¿Cómo mejorar la resistencia a la intemperie de los recubrimientos en polvo mediante antioxidantes y estabilizadores de la luz?
Con el rápido desarrollo de la economía nacional, la aplicación de recubrimientos en polvo en exteriores es cada vez más habitual. Por ello, la resistencia a la intemperie y la durabilidad de los recubrimientos en polvo como protección y decoración también están recibiendo cada vez más atención, especialmente la película de recubrimiento de elementos interiores y exteriores, como techos, paneles de muros cortina, fuentes, aires acondicionados, lavadoras, perfiles de aluminio, etc.
Hay muchos factores que afectan a la resistencia a la intemperie de los recubrimientos en polvo, entre ellos factores internos como la estructura y el rendimiento de las resinas, los agentes curantes, los colorantes y otros aditivos, y factores naturales (factores externos) como el efecto de la luz solar (principalmente los rayos UV), la composición de la atmósfera (oxígeno, ozono, humo industrial, etc.), la humedad (incluida la lluvia ácida, la niebla salina, etc.) y los cambios de temperatura.
La radiación ultravioleta es la principal causa del envejecimiento natural de los recubrimientos en polvo, y el oxígeno de la atmósfera es un factor importante que favorece el envejecimiento natural. Bajo la acción de los rayos UV y el oxígeno, se desencadena una reacción de oxidación automática del recubrimiento en polvo, es decir, una reacción en cadena de oxidación, que degrada el recubrimiento en polvo. El agua y el calor aceleran esta reacción y contribuyen a la fotooxidación.
La película de recubrimiento en polvo tendrá enlaces de cadena débiles y cadenas macromoleculares de estructura diénica durante el proceso de formación, que son propensas a la reacción de degradación oxidativa fotoinducida (envejecimiento) tras la radiación UV, lo que provoca la decoloración y el caleo de la película de recubrimiento.
Para inhibir o ralentizar la fotooxidación de la película de recubrimiento, se suelen añadir antioxidantes, absorbentes de rayos UV o estabilizadores de la luz, o una mezcla de los tres.
Investigación sobre la aplicación de antioxidantes
A partir del mecanismo de degradación térmica por oxígeno de los polímeros, se sabe que la degradación térmica por oxígeno de los polímeros se debe principalmente a la aparición de reacciones radicales encadenadas provocadas por la generación de radicales libres a partir de hidroperóxidos por el calor.
Por lo tanto, la degradación térmica por oxígeno de los polímeros puede inhibirse mediante la captura de radicales y la descomposición de los hidroperóxidos, como se muestra en la figura 1. Entre ellos, los antioxidantes se utilizan ampliamente para la inhibición de la oxidación mencionada anteriormente.
Los antioxidantes (o estabilizadores térmicos) son aditivos que se utilizan para inhibir o retrasar la degradación de los polímeros por la acción del oxígeno o el ozono de la atmósfera, y son los aditivos más utilizados en los materiales poliméricos.
Los recubrimientos en polvo están sujetos a la degradación térmica por oxígeno después de la cocción a altas temperaturas o la exposición a la luz solar, el envejecimiento, el amarilleamiento y otros fenómenos que afectan gravemente al aspecto y al rendimiento del producto. Para prevenir o reducir la aparición de esta tendencia, se suele recurrir a la adición de antioxidantes o estabilizadores térmicos.
Los antioxidantes se pueden dividir en tres categorías principales según su función (es decir, el comportamiento de intervención en el proceso químico de oxidación automática).
La primera categoría se denomina antioxidantes terminadores de cadena, que capturan o eliminan principalmente los radicales libres generados por la autooxidación de los polímeros.
La segunda categoría se denomina antioxidantes descomponedores de hidroperóxidos, que inducen principalmente la descomposición no radicalaria de los hidroperóxidos en los polímeros.
La tercera categoría se denomina antioxidantes pasivadores de iones metálicos, que pueden formar un quelato estable con iones metálicos nocivos, atenuando así el efecto catalítico de los iones metálicos en el proceso de autooxidación de los polímeros.
El primero de los tres tipos de antioxidantes se denomina antioxidante principal, principalmente bloqueadores de fenol, aminas secoaromáticas; las categorías segunda y tercera se denominan antioxidantes auxiliares, fosfito, sales metálicas de ditiocarbamato, etc. Para obtener un recubrimiento estable que cumpla los requisitos de aplicación, se suele elegir una variedad de compuestos antioxidantes.
En la siguiente prueba se utilizan diferentes compuestos antioxidantes añadidos a la formulación del recubrimiento en polvo. Tras la pulverización y el curado, se prepara la muestra y se mide el valor b con un colorímetro en el mismo espesor de película, y se evalúa el color de la película de recubrimiento utilizando el sistema de color CIE Lab para polvos común internacional (DIN 6174, ISO 10526 y ASTM 2244).
Los resultados de la prueba, tras clasificar el color de la película de recubrimiento en orden ascendente de subclasificación a excelente, muestran lo siguiente.
1. La formulación básica 1 muestra una grave pérdida de luz. Aunque la resistencia al calor del pigmento es buena, tras la formación de la película, el análisis indica que el pigmento se oxida a altas temperaturas y que algunos grupos dentro del pigmento reaccionan bajo la acción del oxígeno.
2, el cambio de color de la fórmula 2 y la fórmula 3 es mejor que el de la fórmula 1, pero la mejora no es evidente, y la fórmula 3 tiene un efecto mejor que la fórmula 2.
Tras el análisis, el antioxidante impidió una mayor oxidación y redujo el cambio de color, y el efecto del antioxidante 3 fue mejor que el del antioxidante 2. Otra razón puede ser que ambos son aminas inhibidas, que impiden la producción de grupos colorantes tras la oxidación del pigmento, pero el efecto no es bueno, solo impiden una mayor reacción tras la oxidación parcial, por lo que el efecto no es óptimo.
3, la fórmula 4 es mejor que la fórmula 3, pero no es la mejor. Debido a que el antioxidante fosfito tiene una buena capacidad de protección del color, tiene propiedades reductoras y puede hacer que el pigmento oxidado a alta temperatura se restaure rápidamente, por lo que tiene un mejor efecto antioxidante.
4, el efecto obtenido con la fórmula 5 es mejor que con la fórmula 4. Esta fórmula utiliza el antioxidante principal y el antioxidante auxiliar juntos, por lo que no solo detiene la oxidación adicional del pigmento, sino que también restaura rápidamente el grupo oxidado, y el antioxidante auxiliar puede hacer que el grupo colorante producido por el antioxidante principal se vuelva más claro, por lo que tiene un buen efecto sinérgico.
5, el uso de la formulación antioxidante compuesta 6 tiene un efecto de conservación del color significativamente mejor que la formulación 5. El antioxidante 4 es una mezcla de fosfito de alta eficiencia y antioxidante fenólico, y la proporción adecuada de ambos tiene un buen efecto antioxidante.
6, la formulación 7 es mejor que la formulación 6, y el efecto del color es básicamente el mismo que el del pigmento original. La dosis recomendada de antioxidante es del 0,5 % al 1,0 %, por lo que la dosis de la formulación 6 es significativamente menor. Esto demuestra que el efecto del color se mantiene mejor tras aumentar la dosis de antioxidante compuesto.
7, la prueba de la formulación 8 muestra que, en el proceso de extrusión y curado de la película de recubrimiento en polvo, el uso de antioxidantes puede inhibir eficazmente la degradación oxidativa de la resina y mejorar la resistencia al impacto.
La formulación con la adición de antioxidantes puede aumentar la relación cara/base, para lograr el mismo rendimiento sin la adición de antioxidantes cuando la relación cara/base es menor. Esto se debe a que la adición de antioxidantes reduce la tendencia de la resina a descomponerse en productos de bajo peso molecular, de modo que las moléculas grandes de resina cubren mejor más rellenos, mientras que el rendimiento permanece inalterado.
8, Formulación 10 y Formulación 9: se pueden observar muestras de película de recubrimiento blanco, además de que los antioxidantes pueden inhibir eficazmente el amarilleamiento durante el procesamiento de los recubrimientos en polvo y el proceso de poscurado, mejorando el rendimiento del color de los recubrimientos en polvo blancos.
Los resultados de las pruebas anteriores muestran que, aunque hay muchos factores que afectan a la aparición de la oxidación en la película de recubrimiento, como la calidad y el tipo de resina, el pigmento, los aditivos, el diseño de la formulación del recubrimiento, el proceso de producción, la temperatura, la atmósfera, la humedad y otros factores naturales, la aplicación de antioxidantes adecuados reduce la aparición de esta tendencia.
Investigación sobre la aplicación de estabilizadores de la luz
La degradación de los polímeros en presencia de luz y oxígeno se denomina «degradación fotooxidativa». Los estabilizadores de la luz, también conocidos como estabilizadores UV, son una clase de aditivos estabilizadores que se utilizan para inhibir la degradación fotooxidativa de las resinas poliméricas y mejorar la resistencia a la intemperie de las películas de recubrimiento en polvo.
Según los diferentes mecanismos de estabilización, los estabilizadores de la luz pueden dividirse en agentes de protección contra la luz, absorbentes de UV, agentes de ruptura del estado excitado y agentes de captura de radicales libres.
Debido a la diversidad y complejidad de la formulación de los recubrimientos en polvo, el proceso de curado y la forma de curado, la conservación de la luz y la protección contra la luz de los recubrimientos en polvo son muy importantes.
En segundo lugar, los estabilizadores de la luz son muy eficaces para el envejecimiento por la luz de los recubrimientos y para prolongar la vida útil de la película de recubrimiento, y la cantidad es muy pequeña, generalmente solo entre el 0,5 % y el 1,0 % de la formulación total.
Por lo tanto, la aplicación de estabilizadores de la luz en recubrimientos en polvo para mejorar su resistencia a la intemperie es un método muy sencillo, económico y muy eficaz.
Según la fórmula de la tabla 2, se añade estabilizador de la luz al recubrimiento y se cura la muestra de película de recubrimiento mediante pulverización.
El rendimiento de la aplicación del estabilizador de la luz se evalúa de la siguiente manera.
1, la resistencia a la intemperie en interiores es muy pobre, pero la adición de estabilizadores de la luz desempeña un papel importante.
2, Las formulaciones A y D no contienen estabilizador de la luz, y la prueba muestra que son significativamente peores que la muestra a la que se ha añadido estabilizador de la luz.
3, Las formulaciones C y F muestran que, a medida que aumenta la cantidad de estabilizador de la luz, la retención de la luz y el color de la película de recubrimiento mejora significativamente.
4. Los resultados de la prueba de horneado muestran que el estabilizador de la luz no tiene la capacidad de resistir la temperatura, por lo que para resolver la resistencia a la temperatura de la película de recubrimiento se deben añadir aditivos antienamarilleamiento.
Investigación sobre la aplicación sinérgica de antioxidantes y estabilizadores de la luz
A través de la prueba anterior, podemos comprender que el envejecimiento de la película de recubrimiento es en realidad el resultado de la acción conjunta de la luz ultravioleta y el oxígeno, y que este proceso incluye dos procesos diferentes de fotodegradación y fotooxidación.
Sin embargo, los estabilizadores de la luz y los antioxidantes tienen diferentes mecanismos de estabilización en la película de recubrimiento, y se espera que la combinación de dos estabilizadores con diferentes mecanismos de acción logre un mejor efecto de estabilización que un solo estabilizador, es decir, un efecto sinérgico.
Actualmente existen estabilizadores de este tipo en el mercado, lo que también es una tendencia en el desarrollo de los estabilizadores. Pero el efecto sinérgico, al mismo tiempo, también aparecerá entre dos estabilizadores diferentes, entre el efecto aditivo y el efecto antagonista.
Por lo tanto, es fundamental comprender bien las diferentes reacciones entre el antioxidante y el estabilizador de la luz, y dominar el efecto de los dos con la reacción química potencial, con el fin de diseñar un antioxidante y un estabilizador de la luz eficaces con el sistema.
Mediante pruebas de envejecimiento acelerado y horneado de la película de recubrimiento, se evalúa el efecto de la adición de antioxidantes y estabilizadores de la luz a la formulación del recubrimiento en polvo. Las formulaciones de prueba y los resultados se muestran en la Tabla 4 y la Tabla 5.
A través de los resultados de las pruebas, se evalúa el estabilizador de la luz.
1, la adición de estabilizador de la luz desempeñará un papel importante en la resistencia a la intemperie del polvo, pero la resistencia al amarilleamiento de la película de recubrimiento no cambió.
2, el estabilizador de la luz y el antioxidante tienen un efecto significativo en la resistencia a la intemperie y la decoloración de la película de recubrimiento, y la cantidad de ambos es óptima cuando es 1:1.
3、El estabilizador de la luz y el antioxidante tienen un mejor efecto en el sistema HAA.
El uso de estabilizadores de luz y antioxidantes no es tan sencillo como se presenta en el artículo. El efecto de los diferentes estabilizadores de luz y antioxidantes debe confirmarse mediante experimentos adicionales de acuerdo con la teoría.
Conclusión
La adición de antioxidantes y estabilizadores de la luz a los recubrimientos en polvo puede inhibir y reducir eficazmente la velocidad de oxidación térmica y fotoquímica de las macromoléculas poliméricas en la producción y aplicación de recubrimientos en polvo, mejorar significativamente la resistencia al calor y a la luz de la película de recubrimiento, retrasar el proceso de degradación y envejecimiento de la película de recubrimiento y prolongar la vida útil de la película de recubrimiento.
Los estabilizadores de la luz y los antioxidantes utilizados en recubrimientos en polvo de alto rendimiento, si se utilizan correctamente, producen un efecto sinérgico que mejora significativamente las propiedades de resistencia a la intemperie de la película de recubrimiento en polvo, especialmente la película de recubrimiento en polvo Super-Duable.
Si se utilizan incorrectamente, se produce un efecto aditivo, o incluso un efecto antagónico, que hace que disminuya la estabilidad de la película de recubrimiento. La tendencia de los estabilizadores se desarrollará en la dirección de la multifuncionalidad.