Boletín Técnico No.1 | Características para un dispersante adecuado, Sistemas base agua

Boletín Técnico No.1  | Características para un dispersante adecuado, Sistemas base agua

Sistemas base agua

Características para un dispersante adecuado

 

Por Paula Andrea Arbeláez y Claudia Andrea Mejía

Nopco Colombiana S.A.

 

(Entradilla) Escoger adecuadamente su dispersante le puede ayudar a mejorar la calidad de la pintura y reducir costos en su producción.

El proceso de dispersión es un fenómeno crítico durante la fabricación de pinturas.  En este se incluyen la totalidad de los materiales sólidos y en menor proporción la resina, el vehículo y algunos aditivos modificadores de reología.  Factores como la reología del sistema, la estructura química del medio a dispersar, los aditivos y la tecnología usada para la dispersión, influyen directamente en el rendimiento final del sistema.  De una buena dispersión dependen características de las pinturas como la fuerza del color y brillo, lavabilidad, poder cubriente, durabilidad y factores de proceso como la productividad y el costo.

 

Proceso de dispersión

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La dispersión puede definirse como la generación de una suspensión de sólidos estable con unas características reológicas definidas.

El proceso de dispersión puede dividirse en tres etapas básicas: Humectación, molienda y estabilización.

En la primera etapa, el aire es desalojado de la superficie de las partículas y reemplazado por el medio (ligante, dispersante, vehículo según el caso) permitiendo que las partículas se mojen y sumerjan en este (Humectación del sólido).  Los sólidos ya mojados, son rotos en pequeñas partículas con ayuda de la acción mecánica impartida por los equipos (Molienda) facilitando la dispersión en el vehículo líquido, siendo entonces protegida esta dispersión por el estabilizador adecuado previamente añadido, que evita que las partículas se floculen nuevamente (Estabilización).

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El estado disperso del sistema puede ser alcanzado con ayuda de un polielectrolito (en general polímeros solubles en agua que poseen carga iónica a lo largo de toda su cadena) o utilizando un surfactante no iónico.

 

En términos generales, los dispersantes actúan alterando de una u otra forma las fuerzas de atracción entre partículas (London – Van der Waals, puentes poliméricos, puentes de hidrógeno y fuerzas atractivas electroestáticas o Coulombicas) y/o fortaleciendo las de repulsión (electroestáticas entre partículas cargadas, estabilización estérica).

 

Fuerzas de

atracción London – Van der Waals

Fuerzas atractivas electroestáticas

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 Puentes de hidrógeno

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Estabilización estérica

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Fuerzas repulsivas electroestáticas

Requisitos de un buen dispersante

 

Un buen dispersante debe contribuir con la optimización de la molienda, lo que conduce a un tiempo de dispersión corto y un óptimo grado de molturación, debe permitir un alto contenido de pigmento y cargas para una viscosidad determinada, debe ser compatible con los demás componentes de tal forma que no se generen reacciones paralelas y por lo tanto presencia de precipitados, flóculos o coágulos.  Adicionalmente las dispersiones que se generen deben ser estables en el tiempo.

 

En términos físico-químicos, los dispersantes poliméricos pueden reducir las interacciones entre las partículas de pigmento de manera mucho más eficiente que los dispersantes convencionales.  La consecuencia más obvia es la reducción de la viscosidad de la formulación, o visto de otra forma, el permitir un mayor contenido de sólidos para una misma viscosidad con lo que se logra una utilización más efectiva de los equipos y por lo tanto una disminución en los costos.  La viscosidad será considerada como una medida indirecta de la efectividad del dispersante.

 

El uso de dispersante incrementa la efectividad de la fuerza del pigmento, especialmente en los orgánicos, siempre que el tamaño de la partícula de pigmento sea menor a 0.1 mm.  Aquellas bases de molienda que contienen dispersantes poliméricos desarrollan el color más rápidamente y, como consecuencia, muestran más fuerza de color en los tiempos de molienda considerados económicamente viables.

 

Los dispersantes poliméricos incrementan la estabilidad coloidal de las partículas de pigmento dispersadas y, por lo tanto, la calidad del recubrimiento final.  Al aumentar la eficiencia del proceso de molienda, optimizan la distribución del tamaño de las partículas, lo que asegura la ausencia de perdida de brillo y balancean los efectos de “flooding” y “floating” que dependen del grado de floculación de los pigmentos, de la densidad relativa y del tamaño de las partículas y la relación floculación/defloculación.

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Efecto “flooding” y “floating”

 

Factores que afectan la eficiencia del dispersante

 

La eficiencia de un dispersante puede ser afectada por su naturaleza química, el peso molecular, los monómeros que lo generan, la polidispersabilidad, el material a dispersar, el medio, las condiciones de proceso, etc  Para el caso en particular se analizarán las variables relacionadas directamente con el aditivo.

 

Composición Química

Los agentes dispersantes pueden ser clasificados según su estructura química en dispersantes poliméricos y surfactantes; la diferencia radica en el mecanismo de estabilidad generado y el peso molecular.  En el mercado puede encontrarse una gran variedad de dispersantes homo y copolímeros, derivados de monómeros acrílicos, metracrílicos, nafténicos, esteáricos, etc.  Estos serán los responsables del carácter iónico del aditivo y por lo tanto de la compatibilidad con el sistema.

 

Grado de ionización

Cuanto mayor sea la sustitución del monómero ácido en el polímero dispersante, menor la efectividad del mismo.  Esto sin embargo, está relacionado con los monómeros empleados y las demás variables mencionadas.

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Peso molecular

En términos generales, cuando el peso molecular del dispersante aumenta, se incrementa la dosis requerida para producir una viscosidad mínima, adicionalmente, para un sistema dado, la viscosidad mínima difiere en magnitud según el peso molecular del dispersante usado.

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Influencia de la polidispersabilidad

La polidispersabilidad, definida como la distribución de pesos moleculares del polímero, está relacionada directamente con el desempeño del dispersante y debe ser considerada a la hora de determinar la dosis óptima.

Distribución en peso molecular

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Medición de eficiencia de dispersantes

 

La eficiencia de un dispersante puede determinarse mediante curvas de dispersión o  analizando la calidad de los productos terminados.  A continuación se mencionan algunos de los métodos más utilizados.

 

  1. Método del punto de flujo de Daniel: la mezcla de pigmento es cuidadosamente espatulada mientras la solución dispersante es adicionada desde una bureta.  El punto en el cual la pasta fluye de la espátula presentando un “resorteo” elástico es tomado como el punto final. Cuando la viscosidad es muy alta la mezcla no fluye de la espátula; por otro lado, si se ha añadido mucho vehículo la mezcla no resortea hacia la espátula.  Con estos resultados, se recalcula la concentración de pigmento y de dispersante.

 

  1. Curva de demanda de dispersante: a una pasta de alta consistencia se le adicionan volúmenes incrementales de dispersante, agitando mecánicamente durante 3 minutos después de cada adición.  Las viscosidades son medidas después de cada agitación.  De los datos se obtiene una gráfica, cuyo punto de inflexión o mínimo en la curva equivale a la viscosidad mínima alcanzada, donde se identifica la dosis óptima para una mezcla de pigmento particular a la concentración usada.  Es de anotar sin embargo que si es usada la dosis correspondiente a la mínima viscosidad a nivel industrial, la estabilidad en el almacenamiento no será aceptable.  Se ha demostrado experimentalmente que se requiere una demanda doble del dispersante para evitar el agotamiento debido a la adsorción preferente de las partículas en emulsión, sin embargo una sobredosificación podrá generar el efecto contrario y adicionalmente afectar la calidad del recubrimiento.

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  1.   Monitoreo del proceso de dispersión: la pasta de molienda o de pintura  es estirada sobre un canal variable en profundidad, la mínima profundidad a la que se observan las partículas de pigmento da el valor de la molienda.  Los medidores generalmente empleados son el Hegman y PC (grind gage).

 

  1.   Grado de dispersión: El grado de dispersión de los pigmentos está relacionado con la dispersión de la luz y el brillo de la pintura.  Defectos en la superficie de la película de recubrimiento resultan en valores de brillo muy bajos.  Igualmente el grado de dispersión puede determinarse mediante el estudio reológico de las pinturas.

 

  1. 5.  Prueba de floculación: Se puede frotar con un dedo un poco antes de que se termine el proceso de secado de la pintura; si existe floculación el color del área frotada no será igual al del área sin frotar. Esto indica que al frotar la pintura algo del pigmento ha sido desfloculado.

 

Factores que deben considerarse a la hora de determinar el dispersante a usar

 

  1. Proceso: Es necesario conocer el proceso productivo donde se incluye la dispersión, determinar el sistema de dosificación del dispersante, el punto a adicionar, la cantidad, las etapas siguientes,etc.
  2. Sólidos a dispersar: Se debe conocer la naturaleza química de los sólidos, su granulometría y su humedad.
  3. Medio en el que se dispersa: Importante caracterizar el medio donde se hará la dispersión, conocer su pH, ionicidad, densidad, naturaleza química, etc.
  4. Condiciones de molienda o dispersión: Tipo de agitación, Tiempo de agitación, Temperatura alcanzada durante el proceso de dispersión, carga de suspensión por molienda.
  5. Características de la suspensión: porcentaje de sólidos de la suspensión, viscosidad esperada, pH, densidad, tiempo de almacenamiento de la misma, características finales del sistema y aplicación.

 

Para la construcción del presente texto se utilizaron como materiales de apoyo textos de Sater, textos sobre Fenómenos Interfaciales en Dispersiones Polifásicas y en Medios Porosos de la Universidad de los Andes (Venezuela), artículos de casas fabricantes de pigmentos, entre otros.