core shell acrÍlica modificada: uma alternativa À … · 2016-11-30 · do revestimento,...
TRANSCRIPT
DISPERSÃO CORE SHELL ACRÍLICA MODIFICADA: UMA ALTERNATIVA
À SUBSTITUIÇÃO DE REVESTIMENTOS DE ALTO DESEMPENHO BASE
SOLVENTE
Álann de Oliveira Piagentini Bragatto1, Jorge Mayer de Oliveira2
1 – Archroma – Laboratório de Aplicações – Emulsions Products - São Paulo, SP, Brasil
2 – Archroma – Laboratório de Pesquisa e Desenvolvimento – Emulsions Products - Suzano,
SP, Brasil
RESUMO
O trabalho avalia o desempenho de vernizes exteriores para madeira formulados
com dispersões poliméricas Core Shell - Mowilith® LDM 2250 e Mowilith® LDM 7410 –
afim de se realizar um estudo comparativo com vernizes de mercado, tanto base
solvente quanto base água, oferecidos ao consumidor final. São avaliadas propriedades
fundamentais, como resistência aos raios UV por teste de intemperismo acelerado,
resistência à absorção de água, resistência ao blocking e tração e alongamento dos
revestimentos. O estudo demonstra que a utilização de dispersões Core Shell é uma
alternativa para se atingir as propriedades de desempenho desejadas de um
revestimento base solvente.
INTRODUÇÃO
A radiação solar e a chuva são as principais causas de degradação da madeira
submetida a condições de uso em ambientes exteriores. Agentes biológicos, como
fungos, algas, bactérias e insetos, além de fatores como a poluição, também contribuem
para o processo de degradação da madeira. O mecanismo de degradação envolve
basicamente a quebra da lignina e outros componentes pela radiação ultravioleta e sua
subsequente remoção pela ação da chuva. Afim de prolongar o tempo de vida útil da
madeira, revestimentos orgânicos são aplicados em sua superfície, conferindo assim
características de proteção e acabamento estético no substrato.
Baixa permeabilidade à água/vapor d’água e alta resistência aos raios
ultravioleta são as principais características que o revestimento aplicado deve
apresentar. Além disso, uma combinação de propriedades do revestimento contribui
para maximizar o tempo de vida útil da madeira: ausência de tack ou blocking,
responsável por diminuir a pega de sujeira na superfície e assim manter o acabamento
estético por um período prolongado; flexibilidade do revestimento para acompanhar os
processo de expansão e retração da madeira devido às variações de temperatura e
umidade a que o substrato será exposto e não ocasionar no revestimento o
aparecimento de fissuras ou seu craquelamento, que exporiam as camadas mais abaixo
do revestimento, contribuindo para a degradação da madeira, e resistência ao
crescimento de microorganismos, que pode ser obtida caso o revestimento apresente
algum preservativo em sua formulação, ou então, seja realizado algum tratamento
prévio antes da aplicação do revestimento.
A degradação é um processo longo e demorado, dependente de fatores como
tempo e condições climáticas durante a exposição, propriedades da madeira, qualidade
do design da estrutura de madeira, propriedades físicas e químicas do revestimento,
método de aplicação, espessura do filme do revestimento, a cor do revestimento e a
manutenção do revestimento.
O uso de absorvedores UV na formulação do revestimento pode minimizar a
degradação pela radiação ultravioleta e diminuir a perda de brilho do revestimento, no
entanto, o polímero utilizado na formulação é o principal responsável por oferecer
resistência à água e aos raios UV. A degradação fotoquímica do polímero propicia a
perda de camada, ocasionando assim variações de brilho e cor, além do surgimento de
craquelamento, blistering, perda de aderência e perda de flexibilidade.
No Brasil, a maioria dos vernizes destinados a aplicações exteriores em madeira
utilizam resinas alquídicas dispersas em solventes orgânicos. Estes revestimentos
apresentam excelentes propriedades protetivas à madeira, principalmente em relação à
resistência à água. No entanto, devido a preocupações em relação a fatores ambientais
como a poluição do ar, e também em relação à saúde e segurança, a demanda por
produtos com menor concentração de compostos orgânicos voláteis (COV’s) é cada vez
mais crescente globalmente e também no Brasil, como pode ser verificado pelo
surgimento de órgãos regulamentadores, como é o caso do Green Building, e pela
publicação de normas que visam estabelecer limites aceitáveis de COV’s nas
formulações de revestimentos, caso do Brasil, em que será publicado neste ano de 2015
a norma ABNT NBR 16388.
As dispersões acrílicas oferecem uma alternativa à formulação destes
revestimentos, no entanto, apresentam limitações devido principalmente a resistência à
água quando comparada a resinas alquídicas, e devido ao antagonismo de
propriedades desejadas (alta flexibilidade e alta dureza superficial). A utilização de
dispersões acrílicas Core Shell, uma evolução morfológica das dispersões, em que o
polímero disperso em água apresenta duas temperaturas de transição vítrea (Tg)
distintas é um meio de oferecer as propriedades antagônicas, uma vez que é possível
obter-se uma boa flexibilidade associada a um baixo valor de Tg, e uma alta dureza
superficial, associada a uma alta Tg em uma mesma partícula de polímero. Para
aumentar a resistência à água, a utilização de um monômero derivado de vinil éster do
ácido versático, que confere características hidrofóbicas ao polímero, é um meio de se
buscar uma otimização da resistência à água.
A dispersão polimérica Mowilith® LDM 2250 oferece as propriedades desejadas
acima e além disso, incorpora o conceito Low Emissions desenvolvido pela Archroma,
em que não apenas a concentração de COV’s é um fator determinante, mas há também
outros seis pilares fundamentais de consciência ambiental: a dispersão não utiliza
APEO’s (alquilfenóis etoxilados) como tensoativo, não utiliza nenhum solvente orgânico
em sua composição, é livre de amônia e livre de compostos tóxicos, como metais
pesados, possui baixíssimo teor de formaldeído e possui baixo odor.
O trabalho visa comparar o desempenho de vernizes formulados com Mowilith®
LDM 2250, dispersão Core Shell acrílica modificada, e Mowilith® LDM 7410, uma
dispersão Core Shell acrílica, com vernizes de mercado oferecidos ao consumidor final
– Base Solvente e Base Água – de modo a avaliar as principais propriedades de
interesse e verificar se é possível realizar a substituição de revestimentos de alto
desempenho Base Solvente por equivalentes Base Água.
PARTE EXPERIMENTAL
Foram preparados dois vernizes a partir das dispersões poliméricas Mowilith®
LDM 2250 e Mowilith® LDM 7410. Para obter informações sobre as propriedades
protetivas oferecidas pelo polímero, não foram utilizados na formulação absorvedores
UV nem corantes, uma vez que esses dois componentes contribuem para um melhor
desempenho das películas de verniz em relação à resistência aos raios UV e à água,
conforme descrito na literatura.
O teor de sólidos dos vernizes preparados foi ajustado para 40,0% (em relação
à massa) e preparados a uma concentração de COV’s de 70,0 g.L-1, considerando a
definição de COV descrita na norma Green Seal GS-11, em que o ponto de ebulição do
componente para ser considerado um COV é abaixo de 280°C e o limite de COV aceito
para esta aplicação é de 100,0 g.L-1. O ajuste de coalescentes na formulação foi feito
de modo a se obter uma temperatura mínima de formação de filme (TMFF) de 0°C e um
tempo em aberto (secagem ao toque) entre 40 e 50 minutos. A faixa de viscosidade final
estabelecida é de 60 a 70KU.
Para efeito comparativo, foram coletadas e avaliadas três amostras de vernizes
de mercado, de diferentes fabricantes, indicados para aplicação exterior em madeiras
com durabilidade de 6 anos, sendo um base água, utilizando dispersão polimérica
acrílica em sua composição, e os outros dois, baseados em solventes orgânicos
alifáticos e utilizando resinas alquídicas em sua composição. Durante o trabalho, estes
vernizes são indicados como Mercado 1-BA, Mercado 2- BS e Mercado 3 – BS.
Como substrato para os testes realizados, foi utilizado madeira Teka, uma
madeira de densidade média. Foram aplicadas três demãos dos vernizes, respeitando-
se o intervalo entre demãos indicado pelos fabricantes. Todos os vernizes foram
aplicados diluídos a um mesmo teor de sólidos em massa (40,0%). A massa total úmida
aplicada dos vernizes sobre o substrato de madeira, considerando-se a soma das três
demãos, foi de (30±3) g.m-2.
Os testes foram realizados conforme normas descritas da ABNT e ASTM.
Apenas o teste de resistência ao blocking foi realizado de acordo com procedimento
interno. Os testes realizados são listados abaixo:
- ABNT NBR 15380 – Resistência à radiação UV/condensação de água;
- ABNT NBR 7462 – Determinação da resistência à tração
- ASTM D570 – Standard Test Method for Water Absorption of Plastics
- ABNT NBR 14946 – Determinação da dureza König
- ABNT NBR 15299 – Determinação do brilho
- Resistência ao Blocking – Avaliação em temperatura ambiente e alta temperatura.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Foram preparados filmes dos vernizes a serem avaliados sobre placas metálicas
de dimensões de (10x30x1) cm revestidas com plástico. Foi depositado sobre o
substrato 40,0g dos vernizes a um teor de sólidos (em massa) de 40,0%. A cura foi
realizada em sala climatizada à temperatura de (25±2)°C e umidade relativa do ar de
(60±5)% por um período total de 14 dias, sendo que ao sétimo dia, a película do verniz
foi virada de modo a expor a superfície antes em contato com o plástico ao ar. A
espessura dos filmes obtidos variou entre 0,35 e 0,45mm.
Para o teste de absorção de água, foram preparados corpos de prova com
dimensão de (5x5) cm. Os corpos de prova foram mantidos em estufa com circulação
de ar a 50°C até obtenção de massa constante. Em seguida, os corpos de prova foram
imersos em água e avaliou-se a absorção de água em função do tempo de imersão –
24 horas, 7, 14 e 21 dias. Os testes foram realizados em triplicata. Os resultados,
referentes à média dos três valores, são mostrados abaixo.
Figura 1. Avaliação da absorção de água dos filmes de vernizes em função do tempo
de imersão em água (24 horas, 7, 14 e 21 dias).
Como pode ser observado na Figura 1 , a absorção de água da amostra Mercado
1 – BA tende a aumentar muito em relação aos demais vernizes em função do tempo
de imersão. Os vernizes preparados com as dispersões Mowilith® LDM 2250 e
Mowilith® LDM 7410 apresentam absorção de água próxima às dos vernizes de
mercado Base Solvente, sendo que o caso do Mowilith® LDM 2250 é interessante por
se verificar uma constância da absorção de água em função do tempo de imersão em
12,0
61,9
99,4
125,9
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
120,0
140,0
0 5 10 15 20 25
9,3 11,111,1
11,7
4,0
11,4
15,7
19,9
3,4
6,7
9,411,4
2,8
5,6
7,88,9
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
0 5 10 15 20 25
Abs
orçã
o de
águ
a (%
)
Dias de imersão
Abs
orçã
o de
águ
a (%
)
Mowilith® LDM 2250 Mowilith® LDM 7410 Mercado 1 – BA Mercado 2 – BS Mercado 3 - BS
água, atribuída ao uso do monômero derivado de vinil éster do ácido versático em sua
composição. Esta manutenção da absorção de água é interessante, pois mostra uma
maior resistência do filme formado à penetração de água em períodos de longa
exposição. Esta é uma propriedade fundamental para os vernizes e é atualmente, um
dos fatores que limitam a substituição de produtos base solvente por produtos base
água, que possuem como maior deficiência a baixa resistência à absorção de água,
propriedade fundamental para uma boa proteção da madeira.
Utilizando-se os filmes de vernizes preparados conforme descrito anteriormente,
foram preparados doze corpos de prova para teste de resistência à tração e avaliação
de alongamento, conforme descrito na norma ABNT NBR 7462. Os resultados obtidos
são mostrados nos gráficos abaixo.
Figura 2. Avaliação da resistência à tração e do alongamento dos filmes dos vernizes.
2,85
1,78
0,72
1,57
1,15
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
163,3
285,8
455,8
101,4 91,5
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Res
istê
ncia
à tr
ação
(N
.mm
-2)
Alo
ngam
ento
(%
)
Como pode ser observado pela avaliação dos gráficos da Figura 2 , a amostra
Mercado 1 – BA destaca-se pelo seu alto valor de alongamento, propriedade desejada
para que o revestimento acompanhe os processos de expansão e retração da madeira
em função das condições de sua exposição, fundamentalmente a temperatura e
umidade. No entanto, as amostras formuladas com as dispersões Mowilith® LDM 2250
e Mowilith® LDM 7410 apresentaram desempenho satisfatório, uma vez que os valores
de alongamento obtidos foram superiores em relação aos vernizes de mercado base
solvente avaliados. Além disso, os vernizes formulados com as dispersões Mowilith®
caracterizaram-se pelo maior valor de resistência à tração em relação aos vernizes de
mercado, o que proporciona uma melhor resistência da película protetiva quando
submetida a esforços mecânicos, ou seja, torna mais difícil o aparecimento de fissuras,
que são pontos de penetração de água e microorganismos que ocasionariam a
degradação das camadas mais interiores do revestimento, podendo chegar ao
substrato.
A avaliação de intemperismo acelerado foi realizada em equipamento QUV/se
Q-Lab, utilizando lâmpada UVB 313 Q-Lab e ciclo de exposição conforme condição 2.
Foi avaliado a alteração de brilho em função das horas de exposição e a mudança de
aspecto visual (esbranquiçamento, aparecimento de fissuras e craquelamento). Os
resultados mostrados correspondem até 600h de exposição, no entanto, o teste ainda
está sendo realizado e será finalizado a um período total de no mínimo 2000h de
exposição. Abaixo, é mostrado a variação do brilho em função do tempo de exposição.
Figura 3. Avaliação de variação de brilho da película de verniz sobre substrato de
madeira em função do tempo de exposição em teste de intemperismo acelerado.
Início
Após 300h
Após 600h
Bril
ho (
U.B
.) 68,9
73,9
65,4
86,081,2
60,369,1
51,4
63,4 63,3
41,5
50,0
39,4
20,8
4,1
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
100,0
Como pode ser observado pela análise da Figura 3 os vernizes base água
apresentam um menor brilho inicial em relação aos vernizes base solvente, no entanto,
a manutenção do brilho em função do tempo de exposição é muito superior em relação
aos vernizes base solvente, como é enfatizado na Tabela 1 .
Tabela 1. Avaliação da perda de brilho da película de verniz aplicada sobre madeira em
função do tempo de exposição durante teste de intemperismo acelerado.
Amostra Perda de brilho após
300h de exposição (%)
Perda de brilho após
600h de exposição (%)
Mowilith ® LDM 2250 12,5 39,8
Mowilith ® LDM 7410 6,5 32,3
Mercado 1 – BA 21,4 39,8
Mercado 2 – BS 26,3 75,8
Mercado 3 – BS 22,0 95,0
Analisando-se a Tabela 1 , observa-se que os vernizes base água apresentaram
perda de brilho semelhante entre si e muito inferior em relação aos vernizes base
solvente, com destaque para o verniz formulado com Mowilith® LDM 7410, que
apresenta a menor perda de brilho para ambos intervalos de tempo entre todos os
vernizes.
Em relação ao aspecto visual, analisando-se a Figura 4 , verifica-se que não foi
observado formação de fissuras ou craquelamento em nenhuma amostra. No entanto,
com exceção do verniz formulado com Mowilith® LDM 2250, todas amostras
apresentaram esbranquiçamento na região exposta durante o teste de intemperismo
acelerado, indicativo de que houve penetração de água pela película protetora. O
escurecimento da região exposta nas amostras revestidas com os vernizes formulados
com Mowilith® LDM 2250 e Mowilith® LDM 7410 deve-se ao fato de não ter sido
utilizado absorvedores UV nem corantes na formulação do verniz. Além disso,
comparando-se apenas os vernizes formulados com Mowilith® LDM 2250 e Mowilith®
LDM 7410, observa-se que o escurecimento da região exposta é inferior para o verniz
formulado com Mowilith® LDM 2250, fator, assim como a manutenção da absorção de
água em função do tempo de imersão, associado à presença do monômero derivado de
vinil éster do ácido versático na composição do polímero.
Figura 4. Avaliação visual dos corpos de prova revestidos com os vernizes após 600
horas de exposição em teste de intemperismo acelerado. A região superior corresponde
a área não exposta durante o teste, ao passo que a região inferior corresponde a área
exposta ao teste.
A dureza pendular König foi avaliada conforme a norma ABNT NBR 14946, para
diferentes tempos de cura da amostra. As amostras formuladas com as dispersões
Mowilith® LDM 2250 e Mowilith® LDM 7410 apresentaram maior dureza em relação aos
vernizes de mercado, como pode ser observado na Figura 5 , indicando assim que estes
vernizes apresentam uma maior resistência ao risco e uma menor tendência à pega de
sujeira, fator importante para manter o aspecto inicial do revestimento pelo maior tempo
possível.
Figura 5. Avaliação da dureza König dos vernizes em função do tempo de cura.
Mowilith® LDM 2250 Mowilith® LDM 7410 Me rcado 1 – BA Mercado 2 – BS Mer cado 3 - BS
1413
8
1110
22
17
12
16
11
28
2220
23
13
0
5
10
15
20
25
30
Núm
ero
de o
scila
ções
Cura 24h Cura 72h Cura 7 dias
Outro fator importante para uma menor pega de sujeira e melhor desempenho,
principalmente nos primeiros dias após a aplicação do revestimento, é a resistência ao
blocking. Amostras com menor blocking são desejadas para não causar o destacamento
prematuro da película quando em contato com outras superfícies e manutenção da
estética da película, além de proporcionarem uma menor pega de sujeira. O blocking
das amostras foi avaliado em duas situações (temperaturas distintas). Após secagem
total das amostras (variável de acordo com o verniz), o blocking foi avaliado colocando-
se duas madeiras revestidas com a película de interesse em contato entre suas
superfícies no formato de cruz. Em seguida, foi colocado um peso de 2kg sobre o
conjunto, como pode ser observado na Figura 6A . Para o teste realizado em
temperatura ambiente, o peso é mantido sobre as amostras por um período de duas
horas. Já para o teste realizado em estufa a 50°C, o tempo em que o peso permanece
sobre as amostras é de 30 minutos. Em seguida, um béquer é colocado sobre o conjunto
e adiciona-se água dentro dele – Figura 6B . A massa de água adicionada é monitorada
com uma balança semi-analítica com precisão de 0,01g. O teste é encerrado quando a
massa de água adicionada é suficiente para separar os dois corpos de prova de madeira
em contato- Figura 6C . Anota-se a massa do conjunto (béquer + água) necessária para
separação dos corpos de prova. Os resultados são mostrados na Figura 7 .
Figura 6. Ilustração dos procedimentos para realização do teste de resistência ao
blocking.
Região de contato entre os corpos de
prova revestidos
A B C
Figura 7. Avaliação da resistência ao blocking em temperatura ambiente e alta
temperatura (50°C).
Pela análise da Figura 7 , verifica-se que os vernizes formulados com as
dispersões Mowilith® LDM 2250 e Mowilith® LDM 7410 apresentam menor blocking em
relação aos vernizes de mercado, sendo que em temperatura ambiente, o blocking pode
ser classificado como ausente, uma vez que os corpos de prova revestidos não aderem
um à superfície do outro e nem apresentam mínima pegajosidade por avaliação em
teste qualitativo. Em altas temperaturas, destaca-se o baixo blocking do verniz
formulado com Mowilith® LDM 2250.
CONCLUSÕES
Os resultados dos testes evidenciaram que é possível utilizar as duas dispersões
para formulação de vernizes base água com baixo teor de COV’s que necessitam obter
desempenho semelhante a vernizes Base Solvente.
Os vernizes formulados com as dispersões Mowilith® LDM 2250 e Mowilith®
LDM 7410 apresentaram dureza superficial, resistência ao blocking, e alongamento
maior em relação aos vernizes de mercado base solvente avaliados, demonstrando
assim que a utilização de partículas poliméricas Core Shell é altamente favorável
quando busca-se aliar propriedades antagônicas como estas em um revestimento. Além
disso, verificou-se que o uso destas dispersões na formulação de vernizes propiciou
uma resistência à água muito superior em relação ao verniz de mercado base água
avaliado.
A incorporação de um monômero hidrofóbico na composição do polímero, caso
da dispersão Mowilith® LDM 2250, mostrou-se eficiente para aumentar a resistência à
Mas
sa d
e ág
ua (
g)
T ambiente T = 50°C 0 0
983
44954932
992
1593
2156
3675
2055
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
água da película do revestimento submetida a longos períodos de exposição à água,
como pôde ser verificado pela manutenção da absorção de água em função do tempo
de imersão e pelo não esbranquiçamento do corpo de prova submetido ao teste de
intemperismo acelerado.
Os próximos passos do trabalho envolvem o estudo da utilização de corantes e
absorvedores UV na formulação com as dispersões Mowilith® LDM 2250 e Mowilith®
LDM 7410, afim de se avaliar o quanto é possível otimizar o desempenho destes
vernizes para se obter um desempenho superior em relação aos vernizes de mercado
Base Solvente. Além disso, os próximos passos também envolvem o estudo de
dispersões Core Shell acrílicas para utilização em formulação de tintas protetivas DTM
(Direct to Metal), que envolvem requisitos de desempenho semelhantes para oferecer
uma boa proteção à corrosão.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. M. de Meijer, Progress in Organic Coatings 43 (2001) 217-225.
2. J.E.P. Custódio, M.I. Eusébio, Progress in Organic Coatings 56 (2006) 59-67.
3. J.A. Santos, C. Duarte, Corros. Prot. Mater. ,Vol. 32, N°1 (2013) 10-18.
4. A. Mader et al., Progress in Organic Coatings 71 (2011) 123-135.
5. GS-11 Green Seal™ Standard for Paints and Coatings, Edition 3.1, July 12 2013.
6. Jorge M. R. Fazenda, Tintas – Ciência e Tecnologia, 4ª ed., 2009.