Cómo elegir pigmentos de dióxido de titanio para recubrimientos en polvo
José•
El artículo analiza la selección de pigmentos de dióxido de titanio para recubrimientos en polvo, haciendo hincapié en propiedades como el tipo, el tratamiento superficial, el tamaño de partícula, el pH y el contenido de humedad. Destaca la importancia del dióxido de titanio para mejorar el rendimiento del recubrimiento, incluyendo la cobertura, el brillo y la resistencia a la intemperie, y proporciona directrices para evaluar su idoneidad en diversas aplicaciones.
Abstracto
Los recubrimientos en polvo poseen excelentes propiedades medioambientales y efectos de recubrimiento superiores. Este artículo explica cómo seleccionar pigmentos de dióxido de titanio adecuados para recubrimientos en polvo, sugiriendo considerar las siguientes propiedades del dióxido de titanio:
- Tipo de dióxido de titanio;
- Tratamiento superficial del dióxido de titanio;
- Distribución del tamaño de partícula del dióxido de titanio;
- Valor de pH del dióxido de titanio;
- Contenido de humedad del dióxido de titanio.
Introducción
Los recubrimientos en polvo, como representante de los recubrimientos sin disolventes y con alto contenido de sólidos, presentan emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COV) significativamente menores en comparación con los recubrimientos tradicionales a base de disolventes, y algunos productos alcanzan emisiones de COV cero.
Los recubrimientos en polvo se componen de polímeros como resina de poliéster, poliuretano, ácido poliacrílico y resina epoxi, mezclados uniformemente con pigmentos y aditivos. Son fáciles de aplicar y, a menudo, solo requieren una capa para cumplir con los requisitos de uso. Con un buen control del proceso, la película de recubrimiento generalmente no presenta poros y posee una excelente resistencia a ácidos y álcalis, así como a la corrosión.
Entre las industrias que utilizan principalmente recubrimientos en polvo se incluyen la fabricación de muebles, la fabricación de electrodomésticos y utensilios de cocina, la industria de tuberías de acero, la industria automotriz, la industria de maquinaria agrícola, los equipos contra incendios, la industria eléctrica y la industria de la construcción.
Propiedades del dióxido de titanio
El componente principal del dióxido de titanio es el TiO2, que actualmente es el pigmento blanco más eficaz. Gracias a su alto índice de refracción, el dióxido de titanio presenta una mayor capacidad de dispersión de la luz que otros pigmentos blancos, lo que proporciona una excelente cobertura en aplicaciones de recubrimiento.
En la Tabla 1 se muestran los índices de refracción de los pigmentos blancos comunes. Los recubrimientos a base de dióxido de titanio sirven para cubrir, embellecer y proteger los sustratos, previniendo la oxidación y la corrosión causadas por la luz, el calor y la humedad. En resumen, las funciones básicas del dióxido de titanio en la industria son “cubrir, embellecer y proteger”.”
| Sustancia | Índice de refracción | Sustancia | Índice de refracción |
|---|---|---|---|
| dióxido de titanio rutilo | 2.71 | Carbonato básico de plomo | 2 |
| dióxido de titanio anatasa | 2.52 | sulfato básico de plomo | 1.93 |
| Sulfuro de zinc | 2.37 | sulfato de bario | 1.64 |
| Óxido de zinc | 2.02 | Talco | 1.87 |
Tabla 1: Índices de refracción de los pigmentos blancos comunes
El importante papel del dióxido de titanio en los recubrimientos en polvo
En el diseño de formulaciones de recubrimientos en polvo, la combinación de resina y reticulante suele considerarse el factor principal que afecta al rendimiento, lo que conlleva importantes esfuerzos en el desarrollo de resinas y reticulantes. Sin embargo, esto no significa que el dióxido de titanio sea menos importante o que pueda ajustarse arbitrariamente. El dióxido de titanio influye significativamente en la producción, la aplicación y las propiedades de la película de los recubrimientos en polvo.
Durante la producción, la dispersibilidad del dióxido de titanio afecta directamente la eficiencia de la mezcla y la dispersión del material fundido durante la extrusión, así como la capacidad de producción. Durante el proceso de curado, las propiedades superficiales del dióxido de titanio influyen en la fluidez del material fundido, la velocidad de curado y el amarilleamiento durante el sobrecalentamiento.
En cuanto al rendimiento de la película, el dióxido de titanio afecta la cobertura, el brillo y la resistencia a la intemperie del recubrimiento. Por lo tanto, seleccionar el dióxido de titanio adecuado es fundamental para el desarrollo de recubrimientos en polvo.
Al seleccionar dióxido de titanio, tenga en cuenta las siguientes propiedades:
- Tipo de dióxido de titanio;
- Tratamiento superficial del dióxido de titanio;
- Distribución del tamaño de partícula del dióxido de titanio;
- Valor de pH del dióxido de titanio;
- Contenido de humedad del dióxido de titanio.
(1) Tipo de dióxido de titanio
El dióxido de titanio comercial se puede dividir en dos tipos principales: anatasa y rutilo. Las características cristalinas y las constantes físicas del dióxido de titanio se muestran en la Tabla 2.
Debido a las diferencias en su estructura química, aunque ambos son dióxido de titanio, su rendimiento varía. Los recubrimientos elaborados con dióxido de titanio anatasa son propensos a la calcinación bajo la luz solar, mientras que los elaborados con dióxido de titanio rutilo presentan mejores propiedades anticalcinación. Por lo tanto, se recomienda el dióxido de titanio rutilo.
| Propiedad | Rutilo | Anatasa |
|---|---|---|
| Sistema cristalino | Tetragonal | Tetragonal |
| Forma de cristal | Como una aguja | En forma de cono |
| d (μm) | 0.2-0.5 | 0.1-0.5 |
| Densidad relativa | 4.2-4.3 | 3.8-3.9 |
| Índice de refracción | 2.71 | 2.52 |
| Dureza de Mohs | 6-7 | 5.5-6 |
| Punto de fusión | 1858℃ | Se transforma en rutilo. |
| Calor específico Cal/℃.g | 0.17 | 0.17 |
| Tasa de absorción UV% | 90 | 67 |
| Cobertura m2/kg | 30.1 | 23.6 |
| Poder colorante (Reynolds) | 1650 | 1270 |
| Constante de red | α=0,459 | α=0,378 |
| c=0,296 | c=0,95 |
Tabla 2: Características cristalinas y constantes físicas del dióxido de titanio
(2) Tratamiento superficial del dióxido de titanio
Para que el dióxido de titanio pueda desempeñar funciones específicas en diferentes sistemas de recubrimiento en polvo, se aplican diversos tratamientos superficiales durante la producción. Por ejemplo, se utiliza alúmina hidratada (hidróxido de aluminio) para mejorar la dispersibilidad y el brillo, mientras que la sílice hidratada y la zirconia hidratada se utilizan para aumentar la resistencia a la intemperie.
Los tratamientos superficiales orgánicos, como los polioles, las aminas o los silanos, se utilizan para mejorar la humectación y la fluidez. La blancura del dióxido de titanio depende de su contenido de TiO₂; mayores concentraciones de agentes de tratamiento superficial reducen dicho contenido, lo que afecta a la blancura. Por lo tanto, para obtener recubrimientos más blancos, se prefiere el dióxido de titanio con menor concentración de agentes de tratamiento superficial.
El brillo de la película de recubrimiento depende no solo de la resina y la formulación, sino también del tratamiento superficial del dióxido de titanio. El tratamiento superficial con alúmina ayuda a dispersar el dióxido de titanio en el sistema de resina, mejorando propiedades ópticas como el brillo y la cobertura. La cristalinidad de la alúmina también contribuye a la mejora del brillo.
Para recubrimientos semibrillantes o mates, se puede optar por dióxido de titanio con tratamiento superficial de sílice. El dióxido de titanio comercial suele tener tratamientos superficiales de alúmina y sílice, y se clasifica en tipos de alto brillo, brillante y mate según su funcionalidad.
El tratamiento superficial con sílice puede realizarse mediante adsorción laxa o precipitación. La adsorción laxa da como resultado una estructura superficial esponjosa, partículas de mayor tamaño, una mayor superficie efectiva y una mayor absorción de aceite. Esta estructura contribuye a mejorar la cobertura de la película seca al evitar la acumulación excesiva y los efectos espaciales.
El tratamiento por precipitación consiste en recubrir las partículas de TiO2 con sílice, como si fuera una capa de chocolate. Esta estructura compacta reduce la interacción entre los iones de titanio activos en la superficie del TiO2 y los polímeros externos, evitando el amarilleamiento, la decoloración o la formación de tiza.
Por lo tanto, el dióxido de titanio se puede clasificar en tipos para exteriores resistentes a la intemperie y tipos para interiores según su resistencia a la intemperie, con diferentes aplicaciones que se muestran en las imágenes TEM de la Figura 1.
Figura 1: Imágenes TEM de dióxido de titanio
Las propiedades del dióxido de titanio se pueden distinguir mediante el tratamiento de la superficie, pero para conocer en detalle sus características químicas y estructurales es necesario consultar con personal técnico para seleccionar el dióxido de titanio adecuado para el diseño del producto.
(3) Distribución del tamaño de partícula del dióxido de titanio
El tamaño de partícula del dióxido de titanio determina el tono de color de la película de recubrimiento. Para lograr un rendimiento óptico óptimo, el dióxido de titanio se fabrica normalmente con un tamaño de partícula de alrededor de 0,2 micras, con una curva de distribución de 0,15 a 0,3 micras.
Las partículas más pequeñas dispersan más luz azul, lo que resulta en un tono blanco azulado, mientras que las partículas más grandes tienden a un tono blanco amarillento. La relación entre el tamaño de las partículas y su capacidad de dispersión se muestra en la Figura 2. Sin embargo, el amarilleamiento en el polvo de dióxido de titanio puede deberse a iones residuales de vanadio o hierro, producto de una purificación incompleta durante la fabricación.
Por lo tanto, al especificar un tono de color particular en recubrimientos en polvo, se debe prestar atención al tamaño y la distribución de las partículas de dióxido de titanio. Además de la dispersibilidad, el tamaño de las partículas también afecta la cobertura, como se muestra en la Figura 3.
(4) Valor de pH del dióxido de titanio
El pH del dióxido de titanio suele tener un impacto más significativo en los recubrimientos acuosos, afectando el rendimiento de los dispersantes y espesantes. En los recubrimientos en polvo, el pH debe considerarse en función de la concentración de ácido libre en la resina o del tipo de acelerador utilizado.
En los procesos catalizados por ácido, el dióxido de titanio con un pH elevado puede neutralizar el catalizador, lo que provoca un curado incompleto y una menor dureza de la película. El dióxido de titanio con un pH bajo puede acelerar la catálisis ácida, causando un curado excesivo y defectos superficiales. Generalmente se recomienda un pH de 7 a 8.
(5) Contenido de humedad del dióxido de titanio
El polvo de dióxido de titanio puede adsorber la humedad del ambiente, aumentando su contenido de humedad. Un mayor contenido de humedad puede provocar una dispersión deficiente, una menor fluidez, la obstrucción de tuberías y defectos superficiales como arrugas, poros y marcas en forma de ojo de pez en la película de recubrimiento.
La cantidad de humedad absorbida está relacionada con la concentración de agentes de tratamiento superficial; por lo general, a mayor concentración de estos agentes, mayor es la absorción de humedad. Por lo tanto, es fundamental controlar la temperatura y la humedad del entorno de almacenamiento. La temperatura recomendada para el almacén es inferior a 27 °C, con una humedad relativa que no supere el 75 %. Para evitar la formación de polvo, se debe mejorar la ventilación para mantener la circulación del aire y reducir la concentración de polvo en el interior.
El contenido de humedad de los polvos, incluido el dióxido de titanio y los rellenos, no debe superar el 0,51 TP3T.
4. Métodos de evaluación de la idoneidad del dióxido de titanio en recubrimientos en polvo
Al igual que otras materias primas, el dióxido de titanio no puede cumplir con todos los requisitos de diseño. Puede destacar en ciertas propiedades, pero tener efectos negativos en otras. Por lo tanto, es fundamental considerar las características del producto al seleccionar dióxido de titanio.
La evaluación de la idoneidad del dióxido de titanio se divide normalmente en tres propiedades principales:
- Propiedades del polvo: distribución de la finura, fluidez del polvo y actividad de gelificación.
- Rendimiento óptico del recubrimiento: color, cobertura, brillo (20°, 60°) y amarilleamiento durante el horneado excesivo.
- Propiedades mecánicas del recubrimiento: dureza, resistencia a los disolventes, flexibilidad y resistencia al impacto.
5. Conclusión
En el diseño de formulaciones para recubrimientos en polvo, a menudo se realizan ajustes según los diferentes requisitos. La formulación básica suele incluir resina, agente reticulante, pigmento, carga y otros aditivos. El dióxido de titanio es un componente esencial de los recubrimientos en polvo.
Este artículo pretende ofrecer una perspectiva diferente para la investigación y el desarrollo en las industrias de recubrimientos y dióxido de titanio. Proporciona información valiosa para la producción de dióxido de titanio, el desarrollo de nuevos productos de dióxido de titanio y su aplicación en recubrimientos en polvo.
