Revestimento líquido industrial de produtos de poliolefina: aplicações internas e externas

Revestimento líquido industrial de produtos de poliolefina: aplicações internas e externas

O revestimento industrial de plásticos é um processo fundamental para decoração, acabamento e personalização em massa. Os revestimentos líquidos são extremamente versáteis, permitindo possibilidades funcionais e estéticas infinitas. Os revestimentos agregam valor, são econômicos e ecológicos. Os processos de revestimento são multifacetados e exigem engenharia adequada. É preciso entender os efeitos da química da tinta e da compatibilidade com o polímero. A qualidade e a limpeza da superfície são essenciais para a adesão e para uma qualidade livre de defeitos. Este artigo é o primeiro de uma série sobre revestimentos líquidos para plásticos. Nesta edição, examinamos as propriedades dos polímeros, os tipos de interação entre revestimentos e substratos, as aplicações do polipropileno e as tecnologias de revestimento.

Os termos “revestimento” e “pintura” costumam ser usados como sinônimos. Em geral, a finalidade da “pintura” é estética, enquanto o “revestimento” visa ao desempenho, com a aplicação de uma camada de material funcional sobre o substrato. Exemplos de revestimentos de desempenho incluem impermeabilização, autolimpeza, ação antimicrobiana, prevenção de ferrugem e corrosão, proteção UV/resistência às intempéries, flexibilidade e elasticidade, e retenção de cor. Para obter adesão, as peças plásticas devem estar livres de estática, sujeira, óleos, impressões digitais, resíduos de desmoldante etc. Materiais oxidados de baixo peso molecular (LMWOM), como antioxidantes, plastificantes, agentes de deslizamento e antiestáticos, corantes/pigmentos e estabilizantes, podem alterar a pintabilidade de uma peça e resultar em delaminação e outros defeitos. Devido à natureza hidrofóbica do polipropileno (PP) e de muitos polímeros, o pré-tratamento por plasma é necessário, às vezes em conjunto com promotores de adesão químicos de poliolefina clorada.

Principais conclusões

• Tinta e polímero interagem de forma química, térmica e mecânica, e nenhuma interação pode comprometer as propriedades do plástico.
• O PP é o “aço” da indústria de plásticos: tenaz, rígido, cristalino, apolar e 100% reciclável.
• A pintabilidade é uma decisão de projeto. Os grades diferem até dentro de uma mesma família de polímeros, portanto a escolha do polímero define o limite.
• Três famílias de revestimento (lacas monocomponentes, termofixos bicomponentes e UV), todas disponíveis em químicas à base de água.
• O PP reciclado é um mercado real de revestimento. Baterias automotivas viram produtos para construção com garantia de 25 anos ou mais.

Perguntas frequentes

Por que o polipropileno é difícil de pintar?

O PP é hidrofóbico, apolar e quimicamente inerte, o que significa baixa molhabilidade da superfície. É uma resina de hidrocarboneto linear da família das poliolefinas e, na polimerização, forma estruturas de cadeia atáticas, isotáticas ou sindiotáticas, conforme a posição do grupo metila, cada uma afetando o comportamento.

O que considerar ao combinar tinta e plástico?

Três tipos de interação: química, térmica e mecânica. Nenhuma pode comprometer as propriedades do plástico. A complicação é que há muitos plásticos e muitos grades em cada família, cada um com pintabilidade diferente, e o processamento primário também contribui.

Quais tecnologias de revestimento estão disponíveis para o acabamento de plásticos?

Três categorias principais. As lacas monocomponentes são fáceis de usar, com baixo custo por pé quadrado, e secam por evaporação de solvente ou água, normalmente em 30 minutos ou menos. Os termofixos bicomponentes e os revestimentos UV completam a lista. As três estão disponíveis em químicas à base de água.

O polipropileno reciclado pode ser revestido com sucesso?

Sim, e é uma aplicação significativa. Baterias automotivas recicladas viram produtos para interiores e exteriores de edificações, alguns com garantia do fabricante de mais de 25 anos, com o revestimento como processo de decoração preferido para personalização em massa.

Quando as lacas monocomponentes são a escolha certa?

Quando o custo por pé quadrado e a facilidade de uso são mais importantes e a exigência de desempenho é moderada. Podem ser formuladas para dureza e resistência à abrasão, ou mais flexíveis para plásticos macios, e endurecem inteiramente por evaporação à temperatura ambiente ou com cura em baixa temperatura.

Compatibilidade entre tinta e polímero

É preciso entender os efeitos da química da tinta e da compatibilidade com o plástico para obter operações robustas e desempenho no uso final. A seleção de tinta e plástico envolve várias interações, incluindo químicas, térmicas e mecânicas2. Não seria aceitável que qualquer elemento comprometesse as propriedades do plástico. Os engenheiros de projeto devem selecionar o polímero ideal, equilibrando desempenho e pintabilidade. Uma complexidade é a existência de tantos plásticos e grades diferentes, mesmo dentro da mesma família de polímeros, cada um com propriedades e grau de pintabilidade próprios. O processamento primário é um fator que contribui, incluindo pureza do material, temperatura do molde, injeção (gating), desgaseificação, grau de cristalinidade etc.

Efeitos químicos: os solventes da tinta e as interações químicas podem danificar o plástico. Muitas vezes é desejável que os solventes da tinta ataquem (etching) o plástico, o que, em grau limitado, pode melhorar a adesão. No entanto, os solventes podem causar microfissuras superficiais, fissuras por tensão ambiental, inchamento, amolecimento, dissolução do substrato polimérico e muitos defeitos relacionados a solventes (por exemplo, furos de alfinete, estouro de solvente e vazios).

Efeitos térmicos: alguns tipos de tinta exigem cura em temperatura elevada. Temperaturas mais altas (em relação aos módulos do polímero) podem aliviar tensões internas de moldagem da peça, causando empenamento. A contração da tinta durante a cura pode produzir tensões residuais. Temperaturas extremas podem degradar o polímero. Na cura em estufa, o aumento de temperatura deve ser gradual.

Efeitos mecânicos: as propriedades de resistência e rigidez da tinta seca devem ser compatíveis com o plástico, funcionando em conjunto como um só material. A seleção de um sistema de tinta que não esteja corretamente combinado a um determinado substrato plástico pode levar a falha prematura, ou seja, à “incompatibilidade elástica”.

Polipropilenos

O polipropileno (PP) costuma ser chamado de “aço” da indústria de plásticos, devido às várias formas como pode ser modificado para fins específicos. O PP é um termoplástico tenaz, rígido, cristalino e apolar, produzido a partir do monômero propeno (ou propileno). É 100% reciclável. O PP é difícil de colar por ser hidrofóbico, apolar e quimicamente inerte, ou seja, de baixa molhabilidade da superfície. O PP é uma resina de hidrocarboneto linear pertencente ao grupo das poliolefinas. A fórmula química do PP é (C3H6)n.

Na polimerização, o PP pode formar três estruturas básicas de cadeia, conforme a posição dos grupos metila:

• Atático (aPP): disposição irregular dos grupos metila (CH3)
• Isotático (iPP): grupos metila (CH3) dispostos de um lado da cadeia de carbono
• Sindiotático (sPP): disposição alternada dos grupos metila (CH3)

Há dois tipos principais de PP: homopolímeros e copolímeros. Os copolímeros se dividem ainda em copolímeros em bloco e copolímeros aleatórios. O PP homopolímero é um grade de uso geral. O PP copolímero em bloco tem unidades de comonômero dispostas em blocos e contém entre 5% e 15% de etileno. O PP copolímero aleatório tem as unidades de comonômero dispostas em padrões irregulares ou aleatórios ao longo da molécula, tipicamente de 1% a 7% de etileno1. O ponto de fusão do PP ocorre em uma faixa, o que significa que o ponto de ajuste de temperatura para a cura em estufa deve ser avaliado conforme o grade.

• Homopolímero: 160-165°C
• Copolímero: 135-159°C

Antiestático. O PP tem excelentes propriedades de isolamento elétrico e tendência a reter cargas estáticas, que atraem sujeira para a superfície. Os aditivos antiestáticos podem “migrar” (bloom) para a superfície, dissipando as cargas elétricas, mas causam delaminação da tinta. Além disso, após vários meses, pode aparecer uma película branca (bloom) na superfície de cores escuras.

Efeitos da radiação ultravioleta (UV). O PP é muito afetado pela radiação UV. A exposição direta à luz solar causará perda das propriedades de resistência, a menos que se use um inibidor de UV ou alta dosagem de pigmento negro de fumo. Mesmo com alta adição de inibidor ou pigmento, a vida útil em condições severas de luz solar é limitada.

Considerações de projeto do polímero para PP e polímeros de baixa energia de superfície:

• Os copolímeros de PP podem ser mais fáceis de aderir/colar que os homopolímeros.
• Náilons e policarbonatos são higroscópicos e precisam ser secos. O PP não é higroscópico, mas, se os pellets da resina tiverem umidade na superfície, ela causará os mesmos problemas que os materiais higroscópicos úmidos.
• As propriedades de “volume” do náilon são hidrofóbicas e as de “superfície” são higroscópicas1.
• O náilon 6 absorve umidade com mais facilidade que o náilon 66, e a umidade age como plastificante. O náilon 6 pode ser mais fácil de colar que o náilon 11 ou 12.
• Os copolímeros de acetal POM (Celcon) podem ser mais fáceis de colar que os homopolímeros (Delrin).
• Os polietilenos são mais fáceis de colar. Confirme se o PP é realmente necessário.

Aplicações do polipropileno reciclado (rPP)

O PP é 100% reciclável e pintável. Veja a Figura 1. Baterias automotivas são recicladas em produtos para interiores e exteriores de edificações e residências. Alguns desses produtos têm garantia do fabricante de mais de 25 anos. O revestimento é o processo de decoração preferido para personalização em massa.

Tecnologias de revestimento

Existem várias opções de tecnologia de revestimento para o acabamento de plásticos OEM, cada uma com vantagens distintas conforme os requisitos de desempenho, custo e espaço na linha. Essas tecnologias se dividem em três categorias principais:

Lacas monocomponentes: fáceis de usar e com baixo custo por pé quadrado, as lacas monocomponentes são comuns na decoração de plásticos. Esses revestimentos secam e endurecem inteiramente por evaporação de solvente ou água e normalmente secam em 30 minutos ou menos à temperatura ambiente ou com cura em baixa temperatura. As lacas monocomponentes podem ser formuladas para dureza e resistência à abrasão ou, no caso de plásticos macios, ser flexíveis e dúcteis. A capacidade de secar ao ar à temperatura ambiente reduz o investimento de capital necessário, embora a cura em baixa temperatura, a 100-120F, ajude a reduzir o tempo de ciclo. As lacas monocomponentes são mais adequadas a produtos acabados destinados a usos em que a exposição à umidade condensante, à imersão em água e a produtos químicos agressivos é limitada. Esses produtos estão disponíveis em formulações à base de solvente e de água e podem ser aplicados com pulverização HVLP ou por ar atomizado.

Revestimentos termofixos bicomponentes: os termofixos bicomponentes oferecem alto desempenho e podem ser otimizados para uma ampla variedade de aplicações industriais severas, bens de consumo para uso externo e aplicações automotivas. Epóxis, poliuretanos e, em menor grau, modificadores reativos M-cure dominam esse segmento. Os revestimentos de poliuretano têm alto custo por pé quadrado, mas oferecem excelente resistência química e retenção de cor e brilho em nível automotivo durante exposição prolongada à luz solar direta. Os epóxis têm custo menor que os uretanos e se destacam em dureza do filme, resistência química e propriedades de barreira ao vapor de umidade. No entanto, os epóxis têm baixa estabilidade de cor e durabilidade quando expostos à luz solar direta em aplicações de acabamento e são suscetíveis a esbranquiçamento (blushing), por isso costumam ser usados como primers. Além disso, produtos revestidos com epóxi geralmente exigem uma etiqueta da Proposition 65 da Califórnia.

Em geral, os revestimentos termofixos bicomponentes exigem longo tempo de cura até o manuseio/embalagem, pois a maior parte da dureza do filme se desenvolve por reticulação química (cura). Devido à sensibilidade térmica dos substratos plásticos, a possibilidade de acelerar a cura de termofixos bicomponentes com calor é limitada. Equipamentos de mistura de múltiplos componentes permitem o uso de formulações de cura mais rápida quando é necessário um tempo de ciclo menor. Em aplicações em que o custo ou o tempo de cura impedem o uso de uretanos bicomponentes, o M-cure é uma opção a considerar, pois é possível obter tempos de secagem mais rápidos em temperatura ambiente ou de cura baixa, sem equipamentos de mistura múltipla, graças a uma nova tecnologia de resina M-cure que permitiu formulações com vida útil da mistura (pot life) muito maior que a historicamente possível. Estão disponíveis formulações termofixas à base de água e de solvente, normalmente aplicadas com pulverização HVLP ou por ar atomizado.

Revestimentos de cura UV: os revestimentos de cura UV oferecem a melhor combinação de tempo de secagem/cura rápido e desempenho entre todas as tecnologias de revestimento para plásticos. A cura normalmente pode ser obtida em apenas 3 a 10 segundos, dependendo da formulação e da geometria da peça. Depois de curados, os produtos plásticos decorados com revestimentos de cura UV ficam imediatamente prontos para embalagem. Os revestimentos de cura UV se destacam em tenacidade e resistência química e podem ser formulados para durabilidade externa de longo prazo ou ser econômicos para aplicações mais leves. Em geral, exigem exposição em linha de visão direta a uma lâmpada de cura UV para atingir a dureza do filme; no entanto, os revestimentos de cura UV à base de água são singulares por formarem um filme seco ao toque mesmo antes da cura, de modo que pequenas áreas de sombra em peças complexas não deixam resíduo pegajoso e não curado nos produtos acabados. As lâmpadas de vapor de mercúrio são a fonte UV mais usada na cura e podem ser geradas por micro-ondas ou por arco. As lâmpadas de arco têm custo de compra mais baixo, mas exigem tempo de aquecimento e geram calor considerável. As lâmpadas geradas por micro-ondas são mais caras que as de arco, mas ficam prontas para uso em segundos após serem ligadas, geram menos calor e têm maior vida útil da lâmpada. Tanto as lâmpadas de micro-ondas quanto as de arco estão disponíveis com dopagem de ferro ou gálio, o que as torna adequadas para curar cores pigmentadas, e podem ser combinadas com refletores elípticos (flood) ou parabólicos (focalizados), conforme a necessidade de potência de pico e a geometria da peça. Além das lâmpadas de mercúrio, as lâmpadas UV LED surgiram como tecnologia concorrente, com liga/desliga instantâneo, consumo de energia muito baixo e geração de calor extremamente baixa, sendo mais adequadas a peças cilíndricas de formato regular ou peças planas, devido a limitações de geometria focal. Além disso, embora as lâmpadas LED se destaquem na cura completa de filmes muito pigmentados ou de alta espessura, seu uso pode exigir pós-cura com exposição a uma lâmpada de mercúrio difusa ou de baixa potência para a cura completa da superfície. Estão disponíveis formulações 100% sólidos, à base de solvente e à base de água. Os revestimentos UV podem ser pulverizados com HVLP ou aplicados por rolo em superfícies planas.

Guia de seleção de revestimentos líquidos

Conclusão

Os processos de revestimento são multifacetados e exigem engenharia precisa e controles de qualidade. Os efeitos da química da tinta e da compatibilidade com o plástico, bem como a qualidade da superfície, são essenciais para o desempenho do produto. As tecnologias de laca monocomponente, termofixos bicomponentes e revestimento UV são eficazes para pintar e revestir materiais de polipropileno e estão disponíveis em químicas à base de água.

Referências

• Definitive Guide to Polypropylene, Omnexus SpecialChem, 2021
• Sabreen, S. and Roobol, N: Painting Plastics for Painting, Plastics Decorating Magazine 2003
• Sabreen, S. Inkjet Printing & Adhesion of Low Surface Energy Polymers, Plastics Decorating Magazine 2019

Scott R. Sabreen é fundador e presidente da The Sabreen Group, Inc., empresa de consultoria em engenharia especializada em processos de transformação secundária de plásticos: pré-tratamento de superfície, união por adesão, impressão a jato de tinta, marcação a laser, revestimentos industriais, decoração e acabamento, e segurança de produtos. Sabreen desenvolve tecnologias pioneiras e resolve problemas de fabricação há mais de 30 anos. Ele pode ser contatado pelo telefone 972.820.6777 ou pelo site www.sabreen.com.

Dustin Kurath é diretor técnico da Northern Coatings and Chemical Co., fabricante de tintas especializada em revestimentos industriais de alto desempenho. Kurath atua em pesquisa de revestimentos industriais gerais e automotivos de alto desempenho, revestimentos aeroespaciais, revestimentos para embalagens e revestimentos curáveis por radiação desde meados dos anos 2000. Kurath pode ser contatado pelo telefone 906.352.5060 ou pelo site www.northern-coatings.com.

---