Ajustar una formulación de resina acrílica a base de agua rara vez es tan sencillo como añadir un nuevo material.
Por ejemplo, aumentar la dureza de la resina puede hacer que la película de recubrimiento sea más quebradiza. Reducir la temperatura de transición vítrea puede mejorar la formación de película a baja temperatura, pero también puede reducir la resistencia al calor y la resistencia al bloqueo. Aumentar la cantidad de grupos hidrofílicos puede mejorar la estabilidad de la emulsión, al tiempo que debilita la resistencia al agua de la película final.
Antes de elegir un método de modificación, es importante identificar el problema real de rendimiento y luego determinar si la formulación requiere una estructura de resina diferente, un monómero funcional o un sistema de reticulación.
El rendimiento de una resina acrílica a base de agua se ve afectado por su composición de monómeros, temperatura de transición vítrea, peso molecular, tamaño de partícula del látex, sistema emulsionante, temperatura de formación de película y grado de reticulación.
Los problemas comunes en aplicaciones prácticas incluyen:
Blanqueamiento, pegajosidad o pérdida de adherencia después del contacto con agua;
Adherencia insuficiente a metales, plásticos o películas;
Alta dureza pero poca flexibilidad o resistencia al impacto;
Formación de película incompleta o agrietamiento a bajas temperaturas;
Resistencia limitada al alcohol, disolventes o productos químicos;
Bloqueo o pegajosidad a temperaturas elevadas;
Resistencia insuficiente a la abrasión o a los arañazos.
El propósito de la modificación es ajustar la estructura de la resina según la aplicación real y lograr un equilibrio adecuado entre diferentes propiedades.
Las resinas epoxi contienen grupos epoxi reactivos y generalmente ofrecen buena adherencia a metales, vidrio y ciertos sustratos polares.
Combinar resina epoxi con resina acrílica a base de agua puede mejorar la unión entre el recubrimiento y el sustrato. También puede aumentar la dureza, la resistencia al agua y la resistencia a la corrosión.
Los métodos de preparación comunes incluyen la mezcla física, el injerto químico y la copolimerización en emulsión.
La mezcla física es relativamente sencilla, pero se deben comprobar la compatibilidad y la estabilidad de almacenamiento entre las dos resinas. El injerto químico o la copolimerización pueden producir una estructura más estable, aunque requieren un control más preciso de la temperatura de reacción, el método de alimentación y las condiciones de formulación.
La modificación con epoxi suele ser adecuada para imprimaciones metálicas, recubrimientos protectores industriales y productos que requieren una mayor adherencia al sustrato.
Si el contenido de epoxi es demasiado alto, la flexibilidad de la película y la resistencia a la intemperie en exteriores pueden verse afectadas.
El poliuretano normalmente contiene segmentos blandos y duros, lo que le permite proporcionar una combinación de flexibilidad, resistencia mecánica y resistencia a la abrasión.
Cuando el poliuretano se combina con resina acrílica, el sistema PUA resultante puede mejorar la fragilidad, el rendimiento a baja temperatura y la resistencia a la abrasión.
Los métodos comunes de preparación de PUA incluyen:
Mezclar directamente una dispersión de poliuretano a base de agua con una emulsión acrílica;
Preparar una emulsión de núcleo-carcasa de poliuretano-acrílico;
Polimerizar monómeros acrílicos en un sistema de poliuretano;
Crear injertos químicos mediante grupos funcionales reactivos.
La mezcla directa es relativamente sencilla y adecuada para el ajuste inicial de la formulación. Las estructuras de núcleo-carcasa, la polimerización in situ y el injerto químico generalmente proporcionan una interacción más fuerte entre las dos fases de resina.
Las resinas PUA se utilizan ampliamente en adhesivos, tintas a base de agua, acabados para cuero, recubrimientos para madera, recubrimientos textiles y recubrimientos industriales.
También debe considerarse la proporción entre los segmentos blandos y duros del poliuretano. Un contenido excesivo de segmentos blandos puede reducir la dureza del recubrimiento, la resistencia al calor y la resistencia al bloqueo.
Los materiales de silicona ofrecen buena resistencia a altas y bajas temperaturas y una energía superficial relativamente baja.
La introducción de estructuras de siloxano en la resina acrílica a base de agua puede mejorar la resistencia al agua, la resistencia a la intemperie y la resistencia a las manchas, al tiempo que reduce la sensibilidad de la película de recubrimiento a la humedad.
Las resinas acrílicas modificadas con silicona se utilizan comúnmente en recubrimientos de paredes exteriores, recubrimientos impermeables, tratamientos textiles y recubrimientos protectores para exteriores.
La compatibilidad entre la silicona y la resina acrílica es un factor importante. Una adición excesiva o un injerto incompleto pueden provocar formación de cráteres, separación de fases, apariencia desigual de la película o un rendimiento deficiente de repintado.
Por lo tanto, la modificación con silicona no debe evaluarse únicamente por el nivel de adición. También deben considerarse el tipo de monómero de silicona, el método de reacción, la estabilidad de la emulsión y la migración superficial durante la formación de la película.
La modificación con flúor se utiliza principalmente para reducir la energía superficial de la película de recubrimiento.
Durante la formación de la película, los grupos fluorados pueden migrar hacia la superficie del recubrimiento, mejorando la repelencia al agua, la repelencia al aceite, la resistencia a las manchas y la facilidad de limpieza.
Este tipo de resina es más adecuado para recubrimientos protectores arquitectónicos, marinos e industriales con mayores requisitos de rendimiento superficial.
Sin embargo, los monómeros fluorados son relativamente costosos. Una energía superficial muy baja también puede reducir la adhesión entre capas y dificultar la aplicación de nuevas capas.
Por estas razones, es poco probable que los productos estándar utilicen un alto nivel de material fluorado simplemente para lograr repelencia al agua. La decisión debe basarse en el posicionamiento del producto, el método de aplicación y las condiciones de uso final.
La sílice nano, el dióxido de titanio nano, la alúmina nano y el grafeno pueden interactuar con la matriz de resina y mejorar la dureza del recubrimiento, la resistencia a la abrasión y la estabilidad térmica.
Diferentes materiales proporcionan diferentes efectos.
La sílice nano se utiliza comúnmente para mejorar la dureza, la resistencia a los arañazos y la resistencia a la abrasión. El dióxido de titanio nano puede proporcionar protección ultravioleta, propiedades de autolimpieza o rendimiento antibacteriano. El grafeno puede crear una ruta de difusión más larga para el agua y las sustancias corrosivas mediante su estructura en capas.
Sin embargo, mayores niveles de adición no siempre producen mejores resultados.
Las nanopartículas mal dispersadas pueden aglomerarse, causando partículas visibles, reducción de la transparencia, viscosidad anormal y poca estabilidad durante el almacenamiento.
La modificación con nanomateriales requiere controlar el tamaño de partícula, el tratamiento superficial, la selección del dispersante, la secuencia de adición y el equipo de dispersión. El nivel final de adición debe determinarse mediante pruebas en el sistema de resina real.
Después de que una emulsión acrílica a base de agua forma una película, las cadenas de polímero aún pueden moverse cuando se exponen al agua, disolventes o calor si la estructura de red no está suficientemente reticulada.
Esto puede provocar blanqueamiento, hinchamiento, pegajosidad o pérdida de resistencia de la película.
Las reacciones comunes de reticulación incluyen:
Grupos carboxilo reaccionando con carbodiimida;
Grupos carboxilo reaccionando con aziridina;
Grupos hidroxilo reaccionando con isocianato dispersable en agua;
Grupos epoxi reaccionando con grupos carboxilo o amino;
Hidrólisis y condensación de silano;
Monómeros autorreticulantes reaccionando durante la formación de la película.
La reticulación puede mejorar la resistencia al agua, la resistencia al alcohol, la resistencia a disolventes y la resistencia al bloqueo. También puede acortar la vida útil de la formulación en el recipiente.
Algunos reticulantes deben utilizarse dentro de un período limitado después de su adición, mientras que otros requieren calor para completar la reacción. Por lo tanto, la selección debe considerar la temperatura de aplicación, las condiciones de secado, el método de envasado y el período de almacenamiento.
Los aceites vegetales, los derivados del aceite de ricino y algunos materiales basados en aminoácidos pueden utilizarse para modificar resinas acrílicas a base de agua.
Estos materiales pueden ayudar a ajustar la flexibilidad de la película, la adhesión, la estabilidad térmica y el comportamiento de curado, al tiempo que reducen el uso de materias primas petroquímicas convencionales.
Sin embargo, las materias primas de origen biológico pueden variar en composición, pureza y reactividad. La adición directa no siempre produce un resultado estable.
La compatibilidad con la resina acrílica, la estabilidad de la emulsión, el olor, la velocidad de secado y el rendimiento final de la película deben probarse antes de su uso.
En muchas aplicaciones, un solo método de modificación no puede resolver todos los problemas de rendimiento.
El poliuretano puede mejorar la flexibilidad, mientras que la resistencia al agua puede requerir todavía un sistema de reticulación adicional. El epoxi puede mejorar la adhesión al metal, pero la resistencia a la intemperie en exteriores aún depende de la estructura acrílica. La sílice nano puede mejorar la dureza, pero la dispersión y la compatibilidad interfacial siguen dependiendo de la formulación de la resina.
Los enfoques comunes de modificación combinada incluyen:
Poliuretano y silicona para equilibrar la flexibilidad y la resistencia al agua;
Epoxi y resina acrílica para combinar adhesión con resistencia a la intemperie;
Sílice nano y un sistema de reticulación para mejorar la dureza y la resistencia química;
Silicona y flúor para mejorar la repelencia al agua y la resistencia a las manchas.
La modificación combinada puede ajustar varias propiedades al mismo tiempo, pero también aumenta la complejidad de la formulación, los requisitos del proceso y el costo de las materias primas.
Los metales, el papel, la madera, los textiles, PET, BOPP y PVC tienen diferentes propiedades superficiales. Sus requisitos de adhesión y formación de película también son diferentes.
La formulación debe determinar primero si el problema principal es la resistencia al agua, la adhesión, la dureza, la formación de película a baja temperatura, la resistencia a la abrasión o la resistencia química.
Diferentes problemas requieren diferentes enfoques de modificación.
El secado a temperatura ambiente, el curado por calor, la laminación a alta temperatura y la aplicación a baja temperatura requieren diferentes estructuras de resina y sistemas de reticulación.
Algunos sistemas de dos componentes y reticulantes altamente reactivos tienen un período de uso limitado después de la mezcla.
Los nanomateriales, algunas resinas epoxi y ciertos materiales de silicona pueden afectar la apariencia de la emulsión o la transparencia de la película final.
Los materiales fluorados, las dispersiones especiales de poliuretano y los nanomateriales funcionales pueden aumentar los costos de formulación. Su uso debe corresponder al posicionamiento del producto final.
| Problema de rendimiento | Posible dirección de modificación |
|---|---|
| Mala adhesión al metal | Modificación con epoxi o reticulación |
| Película de recubrimiento quebradiza | Modificación con poliuretano o ajuste de monómeros duros y blandos |
| Mala formación de película a baja temperatura | Modificación con poliuretano o ajuste de Tg |
| Resistencia al agua insuficiente | Modificación con silicona o reticulación |
| Resistencia a los solventes insuficiente | Modificación con epoxi o reticulación |
| Mala resistencia a la abrasión | Modificación con poliuretano o nanomateriales |
| Dureza insuficiente | Sílice nano o reticulación |
| Mala resistencia a las manchas | Modificación con silicona o flúor |
| Bloqueo a alta temperatura | Mayor nivel de reticulación o ajuste de Tg |
La modificación de resina acrílica a base de agua no debe evaluarse utilizando únicamente un resultado de prueba.
Aumentar la dureza puede reducir la flexibilidad, mientras que aumentar la reticulación puede acortar la vida útil de la mezcla. Las pruebas de laboratorio pueden ayudar a determinar la dirección correcta de la formulación, pero el rendimiento final aún debe confirmarse bajo el sustrato real, el proceso de producción y las condiciones de servicio.
Sinograce Chemical suministra emulsiones acrílicas a base de agua, dispersiones de poliuretano a base de agua, reticulantes, agentes humectantes y otros aditivos funcionales para recubrimientos, tintas, adhesivos, tratamientos textiles y aplicaciones de papel. Los productos deben probarse bajo las condiciones reales del sustrato y del proceso antes de su uso a gran escala.
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