Tome la decisión correcta sobre el recubrimiento de metales para la aplicación correcta

Por Patrick Curran | 2 de junio de 2016

porAlan Cain, líder de grupo/químico investigador, Chemline, Inc.

Los metales permiten tener una variedad de productos, como equipos de producción industrial, automóviles, aviones o electrónica de consumo. Sin embargo, la corrosión que sufren los metales supone un problema. Las medidas preventivas, como el recubrimiento adecuado, pueden retrasar o eliminar la corrosión.

El costo anual de la corrosión en todo el mundo equivale al 3 al 4% del producto interno bruto mundial, o más de 3,0 billones de dólares. Históricamente, en industrias no críticas, la corrosión se trataba como un problema de reparación y mantenimiento. Sin embargo, más recientemente, las medidas preventivas reducen significativamente los costos de corrosión. Estas medidas incluyen la selección adecuada de materiales, un diseño cuidadoso de los componentes y el control de la corrosión.

Tubería de hierro fundido recubierta con una capa de poliuretano para proteger contra la exposición submarina. Foto de : Chemline

El control activo de la corrosión implica el uso de un material de sacrificio (a menudo zinc) que participa en las reacciones de corrosión en lugar del sustrato metálico. La protección pasiva implica la aplicación de un material de barrera que evita que los reactivos corrosivos y el agua lleguen a la superficie del sustrato metálico. Estos recubrimientos y películas también suelen proporcionar protección adicional contra impactos, abrasión y otros daños mecánicos.

Dado el uso muy amplio de metales y la amplia gama de tipos de metales, las expectativas de rendimiento difieren significativamente, al igual que las relaciones coste/equilibrio aceptables. Diferentes tecnologías de recubrimiento satisfacen los distintos requisitos; Seleccionar la mejor tecnología de recubrimiento para una aplicación puede ser un desafío. Aquí hay varias pautas.

Tecnología convencional: epoxisHay dos clases principales de tecnologías de recubrimiento reconocidas por sus propiedades protectoras: epoxis y sistemas de tipo poliuretano, que incluyen poliuretanos, poliureas e híbridos de estas dos químicas.

Los epoxi se utilizan ampliamente como recubrimientos protectores contra la corrosión para aplicaciones metálicas aplicadas en fábrica porque exhiben una excelente adhesión a los metales y ofrecen alta resistencia a la humedad, a los químicos y a los impactos. Siguen utilizándose ampliamente como imprimaciones (a veces ricas en zinc) en sistemas multicapa, incluidos aquellos con diferentes químicas de capa final (acrílicos para aplicaciones de uso liviano, epoxis, siliconas, poliuretanos y poliureas para aplicaciones de trabajo medio a pesado). . La mayoría de los recubrimientos epóxicos que se utilizan en la actualidad son formulaciones con alto contenido de sólidos o 100 % de sólidos que cumplen con estrictas normas ambientales relativas a la emisión de compuestos orgánicos volátiles (COV).

Sin embargo, existen limitaciones en los recubrimientos epoxi que han impulsado el interés en tecnologías alternativas para el control de la corrosión. En particular, los recubrimientos epóxicos no son muy flexibles y pueden agrietarse en aplicaciones que implican movimiento del sustrato, alto desgaste o impactos fuertes. Tampoco funcionan bien a bajas temperaturas (se vuelven quebradizos) y se vuelven amarillos con el tiempo en aplicaciones exteriores debido a la degradación tras la exposición a la radiación UV.

Por estas razones, las tecnologías de recubrimiento de poliuretano y derivados se utilizan cada vez más como recubrimientos de control de la corrosión para aplicaciones metálicas OEM debido a su mayor flexibilidad combinada con una alta adhesión y una alta resistencia a la humedad, el ataque químico y el impacto.

Química de poliuretanos y poliureas. Los isocianatos se utilizan para sintetizar resinas de poliuretano y poliurea. Los poliuretanos se obtienen cuando los diisocianatos (o poliisocianatos) reaccionan con polioles, mientras que las poliureas se generan cuando reaccionan con aminas. En los sistemas híbridos, los isocianatos se hacen reaccionar con una mezcla de aminas y polioles. Para muchos poliuretanos (excepto los sistemas curados por humedad, por ejemplo), se requiere un catalizador para asegurar una reacción rápida de los componentes de isocianato y poliol. Por otra parte, los isocianatos reaccionan rápidamente con las aminas y, por tanto, no se necesita ningún catalizador para la formación de poliureas.

Se encuentra disponible una gama de reactivos de isocianato, poliol y amina para la síntesis de poliuretanos, poliureas e híbridos. Los isocianatos pueden ser alifáticos o aromáticos. Los compuestos aromáticos (como el diisocianato de difenilmetano (MDI) y el diisocianato de tolueno (TDI)) contienen enlaces que pueden absorber la radiación UV, lo que provoca su descomposición y un amarillamiento no deseado de los recubrimientos. Como resultado, los isocianatos alifáticos (tales como diisocianato de hexametileno (HDI) y diisocianato de isoforona (IPDI)), que no tienen estos enlaces, a menudo se prefieren para la síntesis de aglutinantes de poliuretano/poliurea destinados a la formulación de revestimientos exteriores.

Los poliéteres, poliésteres y policarbonatos son los tipos de polioles más utilizados para la producción de poliuretano y polímeros híbridos. En algunos casos, el poliol contiene más de un tipo de enlace. Para algunas aplicaciones se prefieren los polioles especializados, como las policaprolactonas. La longitud de la cadena de poliol tiene un impacto significativo en la dureza (corta) y la flexibilidad (larga) del recubrimiento, mientras que el tipo de poliol afecta propiedades como la resistencia química y a la humedad.

Caja de control eléctrico ferroviario tratada con poliurea híbrida para obtener una capa protectora resistente y de película gruesa. Foto de : Chemline

Las diaminas utilizadas para la preparación de poliureas puras e híbridas son típicamente poliaminas. A menudo se utilizan dos tipos diferentes: resinas poliméricas terminadas en amina, típicamente polieteraminas, y alargadores de cadena terminados en amina, generalmente poliaminas puras. Se pueden utilizar aminas tanto primarias como secundarias, reaccionando la amina secundaria más lentamente. Los híbridos se pueden formar haciendo reaccionar isocianatos con una mezcla física de polioles y diaminas, o incorporando grupos hidroxilo en la poliamina (a menudo el extensor de cadena).

Poliuretanos Aunque tradicionalmente son sistemas de recubrimiento de dos componentes (2K) a base de solventes, los poliuretanos también están disponibles como dispersiones de PU a base de agua de 1K, sistemas a base de agua de 2K y formulaciones de 2K con alto contenido de sólidos y 100 % de sólidos. Los sistemas iniciales a base de agua no funcionaron tan bien como sus contrapartes a base de solventes y también sufrieron problemas de aplicación. Sin embargo, los avances en la tecnología de PU han llevado al desarrollo de muchas dispersiones de PU que tienen propiedades de aplicación más cercanas a las de los sistemas basados ​​en solventes. Los sistemas 100% sólidos también presentaron inicialmente dificultades de aplicación, pero aquí nuevamente los avances en las técnicas y equipos de aplicación han superado estos desafíos.

La reticulación que se produce durante la formación de la película de PU confiere propiedades específicas a estos recubrimientos. Presentan una excelente retención de brillo y color (para formulaciones pigmentadas; también son posibles capas superiores transparentes), combinadas con una buena resistencia química y a la humedad, incluso para películas delgadas, lo cual es crucial para aplicaciones donde el peso es una preocupación (como en el sector automotriz y aeroespacial). industrias). Los PU alifáticos también resisten la luz ultravioleta para aplicaciones exteriores. Las propiedades mecánicas de los recubrimientos de PU incluyen alta resistencia al impacto, la abrasión y los rayones.

Debido a que los poliuretanos comprenden dos componentes distintos (las porciones de poliisocianato y poliol), sus propiedades se pueden ajustar mediante la selección de diferentes componentes básicos de isocianato y poliol. Como resultado, es posible conseguir recubrimientos de PU que van desde muy flexibles (elastoméricos) hasta muy rígidos. Además, los recubrimientos de PU se pueden formular con una combinación única de flexibilidad/alargamiento y aprovechamiento que no es posible lograr con sistemas epoxi acrílicos. También tienen excelentes adherencias a diferentes sustratos, incluido el metal. Por lo tanto, una línea de productos a menudo se puede utilizar para múltiples aplicaciones, lo que puede reducir los costos de mantenimiento del inventario. Además, para aplicaciones de trabajo liviano a mediano, los poliuretanos se pueden usar como recubrimientos únicos directos sobre metal, lo que elimina la necesidad de una imprimación, lo que también reduce los costos de material y mano de obra.

Los recubrimientos de poliuretano se curan con bastante rapidez, incluso a temperaturas más bajas, pero la mayoría requiere un catalizador. La excepción son los sistemas curados por humedad, en los que el agua del aire actúa como catalizador. Estos sistemas son adecuados para su uso en condiciones húmedas. Por otro lado, la mayoría de los recubrimientos de PU 100 % sólidos son más sensibles a la humedad (susceptibles a formar ampollas) que otras tecnologías, incluidas las epoxis, las poliureas y los híbridos de PU/poliurea debido a la necesidad de un catalizador. Los recubrimientos de PU a base de solventes generalmente se aplican como películas delgadas (< 5 mil de espesor de película seca) usando rociadores sin aire convencionales, mientras que los sistemas 100% sólidos se pueden aplicar en películas más gruesas (> 20 mil de espesor de película seca), pero requieren el uso de Tecnología de pulverización de componentes plurales, que mezcla automáticamente los componentes de resina y catalizador antes de la pulverización. El funcionamiento de este complejo equipo requiere aplicadores capacitados/licenciados.

Las aplicaciones OEM para recubrimientos de poliuretano cubren una amplia gama de industrias. Los sistemas a base de solventes aplicados en fábrica (incluidas las formulaciones con alto contenido de sólidos) se utilizan ampliamente en las industrias de muebles, ebanistería y pisos. Los recubrimientos de PU también se utilizan hasta cierto punto en la industria automotriz en aplicaciones de bajos, interiores y exteriores (imprimación, base, capa superior), así como para revestimientos de cajas de camiones (tanto aplicados en fábrica como en el mercado de repuestos). Todos los tipos de recubrimientos de PU se utilizan en aplicaciones de imprimación, capa final y capa transparente de metales industriales en general, equipos pesados ​​y plásticos. Los sistemas de PU rígido directo sobre metal se utilizan para revestimiento de tuberías OEM y aplicaciones de tanques de almacenamiento de acero, mientras que los sistemas elastoméricos aplicados como una capa dura de espuma son para impermeabilización y durabilidad en molduras arquitectónicas, aplicaciones de entretenimiento temático y, ocasionalmente, paneles de construcción.

El panel de espuma EPS suave y tallado está protegido con un encapsulante de poliurea para formar una superficie duradera y pintable. Foto de : Chemline

Elastómeros de poliurea Los recubrimientos de poliurea son formulaciones 100 % sólidas y sin VOC que curan rápidamente (tan solo 30 segundos) sin necesidad de catalizador ni calor, incluso a bajas temperaturas (hasta -°20 C). Debido a la naturaleza del enlace de urea, no son sensibles a la humedad; no se producen ampollas, incluso cuando se aplican poliureas sobre sustratos en presencia de agua líquida. Al igual que con los poliuretanos, la formación de redes reticuladas en películas de poliurea imparte excelentes propiedades mecánicas, pero la segmentación mejorada de bloques duros/bloques blandos en las poliureas da como resultado una mayor dureza/rigidez, resistencia al desgarro y la abrasión y resistencia a la intemperie, al choque térmico y al impacto. Los enlaces de urea también contribuyen a mejorar la resistencia química y al agua. La combinación de segmentos de isocianato y poliol terminado en amina ofrece una atractiva combinación de flexibilidad y dureza.

Se aplica un revestimiento de poliuretano para proteger la caja de audio contra daños por manipulación, impactos y elementos. Foto de : Chemline

A diferencia de los poliuretanos, las poliureas se pueden aplicar con espesores de película muy altos. Como resultado, pueden servir no sólo como capas de revestimiento protector, sino también contribuir a la integridad estructural de un sustrato. Se adhieren a una variedad de sustratos, incluidos concreto, metales, madera, compuestos, espuma y otros.

Sin embargo, existen desafíos al trabajar con poliureas. Cuando se introdujeron por primera vez, las poliureas a menudo presentaban problemas de humectación del sustrato, adhesión entre capas y defectos en la superficie. Los avances tanto en las materias primas como en los equipos de aplicación han ayudado a superar estas deficiencias. Aun así, una mezcla adecuada es crucial para una formación y adhesión óptimas de la película. Al igual que con las PU 100 % sólidas, se requieren pulverizadores de componentes plurales de alta presión para la aplicación de poliureas, y es necesaria la capacitación de los aplicadores para garantizar que los operadores comprendan cómo identificar las condiciones óptimas de mezcla y pulverización. Los elastómeros de poliurea normalmente no son adecuados para aplicaciones que requieren recubrimientos delgados (< 5 mil).

En general, los recubrimientos de poliurea se prefieren como capas superiores para aplicaciones de curado rápido (tiempos de respuesta rápidos), el sustrato recubierto estará expuesto a condiciones extremas y la apariencia no es una preocupación clave. Además, se utilizan en aplicaciones donde una capa final más delgada (PU o de otro tipo) puede dañarse, lo que genera posibles problemas de corrosión y degradación. Las poliureas también se seleccionan a menudo para reemplazar a los epoxis en aplicaciones donde el alargamiento y la resistencia al impacto son importantes, porque los epoxis a menudo se agrietan y se deslaminan en tales condiciones. Los ejemplos incluyen aplicaciones de impermeabilización OEM y revestimientos para rieles y barcazas. En general, las poliureas se utilizan frecuentemente en el campo debido a su insensibilidad a la humedad y la temperatura. Las aplicaciones in situ incluyen revestimientos de techos, tuberías y tanques, revestimientos para plataformas de camiones, revestimientos para tanques grandes (líneas de buques de carga, vagones de transporte a granel), plataformas de estacionamiento de automóviles, puentes y protección en alta mar.

Los recubrimientos de poliurea a base de ésteres poliaspárticos representan una tecnología más nueva basada en la reacción de isocianatos con ésteres poliaspárticos alifáticos (diaminas alifáticas). Estos recubrimientos generalmente curan más lentamente que las poliureas y se pueden aplicar en capas más delgadas. Al igual que los poliuretanos, se aplican mediante pulverizadores sin aire convencionales. Por lo tanto, a menudo se utilizan en las mismas aplicaciones que pueden utilizar PU.

Híbridos: lo mejor de ambos El uso de mezclas de polioles terminados en amina e hidroxilo crea aún más oportunidades para ajustar las propiedades de los recubrimientos híbridos. No sólo se puede ajustar el aspecto, la dureza/flexibilidad y las propiedades mecánicas, sino también la reactividad de estos recubrimientos eligiendo diferentes isocianatos, polieteraminas y polioles. Controlar el tiempo de curado le permite desarrollar películas suaves o texturizadas con la apariencia superficial deseada combinada con el mayor rendimiento de las poliureas.

Los híbridos suelen ser formulaciones 100 % sólidas que curan rápidamente (se requiere catalizador) y se pueden aplicar en capas altas de película. Tienen buen alargamiento y flexibilidad combinados con una excelente resistencia química y a disolventes y resistencia a la abrasión y al impacto. Al igual que las poliureas, se pueden aplicar a baja temperatura. Sin embargo, la aplicación de recubrimientos híbridos es menos compleja (mezcla por impacto más fácil) que la de las poliureas, aunque todavía se requiere equipo de pulverización de componentes plurales y capacitación del aplicador.

La capacidad de personalización de los recubrimientos híbridos de poliuretano/poliurea ha llevado a su uso en una variedad de aplicaciones donde se desea el alto rendimiento de las poliureas y un acabado atractivo. En consecuencia, a menudo se prefieren a las poliureas porque los híbridos pueden cumplir con estos requisitos y aun así ofrecer tiempos de respuesta rápidos, y lo hacen a un costo menor que los recubrimientos de poliurea pura. Los usos más comunes de los OEM son aplicaciones de control de corrosión e impermeabilización donde no se requiere el alto rendimiento de las poliureas y los híbridos brindan soluciones más atractivas en términos de costo-rendimiento. En algunos casos, se prefieren los híbridos porque ofrecen un conjunto único de propiedades que no se pueden lograr con un sistema puro de PU o poliurea. Los híbridos también están encontrando uso en aplicaciones de contención secundaria sobre concreto y geotextiles.

Tomar la decisión correcta Existen tecnologías de recubrimiento híbrido de poliuretano, poliurea y PU/poliurea disponibles para prácticamente todas las aplicaciones de recubrimiento OEM imaginables. Estas químicas ofrecen una gama de propiedades adecuadas para diferentes condiciones de aplicación y necesidades de rendimiento. Los factores a considerar al seleccionar un recubrimiento protector para una aplicación determinada incluyen: el tipo de sustrato, la tecnología de aplicación, las condiciones bajo las cuales debe funcionar el recubrimiento, el tiempo de curado, el espesor de película deseado y los requisitos de desempeño (adherencia, apariencia, y propiedades mecánicas y de resistencia).

El coste también es claramente un factor clave en la selección de una tecnología de recubrimiento. Los recubrimientos de poliuretano son los menos costosos, las poliureas las más costosas y los recubrimientos híbridos se encuentran en el medio. A menudo se considera que los poliuretanos ofrecen el mejor compromiso entre costo y rendimiento. Los híbridos, por otro lado, ofrecen el 80% de los beneficios de las poliureas a aproximadamente el 50% del costo adicional en comparación con los poliuretanos.

Los poliuretanos de película delgada son adecuados para aplicaciones donde se requiere rendimiento y un acabado de alta calidad. En aplicaciones menos exigentes, se pueden aplicar como una sola capa (por ejemplo, directamente sobre metal), pero a menudo se usan como capa final cuando el sustrato recubierto debe protegerse de condiciones más extremas.

Las poliureas, que se pueden rociar en malas condiciones, incluidas temperaturas extremas y alta humedad, se usan comúnmente para aplicaciones al aire libre o en el sitio. En este caso no son adecuados los poliuretanos ni los híbridos, que requieren catalizadores para su endurecimiento. Se prefieren los híbridos menos costosos para aplicaciones OEM donde no se requieren las propiedades de curado de mayor rendimiento de las poliureas, pero se desean propiedades de película aplicada similares.

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