Palabras clave: reología del polvo, recubrimientos en polvo, polvo de resina epoxi
RH128-ES
Resumen
Los recubrimientos en polvo son más resistentes y compatibles con el medio ambiente que sus homólogos a base de solventes. Las condiciones de transporte y procesamiento del polvo pueden afectar la calidad del recubrimiento. Las mediciones de la reología del polvo, de las propiedades de cizallamiento y flujo pueden ayudar en el control de calidad de los recubrimientos en polvo. Para investigar las repercusiones de la temperatura, se utiliza el Accesorio de Reología del Polvo (Powder Rheology Accessory) para Control de Temperatura de TA Instruments a fin de estudiar una resina epoxi saturada para recubrimientos en polvo. Los resultados muestran que, debido a los efectos sobre la fluidez y la cohesión, es preciso tener cuidado en el almacenamiento y el procesamiento, incluso a temperaturas por debajo de la transición vítrea.
Introducción
Las preocupaciones ambientales y las restricciones reguladoras, como la reducción del uso de compuestos orgánicos volátiles (COV), han afectado a la industria de los recubrimientos [1]. Como resultado, los recubrimientos en polvo con un contenido de sólidos del 100 % se están haciendo más populares. Los recubrimientos en polvo también son más resistentes que los sistemas a base de solventes o de agua. En particular, los recubrimientos de resina epoxi tienen buenas características de estabilidad química, adhesión a los sustratos y dureza [1] [2] y estas propiedades se pueden mejorar con el uso de rellenos [2] [3]. Los recubrimientos se aplican con una técnica electrostática antes del curado en una cámara térmica para crear una película resistente [1], y es crucial que la película que se fabrique sea uniforme y repetible. Las condiciones de transporte, almacenamiento y procesamiento de los polvos pueden tener repercusiones sobre la calidad del recubrimiento. Un método para proporcionar control de calidad es la reología del polvo, que se ha demostrado previamente con polvos de lactosa [4], grafito [5] y carboximetilcelulosa [6]. La reología del polvo puede medir las propiedades de cizallamiento y flujo de los polvos, como la energía de flujo, la cohesión y el límite elástico. Estas mediciones pueden ayudar a optimizar las formulaciones y los parámetros de procesamiento, así como utilizarse para el control de calidad de los polvos. El Accesorio de Reología del Polvo (Powder Rheology Accessory) para el Control de la Temperatura para Reómetros Híbridos Discovery (Discovery Hybrid Rheometers) permite medir la dependencia de la temperatura de las propiedades de cizallamiento y flujo del polvo. La medición se realiza con celdas de flujo y cizallamiento intercambiables compatibles con el Cilindro Concéntrico de Peltier (Peltier Concentric Cylinder) como se muestra en la Figura 1. Esta nota demostrará el acoplamiento de la celda de temperatura con las celdas de flujo y cizallamiento del Accesorio de Reología del Polvo. Los resultados brindan información acerca de los efectos del almacenamiento, el procesamiento y las condiciones ambientales sobre los polvos.
Experimental
El polvo de resina epoxi con relleno y un contenido inorgánico del 25 % se obtuvo de un proveedor de recubrimientos en polvo. Mediante calorimetría de barrido diferencial modulada en el Discovery DSC 2500 de TA Instruments se determinó que la temperatura de transición vítrea (Tg) es de 47 °C.
Las mediciones de la reología del polvo se realizaron por debajo y se aproximaron a la Tg al utilizar la cubierta Peltier de TA Instruments para el control de la temperatura con una celda de cizallamiento de polvo y una celda de flujo de polvo compatibles. La copa de control de temperatura del polvo tiene insertos inferiores intercambiables para flujo y cizallamiento, como se muestra en la Figura 2. El inserto de flujo es liso y está emparejado con el rotor del impulsor. El inserto de cizallamiento tiene paletas cortas y elevadas y está emparejado con el rotor de cizallamiento de 28 mm de diámetro con las paletas cortas y elevadas correspondientes.
Procedimiento de flujo
El procedimiento de flujo se programa en TRIOS como se muestra en la Figura 3. El polvo se acondiciona al usar Acondicionamiento de Flujo de Polvo (Powder Flow Conditioning) y a continuación la muestra se recorta al deslizar el embudo de carga y depositar el material excesivo antes de proceder al siguiente paso como se muestra en la Figura 4. El paso de fluidez del polvo incluye una inmersión de temperatura de 30 minutos seguida de mediciones de acondicionamiento y flujo a una velocidad de punta de 60 mm/s y un ángulo de hélice de 5°. La temperatura se incrementa en pasos sucesivos de Fluidez del Polvo (Powder Flowability). Los resultados de flujo incluyen mediciones a 25, 35 y 45 °C, seguidas de mediciones repetidas a 35 y 25 °C.
Procedimiento de cizallamiento
El procedimiento de cizallamiento se programa en TRIOS como se muestra en la Figura 5. El polvo se acondiciona al usar Consolidación de Polvo (Powder Consolidation) y a continuación la muestra se recorta al deslizar el embudo de carga y depositar el exceso de material antes de proceder al siguiente paso. El paso de cizallamiento de polvo incluye una inmersión de temperatura de 30 minutos seguida de una serie de pasos de consolidación, pre-cizallamiento y cizallamiento con tensión normal decreciente. Se realizaron experimentos isotérmicos al consolidar y recortar el polvo, y posteriormente ejecutar un paso de cizallamiento. Se realizaron experimentos de paso por ciclos de temperatura al consolidar y recortar el polvo, y a continuación ejecutar múltiples pasos de cizallamiento en la misma muestra.
Se cuenta con parámetros de ajuste adicionales en opciones avanzadas. Estos parámetros incluyen el primer ajuste pre-cizallamiento, y el ajuste, que definen los períodos de espera después de que se detecta un pico de tensión al utilizar la detección automática de picos. Los valores predeterminados son 0.05 y 0.01 rad, como se muestra en la Figura 5. Cuando se están realizando pasos de cizallamiento sucesivos, estos valores pueden modificarse si el usuario determina que los pasos están terminando demasiado pronto o demasiado tarde para su configuración de prueba particular. Se utilizan valores de 0.01 rad tanto para el primer ajuste de pre-cizallamiento como para el ajuste después del primer paso de cizallamiento en los experimentos de paso por ciclos de temperatura.
Donde:
- ts,pro–rated = tensión de cizallamiento prorrateada
- ts = tensión de cizallamiento medida
- tp,average = promedio de todas las tensiones de cizallamiento pre-cizallamiento
- tp = tensión de cizallamiento pre-cizallamiento medida que precede al paso de cizallamiento
Resultados y discusiones
La energía de flujo total para mediciones de flujo confinado y no confinado se muestra en la Figura 6 a una velocidad máxima de 60 mm/s. El índice de estabilidad (IE) es la proporción entre la última y la primera mediciones de energía de flujo durante un intervalo especificado por el usuario. Se espera que una formulación en polvo más estable tenga un valor más cercano a uno. El índice de estabilidad se puede usar para identificar si un paso de temperatura de procesamiento está causando inestabilidad en el polvo. También puede usarse para confirmar la calidad de un lote a otro o evaluar las repercusiones de un cambio de formulación.
El índice de estabilidad se informa a partir del primer y último valores de flujo después del paso por ciclos de temperatura, y es de 1.06 para flujo confinado y de 1.03 para flujo no confinado. El índice de estabilidad también se informa para la energía de flujo confinado a 45 °C, donde la energía de flujo parece variar más y es igual a 1.08. Los valores están cerca de uno, lo que indica que este polvo es estable en estas condiciones de flujo y paso por ciclos de temperatura.
Los resultados con control de temperatura se muestran en las Figuras 7 y 8. En la Figura 7 y la Tabla 1, tres muestras en total se probaron a 25, 35 o 45 °C. Conforme aumenta la temperatura, hay un incremento de la cohesión, el límite elástico no confinado, la tensión principal mayor y el ángulo de fricción interna, y hay un decremento de la función de flujo. Estos parámetros pueden usarse para optimizar las condiciones ambientales y de procesamiento de los polvos. Conforme la medición se acerca a la Tg, aumenta la dificultad para el flujo del polvo.
Tabla 1. Resultados de temperatura isotérmica para 25, 35 y 45 °C
| 25 °C | 35 °C | 45 °C | |
|---|---|---|---|
| Cohesión (kPa) | 0.6 | 0.9 | 2.1 |
| Límite elástico no confinado (kPa) | 2.1 | 3.1 | 10.0 |
| Tensión principal mayor (kPa) | 27.6 | 28.1 | 34.6 |
| Función de flujo | 13.2 | 8.9 | 3.4 |
| Angle of Internal Friction (rad) | 0.56 | 0.58 | 0.77 |
En la Figura 8 y la Tabla 2 se muestran los resultados de cizallamiento del paso por ciclos de temperatura. El paso por ciclos de temperatura se completó al realizar una medición a 25 °C, aumentar la temperatura a 45 °C para la siguiente medición, y devolver la temperatura a 25 °C para la medición final (25-45-25 °C). Para verificar la dependencia de la temperatura de la medición de cizallamiento en la Figura 8A, se realizó el mismo experimento de paso por ciclos con cada medición tomada a 25 °C (25-25-25 °C) como se muestra en la Figura 8B. Las mediciones de paso por ciclos de temperatura a 45 °C y el regreso a 25 °C demuestran cambios irreversibles en el polvo. Hay un cambio apreciable de la cohesión, tensión principal mayor, función de flujo y ángulo de fricción interna. Estas diferencias pueden afectar el rendimiento del polvo en un proceso para crear películas, incluso si el polvo se pasó por ciclos por debajo de la Tg. Los resultados en la Figura 8B muestran que los resultados de 25-25-25 °C se alinean bien entre sí con cierta variabilidad en el ajuste de datos. El cambio de las propiedades de cizallamiento cuando se pasa por ciclos cerca de la Tg se debe a la temperatura y no es consolidación dependiente del tiempo.
Tabla 2. Resultados del paso por ciclos de temperatura para 25-45-25 °C.
| 25 °C ADELANTE | 25 °C CONTRARRESTAR | % CAMBIAR | |
|---|---|---|---|
| Cohesión (kPa) | 0.7 | 0.5 | -29 |
| Límite elástico no confinado (kPa) | 2.4 | 2.4 | 0 |
| Tensión principal mayor (kPa) | 29.1 | 33.2 | 14 |
| Función de flujo | 12.2 | 13.8 | 13 |
| Ángulo de fricción interna (rad) | 0.57 | 0.71 | 25 |
Conclusiones
Las propiedades de flujo y cizallamiento dependientes de la temperatura se midieron para un polvo epoxi al utilizar el Accesorio de Reología del Polvo de Control de Temperatura de TA Instruments. Los datos se pueden utilizar para el control de calidad y la formulación, y muestran las repercusiones de las condiciones ambientales y de procesamiento en el flujo y la cohesión. La celda de flujo se usa para medir las energías de flujo confinado y no confinado a 25, 35 y 45 °C, seguidas de mediciones de temperatura decreciente a 35 y 25 °C. Las mediciones de flujo demostraron que el polvo es relativamente estable con el tiempo y con el paso por ciclos de temperatura. Este polvo fluiría de manera similar en un proceso con tensiones de consolidación bajas a medida que la temperatura se aumentó hasta cerca de la Tg de 47 °C.
Las mediciones de celdas de cizallamiento con control de temperatura proporcionaron información acerca de las condiciones de consolidación dependientes de la temperatura. Cuando el polvo epoxi se pasó por ciclos desde 25 a 45 a 25 °C, se notaron cambios irreversibles de las propiedades del polvo. Estos resultados demuestran que, si bien el polvo puede fluir con facilidad y de manera consistente hasta los 45 °C, se debe tener cuidado cuando los polvos consolidados quedan sujetos a temperaturas más altas. Se puede observar variabilidad del rendimiento del polvo si se envía o almacena a temperaturas que se aproximan a la Tg, donde puede no ser evidente a simple vista que el polvo ha quedado expuesto a temperaturas altas. Si un proceso o tolva se ha diseñado para polvos con propiedades cohesivas y de fricción específicas, pueden observarse variaciones si diferentes muestras del mismo lote tienen historias térmicas que varían.
Referencias
- Z. Du, S. Wen, J. Wang, C. Yin, D. Yu and J. Luo, The Review of Powder Coatings, J. Mater. Sci. Chem. Eng. 2016, 4, 54 – 59.
- H. J. Yu, L. Wang, Q. Shi, G. H. Jiang, Z. R. Zhao and X. C. Dong, Study on Nano-CaCO3 Modified Epoxy Powder Coatings, Prog. Org. Coat. 2006, 55 (3).
- M. Fernandez-Alvarez, F. Velasco, A. Bautista, Epoxy powder coatings hot mixed with nanoparticles to improve their abrasive wear, Wear, 2020, 448-449, 203211.
- J. R. Vail and S. Cotts, “Powder Rheology of Lactose: Impacts of powder morphology on performance of pharmaceutical excipients,” TA Instruments, New Castle, DE, 2022.
- K. Dennis and S. Cotts, “Powder Rheology of Graphite: Characterization of Natural and Synthetic Graphite for Battery Anode Slurries,” TA Instruments, New Castle, DE, 2022.
- J. Vail, K. Dennis, and T. Chen, “Effect of Moisture on Cohesion Strength of Carboxymethyl Cellulose Powder,” TA Instruments, New Castle, DE, 2022.
- “ASTM D7891-15 Standard Test Method for Shear Testing of Powders Using the Freeman Technology FT4 Powder Rheometer Shear Cell,” ASTM International, 2016.
Reconocimiento
La redacción de este documento estuvo a cargo del Dr. Kimberly Dennis en TA Instruments.
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