarse por completo si los operadores usan guantes libres de pelusa desde el proceso de conformado hasta la aplicación de la pintura.

¿Por qué las piezas de plástico atraen polvo antes de pintarse?

Porque la mayoría de los plásticos son aislantes o malos conductores eléctricos, por lo que acumulan cargas estáticas que atraen y retienen partículas suspendidas en el aire. El control de la estática es un paso que las líneas de acabado de metales simplemente no necesitan.

¿Qué desmoldantes son compatibles con el pintado?

Los desmoldantes solubles en agua, que se eliminan con facilidad mediante limpieza con detergente acuoso común. Los desmoldantes tipo cera a veces pueden eliminarse con solvente, pero no se recomiendan para piezas que se van a pintar, y de todos modos se desaconseja el uso de solventes por razones de COV, incendio y salud.

¿Cómo lograr que la pintura se adhiera a una superficie plástica lisa?

Hágala rugosa. Los plásticos tienen baja energía superficial y bajo perfil superficial, y las superficies lisas dan mala adhesión. La vía habitual es el grabado químico para generar microrrugosidad y sitios de anclaje, idealmente realizado por los solventes ya presentes en la pintura que se aplica.

¿Cómo debe probarse la adhesión de la pintura a largo plazo?

Con pruebas de envejecimiento acelerado. Un diseño viable consiste en tres grupos: cinco días a 70 °C (158 °F) en seco, cinco días a 32 °C (90 °F) y 90 % de humedad, y un grupo de control a temperatura ambiente. Inspeccione visualmente frente al control inmediatamente después y luego realice la prueba de pelado conforme a ASTM D3330 una vez que las muestras se hayan estabilizado, con mayor frecuencia a 180°.

Limpieza de sustratos plásticos

Como cualquier otra superficie por pintar, los plásticos deben estar razonablemente libres de suciedad o materiales extraños. Las suciedades comunes en piezas de plástico por recubrir incluyen huellas dactilares, polvo, pelusa y residuos de desmoldante. Por lo general, la limpieza con detergente puede eliminar de forma satisfactoria las sales y los aceites depositados en el plástico al tocarlo con las manos desnudas. Las huellas dactilares pueden evitarse por completo si los trabajadores que manejan las piezas desde el proceso de conformado hasta el paso de aplicación de pintura usan guantes libres de pelusa.

La mayoría de los plásticos son aislantes o conductores eléctricos poco eficaces. Como resultado, tienden a acumular cargas estáticas que atraen y retienen con tenacidad partículas de pelusa y polvo. Limpiar con un paño adhesivo (tack cloth) puede no eliminar todos estos contaminantes. Un excelente método para eliminar la pelusa y la suciedad atraídas por la estática es utilizar un soplado de aire destatizador. El destatizador debe generar cargas tanto positivas como negativas; la mayoría de las unidades utilizan una fuente débil de emisión radiactiva en la fuente de aire de soplado. El aire de entrada se filtra y el aire cargado de iones se sopla sobre la pieza para que los iones positivos y negativos neutralicen todas las cargas estáticas. La destatización debe realizarse inmediatamente antes de pintar para que las piezas entren al proceso de recubrimiento lo más limpias posible. Los retrasos entre la destatización y el pintado permitirán que las cargas se vuelvan a formar y, en consecuencia, las piezas volverán a acumular partículas en su superficie.

Al instalar las operaciones de pintado de plásticos dentro de un “cuarto limpio”, la suciedad como polvo y pelusa se controla con más facilidad. El suministro de aire debe filtrarse y mantenerse a alrededor de 50 % de humedad relativa. En todo momento solo debe permitirse el acceso a personas autorizadas que usen overoles, cofias y cubrezapatos libres de pelusa.

Desmoldantes y plastificantes

Existen algunos desmoldantes pintables, pero muchos otros desmoldantes afectan de forma adversa la adhesión de la pintura. Pueden requerirse diversas técnicas para eliminar estos agentes que se usan para facilitar la separación de las piezas de plástico de los moldes. Los desmoldantes tipo cera a veces pueden eliminarse con limpieza con solvente, pero este tipo de desmoldante no se recomienda para piezas por pintar. El uso de solventes se desaconseja casi automáticamente por las restricciones a las emisiones de COV y los posibles peligros de incendio y para la salud de muchos solventes. Se prefieren mucho los desmoldantes solubles en agua. Su eliminación de la superficie del plástico se logra fácilmente con soluciones acuosas de detergente comunes.

Los agentes desmoldantes también pueden mezclarse en las formulaciones de plástico; a estos se les llama agentes desmoldantes “internos”. Los desmoldantes internos deben evitarse siempre que sea posible. La capacidad de pintado puede o no verse afectada de inmediato, y las pruebas de adhesión de control de calidad pueden mostrar una excelente adhesión inicial. Sin embargo, en algunos casos los desmoldantes internos han migrado lentamente a la superficie de la pieza y han causado fallas de adhesión de la pintura meses después de haberla pintado.

Se pueden añadir plastificantes a las resinas de moldeo para aumentar la resistencia al impacto, pero a menudo estos pueden reducir la adhesión de la pintura de la misma forma que los desmoldantes. Algunos plastificantes migran lentamente a la superficie y ablandan la interfaz entre el plástico y la pintura, lo que provoca pérdida de adhesión. En este caso también, las pruebas iniciales de adhesión de la pintura pueden ser completamente satisfactorias, pero posteriormente ocurre el levantamiento o la separación de la película de pintura del plástico. Esto puede derivar en costosas fallas en campo y reclamaciones de responsabilidad mucho después de que la pieza haya entrado en servicio.

Cómo lograr una adhesión robusta de la pintura

La mayoría de las superficies plásticas no solo tienen baja energía superficial, sino también un perfil superficial inherentemente bajo. Las superficies lisas tienden a dar mala adhesión de la pintura, a menos que primero se hagan rugosas por medios químicos o mecánicos. Los recubrimientos de conversión en metales contribuyen a la adhesión de la pintura en parte por la superficie microrrugosa de la capa inorgánica producida sobre el metal. La forma más común de superar la lisura superficial de los plásticos es grabar la superficie con un agente químico para generar microrrugosidad y sitios de anclaje que brinden adhesión a la pintura. Si es posible, el grabado lo realizan los solventes presentes en la pintura que se aplica, para evitar un paso de proceso independiente. La selección del solvente de la pintura es bastante crítica porque distintos solventes graban los plásticos a diferentes velocidades. Deben evitarse tanto el sobregrabado como el subgrabado. Un grabado insuficiente no dará la adhesión adecuada; un grabado excesivo puede dañar el plástico. Puede deformar la pieza, exponer partículas de cargas y extendedores aditivos e incluso crear zonas donde materiales del plástico pueden migrar hacia el recubrimiento. Algunos plásticos, como el policarbonato o el poliestireno, se agrietan o presentan un microagrietamiento superficial excesivo por el ataque de solventes a los que son especialmente sensibles. Si los plásticos tienen zonas con altos esfuerzos derivados del moldeo, los solventes pueden formar grietas visibles en esas zonas por liberación de esfuerzos. Por ello se requiere cierto cuidado al realizar el grabado con solventes.

Cuando se moldean algunas formas de pieza, hay zonas donde el flujo rápido de inyección del plástico produce un calentamiento por fricción significativo de la pieza dentro del molde. En esas zonas se forma una piel altamente reticulada (vidriada) resistente al grabado con solventes. La adhesión de la pintura será mala en estas zonas a menos que se tomen medidas para eliminar la piel de plástico excesivamente dura. Estas zonas pueden desvidriarse lo suficiente para permitir una adhesión satisfactoria de la pintura mediante volteo con un medio moderadamente abrasivo, o mediante granallado de la superficie con un material abrasivo poco agresivo. También es eficaz para algunas piezas un breve tratamiento de inmersión en solvente caliente o en vapor de solvente. Pero generar microrrugosidad con solventes suele ser eficaz solo si el propio plástico es al menos algo polar por naturaleza.

Cuando el desvidriado o el grabado con solventes no es eficaz o no es deseable, puede ser necesario usar una reacción química para crear grupos oxidados polares en la superficie. Esto es especialmente cierto en superficies plásticas extremadamente no polares. El polipropileno y el polietileno son dos ejemplos de plásticos de baja polaridad que se tratan por oxidación. Estas resinas y otros plásticos de baja polaridad pueden exponerse brevemente a una flama abierta de un quemador de gas. Esto inicia una reacción química oxidativa (combustión incipiente) que, aunque no es suficiente para ser visible, forma en la superficie la polaridad necesaria para lograr una excelente adhesión de la pintura. También se ha utilizado el paso de las piezas de plástico por una descarga corona eléctrica que genera ozono para provocar la oxidación superficial. La corona produce átomos de oxígeno excitados que forman ozono, el cual a su vez ataca oxidativamente el plástico para producir grupos polares como hidroxilo, carbonilo y ácido carboxílico.

Los plásticos de baja polaridad también pueden oxidarse en la superficie mediante sustancias químicas sensibles a la luz llamadas fotosensibilizadores, seguidas de exposición a luz ultravioleta. La luz UV “rompe” las moléculas de los compuestos fotosensibles para formar radicales libres. Los radicales libres son especies extremadamente reactivas que, en este proceso, se combinan con el oxígeno presente en el aire. Los radicales libres de oxígeno, a su vez, reaccionan con el plástico para producir grupos polares en la superficie.

La tecnología de plasma frío de gas puede emplearse para pretratar plásticos y oxidar la superficie para mejorar drásticamente las propiedades superficiales para la adhesión de la pintura. Cuando se obliga a un gas a absorber suficiente energía, este se ioniza o se convierte en “plasma”. Un generador de radiofrecuencia proporciona la excitación. La soldadura por arco y la iluminación fluorescente son ejemplos de un fenómeno en el que se produce un “resplandor” cuando iones excitados regresan a su estado de energía estable. Dentro de los límites de seguridad del sistema, este proceso puede utilizar cualquier gas individual o mezcla de gases. Para este fin se han utilizado oxígeno, nitrógeno, helio, argón, aire y amoniaco.

El acondicionamiento por plasma también permite pintar plásticos con buena adhesión. El reactor de plasma suele ser un recipiente de vacío equipado con un puerto sellable para cargar y descargar piezas. Cuando el reactor está en operación puede observarse una descarga luminosa. El tratamiento por plasma de gas micrograba y activa la superficie a la vez. Un tratamiento breve creará una superficie polar con alta energía superficial en un plástico que de otro modo es de baja polaridad o no polar, lo que permite que la pintura lo “humecte” de forma completa y uniforme. Los procesos de plasma normalmente no cambian la apariencia de la superficie, por lo que los materiales pueden tratarse sin causar decoloración. Puede lograrse una excelente adhesión con la misma pintura utilizada en metales. Esto puede ser una característica importante para algunos fabricantes, porque un conjunto ensamblado que contiene plástico y metal puede pintarse simultáneamente con el mismo recubrimiento.

Es menos eficaz el uso de agentes oxidantes químicos en la propia pintura para oxidar la superficie del plástico lo suficiente como para generar una mejor adhesión. La espectroscopia infrarroja por reflectancia ha verificado que estos tratamientos producen los mismos grupos oxigenados (hidroxilo, carbonilo y ácido carboxílico) en la superficie del plástico que los demás procesos de oxidación, solo que en menor cantidad. Solo en casos limitados los oxidantes en la propia pintura causarán una polaridad suficiente para una adhesión duradera de la pintura.

Los pretratamientos de superficie aumentan (amplían) las ventanas de proceso. Por ejemplo, las poliolefinas “sin tratar” tienen energías superficiales en el intervalo de 29-31 dynes/cm. Para los procesos de pintura, estas superficies requieren niveles de tratamiento en el intervalo de 38-60 dynes/cm, según el tipo de química del recubrimiento, por ejemplo, base solvente, base agua o UV. Cada método de pretratamiento es específico de la aplicación y tiene posibles ventajas, limitaciones e implicaciones de costo. En ciertas circunstancias, los procesos de oxidación en fase gaseosa pueden afectar de forma adversa operaciones de manufactura posteriores, como el sellado por calor. Es crítico realizar una evaluación exhaustiva antes de implementarlos en producción.

Pruebas de adhesión

Se utilizan numerosos métodos para medir la adhesión de la pintura y las propiedades de dureza al rayado. Las pruebas de envejecimiento acelerado son una técnica que puede ayudar a predecir el desempeño del producto a largo plazo. El siguiente diseño experimental es un ejemplo:

• Grupo 1: cinco (5) días, 70 °C (158 °F), en seco, sin humedad
• Grupo 2: cinco (5) días, 32 °C (90 °F), 90 % de humedad
• Grupo 3: grupo de control, condiciones ambientales

Debe realizarse una inspección visual inmediatamente después de la prueba y compararla con el grupo de control. Una vez que las muestras se hayan estabilizado, deben realizarse pruebas de pelado conforme a ASTM D3330. En muchas aplicaciones, la prueba de pelado a 180° es la que se usa con mayor frecuencia. Con fines comparativos, también se sugiere un pelado a 90°. Esta prueba puede dar una idea más fiel del desempeño de la adhesión, aunque los valores pueden ser menores que los registrados con pelado a 180°. Ampliar la prueba del Grupo 1 de 5 a 10 días no predeciría el doble de desempeño en campo, porque la relación no es una función lineal; sin embargo, indicaría resultados más robustos.

Scott R. Sabreen es fundador y presidente de The Sabreen Group Inc. (TSG). TSG es una empresa de tecnología especializada en ingeniería de operaciones de transformación secundaria de plásticos: pretratamientos de superficies, pegado, decoración y acabado, y marcado láser. El Dr. Norman R. Roobol (770-487-9133 o [email protected]) es consultor de pintura industrial con más de 35 años de experiencia y ha escrito varios libros. Para más información, llame al 888-SABREEN o visite: www.sabreen.com.

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