Introducción
Los aditivos de superficie de silicona son productos ampliamente utilizados en diversas aplicaciones industriales tales como la formulación de pinturas, tintas y recubrimientos. Se caracterizan por su capacidad de reducir la tensión superficial y mejorar la humectación del sistema en diferentes superficies mientras otros ofrecen propiedades especiales.
Concentrol dispone de más de 75 años de experiencia en el diseño y fabricación de especialidades químicas. A lo largo de su trayectoria ha hecho una gran apuesta por la investigación y la innovación con el fin de poder proveer a sus clientes con las mejores soluciones químicas para sus necesidades.
En Concentrol sintetizamos los copolímeros de polidimetilsiloxano-poliéter que son la base de los aditivos de superficie de silicona. Esto nos permite sintetizar estructuras únicas adaptadas a cada sistema y aplicación que necesita el cliente. Nuestros copolímeros de polisiloxano y poliéter no hidrolizables brindan una resistencia a la degradación muy alta a condiciones extremas.
¿Qué son los surfactantes de silicona?
Los aditivos de superficie de silicona son un caso particular de agentes tensioactivos (surfactantes) en los que una cadena hidrofóbica (polidimetilsiloxano, PDMS) está unida a uno o diferentes grupos polares. Existen diferentes tipos de grupos polares utilizados, sin embargo, los grupos no iónicos basados en óxido de etileno (OE) y óxido de propileno (OP) son los más comunes. El numero de unidades x e y regula el peso molecular de la cadena de polidimetilsiloxano y, la relación entre ambas determina el grado de ramificación. La unión entre el grupo polidimetilsiloxano y el grupo poliéter se consigue con un grupo propilo (-CH2CH2CHE2-), no hidrolizable.
La relación entre el número de unidades de óxido de etileno (OE, n) y las unidades de óxido de propileno (OP, m) determina el grado de polaridad del poliéter, y la suma de ambas, su peso molecular. Otra característica es el grupo terminal del poliéter: puede ser -OH o se puede substituir por otros grupos funcionales no reactivos. Conocer el tipo de grupo terminal es importante en los humectantes de silicona ya que en algunas formulaciones donde se utilizan, hay componentes químicos reactivos (tales como los isocianatos), que pueden reaccionar con el humectante. Por esta razón, en estos casos, se prefieren aquellos humectantes con grupos terminales no reactivos.
En la superficie la parte apolar se orienta en la superficie de contacto con el aire, mientras que la parte polar se orienta con la fase líquida. Estos copolímeros presentan propiedad tensioactivas, de manera que, al disolverse en la mezcla, disminuyen la tensión superficial del líquido. De esta forma disminuye el ángulo de contacto entre el recubrimiento y el sustrato, logrando de esta manera mejorar la humectación.
Imagen 1. Estructura general de un copolímero de polidimetilsiloxano y polieter
Aplicaciones y beneficios
Un agente humectante de silicona es necesario para conseguir mejorar efectos físicos en una formulación que se utilizará para dar un tratamiento superficial. Esto incluye las pinturas, los recubrimientos, los barnices, las tintas de impresión y otras posibles formulaciones. Son productos atóxicos, extremadamente efectivos en dosis bajas y que presentan una alta compatibilidad con la mayoría de formulaciones tanto en sistemas base agua como disolvente.
Los aditivos de bajo peso molecular son muy efectivos en la prevención de la formación de defectos tales como cráteres y ojos de pez, mejoran la nivelación y proporcionan una fuerte disminución de la tensión superficial. Esto los hace muy efectivos en formulaciones base agua o superficies de humectación difícil donde consiguen una cobertura homogénea sobre la superficie a tratar. Generalmente se pueden utilizar en formulaciones donde sea necesario aplicar sucesivas capas de recubrimiento.
Los aditivos de pesos molecular medio y alto son efectivos en la prevención de la formación de defectos tales como cráteres gracias a su disminución media de la tensión superficial. Mejoran la nivelación y fluidez de la formulación. Son aditivos que modifican las propiedades superficiales del recubrimiento: pueden incrementar el brillo, el deslizamiento y ofrecer resistencia a la abrasión entre otros efectos.
El origen de la mayoría de los defectos que aparecen en los recubrimientos son a causa de la tensión superficial de los materiales involucrados. Es conocido que un líquido solo puede humectar un sustrato si su tensión superficial es inferior a la energía superficial del substrato. De esta manera quedará adherido y lo recubrirá sin defectos. Otros defectos aparecen por las diferencias de tensiones superficiales en la superficie del recubrimiento producidas por la evaporación de disolventes o el reticulado del recubrimiento ocasionando la piel de naranja.
TENSIÓN SUPERFICIAL
La tensión superficial de un líquido se define como la energía necesaria para aumentar su superficie en un área determinada. Es una medida de las fuerzas de atracción intermoleculares entre las diferentes moléculas de un líquido en la superficie de éste: los líquidos con fuerzas de atracción intermoleculares fuertes tienen una tensión superficial elevada.
Existen diferentes métodos para medir la tensión superficial. Uno de los más comunes es el anillo de Du Noüy que permite medir la tensión superficial estática del líquido. Sin embargo para procesos industriales donde existe una generación rápida de nuevas superficies, como pueden ser aplicación por rodillos o impresión, es interesante medir la tensión superficial dinámica. Para ello se puede utilizar el método dinámico de presión de burbuja. Este instrumento produce burbujas a diferentes frecuencias a través de un capilar sumergido en el líquido a analizar y mide la presión necesaria para formar una burbuja del radio del capilar (presión máxima). La presión necesaria para formar la burbuja está directamente relacionada con la tensión superficial. El valor de la tensión superficial de un líquido puro es independiente del tiempo de vida de la burbuja.
Sin embargo, la tensión superficial en fluidos en presencia de aditivos tensioactivos depende del tiempo de vida de la burbuja. Cuando se genera una superficie nueva, las moléculas de surfactante difunden hacia esta nueva superficie y se orientan, este proceso lleva tiempo y depende de la movilidad del surfactante en solución. Por este motivo, el valor tensión superficial dinámica depende del tiempo de vida de burbuja.
En Concentrol disponemos de un tensiómetro de presión de burbuja en los laboratorios de R+D+I. Este equipo permite la medida de las tensiones dinámicas desde un tiempo de burbuja de 15 milisegundos hasta los 100000 milisegundos (100 segundos) donde los valores obtenidos se consideran casi-estáticos. Este equipo nos ayuda en el desarrollo de nuevos aditivos humectantes ya que nos permite observar diferencias en comportamiento entre diferentes aditivos humectantes y predecir su comportamiento en diferentes sistemas de recubrimiento.
Consideraciones y desafíos. Aditivos libres de SVHC
Desde junio de 2018 (ED/61/2018), los aditivos de silicona que contienen un valor superior a 0.1% de cíclicos de silicona D4, D5 o D6 deben ser declarados como SVHC en la ficha de seguridad europea. Concentrol ofrece todos los aditivos de superficie de silicona con bajo contenido de cíclicos de silicona. Gracias a una etapa adicional en el proceso productivo, se purifican los aditivos de superficie y se reducen los cíclicos de silicona D4, D5 y D6 a valores inferiores de 0.1% cada uno de ellos. De esta manera, los productos de la gama ORDISOL no requieren ser etiquetados como SVHC.
Además, la mayoría de los aditivos de silicona producidos por Concentrol cumplen con las regulaciones de contacto con alimentos de la FDA y muchos de ellos con el Capítulo XV de BfR y el Reglamento Nº 10/2011 de la UE.
Investigación y desarrollo en aditivos de superficie de silicona
La familia ORDISOL se compone de un amplio rango de aditivos de superficie silicónicos que ofrecen la mejor solución para los formuladores que buscan mejorar las propiedades superficiales del recubrimiento. Estos aditivos son siliconas organofuncionales, compuestos de copolímeros de polisiloxano y poliéter no hidrolizables, que brindan una excelente estabilidad a condiciones extremas como altas temperaturas o ambientes corrosivos. Esta familia se divide en dos gamas de producto:
- Humectantes de substrato y anticráter (ORDISOL SWT)
- Aditivos de control de superficie (SLP)
HUMECTANTES DE SUBSTRATO Y ANTICRÁTER (ORDISOL SWT)
Están especialmente diseñados para tintas de impresión y sistemas acuosos donde es necesario bajar drásticamente la tensión superficial. En este tipo de recubrimientos, es muy importante, ya que presentan una humectación pobre del substrato debido a la alta tensión superficial del agua. En esta gama de productos, Concentrol ofrece aditivos capaces de reducir la tensión superficial del agua a valores cercanos a 20 mN/m, También son ideales para mejorar la nivelación y reducir los cráteres en superficies contaminadas. Se han incorporado recientemente dos nuevas referencias a la cartera de productos.
- ORDISOL SWT-28. Especialmente diseñado para sistemas acuosos, tintas de impresión y barnices de sobreimpresión con una fuerte reducción de la tensión superficial mejorando la humectación y nivelación. Es un aditivo adecuado para sistemas que no contienen cosolventes orgánicos.
- ORDISOL SWT-49. Especialmente diseñado para sistemas acuosos y adhesivos mejorando la nivelación y fluidez. Ofrece una fuerte reducción en la tensión superficial con una muy baja formación de espuma en todos los sistemas.
ADITIVOS DE CONTROL DE SUPERFICIE (ORDISOL SLP)
Ideales tanto para sistemas base solvente, sin solvente y acuosos. Estos aditivos mejoran la nivelación y fluidez a la vez que reducen los cráteres. Además, modifican las propiedades superficiales del recubrimiento pudiendo mejorar las propiedades mecánicas como la resistencia al rayado o a la abrasión.
En esta gama de productos se ha incluido recientemente el ORDISOL SLP-35. Un aditivo universal que ofrece un buen efecto anticráter y una mejora en el deslizamiento superficial. Es adecuado para mejorar la resistencia al rayado y aumentar el brillo. Además, tiene cierto efecto desespumante por lo que estabiliza la espuma mucho menos que otros aditivos de copolímeros de polisiloxano y poliéter.
Concentrol siempre busca ofrecer la solución idónea para cada necesidad del cliente. Por este motivo, su departamento de desarrollo está experimentando constantemente con formulaciones innovadoras. Esta filosofía de trabajo, focalizando las necesidades de cada sector en el desarrollo de los productos, ha consolidado a Concentrol como una corporación líder.
