Recubrimiento líquido industrial de productos de poliolefina: aplicaciones interiores y exteriores

Recubrimiento líquido industrial de productos de poliolefina: aplicaciones interiores y exteriores

El recubrimiento industrial de plásticos es un proceso fundamental para la decoración, el acabado y la personalización masiva. Los recubrimientos líquidos son muy versátiles y ofrecen posibilidades funcionales y estéticas infinitas. Los recubrimientos agregan valor, son rentables y ecológicos. Los procesos de recubrimiento tienen múltiples facetas y requieren una ingeniería adecuada. Deben comprenderse los efectos de la química de la pintura y la compatibilidad con el polímero. La calidad y la limpieza de la superficie son esenciales para la adhesión y para una calidad libre de defectos. Este artículo es el primero de una serie sobre recubrimientos líquidos para plásticos. En esta entrega examinamos las propiedades de los polímeros, los tipos de interacción entre los recubrimientos y los sustratos, las aplicaciones del polipropileno y las tecnologías de recubrimiento.

Los términos “recubrimiento” y “pintura” suelen usarse de forma indistinta. En general, el propósito de la “pintura” es estético, mientras que el “recubrimiento” busca un desempeño al aplicar una capa de material funcional sobre el sustrato. Ejemplos de recubrimientos de desempeño incluyen impermeabilización, autolimpieza, antimicrobiano, prevención de óxido y corrosión, protección UV/resistencia a la intemperie, flexibilidad y elasticidad, y retención del color. Para lograr adhesión, las piezas de plástico deben estar libres de estática, suciedad, aceites, huellas dactilares, residuos de desmoldante, etc. Los materiales oxidados de bajo peso molecular (LMWOM), como antioxidantes, plastificantes, agentes deslizantes y antiestáticos, colorantes/pigmentos y estabilizadores, pueden modificar la capacidad de pintado de una pieza y provocar delaminación y otros defectos. Debido a la naturaleza hidrofóbica del polipropileno (PP) y de muchos polímeros, es necesario un pretratamiento por plasma, a veces junto con promotores de adhesión químicos de poliolefina clorada.

Puntos clave

• La pintura y el polímero interactúan de forma química, térmica y mecánica; ninguna interacción debe comprometer las propiedades del plástico.
• El PP es el “acero” de la industria del plástico: tenaz, rígido, cristalino, no polar y 100 % reciclable.
• La capacidad de pintado es una decisión de diseño. Los grados difieren incluso dentro de una misma familia de polímeros, por lo que la elección del polímero fija el techo.
• Tres familias de recubrimientos (lacas de un componente, termofijos de dos componentes y UV), todas disponibles en químicas base agua.
• El PP reciclado es un mercado real de recubrimientos. Las baterías automotrices se convierten en productos para la construcción con garantía de 25 años o más.

Preguntas frecuentes

¿Por qué es difícil pintar polipropileno?

El PP es hidrofóbico, no polar y químicamente inerte, lo que implica mala humectabilidad de la superficie. Es una resina de hidrocarburo lineal de la familia de las poliolefinas y, al polimerizar, forma estructuras de cadena atáctica, isotáctica o sindiotáctica según la posición del grupo metilo, cada una con un comportamiento distinto.

¿Qué debe considerarse al elegir la pintura para un plástico?

Tres tipos de interacción: química, térmica y mecánica. Ninguna debe comprometer las propiedades del plástico. La complicación es que existen muchos plásticos y muchos grados dentro de cada familia, cada uno con una capacidad de pintado distinta, y el procesamiento primario también influye.

¿Qué tecnologías de recubrimiento hay para el acabado de plásticos?

Tres categorías principales. Las lacas de un componente son fáciles de usar y tienen bajo costo por metro cuadrado; secan por evaporación de solvente o de agua, normalmente en 30 minutos o menos. Las otras dos son los termofijos de dos componentes y los recubrimientos UV. Las tres están disponibles en químicas base agua.

¿Se puede recubrir con éxito polipropileno reciclado?

Sí, y es una aplicación importante. Las baterías automotrices recicladas se convierten en productos para interiores y exteriores de edificios, algunos con garantía del fabricante de más de 25 años, y el recubrimiento es el proceso de decoración preferido para la personalización masiva.

¿Cuándo son la mejor opción las lacas de un componente?

Cuando el costo por metro cuadrado y la facilidad de uso son lo más importante y el requisito de desempeño es moderado. Pueden formularse para dureza y resistencia a la abrasión, o hacerse más flexibles para plásticos blandos, y endurecen por completo por evaporación a temperatura ambiente o con horneado bajo.

Compatibilidad entre pintura y polímero

Para lograr operaciones robustas y un buen desempeño en el uso final, deben comprenderse los efectos de la química de la pintura y la compatibilidad con el plástico. La selección de la pintura y del plástico implica varias interacciones, entre ellas químicas, térmicas y mecánicas². No sería aceptable que ningún elemento comprometa las propiedades del plástico. Los ingenieros de diseño deben seleccionar el polímero óptimo, un equilibrio entre desempeño y capacidad de pintado. Una complejidad es que existen tantos plásticos y grados diferentes, incluso dentro de la misma familia de polímeros, cada uno con propiedades únicas y un grado propio de capacidad de pintado. El procesamiento primario es un factor que contribuye, incluidos la pureza del material, la temperatura del molde, las compuertas, el desgasificado, el grado de cristalinidad, etc.

Efectos químicos: los solventes de la pintura y las interacciones químicas pueden dañar el plástico. A menudo es deseable que los solventes de la pintura ataquen (graben) el plástico, lo que en grado limitado puede mejorar la unión por adhesión. Sin embargo, los solventes pueden causar microgrietas superficiales, agrietamiento por esfuerzo ambiental, hinchamiento, reblandecimiento, disolución del sustrato polimérico y muchos defectos relacionados con el solvente (por ejemplo, poros, ampollas por solvente y vacíos).

Efectos térmicos: algunos tipos de pintura requieren curado a temperatura elevada. Las temperaturas altas (en relación con los módulos del polímero) pueden liberar esfuerzos internos de moldeo de la pieza y causar alabeo. La contracción de la pintura durante el curado puede producir esfuerzos residuales. Las temperaturas extremas pueden degradar el polímero. En el curado en horno, el aumento de temperatura debe ser gradual.

Efectos mecánicos: las propiedades de resistencia y rigidez de la pintura seca deben ser compatibles con el plástico y funcionar juntas como una sola. La selección de un sistema de pintura que no esté adecuadamente combinado con un sustrato plástico dado puede provocar una falla prematura, es decir, un “desajuste elástico”.

Polipropilenos

El polipropileno (PP) suele llamarse el “acero” de la industria del plástico por las diversas formas en que puede modificarse para fines particulares. El PP es un termoplástico tenaz, rígido y cristalino, no polar, producido a partir del monómero propeno (o propileno). Es 100 % reciclable. El PP es difícil de pegar porque es hidrofóbico, no polar y químicamente inerte, es decir, tiene mala humectabilidad de la superficie. El PP es una resina de hidrocarburo lineal que pertenece al grupo de las poliolefinas. Su fórmula química es (C3H6)n.

Al polimerizar, el PP puede formar tres estructuras básicas de cadena según la posición de los grupos metilo:

• Atáctico (aPP): disposición irregular de los grupos metilo (CH3)
• Isotáctico (iPP): grupos metilo (CH3) dispuestos en un solo lado de la cadena de carbono
• Sindiotáctico (sPP): disposición alternada de los grupos metilo (CH3)

Existen dos tipos principales de PP: homopolímeros y copolímeros. Los copolímeros se dividen a su vez en copolímeros en bloque y copolímeros aleatorios. El PP homopolímero es un grado de uso general. El PP copolímero en bloque tiene unidades de comonómero dispuestas en bloques y contiene entre 5 % y 15 % de etileno. El PP copolímero aleatorio tiene las unidades de comonómero dispuestas en patrones irregulares o aleatorios a lo largo de la molécula, normalmente de 1 % a 7 % de etileno1. El punto de fusión del PP ocurre en un intervalo, por lo que el punto de ajuste de temperatura para el curado en horno debe evaluarse según su grado.

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

Antiestático. El PP tiene excelentes propiedades de aislamiento eléctrico y tendencia a retener cargas estáticas que atraen suciedad a la superficie. Los aditivos antiestáticos pueden “aflorar” a la superficie y disipar las cargas eléctricas, pero causan delaminación de la pintura. Además, después de varios meses puede aparecer una película blanca (afloramiento) en la superficie de los colores oscuros.

Efectos de la radiación ultravioleta (UV). El PP se ve muy afectado por la radiación UV. La exposición directa a la luz solar causará pérdida de propiedades de resistencia, a menos que se use un inhibidor UV o una alta carga de pigmento de negro de humo. Incluso con una alta adición de inhibidor o pigmento, la vida útil esperada en condiciones de luz solar severa es limitada.

Consideraciones de diseño de polímeros para PP y polímeros de baja energía superficial:

• Los copolímeros de PP pueden ser más fáciles de adherir/pegar que los homopolímeros.
• Los nylons y los policarbonatos son higroscópicos y deben secarse. El PP no es higroscópico, pero si los pellets de resina tienen humedad en la superficie, provocará los mismos problemas que los materiales higroscópicos húmedos.
• Las propiedades “de volumen” del nylon son hidrofóbicas y las propiedades “superficiales” son higroscópicas1.
• El nylon 6 absorbe la humedad con más facilidad que el nylon 66, con lo cual la humedad actúa como plastificante. El nylon 6 puede ser más fácil de pegar que el nylon 11 o 12.
• Los copolímeros de acetal POM (Celcon) pueden ser más fáciles de pegar que los homopolímeros (Delrin).
• Los polietilenos son más fáciles de pegar. Asegúrese de que realmente se requiera PP.

Aplicaciones de polipropileno reciclado (rPP)

El PP es 100 % reciclable y pintable. Véase la Figura 1. Las baterías automotrices se reciclan en productos para interiores y exteriores de edificios y hogares. Algunos de estos productos tienen garantía del fabricante de más de 25 años. El recubrimiento es el proceso de decoración preferido para la personalización masiva.

Tecnologías de recubrimiento

Existen varias opciones de tecnología de recubrimiento para el acabado de plásticos OEM, cada una con ventajas distintas según los requisitos de desempeño, costo y espacio en línea. Estas tecnologías se dividen en tres categorías principales:

Lacas de un componente: fáciles de usar y con bajo costo por metro cuadrado, las lacas de un componente se utilizan comúnmente en la decoración de plásticos. Estos recubrimientos secan y endurecen por completo por evaporación de solvente o de agua y normalmente secan en 30 minutos o menos a temperatura ambiente o con horneado bajo. Las lacas de un componente pueden formularse para dureza y resistencia a la abrasión o, en el caso de plásticos blandos, hacerse flexibles y dúctiles. La posibilidad de secar al aire a temperatura ambiente reduce los requisitos de inversión de capital, aunque un horneado bajo a 38-49 °C ayuda a reducir el tiempo de ciclo. Las lacas de un componente son más adecuadas para productos terminados destinados a usos donde la exposición potencial a humedad condensante, inmersión en agua y químicos agresivos es limitada. Estos productos están disponibles en formulaciones a base de solvente y de agua y pueden aplicarse con pistola HVLP o por aspersión con aire atomizado.

Recubrimientos termofijos de dos componentes: los termofijos de dos componentes ofrecen alto desempeño y pueden optimizarse para una amplia variedad de aplicaciones industriales de servicio extremo, bienes de consumo para exteriores y automotrices. Dominan este ámbito las epóxicas, los poliuretanos y, en menor medida, los modificadores reactivos de curado con humedad (M-cure). Los recubrimientos de poliuretano tienen un alto costo por metro cuadrado, pero ofrecen excelente resistencia química y retención de color y brillo de grado automotriz durante una exposición prolongada a la luz solar directa. Las epóxicas cuestan menos que los uretanos y destacan por su dureza de película, resistencia química y propiedades de barrera al vapor de humedad. Sin embargo, las epóxicas tienen mala estabilidad de color y durabilidad al exponerse a luz solar directa en aplicaciones de acabado final y son susceptibles al blanqueamiento (blushing), por lo que normalmente se usan como imprimantes. Además, los productos recubiertos con epóxicas generalmente requieren una etiqueta de la Proposición 65 de California.

En general, los recubrimientos termofijos de dos componentes requieren un largo tiempo de curado hasta poder manipular/empacar, ya que la mayor parte de la dureza de la película se desarrolla mediante reticulación química (curado). Debido a la sensibilidad térmica de los sustratos plásticos, la posibilidad de acelerar el curado de los termofijos de dos componentes mediante calor es limitada. Los equipos de mezclado de componentes múltiples pueden permitir el uso de formulaciones de curado más rápido cuando se necesita un tiempo de ciclo más corto. En aplicaciones donde el costo o las restricciones de tiempo de curado impiden usar uretanos de dos componentes, el M-cure es una opción potencial por considerar, ya que pueden lograrse tiempos de secado más rápidos a temperatura ambiente o con horneado bajo sin equipo de mezclado múltiple, gracias a una nueva tecnología de resinas M-cure que permite que las formulaciones alcancen una vida útil de mezcla mucho más larga de lo que era posible históricamente. Hay formulaciones termofijas a base de agua y de solvente, que normalmente se aplican con pistola HVLP o por aspersión con aire atomizado.

Recubrimientos de curado UV: los recubrimientos de curado UV ofrecen la mejor combinación de tiempo de secado/curado rápido y desempeño de cualquier tecnología de recubrimiento para plásticos. Normalmente el curado puede lograrse en tan solo 3-10 segundos según la formulación y la geometría de la pieza. Una vez curados, los productos plásticos decorados con recubrimientos de curado UV quedan listos de inmediato para su empaque. Los recubrimientos de curado UV destacan por su tenacidad y resistencia química y pueden formularse para lograr durabilidad exterior a largo plazo o economizarse para aplicaciones de servicio más ligero. Los recubrimientos de curado UV generalmente requieren exposición en línea de vista directa a una lámpara de curado UV para lograr la dureza de la película; sin embargo, los recubrimientos UV base agua son únicos porque forman una película seca al tacto incluso antes del curado, por lo que las pequeñas zonas de sombra en piezas complejas no dejan residuos pegajosos sin curar en los productos terminados. Las lámparas de vapor de mercurio son la fuente UV más utilizada para el curado y pueden ser generadas por microondas o por arco. Las lámparas de arco son más económicas de adquirir, pero requieren tiempo de calentamiento y producen un calor considerable. Las lámparas generadas por microondas son más costosas que las de arco, pero están listas para usarse en segundos tras encenderse, producen menos calor y tienen mayor vida útil del foco. Tanto las lámparas de microondas como las de arco están disponibles con dopaje de hierro o galio, lo que las hace adecuadas para curar colores pigmentados, y pueden combinarse con reflectores elípticos (de inundación) o parabólicos (enfocados) según los requisitos de potencia pico y la geometría de la pieza. Además de las lámparas de mercurio, las lámparas UV LED surgieron como una tecnología competidora que ofrece encendido/apagado instantáneo con un consumo de energía muy bajo y una generación de calor extremadamente baja, y son más adecuadas para piezas cilíndricas de forma regular o piezas planas por las limitaciones de la geometría focal. Asimismo, aunque las lámparas LED destacan en el curado profundo de películas muy pigmentadas o de gran espesor, su uso puede requerir una exposición posterior al curado con una lámpara de mercurio difusa o de baja potencia para lograr el curado completo de la superficie. Hay formulaciones 100 % sólidos, a base de solvente y a base de agua. Los recubrimientos UV pueden aplicarse con pistola HVLP o con rodillo sobre superficies planas.

Guía de selección de recubrimientos líquidos

Conclusión

Los procesos de recubrimiento tienen múltiples facetas y requieren ingeniería precisa y controles de calidad. Los efectos de la química de la pintura, la compatibilidad con el plástico y la calidad de la superficie son esenciales para el desempeño del producto. Las tecnologías de lacas de un componente, termofijos de dos componentes y recubrimientos UV son eficaces para pintar y recubrir materiales de polipropileno, y están disponibles en químicas base agua.

Referencias

• 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 es fundador y presidente de The Sabreen Group, Inc., una empresa de consultoría en ingeniería especializada en procesos secundarios de manufactura de plásticos: pretratamiento de superficies, unión por adhesión, impresión por inyección de tinta, marcado láser, recubrimientos industriales, decoración y acabado, y seguridad del producto. Sabreen desarrolla tecnologías pioneras y resuelve problemas de manufactura desde hace más de 30 años. Puede contactarlo al 972.820.6777 o visitando www.sabreen.com.

Dustin Kurath es director técnico de Northern Coatings and Chemical Co., un fabricante de pinturas especializado en recubrimientos industriales de alto desempeño. Kurath ha participado en investigación de recubrimientos industriales generales y automotrices de alto desempeño, recubrimientos aeroespaciales, recubrimientos para empaque y recubrimientos de curado por radiación desde mediados de la década de 2000. Puede contactarse a Kurath al 906.352.5060 o en www.northern-coatings.com.

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