Investigación reológica de pinturas y recubrimientos

Las pinturas y los recubrimientos se usan para una variedad de fines. Además de proteger las superficies contra distintas influencias del entorno (p. ej., radiación UV, humedad del aire, sustancias químicas, etc.), están los utilizados para decorar interiores y exteriores, o para funciones de mejora. Desde la producción hasta la aplicación de uso final, las materias primas como aglutinantes (resinas), solventes, pigmentos, rellenos y aditivos deben permanecer mezclados de forma uniforme. Además, deben mantenerse estables durante los procesos de bombeo y el almacenamiento, así como también después de la aplicación con cepillos, rodillos, pistolas rociadoras, etc. Por lo tanto, las mediciones reológicas de pinturas y recubrimientos son fundamentales para la evaluación de su calidad.

Los bolígrafos son las lapiceras más utilizadas en el mundo - millones se fabrican y venden cada día. Son dispositivos muy sencillos que funcionan haciendo llegar tinta a una bola de metal en la punta del bolígrafo, es decir, el bolígrafo. Sin embargo, no siempre funcionan como deberían. A veces la tinta deja de salir, y otras la tinta se acumula de forma irregular en la bola de metal, lo que provoca manchas en la página y en los dedos. 

Estos efectos están influenciados por lo menos por dos factores. Estos factores incluyen la precisión del conjunto de bola y encaje, además de sus propiedades tribológicas y el comportamiento reológico y tribológico de la tinta. Por ejemplo, si la viscosidad de la tinta baja, ya sea debido al cizallamiento o a la temperatura, más tinta fluye a través del encaje y hacia la punta de la bola. La fatiga del mecanismo de bola y encaje también puede llevar a tales aumentos o disminuciones del flujo de tinta.

La medición de la reología de las tintas para bolígrafos puede proporcionar información sobre su comportamiento de flujo en condiciones de funcionamiento típicas. Además, el comportamiento de fricción y desgaste del sistema de bola y encaje se puede estudiar realizando medidas de tribología . El gráfico que sigue muestra de qué manera dos muestras de tinta con viscosidades diferentes se comportan en un sistema de metal/tinta/papel, lo que simula el comportamiento de la tinta que va del bolígrafo al papel.

Para un sistema de metal/tinta/papel, el coeficiente de fricción se mide como función de la velocidad de deslizamiento del metal contra el papel. El coeficiente de fricción alcanza un mínimo en el punto en el que se forma una película fluida entre las superficies. Lo ideal sería que esto ocurriera a la velocidad de escritura, y la película debería ser lo suficientemente fina como para transportar solo suficiente tinta para que el tipo de letra se mantenga limpio, pero lo suficientemente gruesa como para proteger del desgaste la bola y el encaje.

Esta prueba requiere un reómetro equipado con un sistema de bola sobre tres platos. 

Las mediciones de desgasificación se pueden realizar con un reómetro equipado con una celda de polvo. Primero, el polvo se fluidifica completamente durante un período definido, luego se detiene el flujo de aire y la presión dentro de la celda de polvo se mide varias veces a intervalos muy cortos. Cuando la señal llega a valores constantes, se asume que el aire ha salido completamente de la muestra de polvo.

Para esta prueba se necesita un reómetro que pueda manejar la reología del polvo.

Los recubrimientos en polvo son una alternativa libre de emisiones para los recubrimientos en forma líquida, dado que no contienen solventes. Por lo general, un recubrimiento en polvo se aplica con medios electroestáticos. Posteriormente, se forma una película mediante fusión de las partículas del recubrimiento en polvo individuales en un horno. El tiempo y la temperatura requeridos para la formación de la película tienen mucha importancia, dado que ambos parámetros influyen en gran medida en las dimensiones de las plantas de producción y, además, afectan los costos del proceso. Por tanto, el objetivo es desarrollar recubrimientos en polvo que requieran una baja temperatura y poco tiempo para la formación de la película.

Para determinar el comportamiento de curación de los recubrimientos en polvo, se puede llevar a cabo, con un reómetro oscilatorio , una prueba de temperatura. Una prueba oscilatoria determina simultáneamente el comportamiento viscoso, descrito por el módulo de pérdida G”, y el comportamiento elástico, representado por el módulo de almacenamiento G'. En consecuencia, el comportamiento de curación puede determinarse como el comportamiento que depende del tiempo a una temperatura de prueba constante (prueba isotérmica) o como comportamiento que depende de la temperatura dentro de un rango de temperatura dado.

Para esta prueba se necesita un reómetro equipado con un sistema de control de temperatura Peltier.

Esta es solo una de las investigaciones reológicas habitualmente utilizadas en la industria del automóbil.

Los recubrimientos en polvo son una tecnología en crecimiento que se desarrolló en un principio para crear recubrimientos más resistentes; sin embargo, los recubrimientos en polvo también se han vuelto populares por sus procesos más ecológicos y libres de solventes. El procesamiento requiere varios pasos, como la fluidización y/o el transporte neumático, muy influenciados por la reología del polvo. Por lo tanto, las mediciones reológicas pueden proporcionar una imagen informativa de la calidad de las partículas e indicar si un polvo es adecuado para el recubrimiento con polvo. El polvo debe tener una reología de fusión adecuada (viscosidad y comportamiento de curado) pero, al mismo tiempo, debe ser fluidificable y tener buena retención de aire para que sea transportable. Una forma de mejorar la fluibilidad y la fluidización de un polvo es añadir una pequeña cantidad de sílice pirogénico.

La calidad del polvo puede examinarse con un reómetro equipado con una celda de polvo; por ejemplo, realizando mediciones de la caída de presión, las que muestran el caudal necesario para fluidificar completamente una muestra (véase el gráfico siguiente). La posibilidad de que un polvo pueda transportarse por medios neumáticos también puede determinarse con la celda de polvo mediante mediciones de desgasificación. También es posible hacer mediciones de viscosidad en diversas condiciones de cizalla, lo que puede dar una buena indicación de las dificultades que pueden surgir durante el proceso de transporte.

Para esta prueba se necesita un reómetro que pueda manejar la reología del polvo.

Un recubrimiento superior con frecuencia es la capa final. En la mayoría de los casos, se aplica para que las superficies adquieran brillo, y para protegerlas de condiciones climáticas y otras influencias. Para no deslizar la superficie ni mostrar marcas de cepillado no deseadas después de la aplicación, un recubrimiento superior debe recuperar su estructura en el tiempo adecuado: su recuperación no debe ser demasiado rápida ni demasiado lenta. Por lo tanto, un factor de calidad importante de los recubrimientos superiores es la dependencia temporal de la regeneración estructural que, a su vez, influye en el comportamiento de nivelación y desplazamiento de la superficie. Esta recuperación estructural puede describirse en determinados casos mediante el uso del término reológico tixotropía.

En reología, el comportamiento tixotrópico se define como la reducción de la resistencia estructural de la muestra durante un intervalo de prueba con una carga de cizallamiento, constante y una regeneración completa de la estructura durante el intervalo posterior en reposo. Este comportamiento puede medirse en pruebas rotacionales o oscilatorias , mediante una prueba de tixotropía de tres intervalos. El procedimiento de prueba simula el proceso de aplicación con los tres intervalos de medición siguientes:

1. Intervalo de reposo: Evaluación de la estructura en reposo preestableciendo una carga de cizallamiento muy baja.
2. Intervalo de carga: Evaluación del comportamiento de descomposición estructural durante la aplicación bajo una carga de cizalla alta y constante.
3. Intervalo de recuperación de estructura: Evaluación de la regeneración estructural con el tiempo después de la aplicación. Las condiciones de medición preestablecidas son exactamente las mismas que en el intervalo de reposo.

Esta prueba requiere un reómetro equipado con un sistema de control de temperatura Peltier.

Esta es solo una de las investigaciones reológicas usadas habitualmente en la industria del automóbil.

La calidad de las pinturas es importante en la producción y aplicación. Las pinturas ideales para paredes deben ser agitables, mezclables, dispersables, así como bombeables y fluidas. De acuerdo con su aplicación, las pinturas de paredes deben poder esparcirse, aplicarse con pincel, distribuirse, verterse o rociarse. Otro factor de calidad es el comportamiento de nivelación y escurrimiento de superficie de la pintura una vez aplicada; lo ideal es que la estructura interna se recupere exactamente en el período adecuado. Durante este plazo, también debería haber tiempo suficiente para la desgasificación. Generalmente se requiere una superficie lisa, brillante y homogénea, sin gotitas ni salpicaduras.

La cantidad de pruebas reológicas disponibles ha ido incrementado continuamente, especialmente para los usuarios de investigación y desarrollo, así como también para el control de calidad y de los procesos. Se puede usar un reómetro para evaluar fenómenos como el límite elástico  al determinar la potencia de la estructura en reposo, el comportamiento de pseudoelasticidad en el estado de flujo, además de la tixotropía al analizar la recuperación que depende del tiempo de la estructura interna después de la aplicación.

La mayoría de las pinturas muestran un comportamiento de flujo pseudoelástico , con una disminución de la viscosidad cuando la velocidad de cizalla aumenta. Por lo tanto, cuando más rápido agite, menor será la viscosidad resultante. Este comportamiento puede medirse mediante pruebas rotacionales.

Esta prueba requiere un reómetro equipado con un sistema de control de temperatura Peltier.