{"id":3288,"date":"2023-11-16T20:37:21","date_gmt":"2023-11-16T20:37:21","guid":{"rendered":"https:\/\/www.kpuvpowder.com\/?p=3288"},"modified":"2023-11-16T20:37:21","modified_gmt":"2023-11-16T20:37:21","slug":"revestimiento-en-polvo-curado-con-plasma-plastico-compuesto-carbono-uv","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.kpuvpowder.com\/es\/revestimiento-en-polvo-curado-con-plasma-plastico-compuesto-carbono-uv\/","title":{"rendered":"Plasma – Pl\u00e1stico\/Compuesto de carbono – Revestimiento en polvo curado con UV"},"content":{"rendered":"

<\/i>Art\u00edculos<\/span><\/a><\/div>
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Plasma – Pl\u00e1stico\/Compuesto de carbono – Revestimiento en polvo curado con UV<\/h1><\/div>

The Waterborne Symposium, New Orleans LA Feb 24-Mar 1 2019
\n<\/strong>Michael Knoblauch, Presidente Keyland Polymer UV Powder<\/p>\n

Resumen<\/b><\/p>\n

El tratamiento con Plasma se utiliza para modificar y mejorar las condiciones de la superficie de varios materiales. El uso de la tecnolog\u00eda de plasma en pl\u00e1stico y sustratos compuestos de carbono permite recubrir con \u00e9xito estos materiales sensibles al calor con recubrimiento curado en polvo con UV. El tratamiento con Plasma de una pieza aumenta su superficie de energ\u00eda y elimina los contaminantes. El aumento en la superficie de energ\u00eda mejora el nivel de humectaci\u00f3n de la superficie, que se correlaciona con una mejor adherencia del recubrimiento. Hay varias condiciones y variables de procesamiento que se pueden manipular para aumentar la eficacia del tratamiento con plasma de la superficie de un material. Se realiz\u00f3 un estudio sobre seis sustratos de pl\u00e1stico y compuestos. La eficacia del tratamiento con plasma se determin\u00f3 en primer lugar a partir del cambio en la energ\u00eda superficial. En general, la energ\u00eda superficial de todas las muestras aument\u00f3 de 30 – 48 dinas\/cm a 64 – 70+ dinas\/cm. Para estudiar m\u00e1s a fondo la eficacia del tratamiento con plasma, los pl\u00e1sticos y compuestos tratados se acabaron con un recubrimiento en polvo curado con UV. Los recubrimientos en polvo de curado UV utilizan menos energ\u00eda calor\u00edfica y se curan m\u00e1s r\u00e1pido que los recubrimientos en polvo convencionales, y no degradan ni deforman los sustratos sensibles al calor. Tras el curado, se midi\u00f3 y evalu\u00f3 la adherencia del revestimiento al sustrato. En consonancia con el aumento de la energ\u00eda superficial, se observ\u00f3 una mejora de la adherencia en todas las muestras de ensayo.<\/p>\n

Introducci\u00f3n <\/b><\/h2>\n

Comprobar la adherencia es la primera prueba medible a la hora de evaluar el rendimiento de un material de revestimiento, independientemente del tipo de sustrato: metal, madera, pl\u00e1stico, compuesto, papel, vidrio o materiales de ingenier\u00eda. En t\u00e9rminos sencillos, esto puede expresarse como \u00ab\u00bfse adhiere al sustrato?\u00bb y, en caso afirmativo, \u00bfcu\u00e1l es la medida de adherencia? La medici\u00f3n de la adherencia se aplica a todas las formas de revestimiento: l\u00edquidos, revestimientos en polvo, barnices y tintas. El sistema o mecanismo de curado de un revestimiento es independiente de la medida de la adherencia. Independientemente del tipo de curado: aire ambiente, energ\u00eda t\u00e9rmica o energ\u00eda de radiaci\u00f3n (UV o haz de electrones (EB)), el revestimiento tiene que \u00abpegarse\u00bb al sustrato. Un revestimiento aplicado y curado correctamente no garantiza que el revestimiento se adhiera al sustrato. La preparaci\u00f3n adecuada del sustrato antes del revestimiento es el factor m\u00e1s importante y determinante para conseguir el grado de adherencia deseado de cualquier revestimiento sobre cualquier sustrato.<\/p>\n

Preparar un sustrato requiere comprender sus propiedades f\u00edsicas, conocer el uso final del producto revestido y, a continuaci\u00f3n, identificar, seleccionar y utilizar los materiales de pretratamiento adecuados. La combinaci\u00f3n de los materiales y procesos de pretratamiento con los materiales de revestimiento adecuados y deseados garantiza que se consiga la adherencia deseada tras la aplicaci\u00f3n y el curado. La preparaci\u00f3n o pretratamiento de metales ferrosos es bien conocida; los materiales de pretratamiento de fosfato de hierro, fosfato de zinc y circonio son omnipresentes, y estos materiales son compatibles con muchos revestimientos l\u00edquidos y en polvo. Para la mayor\u00eda de los sustratos industriales comunes de metal y madera, existe una amplia plataforma de materiales y procesos de pretratamiento que se corresponden con materiales de revestimiento que funcionan bien y conforman el mercado maduro de los revestimientos generales.<\/span><\/p>\n

El desarrollo y la utilizaci\u00f3n de pl\u00e1sticos y materiales compuestos como sustitutos de los metales para conseguir reducciones de peso, ahorro de combustible, resistencia de los productos y objetivos de dise\u00f1o son oportunidades nuevas y apasionantes para el mercado de los revestimientos. La adherencia del revestimiento depende de la preparaci\u00f3n y\/o el tratamiento previo antes del revestimiento. Para este estudio se seleccion\u00f3 un revestimiento en polvo de curado UV porque requiere una cantidad m\u00ednima de calor para fundir el revestimiento (normalmente no m\u00e1s de 130 C), y el tiempo para fundir el polvo es de uno a dos minutos, seguido de un curado UV casi instant\u00e1neo. La cantidad de calor no compromete la integridad de los sustratos probados. En este art\u00edculo se presentan los resultados de una investigaci\u00f3n sobre el uso del plasma como modificador de la superficie de sustratos pl\u00e1sticos y compuestos para aumentar la energ\u00eda superficial y mejorar la adherencia de un recubrimiento en polvo curado con UV.<\/p>\n

Medida de la adherencia <\/b><\/h2>\n

ASTM D33591es <\/span>el m\u00e9todo est\u00e1ndar y aceptado para medir y clasificar la adherencia de un material de revestimiento a un sustrato. El revestimiento se corta transversalmente a una distancia determinada con una cuchilla o un dispositivo de corte (figura 1). Se aplica una cinta sensible a la presi\u00f3n sobre la zona trazada y, a continuaci\u00f3n, se retira bruscamente del sustrato. La adherencia se clasifica por el porcentaje de pintura que la cinta retira del sustrato (figura 2). 5B es la clasificaci\u00f3n \u00f3ptima, 4B suele ser aceptable, cualquier cosa inferior es un fracaso y no es aceptable. Este m\u00e9todo de clasificaci\u00f3n se utiliza en todo el estudio.<\/p>\n

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Figura 1. Aplicaci\u00f3n y retirada de la cinta para la prueba de adherencia. <\/b><\/h6>\n
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Figura 2. Clasificaci\u00f3n de adherencia ASTM D3359. <\/b><\/h6>\n

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Tratamiento con plasma <\/b><\/p>\n

El plasma suele denominarse el cuarto estado de la materia; los tres primeros son el s\u00f3lido, el l\u00edquido y el gaseoso (Figura 3). La energ\u00eda t\u00e9rmica, su adici\u00f3n o su eliminaci\u00f3n, es el insumo interviniente que cambia la naturaleza de la materia. El plasma es un gas capaz de conducir la electricidad. Es la energ\u00eda el\u00e9ctrica en combinaci\u00f3n con el gas plasma la que cambia y modifica la superficie del sustrato tratado e influye en la adherencia de un revestimiento al sustrato.<\/p>\n

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Figura 3. Estados de la materia.<\/b><\/h6>\n

La interacci\u00f3n de un plasma con la superficie es tanto f\u00edsica como qu\u00edmica. Normalmente, las superficies de baja energ\u00eda (como la mayor\u00eda de los pl\u00e1sticos y compuestos) son hidr\u00f3fobas por naturaleza y manifiestan un bajo grado de humectabilidad. La mojabilidad se refiere a la interacci\u00f3n entre un fluido y una fase s\u00f3lida, y mide la tendencia de un material a extenderse y fluir sobre una superficie s\u00f3lida. El tratamiento con plasma convierte una superficie de baja energ\u00eda en una de alta energ\u00eda, y la hace m\u00e1s hidr\u00f3fila y humectable. La adherencia de un revestimiento tiene una correlaci\u00f3n directa con la humectabilidad; cuanto m\u00e1s humectable sea una superficie, mejor ser\u00e1 la adherencia.<\/p>\n

El plasma tiene seis componentes: electrones, iones, radicales libres, subproductos, fotones y neutrales. Los dos componentes clave son los iones, que estimulan cambios f\u00edsicos en la superficie del material, y los radicales libres, que estimulan cambios qu\u00edmicos en la superficie del material. Los iones y los radicales libres interact\u00faan entre s\u00ed mediante la manipulaci\u00f3n del generador de radiofrecuencia (RF) de la unidad de plasma y el generador de gas, normalmente ox\u00edgeno, arg\u00f3n o aire (Figura 4). Las interacciones entre la carga el\u00e9ctrica y el gas se controlan mediante el tiempo de procesamiento, la potencia de RF y la presi\u00f3n de vac\u00edo. El ajuste de estos par\u00e1metros permite dise\u00f1ar un tratamiento adecuado para la composici\u00f3n qu\u00edmica espec\u00edfica del sustrato tratado. El objetivo del tratamiento con plasma es limpiar y grabar f\u00edsicamente la superficie de un material y proporcionar puntos de uni\u00f3n qu\u00edmicamente activos a los que puedan anclarse los revestimientos. El resultado es una superficie hidr\u00f3fila y humectable que favorece la adhesi\u00f3n del revestimiento.<\/p>\n

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Figura 4. Unidad de plasma al vac\u00edo.<\/b>3<\/b><\/span><\/h6>\n

El plasma atmosf\u00e9rico es una forma de tratamiento con plasma. Esta tecnolog\u00eda utiliza una pistola o varilla como dispensador de plasma y el plasma descargado se dirige a la superficie, incidiendo en un \u00e1rea s\u00f3lo tan grande como el campo de descarga. A diferencia de los sistemas tradicionales de tratamiento por plasma atmosf\u00e9rico, las unidades de plasma con c\u00e1mara de vac\u00edo proporcionan un tratamiento completo de todas las superficies de tres-.objetos dimensionales simult\u00e1neamente. El plasma al vac\u00edo tiene varias ventajas sobre el plasma atmosf\u00e9rico. Al no estar restringido a la l\u00ednea de visi\u00f3n, el plasma \u00abllega\u00bb a todas las superficies; las condiciones ambientales y\/o la variabilidad del operario no afectan al resultado del proceso, el tiempo y la presi\u00f3n de vac\u00edo se controlan en el proceso, y se pueden procesar varias piezas simult\u00e1neamente.<\/span><\/p>\n

Para este estudio se seleccion\u00f3 plasma al vac\u00edo. Para procesar piezas mediante esta tecnolog\u00eda, los productos se colocan dentro de la c\u00e1mara de tratamiento, se evacua el aire produciendo un vac\u00edo, se inyecta el gas seleccionado en la unidad y se suministra energ\u00eda de radiofrecuencia a trav\u00e9s de los electrodos produciendo el plasma que incide por igual en todas las superficies del producto.<\/p>\n

Se utiliz\u00f3 una prueba dina para medir la energ\u00eda superficial del material tratado. Un kit de soluci\u00f3n dina consta de varias soluciones caracterizadas por cambios incrementales en sus valores dina\/cm, generalmente de 30 – 70 dina\/cm. Comenzando con una soluci\u00f3n de bajo valor dina, las muestras se frotan sobre la superficie que se est\u00e1 probando, y se anota el tiempo que tarda la soluci\u00f3n en formar gotas sobre el sustrato. Se prueban soluciones de valor dina creciente de forma incremental para determinar la soluci\u00f3n que formar\u00e1 cordones en aproximadamente dos segundos tras la aplicaci\u00f3n, y su valor dina demuestra la energ\u00eda superficial del sustrato. Cuanto mayor es el valor dina, mayor es la energ\u00eda superficial del sustrato.<\/p>\n

Recubrimientos en polvo curables por UV <\/b><\/h2>\n

Los principales tipos de sistemas de curado son el secado al aire ambiente, la energ\u00eda t\u00e9rmica, la energ\u00eda de la luz ultravioleta y la energ\u00eda del haz de electrones. El curado UV es muy diferente de los sistemas de curado \u00aben seco al aire\u00bb o por energ\u00eda t\u00e9rmica (calor). El grado de curado se refleja en el n\u00famero de cadenas de olig\u00f3meros reticulados o dobles enlaces totalmente reaccionados que quedan en la matriz del revestimiento tras la exposici\u00f3n al sistema de curado.<\/p>\n

La luz UV se utiliza para curar tintas y lacas desde hace m\u00e1s de 30 a\u00f1os. Los materiales l\u00edquidos de curado UV, es decir, pinturas pigmentadas, acabados transparentes, tintas pigmentadas y barnices transparentes de recubrimiento, dominan el mercado de materiales de recubrimiento UV. Las empresas llevan m\u00e1s de 20 a\u00f1os utilizando con \u00e9xito recubrimientos en polvo de curado UV. Los recubrimientos en polvo de curado UV pueden sustituir a los recubrimientos l\u00edquidos con disolventes y a los recubrimientos en polvo termoendurecibles, y son un material de acabado de inter\u00e9s para muchos materiales y productos nuevos. Las l\u00e1mparas UV de alta potencia son la fuente de energ\u00eda de la luz de curado UV. Las l\u00e1mparas UV de arco y UV de media presi\u00f3n dominan el mercado. En los \u00faltimos cinco a\u00f1os, los fabricantes de l\u00e1mparas han introducido l\u00e1mparas LED UV y han aumentado la producci\u00f3n de energ\u00eda UV. Las l\u00e1mparas UV LED consumen mucha menos energ\u00eda que las l\u00e1mparas UV de arco y UV de media presi\u00f3n, no emiten energ\u00eda IR, tienen una vida \u00fatil significativamente m\u00e1s larga y un coste total de funcionamiento inferior.<\/p>\n

La calorimetr\u00eda diferencial de barrido (DSC) es un m\u00e9todo fiable y repetible para evaluar el curado de un sistema de recubrimiento. Los usuarios suelen emplear metiletilcetona u otro disolvente en las pruebas para evaluar el curado. Las investigaciones demuestran que las pruebas solventes para evaluar la curaci\u00f3n son subjetivas y pueden producir resultados falsos negativos y falsos positivos.<\/p>\n

Los l\u00edquidos y recubrimientos en polvo curables por UV son materiales fotopolimerizables con un fotoiniciador qu\u00edmico que responde instant\u00e1neamente a la energ\u00eda de la luz UV iniciando la reacci\u00f3n que conduce a la reticulaci\u00f3n (Figura 5). Para curar un revestimiento en polvo UV, una etapa de fusi\u00f3n separada precede a la etapa de curado. La fusi\u00f3n suele durar de uno a dos minutos. El curado UV es casi instant\u00e1neo. Al considerar los revestimientos curados por UV, es necesario equilibrar los par\u00e1metros de funcionamiento del sistema de revestimiento, la velocidad del proceso y el material de revestimiento, con la gama espectral de la bombilla UV y la salida de energ\u00eda del sistema de l\u00e1mparas. Si la salida espectral de la l\u00e1mpara UV no se corresponde con las longitudes de onda de absorci\u00f3n del fotoiniciador, o si el sistema de l\u00e1mparas no tiene suficiente potencia, es posible que la laca no se cure completamente.<\/p>\n

Resina Fotopol\u00edmero Polimerizaci\u00f3n inducida por luz (reticulaci\u00f3n) <\/b><\/h2>\n

Fotoiniciador<\/b><\/h2>\n

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Figura 5. Fotopolimerizaci\u00f3n. <\/b><\/h6>\n

Los recubrimientos en polvo de curado UV ofrecen muchas ventajas operativas: menor consumo de energ\u00eda, el sistema de aplicaci\u00f3n ocupa menos espacio en la planta y aumenta la productividad. Adem\u00e1s de estas ventajas operativas, los recubrimientos en polvo de curado UV tambi\u00e9n tienen beneficios para la salud, la seguridad y la normativa. Al ser 100% s\u00f3lidos, no contienen disolventes ni agua, y su fabricaci\u00f3n y uso no requieren permisos. La figura 6 ilustra las ventajas de productividad del recubrimiento en polvo de curado UV en comparaci\u00f3n con los recubrimientos l\u00edquidos y en polvo termoendurecibles. Cada barra es la suma del tiempo necesario para la aplicaci\u00f3n y el curado del material.<\/p>\n

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Figura 6. An\u00e1lisis del tiempo de ciclo de las piezas. <\/b><\/h6>\n

Los recubrimientos en polvo de curado UV y los recubrimientos en polvo de curado t\u00e9rmico son similares. La diferencia radica en que la resina est\u00e1 espec\u00edficamente formulada para ser curada con luz UV y en el uso de fotoinitadores, como catalizadores del curado. Las resinas qu\u00edmicas t\u00edpicas incluyen poli\u00e9steres, epoxis, h\u00edbridos y uretanos. Los aditivos y pigmentos, junto con el fotoiniciador, se a\u00f1aden a la resina y completan la formulaci\u00f3n. La caracter\u00edstica \u00fanica y diferenciadora entre los recubrimientos en polvo de curado t\u00e9rmico y UV es la separaci\u00f3n de la fase de fusi\u00f3n a curado en una corta fase de fusi\u00f3n seguida de una fase de curado UV casi instant\u00e1nea (Figura 7).<\/p>\n

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Figura 7. Fundir, fluir y curar. <\/b><\/h6>\n

Tecnolog\u00eda de curado por luz UV <\/b><\/h2>\n

La figura 8 muestra el espectro de luz de UV a infrarrojo (IR); UVC, UVB y UVA son las tres bandas de longitud de onda UV entre 100 y 400 nm. Los fabricantes de l\u00e1mparas denominaron una cuarta banda, UVV, de 400 a 450 nm. Esta banda es importante porque la energ\u00eda UV producida en ella cura los recubrimientos gruesos, como los recubrimientos en polvo curados con UV. Las l\u00e1mparas UV de arco y de media presi\u00f3n emiten energ\u00eda luminosa en todas las bandas UV y en la luz visible por encima de 400 nm. Dependiendo del tipo de l\u00e1mpara UV, la irradiancia y la dosis de energ\u00eda variar\u00e1n en funci\u00f3n de las bandas UV. Los fotoiniciadores absorben la luz ultravioleta en diferentes longitudes de onda. Las longitudes de onda de emisi\u00f3n de la luz UV deben coincidir con las longitudes de onda de absorci\u00f3n de los fotoiniciadores para iniciar y completar la fase de curado en el proceso de aplicaci\u00f3n del revestimiento.<\/p>\n

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Figura 8. Espectro luminoso. <\/b><\/h6>\n

La potencia de la l\u00e1mpara UV se describe como irradiancia (intensidad m\u00e1xima). La potencia de la l\u00e1mpara (mW\/cm2<\/span>) se mide a una distancia determinada. El segundo descriptor es la dosificaci\u00f3n (densidad de energ\u00eda, mJ\/cm2<\/span>), que es la cantidad de potencia que llega a la superficie del objeto que se est\u00e1 curando a medida que se desplaza por el campo luminoso de la l\u00e1mpara. Cuanto mayor sea la dosis, mayor ser\u00e1 la cantidad de energ\u00eda UV necesaria para curar la laca. Al variar la distancia y la velocidad de la l\u00ednea, var\u00eda la dosis de energ\u00eda luminosa UV recibida en la superficie de la pieza. Cuanto m\u00e1s cerca est\u00e9 la luz UV de la pieza, mayor ser\u00e1 la dosis de energ\u00eda para curar el revestimiento. Es importante comprender c\u00f3mo cambian las condiciones de curado al variar la potencia de la l\u00e1mpara, la distancia y el tiempo.<\/p>\n

La tabla 1 muestra las mediciones de la potencia UV de tres tipos de l\u00e1mparas: microondas, arco y LED UV. La distancia y la velocidad son constantes y se miden a trav\u00e9s de las diferentes longitudes de onda. La lectura del LED UV 395 se realiza a la longitud de onda de 395 nm.<\/p>\n

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Resultados y debate <\/b><\/p>\n

La tabla 2 muestra la tensi\u00f3n superficial en valores dina (dina\/cm) de seis materiales; un control sin tratar seguido de ensayos con diferentes condiciones de procesado. La unidad de tratamiento por plasma utilizada fue una Nordson\/MARCH AP-1500. Excepto el material y el gas de procesado, las dem\u00e1s condiciones se mantuvieron constantes, es decir, a) posici\u00f3n en la unidad, b) presi\u00f3n de base de la c\u00e1mara, medida en mTorr, c) presi\u00f3n del gas, medida en cc\/min, d) polvo unitario, medido en vatios, y e) tiempo de tratamiento con plasma, medido en segundos.<\/p>\n

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