UNIVERSIDAD DE ORIENTE
NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI
ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
“ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA FORMULACIÓN Y DEL
PROCESO DE ELABORACIÓN EN LA CALIDAD DE DIFERENTES
TIPOS DE RECUBRIMIENTOS ARQUITECTÓNICOS PARA UNA
FÁBRICA DE PINTURAS”
REALIZADO POR:
JACKELINE ROSMERY RICO JARAMILLO
Trabajo de Grado Presentado ante la Universidad de Oriente como
Requisito Parcial para Optar al Título de INGENIERO QUÍMICO
PUERTO LA CRUZ, FEBRERO DE 2010.
UNIVERSIDAD DE ORIENTE
NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI
ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
“ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA FORMULACIÓN Y DEL
PROCESO DE ELABORACIÓN EN LA CALIDAD DE DIFERENTES
TIPOS DE RECUBRIMIENTOS ARQUITECTÓNICOS PARA UNA
FÁBRICA DE PINTURAS”
REALIZADO POR:
Jackeline Rico
Ing. Quím. Alexis Cova M.Sc.
Asesor Académico
PUERTO LA CRUZ, FEBRERO DE 2010
UNIVERSIDAD DE ORIENTE
NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI
ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
JURADO
Ing. Químico Fidelina Moncada
Ing. Quím. Shirley Marfisi
(M.S.C.)
M.Sc. Dra
Jurado Principal
Jurado Principal
___________________________________
Ing. Quím. Alexis Cova M.Sc.
Asesor Académico
PUERTO LA CRUZ, FEBRERO DE 2010
RESOLUCIÓN
De acuerdo al artículo 41 del reglamento de trabajos de grado de la
Universidad de Oriente:
“Los trabajos de grado son de exclusiva propiedad de la Universidad de
Oriente y sólo podrán ser utilizados a otros fines con el consentimiento del
Consejo de Núcleo respectivo, quien lo participará al Consejo Universitario”.
iv
DEDICATORIA
Este trabajo está dedicado a mis amados padres y hermanos, por su amor y
apoyo incondicional.
Y por último, a todos los estudiantes de esta carrera, espero que este
trabajo les permita despejar sus dudas e inquietudes y les sirva de ayuda en futuras
investigaciones.
v
AGRADECIMIENTOS
Primeramente, le doy gracias a Dios y a la Virgen, por darme la fortaleza
que me permitió levantarme después de mis caídas, sabiduría para comprender y
aprender de mis errores y finalmente, por guiarme por el mejor camino para
culminar en buen término la redacción de este trabajo de grado.
A mi mami Emma Jaramillo mi gran amiga por su amor incondicional,
por haber luchado a lomo partido por mí y todos mis hermanos, gracias por ser mi
madre, estoy muy orgullosa de ti. A mi papa Alfredo Rico que ha sido mi ejemplo
a seguir, por el ingenio que tiene para resolver los problemas que se te presentan,
siempre me hace ver las cosas más sencillas de lo que son, tú, quién me encamino
por esta carrera, además de darme tu apoyo en todo momento. A Ingrid que se ha
portado especial conmigo y con mis hermanos, siempre has estado pendiente de
todo lo que nos pasa, te quiero mucho. A mis hermanos Alfredito, Leonardo,
Alfonzo, Uvairis, Nathaly, Natasha, Yairubis y el consentido de la casa Jesús
Alfredo, a todos por su amor, su compañía y porque siempre han estado allí para
mí, por ayudarme en todo lo que pueden, gracias hermanos los amo. A mis
sobrinos que me dan felicidad de sólo verlos.
A mis tías Jackeline y Merida, mujeres valientes y luchadoras, ejemplos
a seguir, gracias por haberme dado algo de ustedes.
A mis amigas y compañeras de clases, Nathaly, Zubel, Mariangel y
Lina, por su motivación a seguir estudiando cuando ya yo no quería continuar, sí
se puede.
A mis siempre amigas y hermanas Anais, Maria, Monica, Yelitza y
Yorlenis, siempre he contado con ustedes son únicas, sencillas, inteligentes,
emprendedoras, cariñosas y optimistas, gracias por su apoyo.
Gracias al profesor Alexis Cova por ser mi guía en la elaboración y
redacción de este trabajo.
Un agradecimiento especial a los integrantes de Pinturas América, por
haberme dado la oportunidad de realizar esta investigación, además de brindarme
las herramientas y conocimiento necesario para su elaboración.
vi
RESUMEN
El objetivo de esta tesis fue evaluar las características de los diferentes tipos
de recubrimientos arquitectónicos base agua, producidos por la empresa Pinturas
América C.A., para lo cual fue necesario establecer las propiedades de los
componentes asociados al producto y detallar las etapas de formulación. El trabajo
se inició analizando las fórmulas y procedimientos originales de la empresa, los
cuales posteriormente se variaron de manera controlada a fin de obtener de
resultados tendentes a mejorar su calidad, teniendo presente que el producto a
obtener debe poseer características tales como: fácil aplicación o esparcimiento,
bajo escurrimiento y a su vez permanecer lo más homogénea posible en el
interior del envase entre otras. Antes de variar la composición de las formulas
originales de las pinturas se estudio su comportamiento, obteniéndose que las
mismas presentan las características de un fluido no Newtoniano, tipo
pseudoplástico, dado que la viscosidad obtenida disminuyó a medida que se
aumentó la velocidad de corte. También se apreció en las pinturas analizadas el
fenómeno de tixotropía, es decir, que la viscosidad de las pinturas disminuyó a
través del tiempo una vez en reposo el producto. Entre las pruebas realizadas
están las variaciones en la composición del espesante, inicialmente se aumentó y
disminuyó en un 20 % el espesante en la fórmula original obteniéndose que dicha
variación sólo influye en la viscosidad a velocidades de corte bajas, en este caso
en el rango de 3 a 10 rpm, y al incrementarse la velocidad de corte no hay una
variación de viscosidad significativa, por ejemplo para un 20 % más de espesante
a 60 rpm la viscosidad tiene un valor de 1208 centipoise, mientras que para la
misma velocidad y a un 20% menos, el valor de la viscosidad es de 1270 cp; es
decir las velocidades de corte baja influyen en la apariencia final de las pinturas,
ya que la diferencia mostrada entre las pinturas con mayor o menor espesante es
que tan liquida o espesa se visualiza la pintura en el envase. Cabe destacar que
luego de realizar las variaciones de composición de espesante señaladas las
pinturas mantuvieron su comportamiento pseudoplástico. Posteriormente se
efectuaron cambios en la velocidad de agitación comprendidos en un rango desde
500 a 1500 rpm en la etapa de dispersión de la fabricación de las pinturas, así
vii
como también se evaluó la variación del cambio en el porcentaje de agua
disminuyéndola desde un 80% hasta un 20% en la misma etapa de dispersión a
fin de evaluar el grado de finura. Es importante acotar que la finura de las pinturas
analizadas sin hacer cambios en la formulación y agitación fue de 3,5 Hegman,
mientras que al hacerle cambios en el procedimiento de elaboración y agitación la
medida obtenida fue de 6,5 Hegman. Se analizó el comportamiento reológico de
las pinturas a las diferentes finuras (3,5 y 6,5 Hegman),
obteniéndose un
incremento de la viscosidad de aproximadamente 12000 cp a velocidades de corte
baja para pinturas con finura 6,5 Hegman; es decir al tener una buena dispersión
de los pigmentos en las pinturas se obtendrán viscosidades altas, lo que
disminuiría los costos de producción porque se podría reformular la pintura
disminuyéndole el contenido de espesante. Finalmente se compararon las pinturas
analizadas con otras de marcas reconocidas y de amplia aceptación por el
mercado, y los resultados fueron similares en comportamiento reológico.
viii
INDICE
RESOLUCIÓN ............................................................................................. iv
DEDICATORIA ............................................................................................ v
AGRADECIMIENTOS................................................................................ vi
RESUMEN .................................................................................................. vii
INDICE......................................................................................................... ix
LISTA DE TABLAS .................................................................................. xiv
CAPÍTULO I ............................................................................................... 16
1
Introducción .......................................................................................... 16
1.1
Reseña histórica ................................................................................. 16
1.2
Ubicación de la empresa ..................................................................... 16
1.3
Planteamiento del problema................................................................ 17
1.4
Objetivos de la Investigación .............................................................. 18
1.4.1
Objetivo General ................................................................... 18
1.4.2
Objetivos específicos ............................................................ 18
CAPÍTULO ii .............................................................................................. 19
2
Marco teórico ........................................................................................ 19
2.1
Antecedentes ....................................................................................... 19
2.2
Generalidades sobre las pinturas........................................................ 20
2.2.1
Pintura ................................................................................... 20
2.2.2
Pinturas acrovinílicas ............................................................ 20
2.2.3
Clasificación de las pinturas acrovinílicas ............................ 20
2.3
Viscosidad........................................................................................... 21
2.3.1
2.4
Esfuerzo de corte o cizalla (τ) ............................................... 24
Formulación de las pinturas ................................................................ 26
2.4.1
Concentración en volumen de pigmento (CVP) ................... 26
2.4.2
Concentración del volumen de pigmento crítica “CVPC”.... 27
2.4.3
Densidad................................................................................ 28
2.4.4
Composición de las pinturas arquitectónicas base agua ....... 29
2.4.4.1
Polímeros formadores de película .................................... 30
2.4.4.2
Pigmentos ......................................................................... 30
ix
Tabla 2.1 Índices de refracción de pigmentos, extendedores y otros. [7] .. 32
2.4.4.3
Descripción
de
algunos
extendedores
minerales
y
polímeros opacos....................................................................................... 32
2.4.4.4
Dispersantes de pigmentos y cargas ................................. 36
2.4.4.5
Aditivos ............................................................................ 38
2.4.5
Reología de la base de molienda........................................... 42
CAPÍTULO iii ............................................................................................. 44
3
Metodología .......................................................................................... 44
3.1
Análisis de las propiedades fisicoquímicas y reológicas de las
pinturas tipo a, b y c, según la fórmula actual......................................................... 44
3.1.1
Determinación de pH ............................................................ 44
3.1.2
Determinación de la viscosidad mediante viscosímetro
Brookfield KU-2. .......................................................................................... 45
Tabla 3.1 Valores de pH y viscosidades de las diferentes tipos de pinturas
evaluadas. .............................................................................................................. 45
3.1.3
Determinación del porcentaje de sólidos .............................. 46
3.1.4
Determinación de la densidad de las pinturas tipo A, B y C
según la fórmula actual. ................................................................................ 46
Tabla 3.2. Valores para determinar el porcentaje de sólido y la densidad de
los
diferentes
tipos
de
pinturas
estudiadas.
Pintura Cápsula vacía (g)
Cápsula llena húmeda Cápsula llena seca (g) Picnómetro Picnómetro
(g)
vacio (g) lleno (g)
A
78,66
88,66
84,34
130,00
250,62
B
72,60
81,60
77,33
130,00
248,14
C
84,77
94,77
89,60
130,00
245,62
............................................................................................................................... 47
Tabla 3.3. Tamaño y distribución de partículas de los diferentes
recubrimientos....................................................................................................... 47
3.1.5
Determinación del comportamiento reológico de las pinturas
tipo A, B y C, según la fórmula actual.......................................................... 48
x
3.2
Determinación de las composiciones adecuadas de espesantes
celulósicos o acrílicos que permitan la reducción de los problemas de sinéresis
y tixotropía de estos recubrimientos ....................................................................... 48
Tabla 3.4. Valores de viscosidad y de torque reportados por el viscosímetro
Brookfield a diferentes velocidades y empleando la aguja 63 (formula actual). 49
Tabla 3.5. Valores de viscosidad y de torque reportados por el viscosímetro
Brookfield a diferentes velocidades y empleando la aguja 64 (formula actual) ... 50
Tabla 3.6 Efecto del tiempo de almacenamiento en las viscosidades de las
............................................................................................................................... 50
pinturas (fórmula actual) ............................................................................. 50
Tabla 3.7 Efecto reológico para una pintura, disminuyendo la cantidad de
Hidroxietilcelulosa usando el viscosímetro Brookfield a diferentes velocidades y
empleando las agujas 63. ...................................................................................... 51
Tabla 3.8. Efecto reológico para una pintura, aumentando la cantidad de
Hidroxietilcelulosa usando el viscosímetro Brookfield a diferentes velocidades y
empleando la aguja 63........................................................................................... 52
Tabla 3.9. Efecto reológico para una pintura, usando un espesante acrílico,
viscosímetro Brookfield empleando la aguja 63................................................... 52
Tabla 3.10 Efecto en el comportamiento reológico de otra marca comercial
empleando la aguja 64 del Brookfield. ................................................................. 53
Tabla 3.11 Efecto en el comportamiento reológico de la pintura Dominó
empleando la aguja 63y 64 del Brookfield. ......................................................... 53
3.3
Evaluación de la influencia de agitación en el comportamiento
reológico del producto............................................................................................ 54
Tabla 3.12. Viscosidad de una pintura tipo A, a diferentes velocidades y
tiempo de agitación. .............................................................................................. 55
Tabla 3.13 Datos de concentración de agua utilizada para la dispersión de
pigmento y cargas para la pintura tipo A. ............................................................. 56
3.4
Establecer la mejor relación calidad-precio, en base a las
modificaciones necesarias (pigmentos, cargas, espesantes y resina) en la
formulación de las pinturas estudiadas ................................................................... 57
xi
Tabla 3.14
Datos de velocidad, porcentaje de torque y viscosidad
reportados por el viscosímetro Brookfield, utilizando la aguja 63 y 64, para una
pintura tipo A de
finura 6,5 Hegman. ...................................................... 57
Tabla 3.15 Determinación de la viscosidad de una pintura tipo A, a
diferentes velocidades de agitación....................................................................... 58
Tabla 3.16 Cambios realizados a las pinturas tipo A, B y C (formulación
propuesta).............................................................................................................. 58
Tabla 3.17 Parámetros de calidad para una pintura tipo B de diferentes
marcas en el mercado. ........................................................................................... 59
3.5
Equipos, materiales y sustancias ......................................................... 59
3.5.1
Equipos.................................................................................. 59
3.5.2
Materiales.............................................................................. 59
3.5.3
Sustancias:............................................................................. 60
3.6
Muestra de cálculos............................................................................. 60
3.6.1
Viscosidad y pH promedio.................................................... 60
3.6.2
Porcentaje de sólidos............................................................. 61
3.6.3
Determinación de la densidad de los recubrimientos............ 61
3.6.4
Determinación de la concentración de volumen de pigmento
(CVP).
62
CAPITULO iv ............................................................................................. 65
4
RESULTADOS, CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES........ 65
4.1
ANÁLISIS DE
LAS PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS Y
REOLÓGICAS DE LAS PINTURAS TIPO A, B y C, SEGÚN LA FÓRMULA
ACTUAL 65
Tabla 4.1 Parámetros fisicoquímicos de los diferentes tipos de pinturas
(formula actual)..................................................................................................... 65
4.2
DETERMINACIÓN DE LAS COMPOSICIONES ADECUADAS
DE ESPESANTES CELULÓSICOS O ACRÍLICOS QUE PERMITAN LA
REDUCCIÓN DE LOS PROBLEMAS DE SINÉRESIS Y TIXOTROPÍA DE
ESTOS RECUBRIMIENTOS ................................................................................ 69
xii
4.3
EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DE AGITACIÓN EN EL
COMPORTAMIENTO REOLÓGICO DEL PRODUCTO .................................. 73
4.4
RELACIÓN
MODIFICACIONES
CALIDAD-PRECIO,
NECESARIAS
EN
BASE
(PIGMENTOS,
A
LAS
CARGAS,
ESPESANTES Y RESINA) EN LA FORMULACIÓN DE LAS PINTURAS
ESTUDIADAS........................................................................................................ 76
Tabla 4.2 Parámetros de calidad de los diferentes tipos
de pinturas
propuestas.............................................................................................................. 76
Tabla 4.3 Precios por galón de distintas marcas en el mercado .................. 77
4.5
CONCLUSIONES .............................................................................. 79
4.6
RECOMENDACIONES ..................................................................... 81
BIBLIOGRAFIA ......................................................................................... 82
Anexo a........................................................ ¡Error! Marcador no definido.
Anexo B ....................................................... ¡Error! Marcador no definido.
xiii
LISTA DE TABLAS
Tabla 2.1 Índices de refracción de pigmentos, extendedores y otros. [7] .. 32
Tabla 3.1 Valores de pH y viscosidades de las diferentes tipos de pinturas
evaluadas. .............................................................................................................. 45
Tabla 3.2. Valores para determinar el porcentaje de sólido y la densidad de
los diferentes tipos de pinturas estudiadas. ........................................................... 47
Tabla 3.3. Tamaño y distribución de partículas de los diferentes
recubrimientos....................................................................................................... 47
Tabla 3.4. Valores de viscosidad y de torque reportados por el viscosímetro
Brookfield a diferentes velocidades y empleando la aguja 63 (formula actual). 49
Tabla 3.5. Valores de viscosidad y de torque reportados por el viscosímetro
Brookfield a diferentes velocidades y empleando la aguja 64 (formula actual) ... 50
Tabla 3.6 Efecto del tiempo de almacenamiento en las viscosidades de las
............................................................................................................................... 50
pinturas (fórmula actual) ............................................................................. 50
Tabla 3.7 Efecto reológico para una pintura, disminuyendo la cantidad de
Hidroxietilcelulosa usando el viscosímetro Brookfield a diferentes velocidades y
empleando las agujas 63. ...................................................................................... 51
Tabla 3.8. Efecto reológico para una pintura, aumentando la cantidad de
Hidroxietilcelulosa usando el viscosímetro Brookfield a diferentes velocidades y
empleando la aguja 63........................................................................................... 52
Tabla 3.9. Efecto reológico para una pintura, usando un espesante acrílico,
viscosímetro Brookfield empleando la aguja 63................................................... 52
Tabla 3.10 Efecto en el comportamiento reológico de otra marca comercial
empleando la aguja 64 del Brookfield. ................................................................. 53
Tabla 3.11 Efecto en el comportamiento reológico de la pintura Dominó
empleando la aguja 63y 64 del Brookfield. ......................................................... 53
Tabla 3.12. Viscosidad de una pintura tipo A, a diferentes velocidades y
tiempo de agitación. .............................................................................................. 55
Tabla 3.13 Datos de concentración de agua utilizada para la dispersión de
pigmento y cargas para la pintura tipo A. ............................................................. 56
xiv
Tabla 3.14
Datos de velocidad, porcentaje de torque y viscosidad
reportados por el viscosímetro Brookfield, utilizando la aguja 63 y 64, para una
pintura tipo A de
finura 6,5 Hegman. ...................................................... 57
Tabla 3.15 Determinación de la viscosidad de una pintura tipo A, a
diferentes velocidades de agitación....................................................................... 58
Tabla 3.16 Cambios realizados a las pinturas tipo A, B y C (formulación
propuesta).............................................................................................................. 58
Tabla 3.17 Parámetros de calidad para una pintura tipo B de diferentes
marcas en el mercado. ........................................................................................... 59
Tabla 4.1 Parámetros fisicoquímicos de los diferentes tipos de pinturas
(formula actual)..................................................................................................... 65
Tabla 4.2 Parámetros de calidad de los diferentes tipos
de pinturas
propuestas.............................................................................................................. 76
Tabla 4.3 Precios por galón de distintas marcas en el mercado .................. 77
xv
CAPÍTULO I
1
Introducción
1.1
Reseña histórica
Pinturas América C.A., inició sus operaciones en el año 1996 como empresa
productora de pinturas. Para esa misma fecha inauguró su primera tienda
asegurando la distribución y venta de sus productos. Empezó con una capacidad
productiva de 400 litros diarios. Con el pasar de los años, las oportunidades de
crecimiento fueron aumentado, logrando así la expansión y traslado de la planta al
sector industrial de la ponderosa, obteniendo una mejor ubicación y un galpón
con mayores dimensiones y condiciones, llegando a una capacidad de producción
de 4.000 litros por día.
1.2
Ubicación de la empresa
La empresa se encuentra ubicada en el sector industrial la Ponderosa,
manzana 20, calle 18 de octubre, en Barcelona, estado Anzoátegui, una referencia
del lugar se indica en la figura 1.1
Figura 1.1 Ubicación de la empresa Pinturas América C.A
Fuente: http://earth.google.es. Fecha de actualización imágenes 19/05/2009
17
1.3
Planteamiento del problema
Durante el tiempo de operación de la planta, se han realizado (por diferentes
motivos) cambios de proveedor o materia prima y se han observado que algunas
propiedades reológicas de las pinturas obtenidas han disminuido en cuanto a su
calidad previa, como por ejemplo los parámetros de estabilidad,
dispersión,
brochabilidad y poder cubriente. Otro problema que están presentando algunos de
los recubrimientos elaborados es el efecto conocido como piel de naranja, que son
pequeñas concavidades que quedan en la superficie del recubrimiento, y otorga
poca suavidad a la película formada.
En cuanto a la aplicación en húmedo, la misma presenta un bajo
cubrimiento, motivado entre otras causas al uso de extendedores, que sustituyen
en parte al pigmento. Por otra parte, es importante destacar que estas pinturas
están formuladas con espesantes celulósicos, los cuales confieren viscosidad a
través de un mecanismo conocido como floculación por deflexión (depletion
flocculation), el cual consiste en una región intercoloidal que es deflexionada por
el polímero, en donde el mismo no es absorbido y permanece libre en el medio de
dispersión. La deflexión causa una difusión del solvente entre el polímero y las
partículas coloidales para disminuir el gradiente de concentración lo que produce
el conglomerado o agregado de partículas coloidales. Cabe destacar, el
comportamiento de estos espesantes muchas veces no es el ideal, ya que presenta
baja resistencia al salpicado, nivelación y fluencia.
Como consecuencia de lo antes mencionado y con el objeto de alcanzar
una reología óptima, que mejore las condiciones de estabilidad y aplicación de las
pinturas estudiadas, se realizaron pruebas con otros tipos de espesantes, así como
una evaluación cuidadosa de los balances de cargas, pigmentos y aditivos para
varias composiciones (fórmulas), análisis de los métodos y condiciones de
procesamiento empleados a fin de obtener el resultado más apropiado en cuanto a
calidad y precio en el producto final, lo cual se traduce en beneficios para las
ventas.
La empresa produce diversos tipos de recubrimientos, tales como
grafiado, pasta profesional, texturizado, antialcalino, terracota proyectada y
pinturas arquitectónicas, los cuales tienen aplicaciones específicas en el ámbito de
la construcción y decoración. De estos productos, destacan tres clases de pinturas
base agua, las cuales tienen mayor demanda. Éstas están clasificadas según sus
propiedades, en tipos A, B y C, las cuales fueron el objeto de estudio del presente
trabajo.
Los objetivos planteados, buscan mejorar las propiedades reológicas de las
pinturas indicadas, lo que indica una mejor durabilidad, nivelación, aplicación y
apariencia, que al ponerse en práctica se traducirían en un beneficio tanto para la
empresa (al mejorar la calidad y por ende las ventas del producto) como al
consumidor final (satisfacción y confianza en la pintura adquirida), y finalmente,
esta tesis servirá como referencia para el desarrollo de nuevas investigaciones en
la industria de los revestimientos.
1.4
Objetivos de la Investigación
1.4.1
Objetivo General
Estudiar la influencia de la formulación y del proceso de elaboración en la
calidad de diferentes tipos de recubrimientos arquitectónicos para la Fabrica
Pinturas América C.A.
1.4.2
Objetivos específicos
___Analizar las propiedades fisicoquímicas y reológicas de las pinturas tipo
A, B y C, según la fórmula actual.
___Determinar las composiciones adecuadas de espesantes celulósicos o
acrílicos que permitan la reducción de los problemas de sinéresis y tixotropía de
estos recubrimientos.
___Evaluar la influencia de la agitación en el comportamiento reológico del
producto.
___Establecer la mejor relación calidad-precio, en base a las modificaciones
necesarias (pigmentos, cargas, espesantes y resina) en la formulación de las
pinturas estudiadas.
19
CAPÍTULO II
2
Marco teórico
2.1
Antecedentes
En el año 2000, De Notta [1]
realizó un trabajo que diserta sobre la
importancia de la reología en el comportamiento de los fluidos y hace mención
especial a las pinturas base agua y base alquidica, así como a las diferencias que
existen entre éstas. Otro aspecto que destaca es que un sistema tixotrópico exhibe
un descenso en la viscosidad como consecuencia de la acción de una fuerza de
cizalla. Por otra parte, menciona que los fabricantes del viscosímetro Brookfield
recomiendan el uso de muestras grandes (600 ml) para minimizar el efecto de las
paredes del recipiente donde se aloja el material y que los factores de conversión
utilizados para calcular la viscosidad no contemplan exactamente los efectos de
borde de las diferentes agujas que se emplean en el instrumento.
En el año 2001, Esplugas [2] señala que la reología es determinante en
la consecución de un acabado de calidad. En el artículo se mencionan algunos
ensayos reológicos llevados a cabo con distintos tipos de recubrimientos
y
diferentes sustratos plásticos, así como imágenes de microscopía de las pinturas.
En el 2004, Maestro [3] estudió el comportamiento
reológico en
sistemas sencillos de pinturas (específicamente combinación de espesante más
agua), encontró que estos sistemas tienen un comportamiento tixotrópico. Los
fluidos
tixotrópicos
son
emulsiones,
suspensiones
o
soluciones
de
macromoléculas, entre las que se establecen fuerzas de unión físicas relativamente
débiles, por lo que son fáciles de destruir al aplicar un esfuerzo sobre el fluido.
Con frecuencia estas moléculas son cadenas largas o con ramificaciones, y es esta
morfología la que provoca que los cambios estructurales inducidos por cambios
de gradiente de esfuerzo de corte, muchas veces necesiten un período de tiempo
para producirse lo suficientemente grande como para ser observables los cambios
de viscosidad.
20
Estos trabajos recalcan la importancia de la composición adecuada del
espesante celulósico para el producto, dado el impacto del mismo en la zona de
baja velocidad de corte, así como también la importancia de la distribución del
tamaño de partícula en la influencia de la zona de alta velocidad cortante.
2.2
Generalidades sobre las pinturas
2.2.1
Pintura
La pintura es una dispersión de pigmento finamente dividido en un líquido
compuesto de una resina o aglutinante y un disolvente volátil. La parte líquida de
la pintura se conoce como vehículo [5]. Es un producto basado en ligantes,
pigmentos y aditivos, que cuando se aplica sobre un sustrato produce una película
cohesiva, relativamente impermeable al agua (no absorbente), protectora y
decorativa.
2.2.2
Pinturas acrovinílicas
Conocidas como pinturas arquitectónicas diluibles en agua o pinturas base
agua. Este tipo de pinturas se conocen también con el nombre de pinturas en emulsión
debido a que su ligante se fabrica a partir de una polimerización que inicia la reacción
en estado de emulsión, pero realmente es un producto que se encuentra en dispersión
[4].
2.2.3
Clasificación de las pinturas acrovinílicas
Las pinturas acrovinílicas para uso interior y/o exterior se clasifican según
sus propiedades en tres tipos, denotadas por las letras A, B y C; siendo la tipo A
la de mayor calidad y costo, y disminuyendo los mismos según la secuencia
correspondiente. Los mismas están generalmente compuestas por un polímero
formador de película (resina o ligante), pigmentos, cargas o extendedores, agua,
antiespumante, cosolvente, dispersante, preservante, agente coalescente, y aditivos
reológicos, la diferencia radica en las cantidades de materia prima.
Pintura tipo A: Esta fabricada con resina vini-acrilica, de acabado mate,
de excelente calidad, posee un alto poder cubriente, buena resistencia al fregado y
100% lavable.
21
Pintura tipo B: es de buena calidad, semilavable, se usa en todo tipo de
superficie tanto en interiores como exteriores.
Pintura tipo C: Es una pintura básica de fácil aplicación, de buena
resistencia a la intemperie y excelente relación costo-beneficio.
2.3
Viscosidad
Es la resistencia de un líquido a fluir. Para desarrollar un modelo de la
viscosidad en términos de cantidades medibles se establece una situación en la
cual un líquido está confinado entre dos platos paralelos. Un plano es movible y
el otro permanece estacionario y están separados una distancia X. El gradiente de
velocidad dv/dx “D” es referido como el flujo cortante (shear rate) y es uniforme
desde el tope hasta el fondo. Se puede expresar mediante la ecuación 2.1
D=
dv V
=
dx X
Ec. 2.1
Donde:
V: velocidad (cm/s)
X: espesor (cm)
D: s-1.
La viscosidad absoluta es una propiedad de los fluidos que indica la
mayor o menor resistencia que estos ofrecen al movimiento de sus partículas
cuando son sometidos a un esfuerzo cortante. Algunas unidades a través de las
cuales se expresa esta propiedad son el Poise (P), el Pascal-segundo (Pa-s) y el
centipoise (cp), siendo las relaciones entre ellas las siguientes: 1 Pa-s = 10 P =
1000 cp. La viscosidad absoluta suele denotarse a través de la letra griega µ. Es
importante resaltar que esta propiedad depende de manera muy importante de la
temperatura, disminuyendo al aumentar ésta. Se define como la relación entre el
esfuerzo de corte aplicado y la velocidad de corte adoptada por el fluido, lo cual
se puede observar en la ecuación 2.2. La viscosidad en el sistema de unidades
c.g.s se expresa en Poise
22
µ (viscosidad ) =
τ (esfuerzo de corte )
D (velocidad de corte )
Ec.2.2
Por otra parte la viscosidad cinemática es la relación entre la viscosidad
absoluta y la densidad de un fluido. Esta suele denotarse como υ, por lo cual υ =
µ/ρ. Algunas de las unidades para expresarla son m2/s, Stokes (St) y centistokes
(cSt), siendo las equivalencias las siguientes: 1 m2/s = 10000 St = 1x106 cSt.
Supóngase dos fluidos distintos con igual viscosidad absoluta, los cuales se harán
fluir verticalmente a través de un orificio. Aquél de los fluidos que tenga mayor
densidad fluirá más rápido, es decir, aquél que tenga menor viscosidad cinemática
[8]. Entre los instrumentos empleados para la medición de este importante
parámetro se tienen los siguientes equipos:
Viscosímetro Brookfield LV (centipoise, cp)
Por medio del mismo, se mide la viscosidad relativa de los diferentes
líquidos o fluidos industriales, debido a que la gran mayoría de estos presentan un
comportamiento no newtoniano, y por lo tanto, la viscosidad dependerá de la
velocidad de rotación que se elija para la aguja o vástago, y en un menor grado de
la forma del mismo. En la figura 2.1 se muestra un viscosímetro Brookfield LV.
Figura 2.1 Viscosímetro Brookfield
Estos equipos dan su lectura en centipoise (cps), pero para que un dato
quede completamente definido, deben incluirse otros parámetros como la
23
velocidad (rpm) a la cual se hizo la medida, aguja con la que se trabajo, y el
modelo utilizado (RV, LV, RVT, LVII, entre otros). Los modelos RV manejan
viscosidades altas mientras, que los LV son más limitados, por ejemplo, a 60 rpm,
alcanza una viscosidad igual o menor de 10.000 cps mientras que el RV puede
llegar a valores muchos más altos 40.000 ó 50.000 cps. Los modelos HA y HB
entregan torques muchos mayores y son muy usados en morteros, lodos, etc. La
tercera letra D o T significa si es digital o análogo, los números romanos
corresponden a la versión del modelo. Y por último el símbolo “+” significa que
tiene interfase con un computador.
Viscosímetro Brookfield KU ( unidades Krebbs, KU)
Este equipo determina la resistencia que presenta un fluido y la fuerza de
rozamiento que este ejerce sobre una paleta que gira. Este es el viscosímetro ideal
para pinturas, ya que posee alto esfuerzo de corte o cizallamiento, y es el
indicado para relacionar la viscosidad a una propiedad puntual de desempeño de
un producto, como por ejemplo, su comportamiento a la brocha (brochabilidad).
El viscosímetro es mostrado en la figura 2.2.
Figura 2.2 Viscosímetro Brookfield KU
24
2.3.1
Esfuerzo de corte o cizalla (τ)
Se define como la fuerza por unidad de área necesaria para alcanzar una
dada deformación. Las unidades de esta magnitud son dinas / cm2. Expresada en
la ec 2. τ =
F
A
Ec. 2.3
Donde:
F: fuerza (dinas)
A: área (cm2)
2.3.2 Reología
La reología es la ciencia que estudia la deformación de la materia. Esto se
refiere al comportamiento de un material cuando se le aplica o imparte una fuerza
determinada. En las pinturas base agua los aditivos reológicos juegan un papel
importante en las propiedades del fluido, en cada una de las etapas de fabricación
de las pinturas, hasta la aplicación del revestimiento. en cuanto a que determinan
las siguientes propiedades:
Viscosidad
Lavabilidad
Resistencia a la abrasión en húmedo
Estabilidad en el almacenamiento
Salpicado durante la aplicación
Nivelación
Tiempo abierto
Sedimentación
Estabilidad de la dispersión
Existen dos tipos diferentes de comportamientos reológicos bien
marcados: fluidos newtonianos y fluidos no newtonianos. En el primero la
viscosidad es constante independientemente del esfuerzo de corte al cual se
somete el fluido y en el segundo la viscosidad depende del esfuerzo de corte
25
aplicado. Un gráfico de esfuerzo de corte ó viscosidad en función de la velocidad
de corte se conoce como reograma.
τ
µ
D
D
Figura 2.3 Curvas de fluidez y de viscosidad para un fluido newtoniano.
El reograma para un fluido newtoniano es una línea recta cuya
pendiente es la viscosidad, como se muestra en la figura 2.3.
La mayoría de los materiales con alguna significancia industrial son no
Newtonianos.
Hay varios tipos de comportamientos no Newtoniano entre los cuales se
pueden mencionar:
___Flujo dilatante: La viscosidad aumenta a medida que aumenta el
esfuerzo de corte al cual es sometido el fluido.
___Flujo pseudoplástico: La viscosidad disminuye a medida que aumenta el
esfuerzo de corte sobre el fluido.
___Flujo de Bingham o plástico: El producto presenta un valor umbral de
esfuerzo de corte (ty), el cual es necesario sobrepasar para que el fluido se ponga
en movimiento.
Flujo tixotrópico: el producto disminuye la viscosidad con el paso del
tiempo.
___Flujo reopéptico: el producto aumenta la viscosidad con el paso del
tiempo.
26
2.4
Formulación de las pinturas
Las propiedades de una pintura o recubrimiento dependen de las variables
de la formulación. Luego de realizada una adecuada selección de las materias
primas, se debe definir la relación cuantitativa entre los diferentes componentes
del producto, los cuales determinan las propiedades de la película.
Con las pinturas se usan tantas fórmulas referidas en peso como en
volumen. Las indicaciones referidas al peso ya están predeterminadas por la
fabricación de las pinturas en el laboratorio y la fábrica; también se utilizan para
el control del perfil de propiedades de la pintura líquida, como por ejemplo,
viscosidad, estabilidad de almacenamiento, comportamiento de sedimentación,
brochabilidad, nivelación y secado, por nombrar solamente algunas.
El estado final de una pintura, sin embargo, es la película sólida seca,
que consta solamente de los componentes no volátiles de la fórmula. Para la
película de pintura sólida vale se aplica otro perfil de propiedades. Éste
comprende el grupo de propiedades ópticas, al cual pertenece también el poder
cubriente, propiedades mecánicas (por ejemplo tensión de la película)
y
propiedades de estabilidad (por ejemplo, la exposición a la intemperie o
temperatura) [6].
2.4.1
Concentración en volumen de pigmento (CVP)
La CVP es una magnitud de cálculo esencial, definida como la relación del
pigmento respecto al volumen total de la película de pintura, expresada en
porcentaje. Se ha generalizado como “volumen de pigmento” a la suma de
volumen de pigmento más la carga. En consecuencia, se debería hablar de la
(Volumen P + Volumen C)
“CVP total”, la cual está definida en la ec. 2.4:
CVP total =
(Volumen P + Volumen C + Volumen L )
Ec. 2.4
Donde: P es pigmento; C es carga y L es ligante.
x100
27
La ec. 2.4 indica que se tienen que expresar los valores numéricos en
función del volumen de los productos sólidos del recubrimiento, para lo cual se
hace uso de la densidad de cada uno de los productos. El peso o la masa de cada
componente de la pintura se conocen en la formulación de la misma, ya que
generalmente está expresada en kilogramos. Para la densidad, se recurre a la
consulta en tablas o al cálculo experimental, considerando que debe ser en base
seca.
Cuando la CVP se aproxima al 100 %, quiere decir que la pintura contiene
muy poca cantidad de resina, lo que equivale a una pintura económica y de bajo
desempeño. Cuando tiende a 0 %, quiere decir que el contenido de resina es muy
alto, con lo cual seguramente se tendrá un muy alto desempeño, un alto costo, y
posiblemente un acabado brillante.
2.4.2
Concentración del volumen de pigmento crítica “CVPC”
La CVPC es la concentración precisa de pigmento activo e inactivo en
volumen para que justamente se rellenen todos los espacios libres entre las
partículas de los mismos (pigmentos y extendedores), sin que exista un exceso de
ligante sólido presente entre ellas. Esta concentración se puede considerar como
el punto de equilibrio, en donde la resina o ligante en la formulación es suficiente
para rodear todas y cada una de las partículas de pigmento y extendedores, sin
alcanzar a cumplir su verdadera función de ligante entre estos y el sustrato sobre
el que aplica el recubrimiento. Lo cual, es correspondiente con el índice de
absorción verdadero de cada pigmento y extendedor, obtenido con el vehículo
sólido que se utiliza en cada formulación.
La determinación de esta propiedad debe hacerse experimentalmente,
debido a la dependencia de una gran cantidad de variables, tales como:
___Porosidad, tamaño y distribución de partículas de cada uno de los
pigmentos activos e inactivos.
___Tamaño y distribución del tamaño de partícula del ligante sólido.
___Coalescencia de la película.
28
Los dos métodos más usados para la determinación de la CVPC están
asociados a la tensión superficial de la película y a la porosidad. El primer método
se basa en que justo en el punto de la CVPC de una formulación se tiene la
máxima tensión superficial de la película, es decir, sí se hacen varias pinturas con
las mismas materias primas y diferentes CVP, al hacer las aplicaciones sobre una
leneta especial, después de un tiempo, éstas empiezan a curvarse; con el CVP que
se logre la mayor curvatura, será el punto experimental, definido como CPVC, es
decir, en este punto CVP=CVPC.
El segundo método se basa en que la porosidad de la película se
comienza a presentar a partir de la CVPC, y se va incrementando en la medida
que la CVP es mayor. La forma como se manifiesta esta porosidad se determina
por medio de la mancha de gilsonite o asfalto natural, es decir, al igual que en el
método anterior, a partir de las mismas materias primas se fabrican varias pinturas
con diferentes CVP, posteriormente sobre la película seca se aplica la gilsonite, y
se define como CVPC, aquél CVP a partir del cual hay manchado de la misma.
Debido a que los chequeos son complejos, largos y requieren
condiciones especiales, se propone como una aproximación, valorar este concepto
mediante la ec. 2.5:
CVP Crítico =
(Volumen P + Volumen C)
(Volumen P + Volumen C + Volumen A )
*100
Ec.2.5
Donde: A es la absorción de agua de pigmentos y extendedores.
Si la CVP > CVPC, se tiene una deficiencia de aglomerante o ligante,
por lo cual se tendrá una pintura con alta permeabilidad de la película, baja
cohesión y elasticidad, baja intensidad del color en tonos profundos (debido a la
fuerza de tinturación de los extendedores que aunque baja, están presentes en un
gran volumen), bajo brillo y alta porosidad.
2.4.3
Densidad
Es simbolizada habitualmente por la letra griega
y denominada en
ocasiones masa específica, es una magnitud referida a la cantidad de masa
contenida en un determinado volumen, y puede utilizarse en términos absolutos o
29
relativos. La densidad absoluta expresa la masa por unidad de volumen, mientras
que la densidad relativa es la relación entre la densidad de una sustancia y una
densidad de referencia, resultando una magnitud adimensional y, por tanto, sin
unidades. Para los líquidos y los sólidos, la densidad de referencia habitual es la
del agua, mientras que para los gases es el aire.
Con la formulación expresada en peso y haciendo uso de las densidades
en base seca, se pueden calcular los volúmenes que ocuparán cada uno de los
componentes sólidos de la pintura seca. El valor de la densidad (ρ) de la resina en
base seca se puede hallar experimentalmente, tomando una muestra de la resina
seca, pesándola y calculando el volumen que ocupa (por desplazamiento de agua),
también de manera teórica, este dato se puede calcular con un buena aproximación
a partir de la hipótesis de que los volúmenes son aditivos, obteniéndose la
ecuación 2.6:
ρ resina seca =
% de sólidos
⎞
⎛
100
⎟ − (100 − % sólidos)
⎜
⎜ ρ resina húmeda ⎟
⎠
⎝
Ec.2.6
El porcentaje de sólidos se puede determinar mediante la ecuación:
% Sólidos = 100 −
(pintura húmeda - pintura seca ) x100
pintura húmeda
Ec.2.7
2.4.4
Composición de las pinturas arquitectónicas base agua
Es función del formulador decidir la relación óptima en que se debe utilizar
el ligante, pigmentos activos e inactivos, y demás componentes para conseguir
entre otras un costo mínimo con el máximo poder cubriente, grado de brillo
deseado, buena resistencia a la abrasión así como propiedades adecuadas de
aplicación en líquido.
30
2.4.4.1 Polímeros formadores de película
Los formadores de película conocidos como ligante o resina constituyen uno
de los componentes fundamentales para las pinturas. Estos materiales tienen la
característica de unir las partículas dispersas de pigmentos y cargas sobre un
sustrato formando una película continua. A continuación, se presentan brevemente
las resinas utilizadas para la fabricación de pinturas base agua:
___Acrílicas puras: son resinas fabricadas a partir del ácido acrílico y sus
derivados (ésteres acrílicos).
___Acrílicas estirenadas: son resinas fabricadas a partir del ácido acrílico y
sus derivados (ésteres acrílicos), en mezcla con el monómero estireno.
___Vinílicas puras: son resinas fabricadas a partir del monómero vinil
acetato.
___Vinil acrílicas: son resinas fabricadas a partir del monómero vinil
acetato, en mezcla con los derivados del ácido acrílico.
Las funciones de las resinas son: aglutinar los pigmentos, promover
adherencia, flexibilidad, brillo, durabilidad, resistencia. Las dispersiones
poliméricas se diluyen con agua, aunque también puede realizarse con algún
disolvente selectivo.
2.4.4.2 Pigmentos
Se definen como partículas sólidas finas e insolubles en el vehículo. De
acuerdo con su origen, los pigmentos pueden clasificarse en naturales y sintéticos,
dividiéndose a su vez cada uno de estos grupos en orgánicos e inorgánicos. Los
pigmentos son los encargados de dar color y opacidad a la pintura, y de acuerdo a
estas propiedades se conocen como activos e inactivos.
Pigmentos activos:
Usualmente, se designan como pigmentos blancos o coloreados activos
aquellas sustancias blancas o coloreadas, cuyo índice de refracción sea mayor a
1,7. Un pigmento es activo cuando provee color y opacidad a la pintura, mientras
que los inactivos no logran proveer color y opacidad a la pintura. En rigor, aquí
entra en juego el concepto del CVP como parámetro de formulación, ya que un
31
pigmento inactivo puede contribuir al cubrimiento a CVP cercanos o por encima
del CVPC.
Pigmentos inactivos:
Si el índice de refracción es menor a 1,7 se habla de pigmentos inactivos o
extendedores. Estos sirven para incrementar el volumen de los recubrimientos o
pinturas, como también para modificar y mejorar las propiedades técnicas y
ópticas de la película. Su gran importancia radica principalmente en que se usan
como sustitución parcial del pigmento activo, desde el punto de vista espacial,
esto a raíz de que los extendedores o cargas entran a competir en espacio con el
pigmento aumentando el rendimiento de éste, es decir distribuyéndolo o
extendiéndolo.
Los extendedores también sirven para modificar las propiedades ópticas de
un sistema pigmentado, por ejemplo a través de la influencia que ejercen en el
estado de dispersión del pigmento, lo cual es una propiedad muy importante de las
cargas especialmente finas y laminares, y una condición decisiva para el
aprovechamiento óptimo de los pigmentos como también para la economía de los
recubrimientos de emulsión. Las propiedades en las que las cargas influyen
directamente son la resistencia a la intemperie, la resistencia al frote, el mateado o
disminución del brillo, la reología, la sedimentación, el agrietamiento, la tensión
de la película, para mencionar solamente algunas. Debido a su baja densidad, las
cargas actúan como extendedores o diluyentes, ya que aumentan el volumen de la
formulación. En razón a todas estas propiedades, las cargas minerales son
materias primas muy importantes en la fabricación de pinturas de emulsión.
Las cargas son blancas en estado seco, pero son incoloras y
casi
transparentes cuando están humectadas por un ligante o vehículo, debido a que el
valor del índice de refracción de las cargas es muy cercano al de los aglomerantes.
El índice de refracción de la mayoría de las cargas usadas corrientemente se
encuentra entre 1,45 y 1,64 (tabla 2.1). Los ligantes a su vez tienen un índice de
refracción aproximado de 1,5, por tal razón una carga no provee propiedades
colorantes directas en el ligante, debido a que prácticamente no existe una
32
diferencia notable entre el índice de refracción de la carga y el medio circulante,
en este caso el ligante o vehículo.
Tabla 2.1 Índices de refracción de pigmentos, extendedores y otros. [7]
Índice de Refracción
Producto
Relacionado al vacío (γ =589,3 nm)
Talco
1,55
Caolín
1,56
Carbonato de calcio
1,59
Dolomita
1,60
Tierras diatomeas
1,45
Mica
1,58
Barita
1,64
Dióxido de titanio (Anatasa)
2,55
Dióxido de titanio (Rutilo)
2,70
Resina alquídica
1,53
Resina
poliacrílica
en
1,48
emulsión
Vacío
1,0000
Aire
1,0003
Agua
1,33
2.4.4.3 Descripción de algunos extendedores minerales y polímeros opacos
A) Carbonato de calcio natural:
Cuantitativamente es uno de los rellenos más importantes que se usa en
pinturas de emulsión. Se encuentran en diferentes tamaños de partículas y también
de brillo. Su amplio uso se debe a su bajo costo y su bajo índice de absorción de
aceite que permite ser usado en altas cantidades, lo cual favorece el costo total de
la formulación de la pintura. Se encuentra en la naturaleza como calcita cristalina
de forma nodular y como Creta de constitución terrosa e irregular. El carbonato de
calcio es ligeramente soluble en agua, pero esto no es un problema para las
33
pinturas arquitectónicas acuosas, porque sus partículas para el caso de una CVP
inferior a la CVPC estarían encapsuladas por un polímero resistente al agua.
El carbonato de calcio al ser soluble en ácidos diluidos hace que no sea
una buena opción para recubrimientos que deban tener cierto grado de resistencia
química. Por otra parte, ocupa el segundo lugar.
En cuanto a su capacidad de trasmitir la luz ultravioleta, esto hace que
no sea la primera opción a la hora de formular una pintura para exteriores, lo cual
se suma a su conocido efecto desfavorable de entizamiento en la película de la
pintura. Por su forma nodular, los carbonatos de calcio de partícula fina (1 µm o
menos % A. A = 25 %), son buenos en el efecto de extender el bióxido de titanio
versus los de partícula gruesa (4 µm, % A.A = 21 %) que no lo son, pero ayudan
a que la CVPC sea más alta por su baja absorción. Las dolomitas (carbonato de
calcio y de magnesio) tienen para un mismo tamaño de partícula, absorciones de
aceite más bajas que las de un carbonato de calcio tipo calcita, por esto son
ventajosas en la estrategia de subir la CVPC.
B) Talco:
Por su mayor valor de absorción de aceite (42,3 % en talcos malla 400) y su
elevado contenido de óxido de hierro (alrededor de 6 %), no es tan usado como el
carbonato de calcio en pinturas, pero sus propiedades particulares lo hacen una
excelente alternativa cuando se quieren lograr ciertos desempeños. El talco se
encuentra en diferentes grados de molienda, aunque por su estructura laminar,
tiene una relación de aspecto que dificulta la obtención de tamaños de partícula
tan finos como los que se obtienen con un carbonato de calcio; no obstante a lo
anterior, las cargas laminares como el talco son más eficientes que las nodulares
para mejorar la distribución de las partículas del dióxido de titanio aún cuando se
trate de tamaños de partícula un poco más gruesos.
Por otra parte, está comprobado que la estructura laminar del talco le
imparte a la película de pintura una estructura de apilamiento en forma de tejas
que dificulta la entrada de suciedad a la película de pintura, esto favorece el
comportamiento en la prueba de mancha de gilsonite aunque estrictamente
34
hablando, no se trata de un incremento en la CVPC, pues su absorción de aceite es
alta.
El talco es insoluble en agua y ofrece alta resistencia a ácidos y álcalis,
su carácter hidrofóbico, le imparte esta característica en alguna medida a la
película seca de la pintura y mejora la resistencia al agua. Adicionalmente el talco
tampoco es muy favorable por el entizamiento, aunque es menos desfavorable que
el carbonato de calcio y en cuanto a su capacidad de trasmitir la luz ultravioleta,
ocupa el primer lugar entre los extendedores comunes, por esto cuando se usa en
pinturas para exteriores debe ser combinado con otros extendedores para
neutralizar estos efectos adversos. Por otra parte el uso del talco mejora la
resistencia a la sedimentación, la brochabilidad, la nivelación y la resistencia al
chorreo además de mejorar la tersura de la película y facilitar la lijabilidad.
C) Caolín:
Igualmente es uno de los rellenos más importantes que se usa en pinturas de
emulsión. Se encuentra en diferentes grados en cuanto a distribución de tamaño de
partícula, brillo y tipo de procesamiento. El caolín natural es un silicato de
aluminio hidratado que según la formación geológica particular que lo origine
puede tener más o menos contaminantes y ser más o menos fino. Otra
particularidad del caolín es su alta absorción de aceite.
El caolín es insoluble en agua y tiene una alta resistencia química y
ocupa el último lugar en cuanto a su capacidad de trasmitir la luz ultravioleta, esto
hace que sea la primera opción a la hora de formular una pintura para exteriores,
lo cual se suma a su conocido efecto favorable en cuanto al muy buen desempeño
en relación al entizamiento y durabilidad de la película de la pintura.
Otro procesamiento que se le hace al caolín, es la calcinación, la cual
pretende darle cierto nivel de estructura o aglomeración, a las partículas, las
cuales con este procesamiento (según el tipo de calcinador usado); pueden dejar
de ser laminares y pasar a convertirse en un material de mayor porosidad que
aportaría un alto cubrimiento a las pinturas formuladas por encima del CVPC en
razón al aire de sus poros. El caolín adecuadamente calcinado, si es de bajo
contenido de óxido de hierro y de titanio, sería un caolín de alto brillo, alta
35
blancura y un alto poder de cubrimiento (en formulaciones por encima de la
CVPC) por su porosidad y además se trata de un material de alta dureza que le
imparte esta característica a la película seca de la pintura con lo que su utilización
es una buena táctica para mejorar la resistencia a la abrasión de la pintura,
característica que es significativamente mejorada. El caolín calcinado igualmente
es un extendedor de baja transmisión de la luz ultravioleta.
D) Polímeros opacos:
Los polímeros opacos, no pueden considerarse estrictamente como
pigmentos y tampoco forman película, por esto se deberán tener en cuenta entre
los extendedores a la hora de hacer el cálculo de la CVP. Los polímeros opacos
son unas esferitas de un copolímero acrílico estirenado en dispersión acuosa, que
aportan cubrimiento no pigmentario a las pinturas arquitectónicas acuosas.
En esta dispersión polimérica no formadora de película, las esferitas son
huecas con una coraza dura y en principio su núcleo está lleno de agua, estado que
se conserva en la pintura envasada; luego de que la pintura es aplicada sobre un
sustrato y comienza el secado, esa agua es difundida a fuera del núcleo de las
microesferas y es reemplazada por aire, haciendo que su núcleo al quedar solo
con aire pase a convertirse en un excelente medio para dispersar un rayo de luz y
dar cubrimiento independientemente de la CVP de la formulación (pues la
diferencia entre el índice de refracción del aire y del vehículo pasa a ser del orden
de 0,6 frente a casi cero de diferencia entre el índice de refracción de un
extendedor mineral y el vehículo, situación que no crea dispersión de un rayo de
luz.
Por lo anterior la incorporación de aire para lograr dispersión de un rayo
de luz es un efecto deseable siempre y cuando este no tenga efectos colaterales
adversos como el incremento en la porosidad y la disminución en la lavabilidad de
una pintura, especialmente para pinturas de alto desempeño formuladas por
debajo de CVPC.
En un polímero opaco las partículas son completamente esféricas y de
naturaleza uniforme si se les compara con las partículas de un extendedor mineral,
esto hace que el aire este encapsulado en espacios confinados y bien definidos y
36
por lo tanto la incorporación del polímero opaco en la formulación de una pintura
tiene el efecto de reducir el área superficial total de los materiales que aportan
cubrimiento. (Dar cubrimiento con baja absorción y por lo tanto con baja
demanda de vehículo), por esto el polímero opaco aumenta la opacidad y tiene
menos efectos negativos en otras propiedades como la resistencia a la abrasión y
la lavabilidad.
Esa menor área superficial, permite asegurar que el polímero opaco es
una herramienta poderosa para lograr subir el CVPC y construir formulaciones
óptimas en desempeño con economía.
Espesantes
Los espesantes para aplicación en la fabricación de recubrimientos se
dividen en:
A) Espesantes sintéticos: Son sustancias obtenidas de reacciones químicas y
básicamente se tienen dos tipos: a base de acrilatos (copolímeros de los ácidos
acrílico) y los metacrilatos, que son conocidos como espesantes en emulsión
solubles en álcali (ASE), los cuales pueden presentar modificaciones.
B) Espesantes celulósicos: Son espesantes a base de polisacáridos y son
polímeros hidrofílicos e hidrofóbicos con tendencia a absorber agua o a repelerla
y formar geles. Los más utilizados en producción de pinturas son éteres de
celulosa tales como: carboximetil celulosa, hidroxietil celulosa, hidroxipropil
celulosa, entre otros.
C) Espesantes inorgánicos: son materiales que se basan en una orientación
tridimensional de minerales en forma de laminillas que forman una gel, esto es
posible porque las laminillas forman puentes de hidrógeno, un ejemplo son los
silicatos estratificados, bentonitas, entre otros.
2.4.4.4 Dispersantes de pigmentos y cargas
La dispersión efectiva de pigmentos y cargas es el primer y más importante
procedimiento en la fabricación de pinturas y recubrimientos puesto que afecta
directamente la calidad del recubrimiento. La distribución uniforme de los
pigmentos en la dispersión de resina líquida previene:
___Floculación
37
___Pérdida de brillo
___Cambios de color
___Flotación de pigmentos
___Sedimentación
___Sinéresis
___Descuelgue
___Nivelación
___Estabilidad en el almacenamiento
Dado que se pretende lograr que la mezcla se mantenga estable aún
después de retirar la agitación, se debe utilizar un producto cuya función permita
lograr estabilidad, éste se denomina dispersante, el cual es una macromolécula que
presenta simultáneamente comportamientos contrarios (atracción y repulsión) en
cada uno de sus extremos.
La finura de la dispersión o de la pintura indica la calidad del proceso
de dispersión, y debe comprobarse cuando la pintura está a la mitad del proceso,
es decir, al finalizar la dispersión de los pigmentos y extendedores o cargas. La
evaluación de la finura de dispersión se realiza mediante la utilización de un
equipo denominado grindómetro, piedra de molienda o piedra Hegman, como se
muestra en la figura 2.4, el cual consta de dos partes: una superficie de metal que
presenta una o dos ranuras con una profundidad decreciente determinada y
graduada, el más usado por los pintureros es en micras (0 a 100) o grados Hegman
(0 a 8); y una barra o elemento aplicador.
Figura 2.4 Piedra Hegman y aplicador
38
2.4.4.5 Aditivos
Son sustancias que se le adicionan a una pintura o recubrimiento en
pequeñas cantidades con el objeto de impartirle o modificar propiedades
específicas al material en sí o al recubrimiento resultante, entre los más relevantes
se tienen:
A) Antiespumantes
Una pintura está formulada con agentes antiespumantes, básicamente
buscando evitar la inclusión de espuma o la incorporación de pequeñas burbujas
de aire durante la fabricación de un producto, en el llenado de los envases y
durante la aplicación del mismo. En primer lugar, esta espuma afecta la apariencia
o aspecto de la pintura al ser destapado el envase, en la aplicación de los
productos con alto contenido de espuma se observan problemas de formación de
película, poca nivelación y en consecuencia un cubrimiento bajo.
La generación de espuma se debe a la incorporación de aire en el
producto líquido durante el proceso de fabricación debido a la reducción de la
tensión superficial del agua por sustancias tensoactivas tales como humectantes y
dispersantes. Los tensoactivos en general, contienen una parte hidrofilia (afinidad
al agua) y una parte hidrofóbica (sin afinidad al agua), los cuales al diluirse en
agua hacen que las partes hidrofilias se orienten hacia la fase acuosa, mientras que
la parte hidrofóbica se oriente hacia la fase del aire, produciendo espuma.
Los antiespumantes deben cumplir generalmente las siguientes
características:
___Tensión superficial e interfacial baja
___Insoluble en el medio a despumar
___Coeficiente de penetración positivo
___Coeficiente de distribución positivo
Es importante tener en cuenta los efectos secundarios que puede causar
la incorporación de un exceso de antiespumante, como son pérdida de brillo,
formación de cráteres, mala adherencia entre capas, efecto ojos de pescado, entre
otros. En la práctica, se acostumbra adicionar entre el 0,1 y 0,5% del valor total
de la formulación del antiespumante y generalmente se usa, repartiendo su adición
39
de la siguiente manera: una tercera parte antes de agregar las cargas, otra después
de finalizada la dispersión y la restante tercera parte se adiciona en la etapa de
terminación del producto a fin de eliminar la espuma generada durante su
elaboración y aplicación.
B) Retardantes de secado o cosolventes
Estos solventes o cosolventes se añaden a las pinturas base agua en
pequeñas cantidades para regular algunas propiedades físicas. Generalmente son
hidrosolubles y se ubican principalmente en la fase acuosa de la pintura.
La función principal del cosolvente es mantener la película húmeda y
prolongar el tiempo de secado; esto se debe a que el punto de ebullición del
cosolvente es mayor al del agua, permitiendo que su evaporación se realice en un
mayor tiempo. El cosolvente participa directamente en la formación
de la
película, en el tiempo de secado de la película en la orilla de la pintura aplicada, la
nivelación, la brochabilidad, y las propiedades de congelación y descongelación
de las pinturas.
Los monoéteres de etilenglicol y de dietilenglicol preparados con
alcoholes de bajo peso molecular (metilo, etilo y propilo) son completamente
hidrosolubles y son los cosolventes más utilizados en la industria de pinturas
(etilenglicol, propilenglicol, mono etilenglicol).
C) Preservantes
La pinturas arquitectónicas base agua, tanto en el envase como después de
aplicadas están expuestas al ataque de microorganismos debido a que la mayoría
de los componentes son medios de cultivo propicios y con nutrientes para la
proliferación de los mismos. Los espesantes, coloides protectores, emulsionantes
y antiespumantes, entre otros, son el blanco perfecto de los microorganismos para
su reproducción. La contaminación microbiana genera problemas como:
___Variación del pH
___Decoloración
___Coagulación
___Descomposición de la emulsión
___Olor fétido
40
___Abombamiento de los envases por generación de gases
___Pérdidas de viscosidad
___Crecimiento bacteriano visible en la superficie de los productos en el
envase y en la película aplicada.
Para la preservación en el envase se utilizan entre otros:
___Cloro metil isotiazilinona (CIT) y metil isotiazolinona (MIT).
___Benzo isotiazolinona (BIT)
___Liberadores de formaldehído
Para la preservación de la película se utilizan comúnmente:
___Octilisotiazolinona (OIT)
___Dicloro octil isotiazolinona
___Agente Coalescente
La formación de la película es ayudada, y en algunos casos sólo es posible
debido a la adición de un agente coalescente, el cual es un solvente que
transitoriamente produce una disolución superficial de las partículas de resina,
facilitando la fusión entre las partículas y formando eficientemente la película en
la fase de secado. En las pinturas arquitectónicas base agua la formación de la
película se logra en la etapa de secado debido a la deformación y soldado de las
partículas del polímero, esto se logra a determinada temperatura conocida como la
temperatura mínima de formación de película (TMFP) como se verá más adelante;
el agente coalescente funde a las partículas del polímero disminuyendo este valor
y permitiendo que el polímero se funda uniformemente.
Proceso de dispersión
El desplazamiento del aire dentro de los intersticios de la masa de pigmento
es inicialmente facilitado por la carga del pigmento sobre el vehículo líquido [6].
La velocidad con la cual un vehículo penetra un lecho de partículas de pigmento
se puede expresar por la siguiente ecuación:
⎛r⎞
V = K ⎜⎜ ⎟⎟
⎝µ⎠
Ec.2.8
41
Donde:
r: radio promedio de los capilares del lecho de pigmento
µ: viscosidad del vehículo
K: constante de proporcionalidad del esfuerzo de dispersión
El tamaño de partícula de una pintura emulsionada tiene una influencia
marcada en propiedades tales como:
___Poder cubriente en húmedo y seco.
___Propiedades reológicas del polímero.
___Interacción con espesantes asociativos.
___Resistencia al frote húmedo.
Dispersor de alta velocidad (HSD)
La existencia actual de pigmentos fácilmente dispersables, dispersiones de
color accesibles junto con la posibilidad de un compacto y eficiente equipo como
la dispersor de alta velocidad (High Speed Disperser o HSD) han llevado a
empastar, moler (dispersar) y adelgazar en un solo equipo.
En la figura 2.5 se puede observar el arreglo de un HSD, en términos
del diámetro “D” del agitador, la posición correcta del disco y dimensiones
óptimas del recipiente [6].
La incorporación de partículas de pigmento puede ser visualizada en
tres etapas:
___Mojado: se refiere al desplazamiento de aire u otros contaminantes
absorbidos en la superficie del pigmento y su reemplazo por líquido.
___Molienda: es la ruptura mecánica y separación de los aglomerados de
partículas para obtener entidades aisladas. Cuando los vehículos y solventes
necesarios para elaborar un producto terminado son añadidos a la base de la
molienda, es mejor agregar lentamente los líquidos reductores con la agitación
adecuada. Una reducción rápida puede ocasionar que la base rígida se rompa en
trozos que no pueden ser fraccionados por el agitador, debido al líquido
relativamente delgado que los rodea.
___Dispersión: Se refiere al movimiento de partículas mojadas dentro del
seno del líquido de manera tal de asegurar una separación permanente.
42
Se debe considerar que el tiempo total de dispersión se inicia sólo cuando se
ha cargado la totalidad de los pigmentos y extendedores o cargas. La eficiencia de
la operación de dispersión está directamente relacionada con la habilidad de un
vehículo a mojar los aglomerados de pigmento, la facilidad de esparcirse sobre la
superficie de las partículas y finalmente mantener las partículas separadas por
largo tiempo, es decir estabilizar la dispersión. Igualmente es importante tener en
cuenta un control de la temperatura de operación, a fin de que la viscosidad del
producto obtenido se mantenga uniforme entre cada lote de pintura elaborada.
Eje
R
i
Nivel inicial de
Velocidad
periférica
A i d
Figura
2.5
Dispersor
de
alta
velocidad
(HSD)
Fuente: Garay R. y de Notta H., “Proceso de producción de pinturas”
2.4.5
Reología de la base de molienda
La dispersión de un pigmento por fricción ocurre en flujo laminar. Se
produce por acción de la velocidad del disco entre este y el piso que esta a
velocidad cero, un gradiente de velocidades que provoca una rotación del
aglomerado de pigmentos, actuando la viscosidad como un freno a esa rotación y
provocando la rotura al no poder girar libremente, cuanto mayor es la partícula
43
mayor es este efecto. En otras palabras a medida que se reduce el tamaño de la
partícula, más pobre será la acción de la dispersora [6].
44
CAPÍTULO III
3
Metodología
3.1
Análisis de las propiedades fisicoquímicas y reológicas de las pinturas
tipo a, b y c, según la fórmula actual.
Los parámetros a medir son los siguientes:
___pH
___Viscosidad
___Porcentaje de sólidos
___Densidad
___Tamaño y distribución de las partículas
___Comportamiento reológico
3.1.1
Determinación de pH
Esta prueba se realizó según lo contemplado en la norma venezolana
COVENIN 676, la cual consiste en tomar una muestra de pintura líquida, de un
volumen tal donde se pueda sumergir aproximadamente la mitad del electrodo de
medición. El equipo utilizado se ilustra en la figura 3.1.
El procedimiento seguido fue:
1) Se tomó una muestra de pintura de los diferentes tipos A, B y C.
2) Posteriormente se ajusto la temperatura de las muestras a 25 °C .
3) Se sumergió el electrodo en la muestra y se espero a que se estabilizara
la lectura.
4) Finalmente se registró el valor de pH.
Los valores obtenidos se muestran en la tabla 3.1
Figura 3.1 medidor de pH
45
3.1.2
Determinación de la viscosidad mediante viscosímetro Brookfield KU-2.
Este ensayo se realizó bajo la norma venezolana COVENIN 684, la cual
consiste en determinar la viscosidad o consistencia de las pinturas utilizando el
viscosímetro Stormer. La
empresa dispone actualmente del viscosímetro
Brookfield ku-2 , con el cual se realizaron los análisis de viscosidad, siguiendo el
procedimiento establecido en la norma.
El procedimiento empleado fue:
1) Se mezcló la muestra de pintura y se vertió en el recipiente hasta llenar
las ¾ partes del mismo.
2) Luego se colocó el recipiente con la muestra en el viscosímetro y se bajó
la aguja mediante la palanca hasta la muestra de pintura.
3) Se activó el viscosímetro y se dejó en funcionamiento hasta que se
estabilizó la medida.
4) Se reportó la viscosidad con el valor numérico en unidades Krebbs (Ku).
Como lo establece la norma.
Se repitió esta operación con tres muestras distintas
por cada tipo de
pintura. Los datos obtenidos fueron reportados en la tabla 3.1
Tabla 3.1 Valores de pH y viscosidades de las diferentes tipos de
pinturas evaluadas.
Tipo
A
B
C
Muestra
Valor de pH
Viscosidad (Ku)
1
7,1
108
2
7,3
109
3
7,1
107
1
7,5
98
2
7,6
110
3
8,0
94
1
7,6
93
2
8,0
89
3
8,3
92
46
3.1.3
Determinación del porcentaje de sólidos
Esta prueba es de relevancia, porque en general las materias primas usadas
en la fabricación de las pinturas (cargas, pigmentos, espesantes, resinas,
dispersantes, etc), contienen algún porcentaje de humedad, la cual, se puede
encontrar entre 1% hasta 80%, y adicionalmente siempre se cuenta con un
porcentaje de agua que lleva la formulación de pintura fabricada. Por lo anterior
es necesario controlar el porcentaje de sólidos tanto en las materias primas como
en el producto.
El procedimiento realizado fue el siguiente:
1) Se pesó una cápsula de porcelana vacía.
2) Posteriormente se colocó en la cápsula unos 10 g de pintura húmeda,
bien distribuida y se pesó.
3) Se introdujo en una estufa a 90 °C por una hora, se dejó enfriar y se
pesó la cápsula con la muestra.
4) Finalmente se registró el valor para las tres muestras en la tabla 3.2.
3.1.4
Determinación de la densidad de las pinturas tipo A, B y C según la
fórmula actual.
Esta propiedad es sumamente importante, considerando que los fabricantes
de pinturas compran sus materias primas por masa y venden su producto de
acuerdo al volumen; por lo tanto lo ideal es tener bajas densidades.
El procedimiento seguido fue:
1) Se pesó el picnómetro de 83,2 ml vacío.
2) Seguidamente se llenó el picnómetro con la pintura, evitando las burbujas
de aire, 3) se tapó y retiró el exceso de producto.
4) Posteriormente se peso el picnómetro lleno.
Los datos son reportados en la tabla 3.2
47
Tabla 3.2. Valores para determinar el porcentaje de sólido y la
densidad
de
los
Pintura Cápsula vacía (g)
A
B
C
78,66
72,60
84,77
diferentes
tipos
de
pinturas
estudiadas.
Cápsula llena húmeda Cápsula llena seca (g) Picnómetro
(g)
vacio (g)
88,66
84,34
130,00
81,60
77,33
130,00
94,77
89,60
130,00
Picnómetro
lleno (g)
250,62
248,14
245,62
Determinación del tamaño y distribución de partículas de los diferentes
tipos de pinturas, según la fórmula actual
Para llevar a cabo el ensayo se utilizaron dos instrumentos: el primero fue
empleando la piedra Hegman y posteriormente el equipo Malvern Mastersizer.
Los valores obtenidos se muestran en la tabla 3.3
El ensayo se realizó empleando el siguiente procedimiento:
Se colocó una muestra de pintura proveniente de la etapa de dispersión, en
la parte más profunda de la piedra.
Se realizó el barrido con el aplicador, posteriormente se levantó la piedra
con la muestra aún húmeda.
Finalmente, en contra luz se realizó la medida correspondiente, el resultado
se encuentra en la tabla 3.3
La segunda forma de determinar el tamaño de partícula consistió en
colocar una pequeña muestra de las diferentes pinturas en el equipo Malvern
Mastersizer, con el mismo se pudo obtener un registro grafico inmediato, en el
cual se observa la distribución de tamaño de partícula. Las figuras se pueden
apreciar en el anexo C.
Tabla 3.3. Tamaño y distribución de partículas de los diferentes
recubrimientos.
Pinturas
Parámetros
A
B
C
Finura (Hegman)
3,50
3,50
3,50
D (v, 0,5)
5,71
8,04
9,12
D (v, 0,9)
15,80
21,36
25,59
48
3.1.5
Determinación del comportamiento reológico de las pinturas tipo A, B y
C, según la fórmula actual
Para obtener información para el desarrollo de este análisis fueron
necesarios hacer ensayos de determinación de viscosidad mediante el uso de los
viscosímetros Brookfield LV y KU-2. En el viscosímetro Brookfield LV se
tomaron medidas de viscosidad y porcentaje de torque a diferentes velocidades
que van desde 1 hasta 100 rpm, para los diferentes tipos de pinturas. En el KU-2,
dado que no se puede variar la velocidad, se trabajó a una velocidad constante de
200 rpm, equivalente a una velocidad de corte de 50 seg-1.
El procedimiento empleado durante el uso del viscosímetro Brookfield
se describe a continuación, mientras que en las tablas 3.4 y 3.5 se muestran las
datas obtenidas, empleando las agujas 63 y 64 respectivamente.
Se seleccionó la aguja adecuada para cada muestra, la cual depende de la
viscosidad.
Mediante ensayo y error se encontró que las agujas correctas para medir las
viscosidades de pinturas son la 63 y 64.
Los datos de viscosidad fueron aquellos en los que el porcentaje de torque
fue mayor a 10 %.
Las muestras se mezclaron hasta homogeneizar y se agregaron en un vaso
de precipitado de 600 ml.
Se tomaron los datos de viscosidad y porcentaje de torque reportados por el
equipo, para determinar la velocidad de corte y esfuerzo cortante.
3.2
Determinación de las composiciones adecuadas de espesantes celulósicos
o acrílicos que permitan la reducción de los problemas de sinéresis y tixotropía
de estos recubrimientos
En esta sección del trabajo se tomó una muestra de cada una de las
diferentes clases de pinturas (A, B y C), con la fórmula original, para evaluar el
comportamiento de la viscosidad en función del tiempo, empleando para ello el
viscosímetro Brookfield KU-2. Este viscosímetro rotacional está compuesto de un
huso y una paleta. El huso gira a 200 rpm y al sumergir la paleta en el
revestimiento de muestra, el equipo calcula automáticamente el valor de la
49
viscosidad a la potencia necesaria para que el huso gire a 200 rpm. A las muestras
se les realizaron un seguimiento de la viscosidad cada 15 días durante tres meses y
medio, se tomó este intervalo ya que el mismo es el mayor tiempo que tarda una
pintura en almacenamiento dentro de la empresa. Cabe destacar que no se midió la
viscosidad diariamente para evitar la dilución del material por descomposición en
su estructura, es decir, si se destapa diariamente él envase donde está contenida la
pintura se produce contaminación de la misma. Los datos obtenidos están
reportados en la tabla 3.6
Tabla 3.4. Valores de viscosidad
viscosímetro Brookfield a diferentes
y
de torque reportados por el
velocidades y empleando la aguja 63
(formula actual).
Pintura
C
B
A
Velocidad (rpm)
1
1,5
2
2,5
3
4
5
6
10
12
1
1,5
2
2,5
3
4
5
6
10
12
1
1,5
2
2,5
3
4
5
6
10
12
Torque (%)
18,4
26,7
30,7
35,9
38,8
46,5
53,2
59,2
79,9
88,5
21
29,5
35,3
40,3
44,8
52,7
59,7
65,5
86,7
95,2
28,1
32,7
35,4
38,8
42,2
49,1
55,9
61,3
83,2
92,3
Viscosidad (cp)
21600
18800
17400
15980
15520
13950
12770
11800
9590
8850
25200
23600
21180
19340
17920
15810
14330
13100
10400
9520
35500
26000
21120
18480
16840
14730
13420
12280
9970
9220
50
Tabla 3.5. Valores de viscosidad y de torque reportados por el
viscosímetro Brookfield a diferentes velocidades y empleando la aguja 64
(formula actual)
Pintura
C
B
A
Velocidad (rpm)
20
30
50
60
100
20
30
50
60
100
20
30
50
60
100
Torque (%)
33,4
41,3
52,6
57,3
71,8
41.8
51.1
64.1
68.8
83
25,1
31,2
39,7
43,2
52,6
Viscosidad (cp)
8100
7030
6000
5730
4308
8200
7900
7100
6880
4980
7470
6240
4750
4320
3150
Tabla 3.6 Efecto del tiempo de almacenamiento en las viscosidades de las
pinturas (fórmula actual)
Viscosidad Stormer (cp)
Tiempo
(días)
TIPO
A
TIPO
B
TIPO C
0
1170
985
944
15
1137
980
930
30
1120
976
910
45
1117
963
884
60
1115
960
860
75
1100
940
830
90
1090
910
800
105
1040
850
780
51
Con el fin de reducir los problemas de sinéresis y tixotropía que
presentan los diferentes tipos de pinturas se realizaron los siguientes ensayos:
Formulación de una pintura con menos espesante (hidroxietilcelulosa) y sin
variar el resto de los componentes (cargas, pigmentos, ligante, etc.) y
manteniendo las mismas proporciones.
Formulación de una pintura con más espesante, y el resto sin variar
Formulación de una pintura con un espesante acrílico
Para cada uno, se determinó la viscosidad y el torque, usando el
Brookfield, con estos valores (reportados en la tabla 3.7 hasta 3.9) y empleando el
mismo procedimiento y los cálculos que para el análisis del comportamiento
reológico de las pinturas según la fórmula actual, se determinó la velocidad de
corte y esfuerzo de corte; posteriormente se construyeron las respectivas curvas
para compararlas con las fórmulas actuales.
Tabla 3.7 Efecto reológico para una pintura, disminuyendo la cantidad
de Hidroxietilcelulosa usando el
viscosímetro Brookfield a diferentes
velocidades y empleando las agujas 63.
Velocidad
(rpm)
Torque (%)
Viscosidad (cp)
3,0
10,3
4160
4,0
11,9
3570
5,0
13,2
3170
6,0
14,6
2900
10,0
20,0
2400
12,0
22,5
2260
20,0
31,0
1860
30,0
40,3
1616
50,0
55,8
1339
60,0
63,4
1270
100,0
85,7
1031
52
Tabla 3.8. Efecto reológico para una pintura, aumentando la cantidad
de Hidroxietilcelulosa usando el
viscosímetro Brookfield a diferentes
velocidades y empleando la aguja 63.
Velocidad(r
pm)
3,0
4,0
5,0
6,0
10,0
12,0
20,0
30,0
50,0
60,0
100,0
Torque (%)
30,6
34,4
36,7
38,5
40,0
42,9
45,0
46,6
54,6
57,0
63,0
Viscosidad(
cp)
16600
14970
13660
12600
10210
9450
1800
1492
1147
1032
770
Tabla 3.9. Efecto reológico para una pintura, usando un espesante
acrílico, viscosímetro Brookfield empleando la aguja 63.
Velocidad (rpm)
3,0
4,0
5,0
6,0
10,0
12,0
20,0
30,0
50,0
60,0
100,0
Torque (%)
13,6
15,3
16,6
17,9
22,9
25,2
32,9
41,2
54,4
60,5
81,5
Viscosidad (cp)
5540
4590
3980
3580
2750
2520
1974
1644
1308
1208
977
También se tomaron muestras de pinturas de marcas reconocidas como por
ejemplo Solintex y Dominó a las cuales se les midió el torque y la viscosidad con
el Brookfield, para la primera mencionada se trabajo solamente con la aguja 64,
mientras que para la segunda se utilizó la aguja 63 en la mayoría del rango de
53
velocidad desde (1 hasta 60) rpm y solo para 100 rpm la aguja 64, los datos se
encuentran en la tabla 3.10 y 3.11 respectivamente.
Tabla 3.10 Efecto en el comportamiento reológico de otra marca
comercial empleando la aguja 64 del Brookfield.
Velocidad
(rpm)
4
5
6
10
12
20
30
50
60
100
Torque (%)
12,1
13,2
14,4
18,4
20,1
25,6
31,1
39,0
42,2
51,7
Viscosidad
(cp)
18200
15800
14400
11040
10050
7650
6220
4680
4220
3102
Tabla 3.11 Efecto en el comportamiento reológico de la pintura Dominó
empleando la aguja 63y 64 del Brookfield.
Velocidad
(rpm)
4
5
6
10
12
20
30
50
60
100
Torque (%)
31,7
35,1
38,4
51,0
55,7
72,7
89,5
91,7
93,0
32,1
Viscosidad
(cp)
9480
8420
7660
6100
5550
4350
3576
1098
480
384
54
3.3
Evaluación de la influencia de agitación en el comportamiento reológico
del producto
En la fabricación de las pinturas es fundamental que los pigmentos estén
bien dispersados para aprovechar el poder tintóreo y de esa manera mejorar el
cubrimiento de la superficie al aplicar el revestimiento.
Para determinar la influencia de la agitación en el comportamiento
reológico de las pinturas se efectuaron varios ensayos, en la etapa de dispersión de
los pigmentos y cargas en la máquina mezcladora, para lo cual fue necesario
realizar variaciones de la velocidad de agitación del dispersor. Las
especificaciones del proceso de agitación son las siguientes:
___El dispersor puede operar hasta una velocidad máxima de 1500 rpm.
___La velocidad se puede variar en tres intensidades (500, 1000 y 1500)
rpm
___La velocidad de operación normal en la etapa de dispersión es de 1000
rpm, ___siendo esta la mayor velocidad que se alcanza en todo el proceso.
____En la etapa de completado, la velocidad debe ser menor (500 rpm) para
evitar la formación de espuma.
____El tiempo de agitación de la dispersión es de 5 a 10 min.
Después del proceso de dispersión se midió el tamaño de partícula,
empleando el medidor de finura Hegman, cuyo uso fue descrito previamente en el
punto 3.1.5 y en la sección 2.3.3.5 de este trabajo, esta medida resultó complicada
realizar ya que la muestra que se tomó, tenía baja viscosidad, por la cantidad
considerable de agua que se utiliza para esta etapa del proceso, sin embargo una
vez finalizado el proceso de elaboración se tomo la respectiva muestra de pintura
tipo A a 1000 rpm.
Posteriormente se varió la velocidad a 500 y 1500 rpm para una pintura tipo
A, sin hacer ningún otro cambio en la formulación, utilizando el viscosímetro
Brookfield KU-2, y se determinó la viscosidad, los datos están referidos en la
tabla 3.12.
55
Tabla 3.12. Viscosidad de una pintura tipo A, a diferentes velocidades y
tiempo de agitación.
Velocidad
de Tiempo (min)
agitación (rpm)
5
500
10
15
20
5
1000
10
15
20
5
1500
10
15
20
Viscosidad (ku)
103
106
108
106
105
102
106
110
109
108
110
107
Se puede deducir por las medidas de viscosidad obtenidas, que no hay
un cambio significativo en la viscosidad de las pinturas al variar la velocidad de
agitación del proceso, lo mismo ocurre al prolongar el tiempo. Esto puede ser
atribuido al uso de una elevada cantidad de agua, es por esta razón se realizaron
evaluaciones variando la cantidad de agua empleada en esta etapa. Para cada
corrida se realizó la medida de dispersión empleando la piedra Hegman.
Inicialmente se realizaron las corridas basadas en la metodología
empleada por la empresa, la cual usa la proporción más alta de agua para la
dispersión de los pigmentos y cargas. Luego se fueron realizando otras corridas
disminuyendo progresivamente el volumen de agua. En la tabla 3.13 se muestran
las corridas efectuadas y los resultados obtenidos.
En la misma se puede visualizar que se varió la proporción de agua
empleada en la dispersión desde el 80% en volumen (procedimiento original)
hasta el 20%, obteniéndose para esta última una mejor dispersión, como así lo
indica la lectura del grindómetro. Para cada corrida, una vez realizada la medida
de la dispersión se procedió a agregar el agua restante de la formulación para
terminar la carga con la formulación original del fabricante. Cabe destacar que se
56
repitió el mismo procedimiento en una segunda oportunidad, es decir se varió
nuevamente la cantidad de agua de 80 a 20% en volumen con el fin de corroborar
la información obtenida, razón por lo cual se realizaron un total de 14 corridas.
Tabla 3.13 Datos de concentración de agua utilizada para la dispersión
de pigmento y cargas para la pintura tipo A.
Corridas
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
% Agua
80
70
60
50
40
30
20
80
70
60
50
40
30
20
Finura (Hegman)
3,5
3,5
3,5
3,5
4
4,5
5,5
3,5
3,5
3,5
4
4,5
5,5
6,5
Es importante mencionar que durante la elaboración de la pintura, del total
de agua a emplear en la formulación, el fabricante utiliza un 80% para la
dispersión de la carga y pigmentos y destina un 20% para la dilución del espesante
antes de agregarlo a la maquina mezcladora para completar la formulación.
Posteriormente se tomaron dos muestras de pinturas del mismo tipo sin
variar las proporciones y componentes
de sus formulaciones, con la única
diferencia del grado de finura de la dispersión, una con una finura de 3.5 Hegman
y la otra de 6,5 Hegman, a cada una se les evaluó el comportamiento reológico,
los datos están reportados en la tabla 3.14
Demostrado que se debe tener alta consistencia si se desea obtener
buena fineza, se repite el procedimiento variando la velocidad de agitación de la
57
maquina mezcladora, manteniendo un tiempo constante de 10 min. Los datos se
encuentran referidos en la tabla 3.15
3.4
Establecer la mejor relación calidad-precio, en base a las modificaciones
necesarias (pigmentos, cargas, espesantes y resina) en la formulación de las
pinturas estudiadas
Con el propósito de obtener la mejor relación calidad precio, se realizaron
cambios en las proporciones de los diferentes tipos de pinturas (A, B y C)
elaborados por la empresa, estos cambios se muestran en la tabla 3.16.
Para llevar a cabo este objetivo, se tomaron como base la calidad y el
precio de las pinturas de diferentes marcas reconocidas, para compararlas con las
pinturas elaboradas por la empresa con la formulación actual y la propuesta.
En la tabla 3.17 se reportan los parámetros de calidad con sus respectivos
precios para una pintura tipo B.
Tabla 3.14
Datos de velocidad, porcentaje de torque y viscosidad
reportados por el viscosímetro Brookfield, utilizando la aguja 63 y 64, para
una pintura tipo A de
Aguja
63
64
finura 6,5 Hegman.
Velocidad (rpm)
Torque (%)
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
4,0
5,0
6,0
10,0
12,0
20,0
30,0
50,0
60,0
100,0
41,6
52,2
61,1
68,6
75,1
86,7
96,4
12
16,8
18,7
25,1
31,2
39,7
43,2
52,6
Viscosidad
(cp)
49900
41760
36660
32930
29984
25957
23160
21500
19500
17800
13320
10460
7640
6820
4938
58
Tabla 3.15 Determinación de la viscosidad de una pintura tipo A, a
diferentes velocidades de agitación
Velocidad
de Numero de muestra
agitación (rpm)
1
500
2
3
1
1000
2
3
1
1500
2
3
Viscosidad (ku)
89,70
90,00
92,30
110,60
111,00
111,30
120,30
124,00
125,70
Tabla 3.16 Cambios realizados a las pinturas tipo A, B y C
(formulación propuesta).
Componentes
Tipo A
Tipo B
Tipo C
Pigmentos
Se aumentó
Se aumentó
Se aumentó
Cargas
No se vario
Se disminuyó
Se disminuyó
Espesante
Se disminuyó
Se disminuyó
Se disminuyó
Resina
Se aumentó
Se aumentó
No se vario
Dispersante
No se vario
No se vario
No se vario
Agua
No se vario
Se disminuyó
No se vario
Aditivos
No se vario
No se vario
No se vario
Nota: La información reportada en la tabla 3.16 es de carácter cualitativo ya
que no se pueden indicar los valores reales por que son confidenciales de la
empresa.
59
Tabla 3.17 Parámetros de calidad para una pintura tipo B de diferentes
marcas en el mercado.
América
actual
Características
Domino
Solintex
América
propuesta
% de sólidos
52,64
37,00
49,00
46,00
pH
7,7
7,46
7,68
7,69
Densidad
(g/ml)
1,43
1,20
1,37
1,39
Viscosidad
(ku)
98,00
91,60
97,00
92,80
Cubrimiento
Bueno
Bueno
Excelente
Excelente
CVP (%)
82,00
N.D
N.D
70,00
Finura
(Hegman)
3,50
N.D
N.D
6,50
96,00
56,00
47,00
Precio por Gal
(Bs)
39,00
3.5
Equipos, materiales y sustancias
3.5.1
Equipos
___ Viscosímetro KU-2, marca BYK Gardner
___ Balanza analítica de precisión. 3000 g +/- 0,01 gramos, marca
Saltorius.
___ Medidor de pH, marca OAKTON, pH 11 Series.
___ Medidor de tamaño de partícula, modelo Malvern.
___ Dispersor de alta velocidad (diseño propio de la empresa).
___ Medidor de finura, piedra Hegman, precisión Gage & tool c.o.
___ Viscosímetro LV, marca Brookfield
3.5.2
Materiales
___Lenetas para medir cubrimiento BYK # 3305702.
___Beakers (20, 50, 100, 200, 500 y 600) ml
___Cilindros Graduados (100, 500) ml
60
___Varillas de vidrio.
___Termómetro (0 a 100 °C)
3.5.3
Sustancias:
___Pinturas emulsionadas tipo A, B y C.
___Resinas (acrovinílicas)
___Antiespumantes
___Carbonatos (base carbonato de calcio)
___Dióxido de titanio (tipo rutilo)
___Dispersante (tipo silicato de sodio)
___Espesante (hidroxietil celulosa)
Todos los equipos, materiales y sustancias mencionadas se encuentran
disponibles en el laboratorio de la empresa, a excepción del medidor de tamaño de
partículas Malvern. Se pudo tener acceso a dicho medidor de partículas con la
colaboración del proveedor de carbonatos de la empresa (Micronizados Caribe
C.A). Igualmente se contó con el apoyo del Laboratorio de Hidrocarburos de la
Universidad de Oriente Núcleo de Anzoátegui para el uso del viscosímetro marca
Brookfield LV.
3.6
Muestra de cálculos
3.6.1
Viscosidad y pH promedio
Con los datos de viscosidad y pH de las muestras de cada tipo de pintura
mostrados en la tabla 3.1 se calculó la viscosidad y el pH promedio.
Por ejemplo para una pintura tipo A:
µ=
µ=
(µ1 + µ 2 + µ 3 ) Ku
(108 + 109 + 107) Ku = 108 Ku
pH =
3
(pH1 + pH 2 + pH 3 )
3
3
61
pH =
(7,1 + 7,3 + 7,1) = 7,17
3
El mismo procedimiento se aplicó para las pinturas tipo B y C, los
resultados están reportados en la tabla 4.1.
3.6.2
Porcentaje de sólidos
Se calcula el porcentaje de sólidos para cada tipo de pintura empleando los
datos mostrados en la tabla 3.2 y la ecuación 2.4.
Para una pintura tipo A:
Pintura húmeda= (78,66 – 88,66) g = 10,00 g
Pintura seca = (84,34 – 78,66) g = 5,68 g
% Sólidos = 100 −
(10,00 - 5,68) x100
10
% Sólidos = 56,80 %
El mismo procedimiento se aplica para la pintura tipo B y C, los resultados
están reportados en la tabla 4.1.
3.6.3
Determinación de la densidad de los recubrimientos
Empleando los datos de la tabla 3.2 se calcula la densidad, por ejemplo para
una pintura tipo A, es como sigue:
Masa de pintura= picnómetro lleno – picnómetro vacío
Volumen del picnómetro= 83,2 ml
Masa de pintura= (250,62 – 130,00) g = 120,62 g
ρ=
g
120,62 g
= 1,45
ml
83,20 ml
62
El mismo procedimiento se aplica para la pintura tipo B y C, los
resultados están reportados en la tabla 4.1
3.6.4
Determinación de la concentración de volumen de pigmento (CVP).
El CVP se calculó mediante las ecuaciones 2.1 y 2.3 La fórmula índica que
se deben expresar los valores numéricos en función del volumen de los productos
sólidos del recubrimiento, para lo cual se hace uso de la densidad de cada uno de
los materiales.
La masa de cada componente de la pintura, se conoce de la formulación
de la misma, la cual en este caso está expresada en kilogramos y a partir de los
datos suministrados por el proveedor de resina acrovinílica de la empresa, cuya
hoja de especificaciones indica que el porcentaje de sólidos que contiene es de
55% y una densidad de 1,08 kg/l de resina húmeda.
ρ resina seca =
55
⎛ 100 ⎞
⎜
⎟ − (100 − 55)
⎜ 1,08 ⎟
⎝
⎠
ρ resina seca = 1,16
x100
kg resina seca
.
litro de resina seca
masa resina seca = masa resina húmeda.
kg resina seca
kg resina húmeda
masa resina húmeda = 4 kg
masa resina seca = 4 kg resina húmeda x 0,55
masa resina seca = 2,22 kg
kg resina seca
kg resina húmeda
El volumen de resina seca también puede expresarse como:
volumen resina seca =
m
ρ
63
volumen resina seca =
2,22 kg resina seca
⎛ kg resina seca ⎞
⎟⎟
1,16 ⎜⎜
⎝ litros resina seca ⎠
volumen resina seca = 1,897 litros resina seca
(0,31 + 4,08) litros x100
(0,31 + 4,08 + 1,897) litros
Para una pintura A:
CVP =
CVP = 69,90 %
De igual forma se calculo el CVP de la pintura tipo B y C, los
resultados obtenidos fueron reportados en la tabla 4.1
Determinación de la velocidad de corte y el esfuerzo de corte.
Con los datos arrojados por el viscosímetro Brookfield LV y reportados en
las tablas 3.4 y 3.5 para las agujas 63 y 64 respectivamente, se determinó la
velocidad de corte a través de una ecuación que emplea un factor según el modelo
de viscosímetro y las revoluciones por minuto (rpm), la cual está señalada en el
manual del instrumento.
La relación señalada por el manual para calcular la velocidad de corte,
es la siguiente:
Velocidad de corte= 0,209 N
Donde N= RPM
Por ejemplo para una pintura tipo A, y un valor de N= 10 RPM
Velocidad de corte= 0,209x10= 2,09 seg-1
De igual forma se calculan las velocidades de corte para el resto de las
rpm que va desde 1 hasta 100, las cuales están reportadas en la tabla 4.2, ahora
con la velocidad de corte y la viscosidad que también es dada por el viscosímetro
para cada rpm, se calcula el esfuerzo de corte, que se despeja de la Ec.2.2
quedando como sigue:
τ = Dxµ
64
τ = 2,09 seg− 1 x 9970 cp x
1poise
dinas
= 208,37
cm
100cp
De la misma forma se calcula para todo el rango de rpm y para el resto de
las pinturas, los resultados se encuentran reportados en los gráficos del capitulo 4.
Para todos los datos reportados por el viscosímetro Brookfild LV referidos en
este capítulo se utilizó la ec.5 para calcular el esfuerzo de corte con el cual se
obtuvo el comportamiento reológico de todas las pinturas analizadas.
CAPITULO IV
4
RESULTADOS, CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
4.1
ANÁLISIS
DE
LAS
PROPIEDADES
FISICOQUÍMICAS
Y
REOLÓGICAS DE LAS PINTURAS TIPO A, B y C, SEGÚN LA FÓRMULA
ACTUAL
Con los resultados de viscosidad para cada tipo de pintura, reportado en la
tabla 4.1, los cuales son relativamente cercanos, se infiere que las mismas
presentan una buena consistencia, por lo cual al ser visualizadas tienden a tener
una buena aceptación, motivado a la generalización del concepto de que “a mayor
viscosidad se tiene mayor calidad”. Cabe destacar que en cuento al porcentaje de
sólidos la pintura tipo C tiene el menor porcentaje, la misma está formulada de esa
manera para minimizar su valor económico, mientras que por el contrario la tipo
A tiene mayor porcentaje de sólidos porque debe tener mayor poder cubriente,
conferido por el pigmento y las cargas así como la resistencia al desgaste que le
atribuye la película de resina seca.
Tabla 4.1 Parámetros fisicoquímicos de los diferentes tipos de pinturas
(formula actual).
Pinturas
Parámetros
A
B
C
Viscosidad (ku)
108,00
100,66
91,33
CVP (%)
Porcentaje
sólidos (%)
69,90
82,00
90,00
56,80
52,64
48,37
7,16
7,70
7,96
Densidad (g/ml) 1,45
Finura (Hegman) 3,50
1,42
3,50
1,39
3,50
D (v, 0,5)
5,71
8,04
9,12
D (v, 0,9)
15,80
21,36
25,59
pH a 25 °C
de
66
La concentración en volumen de pigmento es mayor para la pintura tipo
C, lo que indica que posee menor resistencia a la intemperie. Aunque por el valor
del CVP de la misma se puede suponer un buen cubrimiento, éste no es el caso,
debido a la calidad de las cargas que la conforman, las cuales confieren el índice
de refracción según el tipo de material. Para las pinturas B y A, la Concentración
de volumen de pigmento (CVP) también es elevado, lo cual es atribuido a una alta
cantidad de carga.
Los valores de pH están dentro de los parámetros establecidos por la
norma covenin 676, se puede decir que las pinturas presentan un pH que no es
abrasivo para la salud del cliente.
En cuanto al grado de finura de las pinturas, resultante de la etapa de
dispersión de cada una, se tiene un valor similar y bastante alto al medirlo
empleando la piedra Hegman. Con estos resultados se puede establecer que no se
aprovecha todo el poder tintóreo del pigmento, además de afectar la estabilidad de
la dispersión induciendo a la sedimentación (por lo grueso del aglomerado de
partículas).
En cuanto a la distribución del tamaño de partícula entre las pinturas
cuando se emplea el Mastersizer, se observa diferencias entre ellas, siendo la de
mayor distribución la pintura tipo A para un 50% de la muestra y aún superior
para un 90%.
En la figura 4.1 se muestra que a medida que se incrementa la velocidad
de corte el esfuerzo de corte aumenta de manera desproporcional para los
diferentes revestimientos base agua estudiados (Tipo A, B y C), el
comportamiento reológico es de fluidos no Newtonianos. También se puede
observar que para una velocidad de corte menor a 4 seg-1 el comportamiento es
similar, lo cual puede atribuirse a que presentan en su formulación porcentajes de
sólidos cercanos, sin embargo la tendencia de la curva de la pintura A es más
uniforme, ya que el gradiente de esfuerzo de corte es menor y a medida que esta
aumenta se diferencia del resto de las pinturas, esto es atribuible a la presencia de
67
mayor contenido de ligante (resina) y de menor concentracion de volumen de
pigmento y por otra parte aunque la pintura tipo B debería tener menor esfuerzo
de corte que la pintura tipo C, lo cual no es el caso, posiblemente motivado a la
distribucion de tamaño de partícula de las mismas, es decir que no hubo una
buena dispersion de los pigmentos en la pintura tipo B.
Figura 4.1 Variación reológica de las pinturas base agua (formula actual).
Figura 4.2 Variación de la viscosidad con la velocidad de corte para los
diferentes tipos de pinturas.
En la figura 4.2 se puede observar que la viscosidad disminuye a
medida que aumenta la velocidad de corte, donde se describe el comportamiento
pseudoplástico de las pinturas, es decir; a baja velocidad de corte se tiene alta
viscosidad y a medida que aumenta la velocidad cortante disminuye la misma.
68
Este comportamiento índica una ruptura o reorganización continua de la estructura
molecular, dando como resultado una menor resistencia al flujo. Para valores
mayores a 4 seg-1 las curvas presentan un comportamiento cercano al Newtoniano.
También se puede observar que la pintura que tiene muy alta viscosidad
a bajo esfuerzo de corte es la tipo A, entonces se puede deducir que aunque tiene
menor cantidad de espesante celulósico que las pinturas tipo B y C, el contenido
del mismo sigue siendo alto para la formulación actual, por lo que se pudiera
disminuir el mismo sin afectar considerablemente la calidad del producto y de esa
manera disminuir el costo de fabricación.
En la figura 4.3 se puede visualizar ampliamente el rango de
comportamiento reológico de las pinturas estudiadas, se puede observar que
después de una velocidad de corte de 20 seg-1 las pinturas muestran un
comportamiento diferente, en donde el esfuerzo de corte disminuye, a diferencia
de la pintura tipo A, la cual sigue presentando un comportamiento cercano al
Newtoniano.
En la figura 4.4 se aprecia que los diferentes tipos de pinturas
mantienen un comportamiento pseudoplástico. Aunque para velocidades de corte
superior a 20 seg-1 tienen un comportamiento constante, lo que se puede traducir
como la existencia de una buena capacidad de aplicación de los recubrimientos, ya
que a velocidades de corte alta se puede simular la aplicación de la pintura, y un
comportamiento uniforme supone que la pintura se expande sobre la superficie
adecuadamente, es decir sin producir el efecto de lluvia (escurrimiento).
69
Figura 4.3 Variación del esfuerzo cortante de los diferentes tipos de pintura.
Figura 4.4 Variación de la viscosidad de las pinturas con la velocidad de
corte.
4.2
DETERMINACIÓN DE LAS COMPOSICIONES ADECUADAS DE
ESPESANTES CELULÓSICOS O ACRÍLICOS QUE PERMITAN LA
REDUCCIÓN DE LOS PROBLEMAS DE SINÉRESIS Y TIXOTROPÍA DE
ESTOS RECUBRIMIENTOS
Se ha observado que en las pinturas base agua obtenidas, a medida que
transcurre el tiempo disminuyen sus viscosidades, posiblemente como
consecuencia de diversas interacciones entre sus componentes, inestabilidad de la
dispersión alcanzada y/o de la degradación natural del producto entre otras causas.
De las diferentes tipos de pintura analizadas, la tipo C, es la que presenta una
mayor disminución de la misma, aunque tiene un valor alto para un tiempo cero,
entendiéndose como cero el tiempo en que se toma la primera medida de
viscosidad un día después de fabricada la pintura.
70
Aunque la pintura tipo C contiene más espesante que el resto de las
pinturas, también es la que posee el menor contenido de sólidos (mayor porcentaje
de concentración de volumen de pigmento). Cuando la CVP se aproxima al 100
%, quiere decir que la pintura contiene muy poca cantidad de resina, lo que
equivale a una pintura económica y de bajo desempeño. Cuando tiende a 0 %,
quiere decir que el contenido de resina es muy alto, con lo cual seguramente se
tendrá un muy alto desempeño, un acabado brillante y también alto costo.
La pintura tipo C es también la que posee mayor porcentaje de agua, la
cual tiende a favorecer la degradación del producto en el tiempo.
Se puede establecer entonces que aunque una pintura esté formulada
con mayor cantidad de espesante no necesariamente será de mayor calidad y se
verá afectada por el tiempo de almacenaje. Estos comportamientos se muestran en
la figura 4.5.
En cuanto al fenómeno de tixotropía, se pudo constatar en base al
cambio de la viscosidad en función del tiempo, que el mismo disminuye a medida
que aumenta la calidad de la pintura, recordando que la pintura tipo C es la de
menor calidad y precio, la tipo B es intermedia y la tipo A posee los valores más
altos.
Figura 4.5 Variación de la viscosidad en función del tiempo de
almacenamiento para los diferentes recubrimientos a base de agua (curva
tixotrópica).
71
Se realizaron ensayos variando la cantidad de espesante para una misma
formulación de pinturas, a fin de concer la influencia del mismo. A nivel visual
las pinturas se notan diferentes ya que algunas se ven mas espesas que otras; sin
embargo durante las pruebas realizadas se obtuvo que su comportamiento
reológico durante la aplicación es igual ya que se comportan de la misma manera
a velocidades de corte superiores a 5 seg-1 (zona de baja velocidad de corte que es
donde se aprecia la consistencia del producto final). En la figura 4.6 se aprecia
este comportamiento. Cuando se aumentó el espesante se observa que tienen alta
viscosidad mientras que en los casos donde se sustituyó la hidroxietilcelulosa
(espesante celulósico) por espesante acrílico o se disminuyó la proporción de la
hidroxietilcelosa, se tiene un comportamiento relativamente constante, lo que se
traduce en una menor tixotropia.
Figura 4.6 Variación de la viscosidad con la velocidad de corte modifica el
Contenido de espesante en las pinturas.
En la figura 4.7 se observa que la formulación actual de la pintura tipo B
tiene un comportamiento distinto al resto de las pinturas con las cuales se
comparó. Mientras que la fórmula propuesta para la pintura tipo B se encuentra
dentro de los rangos de dos pinturas de otras marcas, donde la pintura Dominó
tiene menor gradiente de esfuerzo cortante, lo que supone bajo CVP, por lo cual
72
posee un mejor comportamiento reológico, buena resistencia al manchado y a la
intemperie. La fórmula propuesta también posee mayor cantidad de ligante o
resina que la Solintex lo que le aporta mayor resistencia a la intemperie que esta,
pero sin embargo muestra una resistencia menor que la pintura Dominó. En la
figura 4.8 se observa que la fórmula propuesta (cuya composición es de uso
exclusivo de la empresa) y la dominó son las que tienen mejor comportamiento en
la zona de baja viscosidad, ya que la fórmula actual y la Solintex tienen muy alta
viscosidad a baja velocidad de corte.
Figura 4.7 Variación del esfuerzo de corte con la velocidad para la fórmula
actual de una pintura tipo B, la fórmula propuesta y otras marcas de tipo similar.
73
Figura 4.8 Variación de la viscosidad con la velocidad de corte para la
fórmula actual de una pintura tipo B, la fórmula propuesta y otras marcas de tipo
similar.
4.3
EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DE AGITACIÓN EN EL
COMPORTAMIENTO REOLÓGICO DEL PRODUCTO
Figura 4.9 Variación de viscosidad de las pinturas a diferentes velocidades
de agitación.
74
En cuanto a la influencia de la velocidad de agitación en la etapa de
dispersión de los pigmentos, se determinó que la misma no era la más adecuada.
Debido a que aún cuando se variaban las revoluciones del eje de agitación desde
500 rpm a 1500 rpm, no se obtenía una buena dispersión de la carga. Esto se
atribuyó finalmente a la poca consistencia que posee la carga siguiendo el
procedimiento normal de preparación que emplea la empresa, ya que cuando la
carga tiene alto contenido de agua, se tiene poca efectividad al momento de
realizar los choques entre partículas y las tensiones de cizallamiento entre los
componentes la etapa de dispersión. Por esta razón, se hizo una evaluación de la
consistencia más adecuada durante la etapa de preparación de la pintura. Mediante
los ensayos realizados se obtuvo que la mezcla de pigmento y cargas debían
agregarse con un menor contenido de solvente (agua) a fin de tener una mayor
viscosidad, la cual a su vez favorece la fricción entre las partículas de la carga y
produce una buena finura en el producto.
En la figura 4.9 se observa que a medida que se incrementa el
cizallamiento o la tensión del impacto sobre las partículas, éstas se rompen
aumentando la dispersión. Cuando se dispersa en mayor grado el dióxido de
titanio, es posible obtener una mejor finura en un lapso de 5 a 10 minutos; y este
parámetro no mejora de manera apreciable cuando se aplican tiempos mayores, es
decir que prolongar el tiempo de dispersión en la fabricación de las pinturas no
reduce el tamaño de partícula de los pigmentos y cargas sino se selecciona
correctamente el esfuerzo de cizallamiento.
Como se pude apreciar en la figura 4.10, la finura juega un papel
fundamental en el comportamiento reológico de las pinturas, mientras mayor sea
la finura la misma presenta un mayor esfuerzo cortante para los mismos valores
de velocidad de corte, es decir,
que si las propiedades de dispersión son
deficientes, no se aprovecharía el comportamiento reológico más adecuado de las
pinturas. Con este cambio en el procedimiento, la pintura emplearía la misma
formulación, pero se obtendría mejor grado de finura. El cambio sería a nivel de
procedimiento de preparación y no en la variación de las velocidades del eje del
dispersor.
75
Figura 4.10 Variación del esfuerzo de corte con la velocidad para diferentes
grado de finura.
En la figura 4.11 se observa que la pintura con una finura superior
alcanza una mayor viscosidad para un determinado valor de velocidad de corte, es
por ello que se propone mejorar las propiedades de dispersión aumentando la
velocidad de cizallamiento en el proceso de dispersión, para obtener altas
viscosidades, además de aprovechar todo el poder de cubrimiento que brindan los
pigmentos cuando se encuentran bien dispersos.
76
Figura 4.11. Variación de la viscosidad con la velocidad de corte para
diferentes grado de figura.
4.4
RELACIÓN
CALIDAD-PRECIO,
EN
BASE
A
LAS
MODIFICACIONES NECESARIAS (PIGMENTOS, CARGAS, ESPESANTES
Y RESINA) EN LA FORMULACIÓN DE LAS PINTURAS ESTUDIADAS
Para establecer una mejor relación calidad precio, se propone realizar los
cambios mostrados en la tabla 3.15, en cuanto al incremento de pigmento así
como también la mejora en el procedimiento de elaboración que otorga una
mayor velocidad de cizallamiento en la etapa de dispersión de pigmentos y
cargas, con los cuales se obtienen nuevos parámetros de calidad referidos en la
tabla 4.2, donde se puede apreciar una mejora en el cubrimiento de las pinturas
arquitectónicas; y aunque el porcentaje de sólidos y el CVP disminuyeron, la
calidad aumentó, porque aquí interviene el reemplazo de unos sólidos de calidad
inferior (carbonatos) por otros de calidad superior (dióxido de titanio).
Tabla 4.2 Parámetros de calidad de los diferentes tipos de pinturas
propuestas.
Características
% de sólidos
pH
Densidad
(g/ml)
Viscosidad
(ku)
Cubrimiento
CVP (%)
Finura
(Hegman)
Precio por Gal
(Bs)
Tipo A
50,00
7,07
Tipo B
46,00
7,69
Tipo C
43,60
7,77
1,40
1,39
1,30
98,00
Excelente
62,00
92,80
Excelente
70,00
89,0
Bueno
80,00
6,50
6,50
6,50
77,00
47,00
25,00
77
En la tabla 4.3 se muestran los precios por galón de los recubrimientos
según su formulación actual y la propuesta comparándola con los precios de
pinturas de buena calidad de marcas reconocidas por el mercado, donde se puede
apreciar que las pinturas elaboradas por la empresa tiene los precios más bajos del
mercado, y aunque los precios aumentaron para las formulaciones propuestas
también se incrementó considerablemente su calidad manteniendo una buena
relación calidad precio. En la
figura 4.12 se resume dicha información.
Tabla 4.3 Precios por galón de distintas marcas en el mercado
BOLIVARES POR GALÓN
Marcas
Tipo C
Tipo A
Solintex
-
-
Domino
47,00
170,00
América(actual)
19,00
69,00
América (propuesta)
25,00
77,00
Figura 4.12 Precios de los tipos de pinturas estudiadas.
78
En el grafico 4.12 se puede observar que aunque la fórmula propuesta
aumentó su precio en comparación con la actual, sigue siendo más económica que
las pinturas de otras marcas reconocidas.
79
4.5
CONCLUSIONES
1) Las propiedades fisicoquímicas de las pinturas tipo A, B y C fabricadas
por la empresa están dentro de los parámetros de calidad exigidos por la norma
COVENIN 1302:1996.
2) Las propiedades reológicas de las pinturas fabricadas con la formulación
original presentan un comportamiento no Newtoniano, es decir el esfuerzo de
corte de las pinturas tipo A, B y C no es proporcional a la velocidad de corte.
3) Las pinturas base agua tienen un comportamiento pseudoplastico, es decir
la viscosidad disminuye al aumentar la velocidad de corte.
4) Las viscosidades de las pinturas se ven afectadas por el tiempo,
presentando un efecto Tixotrópico.
5) La pintura tipo C presenta mayor tixotropía que las pinturas tipo B y C.
6) Al disminuir el espesante en una proporción adecuada no afecta
considerablemente la consistencia de las pinturas y el efecto tixotrópico
disminuye.
7) La viscosidad de las pinturas es directamente proporcional al porcentaje
de sólido que contienen.
8) El espesante confiere alta viscosidad a bajas velocidades de corte.
9) A altas velocidades de corte los pigmentos que marcan la pauta en el
comportamiento
arquitectónicos.
reológico
de
los
diferentes
tipos
de
recubrimientos
80
10) El proceso de dispersión que emplea la empresa actualmente no es el
más adecuado.
11) Para que haya una dispersión eficiente de los pigmentos la carga debe
tener una alta consistencia, por lo cual se debe cambiar el procedimiento de
elaboración (forma como se agrega la carga). Esto es lo que determina la
dispersión y no el incremento en la velocidad de agitación.
12) La culminación del proceso de fabricación de pinturas debe ser a baja
velocidad de cizallamiento para evitar la formación de espuma.
13) La viscosidad es directamente proporcional al grado de finura de la
pintura. Al aumentar la finura de los pigmentos aumenta la viscosidad de las
pinturas.
14) A mayor concentración de volumen de pigmento (CVP) se tiene mayor
viscosidad.
15) Se realizaron formulaciones nuevas y cambios de procedimiento de
fabricación que mejoraron la calidad (comportamiento reológico de las pinturas
A,B y C).
81
4.6
RECOMENDACIONES
1) Dada la complejidad de la formulación y la reología de las pinturas, se
considera conveniente realizar un estudio de la misma en sistemas más sencillos,
como por ejemplo, soluciones de espesante más agua, y posteriormente ir
adicionando gradualmente los componentes, a fin de evaluar la influencia de cada
uno y su interacción en el producto final, con el propósito de obtener la máxima
calidad de la materia prima.
2) Realizar ensayos en la etapa de dispersión aumentando la velocidad de
cizallamiento a valores superiores de 1500 rpm, para estudiar la influencia en el
comportamiento reológico en el producto final.
3) Modificar el procedimiento de elaboración que utiliza actualmente la
empresa, en la etapa de dispersión de los pigmentos, empleando el nuevo
procedimiento, el cual consiste en añadir la carga inicial de pigmento y carbonato
con bajo porcentaje de agua inicial, lo que proporciona mayor finura y dispersión
del producto.
82
BIBLIOGRAFIA
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83
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13. McCabe W.; Smith J. y Harriot P., “Operaciones Unitarias en Ingeniería
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17. Martens C., “Technology of paints, varnishes and lacquers”. Krieger,
New York.
84
M ETAD ATOS PARA TRABAJOS D E GRAD O, TESI S Y
ASCEN SO
TÍTULO
¨Estudio de la influencia de la formulación y del proceso de
elaboración en la calidad de diferentes tipos de
recubrimientos arquitectónicos para una fábrica de
pinturas”
SUBTÍTULO
AUTOR (ES):
APELLIDOS Y NOMBRES
CÓDIGO CVLAC / E MAIL
CVLAC: 15.154.573
Rico J. Jackeline R.
PALÁBRAS O FRASES CLAVES:
Pinturas
Pigmentos
Reología
Viscosidad
Viscosímetro Brookfield
EMAIL: jacqueline.rico.j@gmail.com
86
METADATOS PARA TRABAJOS DE GRADO, TESIS Y ASCENSO:
ÁREA
SUB ÁREA
Ingeniería y Ciencias Aplicadas
Ingeniería Química
RESUMEN (ABSTRACT):
El presente trabajo se inició analizando las fórmulas y procedimientos originales de
la empresa Pinturas América C.A., los cuales posteriormente se variaron de manera
controlada a fin de obtener de resultados tendentes a mejorar su calidad, teniendo
presente que el producto a obtener debe poseer características tales como: fácil
aplicación o esparcimiento, bajo escurrimiento y a su vez
homogénea posible en el interior del
permanecer lo más
envase entre otras. Antes de variar la
composición de las formulas originales de las pinturas se estudio su comportamiento,
obteniéndose que las mismas presentan las características de un fluido no
Newtoniano, tipo pseudoplástico, dado que la viscosidad obtenida disminuyó a
medida que se aumentó la velocidad de corte. También se apreció en las pinturas
analizadas el fenómeno de tixotropía, es decir, que la viscosidad de las pinturas
disminuyó a través del tiempo una vez en reposo el producto. Finalmente se
compararon las pinturas analizadas con otras de marcas reconocidas y de amplia
aceptación por el mercado, y los resultados fueron similares en comportamiento
reológico.
87
METADATOS PARA TRABAJOS DE GRADO, TESIS Y ASCENSO:
CONTRIBUIDORES:
APELLIDOS Y
NOMBRES
ROL / CÓDIGO CVLAC / E_MAIL
ROL
Cova B., Alexis J.
CVLAC:
E_MAIL
CA
AS(X)
TU
JU
V- 11.905.328
alexiscovab@gmail.com
E_MAIL
ROL
Solano H., Jesús R.
CVLAC:
E_MAIL
CA
AS
TU(X)
JU
V- 8.296.200
Jesus_solano_h@cantv.net
E_MAIL
ROL
Marfisi V., Shirley E.
CVLAC:
E_MAIL
CA
AS
TU
JU(X)
V- 10.301.828
shirleymarfisi@yahoo.com
E_MAIL
ROL
Moncada, Fidelina
CVLAC:
E_MAIL
E_MAIL
FECHA DE DISCUSIÓN Y APROBACIÓN:
2010
03
01
AÑO
MES
DÍA
LENGUAJE. SPA
CA
AS
TU
JU(X)
V- 13.366.691
fidelinamoncada@cantv.net
88
METADATOS PARA TRABAJOS DE GRADO, TESIS Y ASCENSO:
ARCHIVO (S):
NOMBRE DE ARCHIVO
TIPO MIME
Tesis.Estudio_formulación.doc
Aplicación/msword
CARACTERES EN LOS NOMBRES DE LOS ARCHIVOS: A B C D E F G H I J K L M N O P Q
R S T U V W X Y Z. a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9.
ALCANCE
ESPACIAL: Control
TEMPORAL: _
de calidad y producción Pinturas América C.A. (OPCIONAL)
6 meses_____(OPCIONAL)
TÍTULO O GRADO ASOCIADO CON EL TRABAJO:
Ingeniero Químico_____________________________________________
NIVEL ASOCIADO CON EL TRABAJO:
Pregrado______________________________________________________
ÁREA DE ESTUDIO:
Departamento de Ingeniería Química______________________________
INSTITUCIÓN:
Universidad de Oriente Núcleo de Anzoátegui_______________________
89
METADATOS PARA TRABAJOS DE GRADO, TESIS Y ASCENSO:
D ERECH OS
De acuerdo al art ículo 41 del Reglam ent o de Tr abaj o de Grado:
“Los Tr a ba j os de Gr a do son e x clusiv a pr opie da d de la Univ e r sida d y solo
podr á n se r ut iliz a dos a ot r os fine s con e l con se n t im ie nt o de l Con se j o de
N úcle o r e spe ct ivo, qu ie n lo pa r t icipa r á a l Conse j o Univ e r sit a r io”
_______________________
Jackeline R. Rico J.
AUTOR
_______________
_________________
__________________
Prof. Alexis Cova
Prof. Shirley Marfisi
Prof. Fidelina Moncada
TUTOR
JURADO
______________
Ing. Jesús Solano
TUTOR
______________________
Prof. Yraima Salas
POR LA SUBCOMISION DE TESIS
JURADO