La pintura tiene cuatro componentes principales: pigmentos , aglutinantes, disolventes y aditivos. Los pigmentos sirven para dar a la pintura su color, textura y dureza, así como para determinar si una pintura es opaca o no. Los pigmentos blancos comunes incluyen dióxido de titanio y óxido de zinc . Los aglutinantes son el componente formador de película de una pintura a medida que se seca y afecta la durabilidad, el brillo y la flexibilidad del recubrimiento. Los poliuretanos, poliésteres y acrílicos son ejemplos de aglutinantes comunes. El disolvente es el medio en el que se disuelven todos los demás componentes de la pintura y se evapora a medida que la pintura se seca y cura. El disolvente también modifica la velocidad de curado y la viscosidad de la pintura en su estado líquido. Hay dos tipos de pintura: pinturas a base de disolvente y pinturas a base de agua. Las pinturas a base de disolvente utilizan disolventes orgánicos como vehículo principal que transporta los componentes sólidos en una formulación de pintura, mientras que las pinturas a base de agua utilizan agua como medio continuo. Los aditivos que se incorporan a las pinturas son una amplia gama de cosas que imparten efectos importantes en las propiedades de la pintura y el recubrimiento final. Los aditivos de pintura comunes son catalizadores, espesantes, estabilizadores, emulsionantes, texturizadores, biocidas para combatir el crecimiento bacteriano, etc.
La palabra surfactante es la abreviatura de agente activo de superficie . [1] Los surfactantes son compuestos que reducen la tensión superficial de un líquido, la tensión interfacial entre dos líquidos o la tensión interfacial entre un líquido y un sólido. En soluciones, este comportamiento se conoce como humectación y ocurre como resultado de la adsorción de los surfactantes a la interfaz aire/agua. [2] Los surfactantes solubles también son capaces de formar micelas y otras estructuras agregadas en solución, lo que produce un efecto estabilizador en las pinturas de látex. Los surfactantes en la pintura se utilizan para cambiar muchas propiedades finales de una pintura seca, así como para emulsionar pinturas en su estado líquido.
Los surfactantes afectan una amplia gama de propiedades físicas en las pinturas. Los surfactantes afectan el comportamiento de una pintura no solo durante la vida útil del recubrimiento formado, sino también la agregación inicial y la formación de la película de la pintura. Los surfactantes también se utilizan para estabilizar la dispersión de partículas de polímero durante la polimerización en emulsión en pinturas y otras aplicaciones. La estabilidad mecánica, la estabilidad de congelación y descongelación y la vida útil de las pinturas se mejoran mediante la adición de surfactantes. La adición de surfactantes a la pintura también permite que la pintura cubra una superficie más fácilmente porque los surfactantes aumentan la humectación de una solución. [4]
La adición de surfactantes no siempre tiene un efecto positivo en todas las propiedades. La resistencia al agua del recubrimiento se puede reducir con la adición de surfactantes, ya que estos pueden ser muy solubles en agua y se eliminan fácilmente del recubrimiento. [3] Este problema de resistencia a la humedad es un problema particularmente frecuente en la conservación de obras de arte, así como problemas de adhesión, pérdida de claridad óptica y acumulación de suciedad causados por surfactantes de poliéter en emulsiones acrílicas contemporáneas utilizadas en obras de arte que llevan capas acrílicas. [5] Si bien el tipo y la cantidad de surfactante determinan qué propiedades se verán afectadas, otros químicos en una pintura pueden alterar el efecto general que los surfactantes pueden tener en la pintura. [6] Se ha descubierto que la elasticidad aumenta o disminuye en las pinturas de látex según la cantidad de TiO2 presente . [3]
Las pinturas de látex (en inglés británico, pinturas de emulsión, que no deben confundirse con el caucho de látex) son una emulsión de partículas de polímero dispersas en agua. Las macroemulsiones en la pintura de látex son inherentemente inestables y están separadas en fases, por lo que se agregan surfactantes para reducir la tensión interfacial y estabilizar las partículas de polímero para evitar la demulsificación. [7]
Los surfactantes aniónicos, como el dodecil sulfato de sodio, son los más utilizados para estabilizar emulsiones debido a su afinidad por los enlaces de hidrógeno con el medio acuoso. Los surfactantes no iónicos rara vez se utilizan solos debido a su menor eficiencia para crear emulsiones estables en comparación con los surfactantes aniónicos. Debido a esto, los surfactantes no iónicos se utilizan generalmente en tándem con surfactantes aniónicos e imparten un segundo método de estabilización coloidal a través de la interferencia estérica de las fuerzas de van der Waals entre partículas de polímero y pigmento. Los látex que requieren estabilidad en amplios rangos de pH utilizan proporciones mayores de surfactante no iónico a aniónico. Los surfactantes catiónicos son los menos utilizados debido a su alto costo, capacidad emulsionante ineficiente y efectos indeseables en la descomposición del iniciador. [8] La aplicación a alta velocidad, el almacenamiento a baja temperatura, las tensiones de corte del bombeo y otras condiciones extremas de almacenamiento o aplicación pueden hacer que un surfactante no estabilice adecuadamente una dispersión de pintura.
La explicación termodinámica de la demulsificación es la ganancia de energía libre de Gibbs que resulta de la reducción del área total de interacciones superficiales de alta energía.
La energía obtenida de la demulsificación depende del área total de la interfaz y de la tensión superficial de dicha interfaz. Los surfactantes reducen la tensión superficial (γ) y, por lo tanto, se obtiene energía de Gibbs de la demulsificación. Esto ralentiza el proceso de demulsificación y estabiliza la pintura de látex.
El tamaño de las gotas de polímero disperso en una pintura de látex se puede modelar con la siguiente ecuación:
El radio de una gota en la emulsión depende de la longitud del surfactante, L s , la fracción de volumen de la fase dispersa, φ d , y la fracción de volumen del surfactante, φ s . [7]
Hay tres categorías principales de surfactantes utilizados en la pintura: iónicos, poliméricos y electrostéricos. [6]
La clasificación del grupo de cabeza de un surfactante está determinada por el tipo de ion del grupo de cabeza. Los surfactantes iónicos derivan su anfifilicidad de un grupo de cabeza hidrófilo cargado y tienden a ser moléculas pequeñas y de bajo peso molecular. Los surfactantes iónicos estabilizan las partículas suspendidas en una pintura por repulsión electrostática y se adsorben y desorben fácilmente de una superficie debido a su pequeño tamaño. [6]
Los grupos de cabeza aniónicos tienen carga negativa y se utilizan comúnmente en productos de limpieza. Los surfactantes aniónicos se pueden encontrar en productos como champús, detergentes para ropa y jabones debido a su capacidad para eliminar la suciedad de medios blandos como las telas. Los surfactantes aniónicos se suspenden fácilmente en agua debido a la polaridad del grupo de cabeza cargado. Sin embargo, el agua dura puede desactivar la molécula. Algunos de los grupos de cabeza aniónicos más utilizados son los sulfatos y los etoxilatos.
Los grupos de cabeza catiónicos tienen una carga positiva y los surfactantes catiónicos se utilizan en varias aplicaciones diferentes. Un uso común de los surfactantes catiónicos es en los suavizantes de telas. Los grupos de cabeza catiónicos también se agregan a los detergentes para ropa junto con surfactantes aniónicos porque ayudan a mejorar las propiedades de eliminación de suciedad de los surfactantes aniónicos. Los grupos de cabeza catiónicos también aumentan las propiedades desinfectantes de los limpiadores domésticos. Algunos grupos de cabeza de surfactantes catiónicos comunes incluyen aminas e iones de amonio cuaternario . Entre los muchos tipos de surfactantes, los surfactantes catiónicos son inhibidores de corrosión muy útiles debido a su efectividad protectora en medios neutros y ácidos. [9]
Los grupos de cabeza no iónicos no tienen carga y funcionan muy bien como desengrasantes. Los surfactantes no iónicos se utilizan comúnmente en detergentes, jabones y limpiadores domésticos. En soluciones de agua dura, los surfactantes no iónicos se utilizan para ayudar a limitar la desactivación de los surfactantes iónicos causada por los iones de calcio y magnesio. Algunos grupos de cabeza de surfactantes no iónicos comunes incluyen ácidos grasos y glicoles .
Las cadenas de hidrocarburos son cadenas largas que constan de una cadena principal de carbono y sustituyentes de hidrógeno, lo que las hace muy hidrofóbicas. Las cadenas de hidrocarburos por sí solas forman ceras y aceites y conservan estas características cuando se incorporan a un surfactante. Un buen ejemplo de surfactantes que contienen una cadena de hidrocarburos son los lípidos, que forman las membranas celulares.
Las cadenas de éter de alquilo son similares a las cadenas de hidrocarburos, excepto que tienen oxígenos incorporados dentro de la cadena principal, así como carbonos. Hay dos cadenas de alquilo que se usan comúnmente en surfactantes: óxido de polietileno y óxido de polipropileno. Las cadenas de óxido de polietileno tienen una unidad repetitiva de oxígeno y dos carbonos (-O-CH 2 -CH 2 -) n y tienen un carácter hidrofílico aumentado en comparación con los hidrocarburos. El óxido de polipropileno tiene la misma estructura de cadena principal que el óxido de polietileno, pero con un grupo metilo sustituyente de uno de los carbonos, y esta estructura tiene hidrofobicidad entre los hidrocarburos y los óxidos de polietileno.
Las colas de cadena de fluorocarbono consisten en una cadena principal de carbono que tiene sustituyentes de flúor en lugar de hidrógenos. Los fluorocarbonos ayudan a reducir la tensión superficial del agua y otros solventes debido a su naturaleza lipofóbica incluso en condiciones adversas como un pH bajo. Cuando los fluorocarbonos se incorporan a los surfactantes, se utilizan como repelentes de manchas y se incorporan a los recubrimientos para disminuir los defectos de la superficie.
Las cadenas de siloxano constan de una estructura principal que contiene átomos de oxígeno y silicio alternados. Se ha descubierto que los surfactantes con colas de siloxano resisten la hidrólisis y evitan la descomposición de las cadenas de polímeros que pueden provocar grietas en la pintura, por lo que se utilizan en productos como cosméticos, desodorantes, antiespumantes y jabones. [10]
Los surfactantes pueden desestabilizar los compuestos orgánicos tóxicos presentes en la pintura, que pueden entrar al medio ambiente y tener efectos negativos. [4] Los surfactantes solubles en agua pueden eliminarse de las pinturas secas y entrar al medio ambiente. Algunos de estos surfactantes son directamente tóxicos para los animales y el medio ambiente, y además aumentan la capacidad de otros contaminantes tóxicos presentes para entrar al medio ambiente. [11]
El costo de los surfactantes depende parcialmente del mercado del petróleo crudo. Como ingrediente principal para la producción de surfactantes, las pinturas que dependen en gran medida de los surfactantes se verán afectadas por este mercado. [ cita requerida ] Los surfactantes más intrincados con una estructura más grande y más difícil de sintetizar son más caros de producir y tienen un mayor efecto en el precio final de mercado de sus aplicaciones. Como resultado, se utilizan más ampliamente surfactantes simples, fáciles de producir y más respetuosos con el medio ambiente. [12]
