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 aplica a través de un disolvente que se evapora, el recubrimiento en polvo generalmente se aplica de forma electrostática y luego se cura con calor o con luz ultravioleta. El polvo puede ser un polímero termoplástico o termoendurecible . Por lo general, se utiliza para crear un acabado grueso y resistente que es más duradero que la pintura convencional. [1] [2] El recubrimiento en polvo se utiliza principalmente para recubrir objetos metálicos , en particular aquellos sujetos a un uso rudo. Los avances en la tecnología de recubrimiento en polvo, como los recubrimientos en polvo curables por UV, permiten recubrir con polvo otros materiales como plásticos , compuestos, fibra de carbono y tableros de fibra de densidad media (MDF), ya que se requiere poco calor o tiempo de permanencia en el horno para procesarlos. [3]
El proceso de recubrimiento en polvo fue inventado alrededor de 1945 por Daniel Gustin y recibió la patente estadounidense 2538562 en 1945. [4] Este proceso recubre un objeto electrostáticamente y luego lo cura con calor, creando un acabado más duro y resistente que la pintura convencional. Originalmente utilizado en manufacturas de metal, como electrodomésticos , extrusiones de aluminio , herrajes para tambores , piezas de automóviles y cuadros de bicicletas , la práctica del recubrimiento en polvo se ha ampliado para permitir el acabado de otros materiales.
Debido a que el recubrimiento en polvo no tiene un portador líquido, puede producir recubrimientos más espesos que los recubrimientos líquidos convencionales sin correrse ni descolgarse, y el recubrimiento en polvo produce diferencias mínimas en el aspecto entre las superficies recubiertas horizontalmente y las recubiertas verticalmente. Además, debido a que no se evapora ningún fluido portador, el proceso de recubrimiento emite pocos compuestos orgánicos volátiles (VOC). Finalmente, se pueden aplicar varios colores en polvo antes de que todos se curen juntos, lo que permite la mezcla de colores y efectos de sangrado especiales en una sola capa. [5]
Si bien es relativamente fácil aplicar capas gruesas que se endurecen hasta formar una capa lisa y sin textura, no es tan fácil aplicar películas finas y lisas. A medida que se reduce el espesor de la película, esta adquiere una textura cada vez más parecida a la de la cáscara de naranja debido al tamaño de las partículas 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 y una temperatura de fusión de alrededor de 150 °C, y se curan a alrededor de 200 °C durante un mínimo de 10 minutos a 15 minutos (las temperaturas y los tiempos exactos pueden depender del espesor del artículo que se está recubriendo). [6] Para tales recubrimientos en polvo, pueden requerirse acumulaciones de película de más de 50 μm para obtener una película aceptablemente lisa. La textura de la superficie que se considera deseable o aceptable depende del producto final. Muchos fabricantes prefieren tener un cierto grado de cáscara 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 que aplican recubrimientos en polvo de menos de 30 μm o con una Tg inferior a 40 °C para producir películas delgadas y lisas. Una variante 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 tamaño de 1 a 5 μm en agua, lo que permite producir recubrimientos muy lisos y de bajo espesor de película.
Para trabajos de pequeña escala, la pintura en aerosol en "lata de aerosol" es menos costosa y compleja que el recubrimiento en polvo. A escala profesional, el gasto de capital y el tiempo requeridos para una pistola, cabina y horno de recubrimiento en polvo son similares a los de un sistema de pistola de pulverización . Los recubrimientos en polvo tienen una gran ventaja, ya que el exceso de pulverización se puede reciclar. Sin embargo, si se pulverizan varios colores en una sola cabina de pulverización , esto puede limitar la capacidad de reciclar el exceso de pulverización.
Hay tres categorías principales de recubrimientos en polvo: termoendurecibles, termoplásticos y recubrimientos en polvo curables por UV. [11] Los recubrimientos en polvo termoendurecibles 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 y triglicidil isocianurato (TGIC) en una proporción de 93/7 y endurecedor de β-hidroxialquilamida (HAA) en una proporción de 95/5 para aplicaciones en exteriores. Cuando el polvo se hornea, reacciona con otros grupos químicos en el polvo para polimerizar, mejorando las propiedades de rendimiento. La reticulación química para 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 cronograma de curado en tiempo y/o temperatura. En la industria de recubrimientos en polvo, es habitual utilizar mezclas madre de catalizadores en las 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 masa del polvo. En lo que respecta a la reticulación de la alternativa sin TGIC basada en endurecedores HAA, no se conoce ningún catalizador disponible. [ Se necesita aclaración ]
Para aplicaciones especiales como recubrimientos de bobinas o capas transparentes, es común utilizar ésteres de glicidilo como componente endurecedor, su reticulación también se basa en la química carboxi-epoxi. Se utiliza una reacción química diferente en los llamados polvos de poliuretano, donde la resina aglutinante lleva grupos funcionales hidroxilo que reaccionan con los grupos isocianato del componente endurecedor. El grupo isocianato generalmente se introduce en el polvo en forma bloqueada, donde la funcionalidad isocianato se pre-reacciona con ε-caprolactama como agente de bloqueo o en forma de uretdionas, a temperaturas elevadas (temperatura de desbloqueo) los grupos isocianato libres se liberan y están disponibles para la reacción de reticulación con la funcionalidad hidroxilo.
En general, todas las formulaciones de polvos termoendurecibles contienen, además de la resina aglutinante, aditivos reticulantes para favorecer el flujo y la nivelación y para la desgasificación. Es habitual el uso de promotores de flujo en los que el ingrediente activo (un poliacrilato) se absorbe en sílice como portador o como mezcla madre dispersada en una resina de poliéster como matriz. La gran mayoría de los polvos contienen benzoína como agente desgasificador para evitar la formación de poros en la película de recubrimiento en polvo final. [12]
La variedad termoplástica no sufre ninguna acción adicional durante el proceso de cocción 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 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 por UV se derretirá en 60 a 120 segundos cuando alcance una temperatura de 110 °C y 130 °C. Una vez que el recubrimiento fundido se encuentra en esta ventana de temperatura, se cura instantáneamente cuando se expone a la luz UV. [13]
Los polímeros más comunes utilizados son poliéster , poliuretano , poliéster- epoxi (conocido como híbrido), epoxi puro ( epoxi unido por fusión ) y acrílicos. [ aclaración necesaria ]
El proceso de recubrimiento en polvo implica tres pasos básicos: la preparación de la pieza o pretratamiento, la aplicación del polvo y el curado.
La eliminación de aceite, suciedad, grasas lubricantes, óxidos metálicos, cascarilla de soldadura, etc. es esencial antes del proceso de recubrimiento en polvo. Se puede realizar 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 deben eliminar y el requisito 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 aplicaciones por inmersión o pulverización. Estos suelen ocurrir en varias etapas y consisten en desengrasado, grabado, desmantelamiento, varios enjuagues y el fosfatado o cromado final del sustrato y la nueva unión química nanotecnológica. 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 recubre electrolíticamente después del proceso de pretratamiento y después de la aplicación del recubrimiento en polvo. Esto ha sido particularmente útil en aplicaciones automotrices y otras que requieren características de rendimiento de alta gama.
Otro método de preparación de la superficie antes de aplicar el revestimiento se conoce como granallado abrasivo o chorro de arena y granallado. Los medios abrasivos para granallado se utilizan para dar textura y preparación a la superficie, grabar, terminar y desengrasar productos hechos de madera, plástico o vidrio. Las propiedades más importantes a tener en cuenta son la composición química y la densidad; la forma y el tamaño de las partículas; y la resistencia al impacto.
El abrasivo de carburo de silicio es quebradizo, afilado y adecuado para el pulido de metales y materiales no metálicos de baja resistencia a la tracción. Los equipos de granallado con abrasivos plásticos utilizan abrasivos plásticos que son sensibles a los sustratos como el aluminio, pero que siguen siendo adecuados para el desbarbado y el acabado de superficies. El abrasivo de arena utiliza cristales de alta pureza que tienen un bajo contenido de metal. El abrasivo de perlas de vidrio contiene perlas de vidrio de varios tamaños.
Se utiliza granalla de acero fundido o granalla de acero para limpiar y preparar la superficie antes de aplicar el revestimiento. El granallado recicla el material 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.
Las distintas aplicaciones de recubrimiento en polvo pueden requerir métodos alternativos de preparación, como el granallado antes del recubrimiento. El mercado de consumo en línea suele ofrecer servicios de granallado junto con sus servicios de recubrimiento a un coste adicional.
Un desarrollo reciente en 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 la adhesión del recubrimiento. El tratamiento con plasma limpia físicamente, graba y proporciona sitios de unión químicamente activos para que los recubrimientos se adhieran a ellos. El resultado es una superficie hidrófila y humectable que es propicia para el flujo y la adhesión del recubrimiento. [14]
La forma más común de aplicar el recubrimiento en polvo a objetos metálicos es rociar el polvo utilizando una pistola electrostática o pistola corona . La pistola imparte una carga negativa al polvo, que luego se rocía hacia el objeto conectado 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 de pulverización disponibles para su uso en el recubrimiento electrostático . El tipo de boquilla utilizada dependerá de la forma de la pieza de trabajo a pintar y de la consistencia de la pintura. Luego, el objeto se calienta y el polvo se funde en una película uniforme y luego se enfría para formar un recubrimiento duro. 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 manchas causadas 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 al rozar la pared de un tubo de teflón dentro del cañón de la pistola. Estas partículas de pólvora cargadas se adhieren al sustrato conectado a tierra. El uso de una pistola tribo requiere una formulación de pólvora 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 ionización posterior y el efecto de jaula de Faraday .
El polvo también se puede aplicar mediante discos electrostáticos específicamente adaptados.
Otro método de aplicación de revestimiento en polvo, denominado método de lecho fluidizado, consiste en calentar el sustrato y sumergirlo en un lecho aireado lleno de polvo. El polvo se adhiere y se funde sobre el objeto caliente. Por lo general, se requiere un calentamiento adicional para terminar de curar el revestimiento. Este método se utiliza generalmente cuando el espesor deseado del revestimiento supera los 300 micrómetros. Así es como se recubren la mayoría de las rejillas de los lavavajillas.
La aplicación de lecho fluidizado electrostático utiliza la misma técnica de fluidización que el proceso de inmersión en lecho fluidizado convencional, pero con una profundidad de polvo mucho mayor 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 eleva. Las partículas cargadas de polvo se mueven hacia arriba y forman una nube de polvo cargado sobre el lecho fluidizado. Cuando una pieza conectada a tierra pasa a través de la nube cargada, las partículas serán atraídas hacia su superficie. Las piezas no se precalientan como 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 un espesor de capa preciso de entre 5 y 100 micrómetros. La base de este proceso es la tecnología convencional de copiadora . 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 de rollo a rollo. Este proceso puede integrarse potencialmente en una línea de recubrimiento existente.
Cuando un polvo termoendurecible se expone a temperaturas elevadas, comienza a fundirse, 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 temperatura determinada durante un período de tiempo determinado para alcanzar el curado completo y establecer todas las propiedades de 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 se curan a una temperatura del objeto de 200 °C (392 °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 actualmente se está modificando hacia un nivel de temperatura de 160 °C (320 °F) con el mismo tiempo de curado. Los sistemas híbridos avanzados para aplicaciones en interiores se han establecido para curar a un nivel de temperatura de 125-130 °C (257-266 °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 aproximadamente 160 °C (320 °F).
El método de horneado a baja temperatura permite ahorrar energía, especialmente en los casos en los que el recubrimiento de piezas de gran tamaño es una tarea de la operación de recubrimiento. El tiempo total de permanencia en el horno debe ser de solo 18 a 19 minutos para curar por completo el polvo reactivo a 180 °C (356 °F). [15]
Un desafío importante para todos los curados a baja temperatura 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 de color que sus contrapartes de horneado estándar porque contienen catalizadores para aumentar el curado acelerado. Los poliésteres HAA tienden a sobrecalentarse y amarillearse más que los poliésteres TGIC. [16]
El programa de curado puede variar según las especificaciones del fabricante. La aplicación de energía al producto que se va a curar se puede realizar mediante hornos de curado por convección , hornos de curado por infrarrojos o mediante el 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 utilizan comercialmente desde la década de 1990 y se desarrollaron inicialmente para terminar 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 de permanencia típicos en el horno para los recubrimientos en polvo curables con luz ultravioleta son de 1 a 2 minutos y las temperaturas del recubrimiento alcanzan los 110-130 °C. El uso de sistemas de curado con LED UV, que son muy eficientes energéticamente y no generan energía IR desde el cabezal de la lámpara, hacen que el recubrimiento en polvo curado con luz ultravioleta sea aún más deseable para terminar una variedad de materiales y conjuntos sensibles al calor. Un beneficio adicional de los recubrimientos en polvo curados con luz ultravioleta es que el ciclo total del proceso, desde la aplicación hasta el curado, es más rápido que otros métodos de recubrimiento. [3]
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, considerado carcinógeno humano, se ha sustituido por alcohol bencílico con gran éxito. El recubrimiento en polvo también se puede eliminar con chorro abrasivo . El ácido sulfúrico al 98 % de grado comercial también elimina la película de recubrimiento en polvo. [ cita requerida ] Ciertos recubrimientos en polvo de baja calidad se pueden eliminar con lana de acero, aunque este puede ser un proceso más laborioso 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 gran horno de alta temperatura que normalmente alcanza 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 recubrir con el recubrimiento en polvo. Las piezas fabricadas con un material de menor calibre deben quemarse a una temperatura más baja para evitar que el material se deforme.
Según un informe de mercado elaborado en agosto de 2016 por Grand View Research, Inc., la industria de recubrimientos en polvo incluye teflón, anodizado y galvanoplastia. Se espera que el mercado mundial de recubrimientos en polvo alcance los 16.550 millones de dólares estadounidenses en 2024. El aumento del uso de recubrimientos en polvo para la extrusión de aluminio utilizado 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 de pronóstico. El aumento del apoyo gubernamental a productos ecológicos y económicos estimulará la demanda durante el período de pronóstico. Las industrias generales fueron el segmento de aplicación más destacado y representaron el 20,7% del volumen mundial en 2015. Se prevé que el mercado mundial alcance los 20.000 millones de dólares en 2027. [17]
Se espera que la creciente demanda de tractores en los EE. UU., Brasil, Japón, India y China aumente el uso de recubrimientos en polvo debido a su protección contra la corrosión, excelente durabilidad en exteriores y rendimiento a altas temperaturas. Además, su creciente uso en equipos agrícolas, equipos de ejercicio, archivadores, gabinetes de computadoras, computadoras portátiles, teléfonos celulares y componentes electrónicos impulsará la expansión de la industria. [18]
