El recubrimiento en polvo es un tipo de recubrimiento que se aplica como un polvo seco que fluye libremente . A diferencia de la pintura líquida convencional que se suministra a través de un disolvente que se evapora, el recubrimiento en polvo normalmente se aplica electrostáticamente y luego se cura con calor o con luz ultravioleta. El polvo puede ser un polímero termoplástico o termoestable . Por lo general, se utiliza para crear un acabado duro que es más resistente que la pintura convencional. El recubrimiento en polvo se utiliza principalmente para el recubrimiento de metales , como electrodomésticos , extrusiones de aluminio , herrajes para tambores , automóviles y cuadros de bicicletas . Los avances en la tecnología de recubrimiento en polvo, como los recubrimientos en polvo curables por UV, permiten que otros materiales como plásticos , compuestos, fibra de carbono y MDF ( tableros de fibra de densidad media ) se recubran con polvo debido al mínimo calor y tiempo de permanencia en el horno necesarios para procesar estos componentes. . [1]
El proceso de recubrimiento en polvo fue inventado alrededor de 1945 por Daniel Gustin y recibió la patente estadounidense 2538562 en 1945. [2] Este proceso aplica un recubrimiento electrostático a un artículo, que luego se cura con calor. El acabado es más duro y resistente que la pintura convencional. El proceso es útil para recubrimientos de metal utilizados en muchos electrodomésticos, productos de aluminio y piezas de automóviles.
Debido a que el recubrimiento en polvo no tiene un vehículo líquido, puede producir recubrimientos más gruesos que los recubrimientos líquidos convencionales sin correrse ni hundirse, y el recubrimiento en polvo produce diferencias mínimas de apariencia entre las superficies recubiertas horizontalmente y las superficies revestidas verticalmente. Debido a que ningún fluido portador se evapora, el proceso de recubrimiento emite pocos compuestos orgánicos volátiles (COV). Finalmente, se pueden aplicar varios colores en polvo antes de curarlos todos juntos, lo que permite mezclar colores y efectos especiales de sangrado en una sola capa. [3]
Si bien es relativamente fácil aplicar recubrimientos gruesos que curan hasta obtener un recubrimiento suave y sin textura, no es tan fácil aplicar películas delgadas y suaves. A medida que se reduce el espesor de la película, la película adquiere una textura cada vez más pelada de naranja debido al tamaño de partícula y a la temperatura de transición vítrea (Tg) del polvo.
La mayoría de los recubrimientos en polvo tienen un tamaño de partícula en el rango de 2 a 50 μm, una temperatura de ablandamiento Tg de alrededor de 80 °C, una temperatura de fusión de alrededor de 150 °C y se curan a alrededor de 200 °C durante un mínimo de 10 a 15 minutos. (Las temperaturas y tiempos exactos pueden depender del grosor del artículo que se está recubriendo). [4] Para tales recubrimientos en polvo, es posible que se requieran acumulaciones de película de más de 50 μm para obtener una película aceptablemente suave. La textura de la superficie que se considera deseable o aceptable depende del producto final. Muchos fabricantes prefieren tener un cierto grado de piel de naranja, ya que ayuda a ocultar los defectos del metal que se han producido durante la fabricación y el recubrimiento resultante es menos propenso a mostrar huellas dactilares.
Existen operaciones muy especializadas en las que se utilizan recubrimientos en polvo de menos de 30 µm o con una Tg inferior a 40 °C para producir películas finas y suaves. Una variación del proceso de recubrimiento en polvo seco, el proceso Powder Slurry , combina las ventajas de los recubrimientos en polvo y los recubrimientos líquidos al dispersar polvos muy finos de partículas de 1 a 5 µm en agua, lo que luego permite aplicar recubrimientos muy suaves y de bajo espesor de película. producido.
Para trabajos a escala de garaje, la pintura en aerosol pequeña en forma de "lata sonajero" es menos costosa y compleja que el recubrimiento en polvo. A escala profesional, el gasto de capital y el tiempo necesarios para una pistola de pintura en polvo, una cabina y un horno son similares a los de un sistema de pistola pulverizadora . Los recubrimientos en polvo tienen la gran ventaja de que el exceso de pintura se puede reciclar. Sin embargo, si se rocían varios colores en una sola cabina de pintura , esto puede limitar la capacidad de reciclar el exceso de pintura.
Hay tres categorías principales de recubrimientos en polvo: termoestables, termoplásticos y recubrimientos en polvo curables por UV. [9] Los recubrimientos en polvo termoestables incorporan un reticulante en la formulación.
Los reticulantes más comunes son resinas epoxi sólidas en los llamados polvos híbridos en proporciones de mezcla de 50/50, 60/40 y 70/30 (resina de poliéster/resina epoxi) para aplicaciones en interiores e isocianurato de triglicidilo (TGIC) en una proporción de Endurecedor 93/7 y β-hidroxialquilamida (HAA) en proporción 95/5 para aplicaciones en exteriores. Cuando el polvo se hornea, reacciona con otros grupos químicos del polvo para polimerizarse, mejorando las propiedades de rendimiento. La reticulación química de híbridos y polvos TGIC, que representan la mayor parte del mercado mundial de recubrimientos en polvo, se basa en la reacción de grupos de ácidos orgánicos con una funcionalidad epoxi; Esta reacción carboxi-epoxi se investiga a fondo y se comprende bien; mediante la adición de catalizadores se puede acelerar la conversión y se puede activar el programa de curado en tiempo y/o temperatura. En la industria de recubrimientos en polvo es común utilizar masterbatches catalizadores en los que se introduce entre un 10 y un 15 % del ingrediente activo en una resina portadora de poliéster como matriz. Este enfoque proporciona la mejor dispersión uniforme posible de una pequeña cantidad de catalizador sobre la mayor parte del polvo.
En cuanto a la reticulación de la alternativa sin TGIC basada en endurecedores HAA, no se conoce ningún catalizador disponible.
Para aplicaciones especiales como revestimientos de bobinas o barnices transparentes, es común utilizar ésteres de glicidilo como componente endurecedor; su reticulación también se basa en la química carboxi-epoxi. En los llamados polvos de poliuretano se utiliza una reacción química diferente, en la que la resina aglutinante porta grupos funcionales hidroxilo que reaccionan con los grupos isocianato del componente endurecedor. El grupo isocianato normalmente se introduce en el polvo en forma bloqueada donde la funcionalidad isocianato se hace reaccionar previamente con ε-caprolactama como agente bloqueante o en forma de uretdionas, a temperaturas elevadas (temperatura de desbloqueo) los grupos isocianato libres se liberan y están disponibles para el Reacción de reticulación con funcionalidad hidroxilo.
En general, todas las formulaciones de polvo termoendurecible contienen además de resina aglutinante y aditivos reticulantes para favorecer el flujo, la nivelación y la desgasificación. Es común el uso de promotores de flujo donde el ingrediente activo (un poliacrilato) se absorbe sobre sílice como vehículo o como mezcla maestra dispersa en una resina de poliéster como matriz. La gran mayoría de los polvos contienen benjuí como agente desgasificante para evitar poros en la película final del recubrimiento en polvo. [10]
La variedad termoplástica no sufre ninguna acción adicional durante el proceso de horneado mientras fluye para formar el recubrimiento final. Los recubrimientos en polvo curables por UV son materiales fotopolimerizables que contienen un fotoiniciador químico que responde instantáneamente a la energía de la luz UV iniciando la reacción que conduce a la reticulación o al curado. El factor diferenciador de este proceso de otros es la separación de la etapa de fusión antes de la etapa de curado. El polvo curado con UV se derretirá en 60 a 120 segundos cuando alcance una temperatura de 110 °C y 130 °C. Una vez que el recubrimiento derretido se encuentra en esta ventana de temperatura, se cura instantáneamente cuando se expone a la luz ultravioleta. [11]
Los polímeros más comunes utilizados son: poliéster , poliuretano , poliéster- epoxi (conocido como híbrido), epoxi puro ( epoxi unido por fusión ) y acrílicos. [ se necesita aclaración ]
El proceso de recubrimiento en polvo implica tres pasos básicos: preparación de la pieza o pretratamiento, aplicación del polvo y curado.
La eliminación de aceite, suciedad, grasas lubricantes, óxidos metálicos, incrustaciones de soldadura, etc. es esencial antes del proceso de recubrimiento en polvo. Puede realizarse mediante una variedad de métodos químicos y mecánicos. La selección del método depende del tamaño y el material de la pieza que se va a recubrir con polvo, el tipo de impurezas que se eliminarán y los requisitos de rendimiento del producto terminado. Algunos plásticos y compuestos sensibles al calor tienen tensiones superficiales bajas y puede ser necesario un tratamiento con plasma para mejorar la adhesión del polvo.
Los pretratamientos químicos implican el uso de fosfatos o cromatos en aplicación por inmersión o pulverización. Estos a menudo ocurren en múltiples etapas y consisten en desengrasado, grabado, desmanchado, varios enjuagues y el fosfatado o cromado final del sustrato y la unión química de nueva nanotecnología. El proceso de pretratamiento limpia y mejora la unión del polvo al metal. Recientemente se han desarrollado procesos adicionales que evitan el uso de cromatos, ya que pueden ser tóxicos para el medio ambiente. El titanio , el circonio y los silanos ofrecen un rendimiento similar contra la corrosión y la adhesión del polvo.
En muchas aplicaciones de alta gama, la pieza se electrorrecubre después del proceso de pretratamiento y después de la aplicación del recubrimiento en polvo. Esto ha sido particularmente útil en aplicaciones automotrices y otras aplicaciones que requieren características de rendimiento de alto nivel.
Otro método de preparación de la superficie antes del recubrimiento se conoce como granallado abrasivo o granallado y granallado. Los medios de granallado y los abrasivos de granallado se utilizan para texturizar y preparar superficies, grabar, terminar y desengrasar productos hechos de madera, plástico o vidrio. Las propiedades más importantes a considerar son la composición química y la densidad; forma y tamaño de las partículas; y resistencia al impacto.
El medio de granallado de carburo de silicio es frágil, afilado y adecuado para moler metales y materiales no metálicos de baja resistencia a la tracción. Los equipos de granallado con medios plásticos utilizan abrasivos plásticos que son sensibles a sustratos como el aluminio, pero que aún son adecuados para quitar revestimientos y acabados de superficies. El medio de chorro de arena utiliza cristales de alta pureza que tienen un bajo contenido de metales. El medio de explosión de perlas de vidrio contiene perlas de vidrio de varios tamaños.
Se utiliza granalla de acero fundido o arena de acero para limpiar y preparar la superficie antes del recubrimiento. El granallado recicla los medios y es respetuoso con el medio ambiente. Este método de preparación es muy eficaz en piezas de acero como vigas en I, ángulos, tuberías, tubos y piezas fabricadas de gran tamaño.
Diferentes aplicaciones de recubrimiento en polvo pueden requerir métodos alternativos de preparación, como chorro abrasivo antes del recubrimiento. El mercado de consumo en línea normalmente ofrece servicios de granallado de medios junto con sus servicios de recubrimiento a costos adicionales.
Un desarrollo reciente para la industria de recubrimientos en polvo es el uso de pretratamiento con plasma para plásticos y compuestos sensibles al calor. Estos materiales suelen tener superficies de baja energía, son hidrófobos y tienen un bajo grado de humectabilidad, lo que afecta negativamente a la adhesión del recubrimiento. El tratamiento con plasma limpia físicamente, graba y proporciona sitios de unión químicamente activos para que se anclen los recubrimientos. El resultado es una superficie hidrófila y humectable que se adapta al flujo y la adhesión del recubrimiento. [12]
La forma más común de aplicar el recubrimiento en polvo a objetos metálicos es rociar el polvo con una pistola electrostática o pistola de corona . La pistola imparte una carga negativa al polvo, que luego se pulveriza hacia el objeto puesto a tierra mediante pulverización mecánica o con aire comprimido y luego se acelera hacia la pieza de trabajo mediante la potente carga electrostática. Existe una amplia variedad de boquillas pulverizadoras disponibles para su uso en recubrimientos electrostáticos . El tipo de boquilla utilizada dependerá de la forma de la pieza a pintar y de la consistencia de la pintura. Luego se calienta el objeto y el polvo se funde formando una película uniforme y luego se enfría para formar una capa dura. También es común calentar primero el metal y luego rociar el polvo sobre el sustrato caliente. El precalentamiento puede ayudar a lograr un acabado más uniforme, pero también puede crear otros problemas, como corrimientos causados por el exceso de polvo.
Otro tipo de pistola se llama pistola tribo , que carga la pólvora mediante el sistema triboeléctrico . En este caso, la pólvora adquiere una carga positiva mientras roza la pared de un tubo de teflón dentro del cañón del arma. Estas partículas de polvo cargadas luego se adhieren al sustrato puesto a tierra. El uso de una pistola tribo requiere una formulación de polvo diferente a la de las pistolas corona más comunes. Sin embargo, las pistolas Tribo no están sujetas a algunos de los problemas asociados con las pistolas corona, como la retroionización y el efecto jaula de Faraday .
El polvo también se puede aplicar utilizando discos electrostáticos específicamente adaptados.
Otro método de aplicación de recubrimiento en polvo, denominado método de lecho fluidizado, consiste en calentar el sustrato y luego sumergirlo en un lecho aireado lleno de polvo. El polvo se pega y se derrite en el objeto caliente. Generalmente se requiere más calentamiento para terminar de curar el recubrimiento. Este método se utiliza generalmente cuando el espesor deseado del recubrimiento debe exceder los 300 micrómetros. Así es como se recubren la mayoría de las rejillas del lavavajillas.
La aplicación de lecho fluidizado electrostático utiliza la misma técnica de fluidización que el proceso de inmersión en lecho fluidizado convencional, pero con mucha más profundidad de polvo en el lecho. Se coloca un medio de carga electrostática dentro del lecho para que el material en polvo se cargue a medida que el aire fluidizante lo levanta. Las partículas cargadas de polvo se mueven hacia arriba y forman una nube de polvo cargado sobre el lecho fluido. Cuando una parte conectada a tierra pasa a través de la nube cargada, las partículas serán atraídas hacia su superficie. Las piezas no se precalientan como ocurre en el proceso de inmersión en lecho fluidizado convencional.
Un método de recubrimiento para materiales planos que aplica polvo con un rodillo, lo que permite velocidades relativamente altas y espesores de capa precisos entre 5 y 100 micrómetros. La base de este proceso es la tecnología de fotocopiadora convencional . Actualmente se utiliza en algunas aplicaciones de recubrimiento y parece prometedor para el recubrimiento en polvo comercial sobre sustratos planos (acero, aluminio, MDF, papel, cartón), así como en procesos de hoja a hoja y/o rollo a rollo. Este proceso puede potencialmente integrarse en una línea de recubrimiento existente.
Cuando un polvo termoendurecible se expone a temperaturas elevadas, comienza a derretirse, fluye y luego reacciona químicamente para formar un polímero de mayor peso molecular en una estructura similar a una red. Este proceso de curado, llamado reticulación, requiere una cierta temperatura durante un período de tiempo determinado para alcanzar el curado completo y establecer todas las propiedades de la película para las que fue diseñado el material.
La arquitectura de la resina de poliéster y el tipo de agente de curado tienen un impacto importante en la reticulación.
Los polvos comunes curan a una temperatura del objeto de 200 °C (390 °F) durante 10 minutos. En los mercados europeos y asiáticos, un programa de curado de 180 °C (356 °F) durante 10 minutos ha sido el estándar industrial durante décadas, pero hoy en día está cambiando hacia un nivel de temperatura de 160 °C (320 °F) al mismo tiempo. tiempo. Los sistemas híbridos avanzados para aplicaciones en interiores están diseñados para curar a un nivel de temperatura de 125 a 130 °C (257 a 266 °F), preferiblemente para aplicaciones en tableros de fibra de densidad media (MDF); Los polvos duraderos para exteriores con isocianurato de triglicidilo (TGIC) como endurecedor pueden funcionar a un nivel de temperatura similar, mientras que los sistemas sin TGIC con β-hidroxialquilamidas como agentes de curado están limitados a aprox. 160°C (320°F).
El enfoque de baja cocción da como resultado ahorros de energía, especialmente en los casos en los que el recubrimiento de piezas masivas es tarea de la operación de recubrimiento. El tiempo total de residencia en el horno debe ser de solo 18 a 19 minutos para curar completamente el polvo reactivo a 180 °C (356 °F). [13]
Un desafío importante para todos los sistemas de baja cocción es optimizar simultáneamente la reactividad, el flujo (aspecto de la película de polvo) y la estabilidad de almacenamiento. Los polvos de curado a baja temperatura tienden a tener menos estabilidad del color que sus homólogos horneados estándar porque contienen catalizadores para aumentar el curado acelerado. Los poliésteres HAA tienden a volverse amarillos más que los poliésteres TGIC. [14]
El programa de curado podría variar según las especificaciones del fabricante. La aplicación de energía al producto a curar se puede lograr mediante hornos de curado por convección , hornos de curado por infrarrojos o mediante un proceso de curado por láser. Este último demuestra una reducción significativa del tiempo de curado.
Los recubrimientos en polvo curados con luz ultravioleta (UV) se han utilizado comercialmente desde la década de 1990 y se desarrollaron inicialmente para dar acabado a componentes de muebles de tableros de fibra de densidad media (MDF) sensibles al calor. Esta tecnología de recubrimiento requiere menos energía térmica y cura significativamente más rápido que los recubrimientos en polvo curados térmicamente. Los tiempos típicos de permanencia en el horno para recubrimientos en polvo curables por UV son de 1 a 2 minutos y las temperaturas del recubrimiento alcanzan los 110 a 130 °C. El uso de sistemas de curado LED UV, que son altamente eficientes energéticamente y no generan energía IR desde el cabezal de la lámpara, hace que el recubrimiento en polvo curado UV sea aún más deseable para el acabado de una variedad de materiales y ensamblajes sensibles al calor. Un beneficio adicional de los recubrimientos en polvo curados con UV es que el ciclo total del proceso, desde la aplicación hasta el curado, es más rápido que otros métodos de recubrimiento. [1]
El cloruro de metileno y la acetona son generalmente eficaces para eliminar el recubrimiento en polvo. La mayoría de los demás disolventes orgánicos (diluyentes, etc.) son completamente ineficaces. Recientemente, el cloruro de metileno, sospechoso de ser carcinógeno para los seres humanos, está siendo sustituido con gran éxito por alcohol bencílico . El recubrimiento en polvo también se puede eliminar con chorro abrasivo . El grado comercial de ácido sulfúrico al 98% también elimina la película de recubrimiento en polvo. [ cita necesaria ] Ciertas capas de polvo de baja calidad se pueden eliminar con lana de acero, aunque este puede ser un proceso que requiere más mano de obra de lo deseado.
El recubrimiento en polvo también se puede eliminar mediante un proceso de quemado, en el que las piezas se colocan en un horno grande de alta temperatura con temperaturas que normalmente alcanzan una temperatura del aire de 300 a 450 °C. El proceso dura aproximadamente cuatro horas y requiere que las piezas se limpien por completo y se vuelvan a aplicar una capa de pintura en polvo. Las piezas fabricadas con un material de calibre más delgado deben quemarse a una temperatura más baja para evitar que el material se deforme.
Según un informe de mercado preparado en agosto de 2016 por Grand View Research, Inc., la industria del recubrimiento en polvo incluye teflón, anodizado y galvanoplastia. Se espera que el mercado mundial de recubrimientos en polvo alcance los 16.550 millones de dólares en 2024. El creciente uso de recubrimientos en polvo para extrusión de aluminio utilizados en ventanas, marcos de puertas, fachadas de edificios, cocinas, baños y accesorios eléctricos impulsará la expansión de la industria. El aumento del gasto en construcción en varios países, incluidos China, Estados Unidos, México, Qatar, Emiratos Árabes Unidos, India, Vietnam y Singapur, impulsará el crecimiento durante el período previsto. El aumento del apoyo gubernamental a los productos económicos y ecológicos estimulará la demanda durante el período previsto. Las industrias generales fueron el segmento de aplicaciones más destacado y representaron el 20,7% del volumen global en 2015. Se prevé que el mercado global alcanzará los 20 mil millones de dólares en 2027. [15]
Se espera que la creciente demanda de tractores en EE.UU., Brasil, Japón, India y China aumente el uso de recubrimientos en polvo debido a su protección contra la corrosión, su excelente durabilidad en exteriores y su rendimiento a altas temperaturas. Además, el creciente uso en equipos agrícolas, equipos de ejercicio, cajones de archivos, gabinetes de computadoras, computadoras portátiles, teléfonos celulares y componentes electrónicos impulsará la expansión de la industria. [dieciséis]
