Recubrimiento en polvo

El recubrimiento en polvo es un tipo de recubrimiento que se aplica como un polvo seco de flujo libre . A diferencia de la pintura líquida convencional, que se suministra mediante un disolvente que se evapora, el recubrimiento en polvo se aplica típicamente de forma electrostática y luego se cura con calor o luz ultravioleta. El polvo puede ser un polímero termoplástico o termoestable . Generalmente 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 el recubrimiento de objetos metálicos , particularmente aquellos sometidos 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 , tableros de fibra de densidad media (MDF) y madera maciza, 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 n.° 2538562 ese mismo año. ^{[ 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 la fabricación de metales, como electrodomésticos , perfiles de aluminio , herrajes para tambores , piezas de automóviles y cuadros de bicicletas , la práctica del recubrimiento en polvo se ha extendido para permitir el acabado de otros materiales.

Debido a que el recubrimiento en polvo no tiene un vehículo líquido, puede producir capas más gruesas que los recubrimientos líquidos convencionales sin goteo ni descuelgue, y produce mínimas diferencias de apariencia entre superficies recubiertas horizontalmente y verticalmente. Además, como no se evapora ningún fluido portador, el proceso de recubrimiento emite pocos compuestos orgánicos volátiles (COV). 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 recubrimientos gruesos que curan formando una superficie lisa y sin textura, no es tan sencillo aplicar películas delgadas y lisas. A medida que disminuye el espesor de la película, esta adquiere una textura cada vez más rugosa debido al tamaño de partícula y 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 reblandecimiento Tg alrededor de 80  °C y una temperatura de fusión alrededor de 150  °C, y se curan a alrededor de 200  °C durante un mínimo de 10 a 15 minutos (las temperaturas y tiempos exactos pueden depender del espesor del artículo que se está recubriendo). ^{[ 6 ]} Para dichos recubrimientos en polvo, pueden ser necesarios depósitos de película de más de 50 μm para obtener una película aceptablemente lisa. La textura superficial que se considera deseable o aceptable depende del producto final. Muchos fabricantes prefieren tener cierto grado de piel 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 procesos muy especializados que aplican recubrimientos en polvo de menos de 30  μm o con una Tg inferior a 40  °C para obtener películas delgadas y lisas. Una variante del proceso de recubrimiento en polvo seco, el proceso de suspensión de polvo , combina las ventajas de los recubrimientos en polvo y los recubrimientos líquidos al dispersar polvos muy finos de  partículas de 1 a 5 μm en agua, lo que permite obtener recubrimientos muy lisos y de bajo espesor.

Para trabajos a pequeña escala, la pintura en aerosol es menos costosa y compleja que el recubrimiento en polvo. A nivel profesional, la inversión y el tiempo necesarios para una pistola, cabina y horno de recubrimiento en polvo son similares a los de un sistema de pistola de pulverización . El recubrimiento en polvo tiene la gran ventaja de que el exceso de pulverización se puede reciclar. Sin embargo, si se aplican varios colores en una misma cabina , esto puede limitar la posibilidad de reciclar el exceso de pulverización.

1. Los recubrimientos en polvo no contienen disolventes y liberan poca o ninguna cantidad de compuestos orgánicos volátiles (COV) a la atmósfera. Por lo tanto, no es necesario que los acabadores adquieran costosos equipos de control de la contaminación. Las empresas pueden cumplir de forma más sencilla y económica con las normativas ambientales, como las emitidas por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos . ^{[ 7 ]}
2. Los recubrimientos en polvo pueden producir capas mucho más gruesas que los recubrimientos líquidos convencionales sin que se escurran ni se descuelguen.
3. Los artículos con recubrimiento en polvo generalmente presentan menos diferencias de apariencia que los artículos con recubrimiento líquido entre las superficies recubiertas horizontalmente y las superficies recubiertas verticalmente.
4. Mediante recubrimientos en polvo se pueden lograr fácilmente una amplia gama de efectos especiales que serían imposibles de conseguir con otros procesos de recubrimiento. ^{[ 8 ]}
5. El tiempo de curado es significativamente más rápido con recubrimientos en polvo en comparación con recubrimientos líquidos, especialmente cuando se utilizan recubrimientos en polvo curados con luz ultravioleta o polvos termoendurecibles avanzados de baja cocción. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Existen tres categorías principales de recubrimientos en polvo: termoestables, termoplásticos y recubrimientos en polvo curables por UV. ^{[ 11 ]} Los recubrimientos en polvo termoestables incorporan un agente reticulante en su formulación.

Los agentes reticulantes más comunes son las resinas epoxi sólidas en polvos híbridos, con proporciones de mezcla de 50/50, 60/40 y 70/30 (resina de poliéster/resina epoxi) para aplicaciones en interiores, y el isocianurato de triglicidilo (TGIC) en una proporción de 93/7 y el endurecedor de β-hidroxialquilamida (HAA) en una proporción de 95/5 para aplicaciones en exteriores. Al hornearse, el polvo reacciona con otros grupos químicos presentes en él para polimerizarse, mejorando así sus propiedades. La reticulación química de los polvos híbridos y 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 está ampliamente estudiada y bien comprendida; mediante la adición de catalizadores, se puede acelerar la conversión y controlar el tiempo y/o la temperatura de curado. En la industria del recubrimiento en polvo, es común utilizar concentrados de catalizador donde se introduce entre un 10 % y un 15 % del ingrediente activo en una resina portadora de poliéster como matriz. Este método proporciona la mejor dispersión posible de una pequeña cantidad de catalizador en la mayor parte del polvo. En cuanto a la reticulación de la alternativa sin TGIC basada en endurecedores HAA, no se conoce ningún catalizador disponible.

Para aplicaciones especiales como recubrimientos de bobinas o capas transparentes, es común usar ésteres de glicidilo como componente endurecedor; su reticulación también se basa en la química carboxi-epoxi. En los denominados polvos de poliuretano se utiliza una reacción química diferente , donde la resina aglutinante contiene grupos funcionales hidroxilo que reaccionan con los grupos isocianato del componente endurecedor. El grupo isocianato se introduce generalmente en el polvo en forma bloqueada, donde la funcionalidad isocianato reacciona previamente con ε-caprolactama como agente bloqueante o en forma de uretdionas. A temperaturas elevadas (temperatura de desbloqueo), los grupos isocianato libres se liberan y quedan disponibles para la reacción de reticulación con la funcionalidad hidroxilo.

En general, todas las formulaciones de polvos termoendurecibles contienen, además de la resina aglutinante y los aditivos reticulantes, aditivos para facilitar la fluidez, la nivelación y la desgasificación. Es común el uso de un promotor de flujo, donde el ingrediente activo (un poliacrilato) se absorbe en sílice como soporte o como masterbatch disperso en una resina de poliéster como matriz. La gran mayoría de los polvos contienen benzoína como agente desgasificante para evitar poros en la película de recubrimiento final. ^{[ 12 ]}

La variedad termoplástica no experimenta ninguna acción adicional durante el proceso de horneado, ya que 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 con respecto a otros es la separación de la etapa de fusión antes de la etapa de curado. El polvo curado por UV se funde en 60 a 120 segundos al alcanzar una temperatura de 110  °C a 130  °C. Una vez que el recubrimiento fundido se encuentra en este rango de temperatura, se cura instantáneamente al exponerse a la luz UV. Los recubrimientos en polvo UV se procesan en el tiempo más rápido y utilizan la menor cantidad de energía en comparación con otras tecnologías de recubrimiento en polvo ^{[ 13 ].}

Los polímeros más comunes que se utilizan son el poliéster , el poliuretano , el poliéster- epoxi (conocido como híbrido), el epoxi puro ( epoxi unido por fusión ) y los acrílicos.

1. Los gránulos de polímero se mezclan con endurecedor, pigmentos y otros ingredientes en polvo en una mezcladora industrial , como una turbomezcladora.
2. La mezcla se calienta en una extrusora.
3. La mezcla extruida se extiende, se enfría y se rompe en pequeños trozos.
4. Las virutas se muelen y se tamizan para obtener un polvo fino.

El proceso de recubrimiento en polvo consta de tres pasos básicos: preparación de la pieza o pretratamiento, aplicación del polvo y curado.

Procesos de aplicación de polvo

La forma más común de aplicar recubrimientos en polvo a objetos metálicos es mediante pulverización con una pistola electrostática o de corona . La pistola imparte una carga negativa al polvo, que luego se pulveriza hacia el objeto conectado a tierra mediante pulverización mecánica o de aire comprimido, y posteriormente se acelera hacia la pieza de trabajo por la potente carga electrostática. Existe una amplia variedad de boquillas disponibles para el recubrimiento electrostático . El tipo de boquilla a utilizar dependerá de la forma de la pieza a pintar y de la consistencia de la pintura. A continuación, se calienta el objeto, el polvo se funde formando una película uniforme y luego se enfría para formar un recubrimiento duro. También es común calentar primero el metal y luego pulverizar el polvo sobre el sustrato caliente. El precalentamiento puede ayudar a lograr un acabado más uniforme, pero también puede generar otros problemas, como goteos causados ​​por el exceso de polvo.

Otro tipo de pistola es la triboeléctrica , que carga la pólvora mediante el efecto triboeléctrico . En este caso, la pólvora adquiere una carga positiva al rozar contra la pared de un tubo de teflón dentro del cañón. Estas partículas de pólvora cargadas se adhieren al sustrato conectado a tierra. El uso de una pistola triboeléctrica requiere una formulación de pólvora diferente a la de las pistolas de corona más comunes. Sin embargo, las pistolas triboeléctricas no presentan algunos de los problemas asociados con las pistolas de corona, como la ionización inversa y el efecto jaula de Faraday .

El polvo también puede aplicarse utilizando discos electrostáticos especialmente adaptados.

Otro método de aplicación de recubrimiento 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 al objeto caliente. Generalmente se requiere un calentamiento adicional para completar el curado del recubrimiento. Este método se utiliza cuando se desea un espesor de recubrimiento superior a 300 micrómetros. Así es como se recubren la mayoría de las rejillas de los lavavajillas.

El cloruro de metileno y la acetona suelen ser 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 un posible carcinógeno humano, está siendo sustituido con gran éxito por alcohol bencílico . El recubrimiento en polvo también puede eliminarse mediante chorro abrasivo . El ácido sulfúrico comercial al 98% también elimina la película de recubrimiento en polvo. Ciertos recubrimientos en polvo de baja calidad pueden eliminarse con lana de acero, aunque este proceso puede resultar más laborioso de lo deseado.

El recubrimiento en polvo también se puede eliminar mediante un proceso de quemado, en el que las piezas se introducen en un horno de alta temperatura que suele alcanzar los 300-450  °C. Este proceso dura aproximadamente cuatro horas y requiere que las piezas se limpien por completo y se vuelvan a recubrir con pintura en polvo. Las piezas fabricadas con un material de menor espesor deben quemarse a una temperatura más baja para evitar que se deformen.

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 prevé que el mercado mundial de recubrimientos en polvo alcance los 16.550  millones de dólares estadounidenses para 2024. El creciente uso de recubrimientos en polvo para la extrusión de aluminio empleada 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 previsto. El creciente apoyo gubernamental a los productos ecológicos y económicos estimulará la demanda durante el período previsto. 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 para 2027. ^{[ 17 ]}

Se prevé que la creciente demanda de tractores en EE. UU., Brasil, Japón, India y China impulse el uso de recubrimientos en polvo debido a su protección contra la corrosión, su excelente durabilidad en exteriores y su rendimiento a altas temperaturas. Además, su creciente uso en maquinaria agrícola, equipos de ejercicio, archivadores, gabinetes de computadoras, computadoras portátiles, teléfonos celulares y componentes electrónicos impulsará la expansión de la industria. ^{[ 18 ]}

• Recubrimiento epoxi de unión por fusión
• Pintura de martillo
• Impresora láser
• Recubrimiento de conversión de fosfato
• Recubrimiento en polvo sobre vidrio