El Curado de barnices por radiación UV

Por Esinal Ediciones

Introducción

A principios de los años ochenta se empezó a trabajar con resinas fotopolimerizables, así como a barnizar muebles en la fabricación de piezas muy diversas pero eran todas ellas en resina poliéster. Por suerte hoy en día esto evolucionado y se han producido curados ultrarrápidos en diversos tipos de piezas, como laminados fibra de vidrio/epoxy o mezclas de resina acrílica, etc. Esta tecnología por curado ultravioleta, sobrepasa ampliamente el tradicional curado por calor en lo que se refiere a rendimiento, coste, calidad del producto e impacto medioambiental.

La luz induce a la polimerización de monómeros multifuncionales; es lo que conocemos como ‘Curado por luz UV’ y está reconocido como el sistema más efectivo para transformar muy rápidamente y a temperatura ambiente una resina líquida libre de solvente, en un producto polimérico altamente resistente. Bajo intensa iluminación, la reacción de entrecruzamiento puede realizarse a temperatura ambiente, generando una densa red tridimensional en el polímero, lo que se traduce en un excelente comportamiento a disolventes orgánicos, químicos y temperatura.

Debido a sus notables ventajas tanto en lo referente al proceso de fabricación como al producto en sí, está limpia tecnología ha encontrado una amplia aplicación, por ejemplo en el rápido secado de tintas y barnices, así como en la utilización inmediata de adhesivos y materiales compuestos.

Las propiedades visco elásticas y mecánicas de los polímeros curados por UV, pueden ser controladas con precisión a través de la estructura química y la funcionalidad del monómero utilizado, así como de las condiciones de curado, dependiendo de la aplicación considerada.

En la fabricación de materiales compuestos curados por radiación UV, es esencial utilizar como carga, un material que sea transparente a la radiación UV, como el cuarzo, fibra de vidrio o escamas de silicato, al objeto de conseguir un curado profundo en capas de pocos milímetros.

¿Qué es la radiación UV?

La radiación ultravioleta (UV) es la radiación electromagnética de una longitud de onda menor que aquella de la zona visible y mayor que la de los rayos X. Como el aire es opaco a la radiación UV con una longitud de onda menor que 200nm, a menudo se subdivide en:  UV cercana (longitud de onda de 380-200nm),
UV extrema o vacío UV (200-10nm). Más comúnmente, cuando se la utiliza en relación con la salud humana y el ambiente, se la subdivide en: UVA (380-315 nm),
UVB (315-280 nm),
UVC (280-10 nm).

Con respecto al curado UV existe también la UVV (UV visible, 450-395nm). Como el nombre lo indica, la UVV se extiende al espectro de luz.

Tecnología del curado por radiación UV

Las aplicaciones más importantes para el curado por UV han sido fundamentalmente la  industria de barnices y lacas y las artes gráficas. Esto se debe a la enorme rapidez en el secado, lo que juega a favor de la normativa cada vez más exigente de producción del medio ambiente. El curado por radiación UV consiste básicamente en fotoiniciar la polimerización de monómeros y polímeros multifuncionales, los cuales se convierten en pocos segundos en una estructura tridimensional.

El cambio de fase líquido-sólido puede seguirse por el método convencional a tiempo real por espectroscopía infrarroja (RTIR), una técnica que relaciona directamente por medio de curvas y en milisegundos, la conversión respecto al tiempo, en recubrimientos expuestos a radiación visible o UV.

La influencia de factores químicos y físicos en la cinética de polimerización, ha sido hasta ahora cuantificada tanto para una amplia gama de resinas endurecibles por UV como de monómeros. La reticulación polimérica con sus diferentes estructuras, así como sus respectivas propiedades, se han obtenido bien sea por radiación UV de radicales, o por cationes o formulaciones híbridas conteniendo más de un tipo de monómero.

Curado de diferentes tipos de resinas por medio de radiación UV

El endurecimiento de recubrimientos orgánicos por medio de luz se consigue generalmente por una reacción de polimerización con mecanismo de radicales (por ejemplo resinas acrílicas) o por un mecanismo catiónico (resinas epoxy). En el caso de que tengamos zonas poco iluminadas, se han desarrollado curados de doble acción, es decir, curados por UV y curado térmico o calor.

Una formulación típica de una resina de curado por UV consiste en un fotoiniciador, un prepolímero funcionalizado que constituirá el esqueleto tridimensional del polímero y un monómero utilizado como reactivo diluyente, al mismo tiempo que ajustador de la viscosidad. Los sistemas de doble curado contienen algunas funcionalidades adicionales, generalmente isocianatos y grupos hidroxilos al objeto de conseguir un efectivo entrecruzamiento en zonas oscuras por medio del calor.

El fotoiniciador juega un papel clave, controlando por una parte el grado de iniciación de la reacción así como la penetración de la luz incidente y por consiguiente, la profundidad de curado. El grado de polimerización dependerá de la reactividad del grupo funcional, de la viscosidad de la resina y naturalmente de la intensidad de la radiación UV.

El ‘Curado por luz UV’ está reconocido como el sistema más efectivo para transformar muy rápidamente una resina líquida libre de solvente, en un producto polimérico altamente resistente

Los fotoiniciadores

Los fotoiniciadores del tipo radical, consisten en cetonas aromáticas que generan radicales libres al exponerse a la luz ultravioleta, bien por apertura de los dobles enlaces C – C o por sustracción del hidrógeno de la molécula donante del mismo. Ambos, el benzoilo y el radical alkilo, inician la polimerización por adición al doble enlace del monómero. Para ser eficiente, un fotoiniciador deberá absorber la radiación de luz emitida por la fuente, generalmente una lámpara de mercurio de media presión y generar radicales con alto rendimiento.

Las resinas de acrilato se usan generalmente en curados de barnices debido a su gran reactividad y a una amplia elección de monómeros y pre polímeros

Las propiedades finales de un recubrimiento curado por UV dependen primeramente de la estructura química del pre polímero, del grado de curado y de la densidad de reticulación. Mientras actúa la luz, cambia la fase de líquido a sólido, la viscosidad incrementa rápidamente y hace que la polimerización se ralentice hasta llegar a pararse cuando ocurre la solidificación o endurecimiento. Un curado más completo pero más lento se conseguirá usando mono acrilatos como diluyente reactivo en vez de di ó triacrilatos, a causa del aumento de la movilidad molecular en el blando polímero producido

Las propiedades finales de un recubrimiento curado por UV dependen primeramente de la estructura química del pre polímero, del grado de curado y de la densidad de reticulación.

Rasgos distintivos y ventajas en la utilización de la radiación UV en un proceso productivo

La tecnología del curado por radiación UV utilizada en la iniciación de la reticulación polimérica de los monómeros multifuncionales, presenta numerosas ventajas, en particular en la aplicación de recubrimientos de madera:

• Formulación libre de solventes, por tanto, no emisión de componentes volátiles orgánicos.
• Control preciso del tiempo de endurecimiento que asegura el perfecto curado de la capa.
• Operatividad a temperatura ambiente en presencia de aire.
• Control preciso del comienzo de la polimerización, simplemente conectando la luz.
• Curado ultrarrápido utilizando resinas acrilato altamente reactivas y fotoiniciadores adecuados.
• Control preciso del desarrollo de la polimerización, controlando simplemente la intensidad de la luz.
• Amplia variación de las propiedades mecánicas y de durezas superficiales.
• Obtención de películas curadas muy resistentes al calor y a los agentes químicos, consecuencia del elevado índice de entrecruzamiento.

¿Por qué utilizar el curado UV?

Desde la perspectiva de la calidad, las tintas y recubrimientos UV poseen una excelente resistencia química, a la abrasión y al calor. El alto contenido de sólidos le da mayor consistencia de viscosidad y color, permite un acabado de muy alto brillo y brinda mejor consistencia entre sustratos.

Como los recubrimientos UV no se secan hasta estar curados, no hay necesidad de lavar las máquinas al final de las series o entre tandas. Los lavados tienden a ser más rápidos y fáciles también ya que no habrá restos de contaminantes secos ni se obturarán  los rodillos. Como resultado, mejorará muchísimo la utilización de la máquina y, al no existir pérdidas por evaporación, se reducirá el consumo de barniz.

Los menores tiempos de curado permiten mayores velocidades de producción y el post-procesamiento inmediato como el apilado. La eficiencia energética será mucho mayor ya que el conjunto de lámpara UV concentra la energía exactamente dónde se la necesita, en la superficie del sustrato. Ya no son necesarios los calentadores / secadores convencionales, hambrientos de energía e ineficientes. Al generarse menos calor, se pueden procesar sustratos más sensibles a éste. La eficiencia en cuanto al espacio es usualmente un factor importante también.

Quienes operan las máquinas generalmente prefieren trabajar con sistemas de curado UV ya que estos les aseguran un mejor ambiente de trabajo, más saludable y más seguro. Como las formulas UV típicas no contienen solventes ni compuestos orgánicos volátiles (VOC), se evitan los considerables riesgos para la salud asociados con la inhalación de vapor. No sólo eso, el ambiente también se beneficia. Al necesitarse lavados menos frecuentes y obtener una mejor consistencia de impresión, el trabajo de la prensa se vuelve mucho más sencillo.

Aspectos financieros

Frente al secado / endurecimiento térmico es posible conseguir notables ahorros en los costes, sobre todo, por:

• Un menor consumo de energía (hasta aprox. 90%) debido al menor calentamiento de la pieza y los reducidos tramos de enfriamiento.
• Menores costes de instalación con un menor espacio requerido
• Ahorros de barniz al utilizar los sistemas 100% sólidos.