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Información técnica L-DI 1

Antiespumantes y desaireantes

Información técnica L-DI 1

Antiespumantes y desaireantes Antiespumantes

desaireantes

Contenido ¿Qué es la espuma?

Página

3-4

Modos de acción de los antiespumantes y desaireantes

Página

5-6

Antiespumantes de aceite mineral

Página

7

Antiespumantes de silicona

Página

8-9

Antiespumantes poliméricos sin silicona

Página

10

Criterios de selección y métodos de ensayo

Página

11

2

y

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¿Qué es la espuma? Cuando trabajamos con pinturas, la espuma siempre es perjudicial. La espuma que se forma durante el proceso de producción de la pintura provoca dificultades cuando llenamos los tanques de la fábrica y causa problemas en la línea de envasado. Además – y es aquí donde surgen la mayoría de los problemas –, la espuma también puede formarse durante la aplicación y provocar defectos en la superficie. La espuma en la película del recubrimiento no sólo es un defecto estético, sino que también perjudica la función protectora del revestimiento. En consecuencia, un antiespumante es un componentes esencial en casi todas las formulaciones de pintura. En la formulación de una pintura, aparecen varios ingredientes que influyen positiva o negativamente la estabilidad de la espuma. También influyen las características del sustrato y los parámetros de aplicación. Es preciso entender que la espuma es, en gran medida, específica de cada situación. Por ejemplo, la aplicación a pistola de un barniz puede formar una película con unas propiedades excelentes, pero la aplicación del mismo sistema mediante una máquina de cortina puede presentar serios problemas con formación de espuma. Puesto que estamos limitando nuestras palabras a los sistemas de pintura, sólo discutiremos espumas líquidas. Dichas espumas se definen como una distribución fina de un gas (normalmente aire) en una fase líquida. Una característica típica de la espuma (en comparación con otros estados físicos) es la interfaz extremadamente grande entre el gas y el líquido. La capa líquida que rodea el volumen de aire y que separa las burbujas de gas unas de otras se denomina lamela. Por motivos energéticos, todo sistema líquido intenta mantener su área superficial lo más reducida posible. Puesto que la espuma representa un estado de alta energía, sólo puede existir gracias a distintos efectos estabilizadores de la espuma. Inmediatamente después de su formación, las burbujas de gas ascienden a través del líquido para alcanzar la superficie.

Según la Ley de Stokes, la velocidad de ascenso (V) depende del radio (r) de las

Cuando una burbuja de aire típica alcanza la superficie, el líquido que forma la lamela (la delgada película líquida que rodea la burbuja de gas) empieza a fluir hacia fuera de ésta. Este transporte de líquido (efecto de drenaje, figura 1) reduce el grosor de la lamela, y cuando ésta llega a ser inferior a 10 nm. aproximadamente, la lamela pierde su integridad y la burbuja de aire se rompe. Si el comportamiento de todos los líquidos siguiera estrictamente el patrón anteriormente descrito, no existirían problemas con la formación

de la espuma, puesto que no podrían formarse burbujas de aire estables. Éste es el caso, por ejemplo, de los líquidos puros; los líquidos puros no forman espuma. Para formar burbujas estables, debe haber sustancias estabilizadoras de la espuma presentes en la fase líquida de la pintura. En general, tales sustancias son materiales interfacialmente activos (surfactantes, agentes tensoactivos, etc.), que se caracterizan por la presencia de segmentos hidrófobos y segmentos hidrófilos dentro de sus estructuras moleculares. Debido a estos elementos estructurales, tales sustancias se orientan hacia la interfase aire/líquido para reducir las tensiones interfaciales, creando así las condiciones necesarias para la estabilización de la espuma (figura 2).

Efecto de drenaje

Las burbujas de gas ascienden a la superficie.

El líquido fluye fuera de la lamela.

La lamela se adelgaza...

... y con un grosor de aproximadamente 10 nm. se rompe.

figura 1

Estabilización de la espuma mediante surfactantes

Hidrofóbico (no polar)

Hidrofílico (polar)

Surfactante

figura 2

3

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¿Qué es la espuma? Cualquier formulación de una pintura (acuosa, sin disolventes o con disolventes) contiene una multitud de ingredientes estabilizadores de la espuma de diversos orígenes y estructuras químicas. En consecuencia, toda formulación, puede presentar la formación de una espuma estable. Si se sigue el proceso desde la formación hasta la ruptura de una burbuja, se puede ver que su estructura varía con el tiempo. Inmediatamente después de su formación, las paredes de las burbujas contienen líquido en abundancia (figura 3); esta estructura se denomina “espuma húmeda” o “espuma esférica”, dado que las burbujas no se deforman entre ellas de forma apreciable y presentan forma esférica. Como se ha explicado anteriormente, el líquido fluye desde las lamelas de las burbujas (efecto de drenaje); las lamelas

adelgazan y las burbujas de gas se agrupan más densamente para formar estructuras poliédricas. La estructura de espuma resultante se denomina “seca” o “poliédrica”. En ausencia de fuerzas opuestas, el efecto de drenaje descrito acabaría adelgazando las paredes de las lamelas hasta el punto en que la espuma simplemente se colapsaría. Como resultado de la estructura química de los compuestos estabilizadores de la espuma (surfactantes), aparece una fuerza importante. En sistemas acuosos, los grupos hidrófilos son de naturaleza iónica. Mientras el líquido sale de la lamela, las dos interfaces de ésta van acercándose. En estas interfases se concentran las moléculas de surfactante que les confiere una carga electrostática. Cuando las interfases están suficientemente juntas, las fuerzas de repulsión empiezan a ser

muy importantes. En consecuencia, la repulsión electrostática de las moléculas surfactantes impide que la lamela siga drenando y la burbuja permanecerá estable (figura 4). Otro efecto estabilizador es la elasticidad de la lamela de la burbuja (figura 5). Cuando la lamela se hace más grande, se reduce la concentración de surfactantes en su superficie (puesto que hay más área interfacial donde situar el tensoactivo mientras el volumen de líquido presente en la lamela es el mismo). Esta reducción de la concentración de surfactante en la superficie aumenta la tensión superficial, lo cual obliga a la lamela a contraerse de nuevo. Este efecto estabilizador de la espuma, se denomina elasticidad de Gibbs. Si estudiamos en profundidad el comportamiento de las burbujas existen otros efectos adicionales muy interesantes desde un punto de vista teórico, pero que aquí no tiene sentido describir.

Estabilización de la espuma mediante la elasticidad de Gibbs

Estructura de la espuma

Elongación de la lamela de una burbuja

Espuma esférica

Espuma poliédrica figura 3

Estabilización de la espuma mediante repulsión electrostática

Lamela de la burbuja

figura 5

El líquido fluye al exterior

figura 4 4

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Modo de acción de los antiespumantes y desaireantes Puesto que es prácticamente imposible evitar la presencia en las pinturas de sustancias estabilizadoras de la espuma, se utilizan antiespumantes para evitar la formación de burbujas y/o para destruir (lo más rápidamente posible) las ya existentes. Los antiespumantes son líquidos con una tensión superficial baja que, generalmente, deben poseer las tres propiedades siguientes:

el antiespumante será capaz de penetrar en la lamela de la burbuja. Si, además, el coeficiente de extensión es positivo, el antiespumante se extenderá en todo lo ancho de la interfase (figura 6). Debido a este efecto de extensión, los surfactantes estabilizadores de la espuma son desplazados, y las lamelas anteriormente elásticas y resistentes a las perturbaciones se transforman en películas con menores fuerzas cohesivas. La eficiencia desespumante de tales líquidos antiespumantes puede incrementarse (especialmente en sistemas acuosos) mediante la adición de una dispersión de finas partículas hidrófobas (p. ej. sílice hidrófobo o poliurea). El líquido antiespumante actúa como vehículo que transporta las partículas al interior de la lamela de la burbuja. Estas partículas hidrófobas actúan como cuerpos “extraños” en la lamela líquida e hidrófila, y contribuyen a desestabilizar la espuma mediante la reducción de las fuerzas cohesivas. Además, dichas partículas adsorben o “capturan” moléculas surfactantes, provocando así el colapso de la burbuja (figura 7).

El antiespumante penetra en la lamela de la burbuja

figura 6

Desaireado mediante partículas hidrófobas

partícula hidrófoba

El exceso de emulsionante es capturado por la partícula.

lamela de la espuma

figura 7

5

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Otra propiedad importante de todos los antiespumantes es su “incompatibilidad selectiva (o controlada)” con el medio a desespumar. Un antiespumante demasiado compatible no migrará al interior de la lamela de la burbuja, sino más bien se distribuirá dentro de toda la pintura. En este caso, las propiedades antiespumantes son mínimas. Por otra parte, los antiespumantes demasiado incompatibles pueden provocar defectos en la pintura aplicada como el velado del film o la formación de cráteres. El proceso de selección del antiespumante adecuado puede describirse como una búsqueda del equilibrio entre la compatibilidad y la incompatibilidad. En la figura 8 se ilustra esta situación: una compatibilidad excesiva puede conducir a la estabilización de la espuma en lugar del efecto

antiespumante. Naturalmente, lo ideal es conseguir la acción antiespumante adecuada sin defectos (velado, cráteres). Debido a la gran variedad de sistemas de pinturas, no existe un antiespumante óptimo para todas las formulaciones. Es necesaria una gama de diversos productos antiespumantes a fin de poder ofrecer un producto apropiado para cada propósito. Se puede ajustar con precisión la acción antiespumante variando la dosis: en general, una mayor cantidad de antiespumante resulta en un desespumado más eficaz. Sin embargo, podría incrementar los defectos o hacerlos visibles. Reducir la dosis evita los defectos de la película, pero la acción antiespumante podría no ser suficiente.

Comportamiento antiespumante óptimo

Desespumado Óptimo

Defectos Incompatible (insoluble)

Compatible (soluble) Espuma

Estabilización de la espuma

figura 8

Desespumado y desaireado

Espuma en la superficie. Los antiespumantes desestabilizan las burbujas de espuma.

Burbujas de aire dentro de la película de pintura. Los aditivos desaireantes aceleran el movimiento de las burbujas a la superficie. figura 9

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El término “desespumado” se utiliza a menudo para describir en general la eliminación de burbujas de aire de los recubrimientos. En ocasiones, no obstante, resulta útil distinguir entre “desespumado” y “desaireado” (figura 9). En primer lugar, las burbujas de gas deben alcanzar la superficie; este paso se denomina desaireado. La destrucción subsiguiente de las burbujas de espuma en la superficie se denomina desespumado. Los aditivos desaireantes actúan incrementando la velocidad de ascenso de las burbujas. Estos aditivos ayudan a que, dentro de la pintura, las pequeñas burbujas de espuma adyacentes se unan formando burbujas más grandes, las cuales, debido a su mayor tamaño, se desplazan más rápidamente hasta la superficie (Ley de Stokes). Para que esto ocurra, los aditivos desaireantes deben permanecer activos en toda la película de pintura. Por su parte, los antiespumantes sólo actúan en la superficie, donde destruyen las burbujas de aire que allí han llegado. En la práctica, sin embargo, no siempre es posible distinguir entre estos dos efectos, ni definir la eficiencia de un aditivo exclusivamente como antiespumante o desaireante. En consecuencia, en adelante emplearemos normalmente el término “antiespumante”, pese a que en casos aislados podría ser más apropiado el término “desaireante”. A partir de ahora, este texto se centrará en la química de los antiespumantes producidos por BYK para sistemas acuosos y sistemas con disolvente. Estos aditivos pueden clasificarse en los siguientes grupos:

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Antiespumantes de aceite mineral La familia BYK-030 engloba los antiespumantes formulados con aceite mineral de BYK. Generalmente, los antiespumantes de aceite mineral se utilizan sobre todo en pinturas en emulsión mates, semibrillantes y revoques. En revestimientos industriales acuosos de mayor calidad, los antiespumantes de aceite mineral no son apropiados, dado que pueden causar defectos superficiales (separación del aceite, reducción del brillo). Tampoco deberían utilizarse en sistemas basados en disolventes, puesto que su eficiencia en la extensión no es suficiente. Un antiespumante de aceite mineral consta de aproximadamente un 85 % de aceite mineral como vehículo y un 10% de partículas hidrófobas. El 5% restante son emulsionantes, biocidas y otros ingredientes para mejorar el rendimiento. Como aceite portador se pueden considerar aceites minerales aromáticos o alifáticos. BYK ya no utiliza productos aromáticos, dado que podrían causar un amarilleo prematuro y presentan, debido a sus elevados niveles de hidrocarburos aromáticos policíclicos, riesgos fisiológicos durante su manipulación. Las partículas hidrófobas también ejercen una influencia determinante en el comportamiento antiespumante. Normalmente se utilizan sílices pirógenas hidrófobas. No obstante, a este respecto, los antiespumantes de BYK se distinguen claramente de los antiespumantes tradicionales, ya que se formulan con una tecnología patentada que utiliza compuestos de poliurea como partículas hidrófobas. Además de demostrar una acción antiespumante superior, estos compuestos patentados presentan dos ventajas adicionales:

1. La poliurea se sintetiza in situ en el aceite mineral a partir de reactivos líquidos, lo cual permite obtener partículas de tamaño mucho más reducido y una mayor resistencia a la sedimentación. El propio antiespumante posee una mayor estabilidad en almacén. 2. Debido a su mayor área superficial específica, la capacidad de adsorción de surfactantes es mayor. A su vez, esto garantiza una actividad antiespumante óptima, incluso tras un almacenamiento prolongado del revestimiento. Los emulsionantes utilizados en los antiespumantes son necesarios para dispersar las partículas en el aceite mineral. Además, facilitan la incorporación del antiespumante en la formulación de la pintura. A menudo se utilizan alquilfenoletoxilatos como emulsionantes. En caso de que no se permita este tipo de emulsionante debido a consideraciones de salud, están disponibles antiespumantes con emulsionantes que cumplen con estas necesidades (sin AFE). Los antiespumantes de muy alta calidad para emulsiones de alto brillo suelen contener pequeñas cantidades de un polisiloxano modificado, a fin de incrementar la velocidad y eficacia de la acción antiespumante.

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Antiespumantes de silicona Los antiespumantes de silicona son líquidos que contienen polisiloxanos como principales ingredientes activos y con una tensión superficial excepcionalmente baja. La estructura química del polisiloxano es el factor decisivo a la hora de determinar la eficiencia de desespumado. Por ejemplo, los polisiloxanos de cadena relativamente corta (que se utilizan como aditivos de superficie, véase Información técnica L-SI 1) pueden

Dimetilpolisiloxanos

CH3 (CH3)3Si – O — Si – O — Si (CH3)3 CH3

x

Reducción de la tensión superficial Nivelación

Deslizamiento superficial

Desespumado

compatible

Efecto martelé incompatible

figura 10

Polisiloxanos modificados orgánicamente

CH3

CH3

(CH3)3Si – O –— Si – O —– Si – O –— Si (CH3)3 R1

2 x R

y z

R1 = Modificación orgánica de poliéter

R2 = Alquilo

figura 11

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exhibir un comportamiento estabilizador de la espuma en lugar de efecto desestabilizador (antiespumante). El hecho que un polisiloxano concreto actúe como estabilizador de la espuma o antiespumante depende de su compatibilidad y solubilidad en el medio líquido de la pintura en cuestión; sólo los polisiloxanos incompatibles e insolubles actúan como antiespumantes. La figura 10 ilustra este punto con respecto a los dimetilpolisiloxanos sin modificar. El control de la compatibilidad se realiza, en este caso, con el peso molecular o la longitud de cadena de la silicona. Los productos con menor peso molecular actúan como estabilizadores de la espuma; los compuestos con mayor peso molecular son suficientemente incompatibles como para presentar efectos antiespumantes; y finalmente, los productos con un peso molecular muy alto (siliconas de acabado martelé) son completamente incompatibles. La “incompatibilidad selectiva” adecuada puede lograrse mediante diversas técnicas de la química de la silicona. Se puede controlar la compatibilidad modificando la columna vertebral de la silicona con diversas cadenas orgánicas secundarias. La introducción de cadenas de poliéter (R1 en la figura 11) derivadas del óxido de etileno aumenta la hidrofilia y en consecuencia, como norma general, incrementa la compatibilidad en sistemas polares. Los poliéteres derivados del óxido de propileno aportan estructuras hidrófobas. En lugar de los dimetilpolisiloxanos, pueden utilizarse metilalquilpolisiloxanos. La sustitución del segundo grupo metilo por una cadena de alquilo más larga (R2 en la figura 11) confieren al polisiloxano unos valores de tensión superficial más elevados. En general, esto significa una disminución de la acción estabilizadora de la espuma. Las innovaciones recientes incluyen la disponibilidad de antiespumantes con modificaciones orgánicas perfluoradas, los denominados “antiespumantes de fluorosilicona”. Estos productos se distinguen por sus tensiones superficiales muy bajas y su comportamiento fuertemente antiespumante.

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Antiespumantes de silicona para revestimientos acuosos Los antiespumantes de silicona para sistemas acuosos suelen ser emulsiones de aceites de silicona altamente hidrófobos. Debido a su contenido en silicona, son más caros que los antiespumantes de aceite mineral, y en consecuencia están concebidos para su uso en formulaciones de revestimientos de alta calidad. Los antiespumantes de silicona también utilizan partículas hidrófobas (poliureas), a fin de mejorar la dispersabilidad y el rendimiento antiespumante. Las principales ventajas de los antiespumantes de silicona (en comparación con los antiespumantes de aceite mineral) consisten en que ni reducen el brillo en sistemas brillantes, ni reducen la aceptación del color cuando se utilizan concentrados de pigmentos para tintar la pintura. A fin de lograr revestimientos libres de cráteres, se deben aplicar unas fuerzas de cizallamiento lo suficientemente elevadas durante la incorporación de los antiespumantes. Los antiespumantes altamente incompatibles se deben añadir a la base de molienda. Si se emplean antiespumantes menos incompatibles, p. ej. el antiespum...