Poliuretanos en Base Agua para la Madera

Por Esinal Ediciones, S.L.

Hace más de 30 años que se habla de barnices acuosos, pero desde hace unos cinco las palabras han cedido el lugar a los hechos. Especialmente en el sector del barnizado de la madera de interiores y exteriores, los barnices acuosos se encuentran en una fase de ‘boom’ en muchos países europeos.

Es notorio el desconocimiento sobre la diversidad de productos existentes, ya posicionados en otros mercados, basados en desarrollos provenientes de las tres décadas precedentes; hecho que se ratifica en que aunque la mayoría de industriales sólo reconoce tres o cuatro sistemas para el recubrimiento de la madera, la diversidad es asombrosa (Tabla 1).

Tabla 1. Sistemas de recubrimientos para el acabado de muebles

– Lacas nitrocelulósicas

– Uralquídicas y alquídicas modificadas (uretanos)

– Sistemas úrea-formaldehído de curado en frío (catalizadas con ácido)

– Sistemas úrea- o melamina-formaldehído / alquídicas

– Poliuretanos de 2 componentes base solvente (polioles acrílicos o poliéster, curados con poliisocianatos  alifáticos o aromáticos)

– Poliuretanos de 2 componentes, base agua (polioles acrílicos o poliésteres, curados con poliisocianatos alifáticos)

– Dispersiones de poliuretano base agua (basadas en isocianatos alifáticos o aromáticos)

– Dispersiones acrílicas base agua

– Sistemas acrílicos o de poliésteres insaturados, curados con UV (luz ultravioleta) o EB (campos electromagnéticos)

– Sistemas epoxi-acrílicos, curados con UV o EB

– Poliésteres base agua, curados con UV

– Poliésteres insaturados base agua, curados con peróxidos

– Poliuretanos, curados con inyección de vapor – Sistemas vinílicos, curados con melamina-formaldehído

– Lacas nitrocelulósicas base agua (incluyendo modificaciones con acrílicas)

– Sistemas híbridos poliisocianato / cloruro de vinilo-acetato de vinilo / nitrocelulosa

– Sistemas híbridos epoxi / silicona

– Lacas nitrocelulósicas catalizadas (con poliisocianatos o con poliaminas)

– Lacas nitrocelulósicas-acrílicas, curadas con UV

De hecho, los países más adelantados en protección del medio ambiente han legislado normativas restrictivas al uso de disolventes reduciendo así las cantidades permitidas de emisión; lo que impone un cambio de tecnología para los industriales de la madera y abre dos alternativas:

1ª    Adquirir instalaciones que eliminen las emisiones de disolvente en el proceso de secado, lo que implica un alto costo de inversión

2ª    Cambiar el sistema de pintura o barniz utilizado por uno más «amigable» con el ambiente, como por ejemplo:

• Dispersiones poliméricas acuosas.
• Sistema %  polimerizable.
• Curado por ultravioleta.
• Sistema de alto contenido de sólidos.
• Sistemas diluibles con agua.

Sin duda, los países desarrollados han sido los más activos promotores del uso de barnices y pinturas de Poliuretano a base de agua, incrementando su uso muy probablemente debido tres factores fundamentales:

1. Una continua presión gubernamental hacia la reducción de emisiones de solventes a la atmósfera,
2. Un aumento progresivo de los precios de los solventes.
3. Una mejora en el desempeño de estos productos a partir de la investigación.

Paralelamente también ha influido la consabida inflamabilidad de los solventes y la necesidad de sistemas que no ataquen el sustrato, cuestiones que tiene gran incidencia en el desarrollo de nuevos productos. A continuación, en el siguiente artículo se presentará brevemente la tecnología de emulsiones de poliuretanos base agua, que merece un capítulo especial en la medida que ha ganando importancia a nivel industrial y de investigación debido a sus ya reconocidas propiedades:

1ª Acabados de alta calidad, curado rápido al ambiente o al horneo que permiten completar trabajos en un día, mínimo de olores residuales, característicos de los productos en base solvente.

2ª Facilidad de aplicación y protección del medio ambiente y del trabajador.

Generalidades del barniz y la Pintura

Químicamente, el barniz o pintura es un sistema heterogéneo presentado en forma líquida o pastosa de aspecto homogéneo y estable que involucra cuatro tipos de sustancias: Resinas, solventes, pigmentos y aditivos. Al ser aplicada sobre el sustrato (material sobre el que va la pintura o barniz) forma una película uniforme, capaz de proporcionar propiedades estéticas y de protección a dicho sustrato.

– Las resinas: Los componente de mayor importancia tecnológica en las pinturas, ya que son las responsables de la formación de una película uniforme, con las propiedades mecánicas y químicas adecuadas para formar películas delgadas y su importancia es tal, que las diferentes tecnologías de pinturas reciben su nombre a partir de la resina empleada en ellas (acrílicas, poliuretánicas, alquídicas, etc.).

– Los solventes: Necesarios en las pinturas para que puedan ser aplicadas en estado líquido. Éstos confieren a la pintura una viscosidad adecuada para su forma de aplicación, a la vez que influyen en su velocidad de secado, ya que una vez aplicado el producto, éstos se evaporan y no permanecen en la película, es decir, se volatilizan.

– Los pigmentos: Son materiales sólidos, capaces de interactuar con la luz y con su medio, y son responsables de algunas propiedades ópticas de la pintura (color), así como algunas de protección (resistencia a la corrosión, a la luz ultravioleta, etc.).

– Los aditivos: Son sustancias de diversas familias químicas, y de variada naturaleza y origen, cuya función es conferir a la pintura propiedades necesarias para su estabilidad, conservación y aplicación. Son los que van normalmente en menor cantidad en la formulación de la pintura, pero no por esto son los menos importantes, pues gracias a ellos se diferencia la calidad y el comportamiento de las pinturas de la misma familia de resinas y los de mayor incidencia en precio final.

Los Poliuretanos en base agua

Las pinturas y recubrimientos de Poliuretano son el resultado de la técnica más avanzada en la química de los Polímeros, y tienen características muy sobresalientes en muchos usos y aplicaciones por su gran versatilidad, como son su alto brillo, alta resistencia a los rayos UV, excelente resistencia química, alta resistencia a la abrasión, resistencia a los cambios bruscos de temperatura, flexibles, elásticos, etc.

Como ejemplo de las pinturas y barnices acuosos hemos tomado, para este caso los poliuretanos que son pinturas cuyas resinas están basadas principalmente en la repetición de unidades de uretano, que es un grupo químico sintetizado a partir de bloques de isocianato y alcohol. La experiencia de más de 40 años ha demostrado que estas resinas confieren a la película las propiedades características de las pinturas de poliuretano:

– Secado rápido.

– Retención de color y brillo.

– Estética (acabado de poro abierto, cerrado, etc.).

– Alto brillo o acabado satinado.

– Versatilidad en la aplicación (aspersión, rodillo, cortina o electrostático).

– Resalta la belleza del poro.

– Concede dureza equilibrada con flexibilidad.

– Excelente sellador contra la migración de extractivos.

– Alta resistencia y durabilidad.

– Resistencias mecánica y química.

– Posibilidad de ser pulida y abrillantada.

La Clasificación

• Base Solvente y. Base Agua

Los poliuretanos se pueden formular usando solventes derivados del petróleo, en cuyo caso son conocidos como base solvente los que teniendo base solvente son diluíbles en agua, o base agua. En un poliuretano de base solvente la resina se encuentra disuelta en los solventes, es decir, las cadenas moleculares del polímero se encuentran «estiradas» en medio del solvente (Figura) y esto se debe a la alta compatibilidad química de la resina y el solvente.

Dada esta diferencia, los procesos de formación de película de los poliuretanos base agua y base solvente difieren bastante ya que en los base solvente la película se forma a partir de la simple evaporación del solvente, depositándose las partículas una sobre la otra hasta completar la película, mientras que en los de base agua las partículas de resina deben primero coalescer, es decir, deben fundirse como cuando dos gotas de agua se juntan sobre una superficie para luego formar una película uniforme (Figura ). Debido a esto los poliuretanos de base agua contienen a veces cierta cantidad de un solvente compatible con la resina, que ayude en el proceso.

Debido a su incompatibilidad con las resinas, el agua puede ser clasificada como un «mal solvente». Cabe preguntarse entonces ¿Por qué se han tratado de eliminar los solventes de las formulaciones de los poliuretanos? Las razones son ambientales y de higiene ocupacional. Por una parte, algunos solventes son Compuestos Orgánicos Volátiles, o VOCs, responsables de la destrucción del ozono en las capas bajas de la atmósfera por ser, éste último, componente del smog ambiental.

Por otro lado, la mayoría de solventes orgánicos hacen parte de las sustancias conocidas como Contaminantes Peligrosos del Aire, HAPs, que son sustancias volátiles capaces de generar efectos nocivos sobre la salud humana.

• Un Componente – Dos Componentes

En los poliuretanos de un componente, se incluyen todas las materias primas de la pintura dentro de «un solo envase», quedando sólo la necesidad de agregar solventes (o agua) para reducir la viscosidad de presentación a la de aplicación (si así lo especifica el fabricante).

Los poliuretanos de dos componentes, en cambio, se encuentran constituidos por dos partes, donde cada una constituye una fracción de la formulación total de la pintura. Las dos partes deben ser mezcladas en una proporción exacta, con un cierto tiempo de anticipación a la aplicación para, de nuevo ajustar la viscosidad de la mezcla según el requerimiento del fabricante, con solvente (o agua) adicional.

Como desventaja de los sistemas de dos componentes, puede citarse que a veces éstos requieren equipos especiales para su aplicación pues el incorrecto mezclado de los dos componentes puede llevar a que la pintura incluso no seque, hecho grave si se tiene en cuenta que la mezcla una vez preparada tiene una vida útil de unas pocas horas, al cabo de las cuales debe ser desechada.

• Poliuretanos modificados y mezclas de resinas

No todas las pinturas y barnices de poliuretano contienen exclusivamente resinas de poliuretano, cabe la posibilidad de que éstas sean modificadas químicamente con otras materias primas, resultando así un «híbrido» que simplemente combina las propiedades de las materias primas. Por ejemplo, si en el proceso de fabricación de la resina de poliuretano se incluyen aceites vegetales en la fórmula, queda un poliuretano con modificación alquídica, o «uralquido», que tiene ciertas características del poliuretano (resistencias físicas y químicas) y algunas de una alquídica (penetración del poro).

Otro hecho es que en muchas pinturas llamadas de poliuretano se incluyen mezclas de otras resinas, proporcionando así un balance de propiedades en la pintura. Por ejemplo, son muy populares las formulaciones base agua con mezclas de acrílicas y poliuretanos.

Propiedades de los Poliuretanos Base Agua

A continuación se indican brevemente algunas propiedades de importancia a evaluar en estos productos. Se hablará en términos cualitativos, no cuantitativos, ya que los valores de las propiedades mencionadas pueden variar mucho dependiendo del producto particular en cuestión. El intenso trabajo de investigación, acompañado de la creciente conciencia ambiental desarrollada en los últimos años, ha permitido el desarrollo de Poliuretanos en base agua apropiada para el acabado de la madera a nivel industrial y doméstico. Hoy en día se cuenta con productos de alta calidad, que pueden llegar a igualar e incluso a mejorar el desempeño global de los sistemas tradicionales.

Propiedades del producto líquido

En el cuadro siguiente se indican las propiedades del poliuretano en su estado liquido

Viscosidad	Normalmente el producto viene listo para aplicar, de acuerdo con el método recomendado por el fabricante.
Contenido de sólidos	Suele ser bajo comparado con el resto de productos normalmente aplicados.
Rendimiento	Debido a su bajo contenido de sólidos el rendimiento También es     bajo, lo que implica la aplicación de más manos.
Apariencia	Debido a tratarse de una dispersión, suelen tener apariencia lechosa.
Olor	La mayoría son formulados para tener un mínimo de olor.
Inflamabilidad	Debido a su alto de contenido de agua, no son inflamables.
Contaminación Ambiental	Al ser base agua, la emisión de vapores orgánicos a la atmósfera es mínima
Secado	Es rápido, comparado con poliuretanos base solvente.

Propiedades de la película aplicada

Una vez aplicada la película, las propiedades son las siguientes:

Claridad y brillo	La película es uniforme, libre de defectos y transparente. Se pueden formular para cualquier nivel de brillo.
Resistencia a la abrasión	Son los recubrimientos con mayor resistencia a la abrasión, por ello suelen ser muy usados en pisos
Resistencia a la intemperie	Son transparentes a la radiación solar, por tanto, aunque la película no  se afecte, la madera puede decolorarse. Sin   embargo, algunos  sistemas están formulados con filtros de luz que sí protegen la madera.
Resistencia química	Es muy buena, sin alcanzar los niveles del poliuretano base solvente. Los sistemas de dos componentes se comportan  mejor que los de un componente
Adhesión	Se une fuertemente en la madera.
Flexibilidad	Algunas formulaciones alcanzan una flexibilidad que ningún otro tipo  de pintura puede ofrecer, conservando la dureza de la película.
Dureza	Los de dos componentes pueden alcanzar niveles y resultados  superiores a los de sistemas catalizados. Los de un componente se comportan bien.

El futuro de los recubrimientos de madera en base agua

En los últimos años, los avances de la Ciencia y la Tecnología han permitido desarrollar y producir nuevos materiales de base acuosa con propiedades superiores a las de los productos convencionales. Propiedades importantes de las pinturas en general, como son: facilidad de aplicación, secado, aspecto, performance, durabilidad en las más diversas condiciones de uso, etc., se han podido mejorar de manera excepcional controlando las formas, tamaños y distribución de los componentes de las emulsiones (responsables de la formación del film en los recubrimientos).

Esto ha sido posible gracias a la nanotecnología, que es una novedosa rama de la ciencia y la tecnología que trabaja a escalas microscópicas; del orden del manómetro (millonésima parte del milímetro).

Con esta metodología se consiguen nuevas propiedades, diferentes y muy superiores a cada componente por separado. Estos materiales, que están disponibles para los más diversos usos, contribuyen además por su bajo VOCs (componentes orgánicos volátiles) al cuidado del medio ambiente.