Deriva de viscosidad en pinturas: causas, ensayo y control

---

La deriva de viscosidad es el cambio en la consistencia de un recubrimiento entre el final de la producción y el momento de la aplicación. Está provocada por los equilibrios de adsorción de espesantes, la estabilidad de la dispersión del pigmento, los cambios de pH e iónicos, y la recuperación tixotrópica de la estructura construida por los modificadores reológicos. Se controla midiéndola en muestras envejecidas, eligiendo una arquitectura de espesante adecuada al ligante, y dispersando el pigmento de forma tan completa que no se forme ninguna estructura latente posteriormente.

Esta guía está escrita para químicos formuladores, directores técnicos y responsables de compras de fabricantes de recubrimientos, tintas y adhesivos. Abarca los mecanismos, los protocolos de ensayo, la interacción entre el adelgazamiento por cizalla y la deriva, y las elecciones de aditivos que reducen la brecha entre la liberación del lote y el rendimiento en campo.

Resumen

• La deriva es un fallo de estabilidad, no un defecto único: la viscosidad puede subir, bajar o recuperarse solo parcialmente tras el cizallado, y cada patrón apunta a una causa distinta.
• Las pinturas de látex son de adelgazamiento por cizalla por diseño, por lo que una lectura de un solo punto puede inducir a error; caracterízalas a dos o más velocidades de cizalla y compara muestras envejecidas con frescas.
• Las muestras envejecidas por calor y a temperatura ambiente, medidas en KU y en un instrumento rotacional, son la forma estándar de exponer la deriva antes de que llegue al cliente.
• La selección del dispersante, el tipo de modificador reológico y la compatibilidad del desespumante interactúan; cambiar uno sin volver a comprobar la estabilidad de la viscosidad es una fuente frecuente de deriva que aparece tardíamente.
• ASTRA DISP®, ASTRA REO® y la serie de desespumantes ASTRA DF® se ofrecen como un conjunto coordinado para este problema, con solicitudes de muestras y soporte técnico.

Una pintura recién fabricada rara vez está en equilibrio. Los espesantes todavía se hidratan o adsorben sobre las partículas de látex, las superficies del pigmento todavía se humedecen, el aire atrapado todavía escapa, y el pH todavía puede variar. La viscosidad medida a la salida del molino difiere, por tanto, de la viscosidad tras un día, una semana o meses en la lata.

La deriva se describe convencionalmente por su dirección y magnitud:

La literatura de patentes de la EPO aborda el tema directamente: una publicación de patente europea describe un método para controlar la deriva de viscosidad en composiciones de polímero acuoso espesadas, lo que confirma que el problema se reconoce como un objetivo de formulación distinto y no meramente una molestia de control de calidad.

Por qué el adelgazamiento por cizalla complica el panorama

Las pinturas de látex se formulan para ser de adelgazamiento por cizalla. Según una reseña de PCI Magazine sobre la selección de aditivos reológicos, las pinturas de látex son básicamente todas pseudoplásticas: la viscosidad cae al aumentar el mezclado y luego regresa cuando cesa la agitación. El mismo artículo identifica la pseudoplasticidad, la tixotropía y el flujo de tipo newtoniano como los tres comportamientos relevantes para los espesantes de látex.

Esto tiene tres consecuencias para quien estudia la deriva.

1. Un único valor de viscosidad es una especificación débil. Una pintura puede mantener su lectura en KU mientras su viscosidad a bajo cizallado, que gobierna el escurrimiento y la sedimentación, se ha movido sustancialmente. A la inversa, la viscosidad a alto cizallado que gobierna la resistencia al arrastre de la brocha y la atomización por pulverización puede permanecer constante mientras la pintura se vuelve inestable en la lata.
2. El tiempo de recuperación importa tanto como el valor recuperado. La estructura tixotrópica que se reconstruye en minutos se comporta de forma distinta sobre una superficie vertical que la estructura que se reconstruye en horas.
3. El historial de la muestra debe controlarse. Una pintura agitada vigorosamente antes del ensayo no es el mismo material que una ensayada sin perturbación. Una nota de aplicación de Thermo Fisher sobre flujo por cizalla y tixotropía describe las pinturas como dispersiones de partículas altamente estructuradas que afrontan una amplia gama de velocidades de cizalla y entornos a lo largo de su vida útil, desde el almacenamiento hasta la aplicación.

Sobre el lenguaje de la velocidad de cizalla, la guía de la American Coatings Association sobre aditivos y reología define la velocidad de cizalla como el gradiente de velocidad entre placas de cizalla, que es la base sobre la que se construye toda curva de viscosidad frente a cizalla.

Mecanismos detrás de la deriva

Arquitectura del espesante

La clase de espesante determina en gran medida el perfil de deriva.

• Espesantes celulósicos aumentan la viscosidad mediante el enredo de cadenas y la retención de agua. Tienden a ser susceptibles al ataque enzimático, lo que produce deriva descendente si la conservación es inadecuada.

• Espesantes asociativos construyen una red mediante interacciones hidrofóbicas entre los grupos terminales del polímero y con la superficie de las partículas de látex del ligante, según resume el artículo de la American Coatings Association sobre celulosa microfibrilada. Como la red depende de la competencia entre los grupos hidrofóbicos del espesante, los surfactantes y las superficies de látex, cualquier cambio en la concentración de surfactante, el nivel de cosolvente o el tipo de ligante puede mover la viscosidad durante el almacenamiento.

• Arcillas filosilicatadas aportan tensión de fluencia y estructura anti-sedimentación. Un artículo de PCI Magazine sobre espesantes de arcilla para pinturas de látex analiza su papel en la trabajabilidad, incluida la aplicación a brocha, rodillo o pulverizador y el control del salpicado.

Cada clase tiene un tiempo de equilibración característico, por lo que la viscosidad de liberación nunca debe tomarse como valor final sin un estudio de envejecimiento.

Calidad de la dispersión del pigmento

El pigmento mal estabilizado es una fuente de deriva principal y a menudo subestimada. La floculación parcial construye una red débil que espesa la pintura lentamente, particularmente a bajo cizallado, y puede invertirse bajo agitación, dando valores de reensayo engañosos. La humectación inadecuada deja una superficie no estabilizada que sigue adsorbiendo espesante o surfactante de la fase continua, agotando las especies destinadas a controlar la reología.

Por esta razón, el dispersante debe seleccionarse antes de finalizar el modificador reológico. Un dispersante que se ancla fuertemente en el pigmento y lo estabiliza de forma estérica o electroestérica deja al espesante hacer únicamente su trabajo previsto.

Aditivos de control de espuma y compatibilidad

Los desespumantes son materiales tensioactivos, intencionalmente incompatibles. Un desespumante sobre dosificado o mal dispersado puede desplazar el espesante asociativo de las superficies de látex y alterar el perfil de viscosidad; uno mal emparejado también crea defectos superficiales. Las químicas de silicona y sin silicona se comportan de forma distinta a este respecto, y ambas deben incluirse en el programa de estabilidad en lugar de añadirse tras fijar la reología.

pH, fuerza iónica y conservación

Muchos espesantes responden al pH. La pérdida de amoníaco o amina durante el almacenamiento, la disolución de carbonato a partir de cargas y la generación microbiana de ácido pueden desplazar el pH y con él la viscosidad. La visión general de SpecialChem sobre estabilidad al almacenamiento enmarca la estabilidad al almacenamiento como un parámetro crítico de calidad que mantiene el rendimiento y la apariencia de una formulación consistentes desde la producción hasta el uso final, y enumera la sedimentación del pigmento entre las consecuencias cuando falla.

Medición de la deriva: un protocolo práctico

Un estudio de deriva requiere tres elementos: un historial de muestra definido, al menos dos modos de medición y criterios de aceptación ligados a la aplicación.

Paso 1: Definir puntos temporales y condiciones

Los programas típicos incluyen una lectura a la salida del molino, una lectura tras una noche (24 horas) y lecturas tras almacenamiento a temperatura elevada. El material de formación de la US EPA sobre pinturas y recubrimientos ambientales enumera la viscosidad y la estabilidad de la viscosidad, junto con la vida útil de mezcla para pinturas de dos componentes, entre las propiedades evaluadas al cualificar un nuevo recubrimiento, lo que respalda tratar la deriva como un criterio de cualificación.

Un estudio de PCI Magazine sobre extensores de tiempo abierto ilustra el enfoque en la práctica: la primera prueba evaluó el efecto de los aditivos sobre la estabilidad de la viscosidad en el tiempo, usando muestras de la misma formulación base con la viscosidad sin ajustar.

Paso 2: Usar un instrumento y geometría consistentes

• Viscosímetro tipo Stormer (KU): una medida rápida de consistencia en planta. En una patente de marcado de tráfico publicada, la consistencia se determina en unidades Krebs y un cambio superior a 10 KU se trata como un fallo de formulación, mientras que se prefiere un cambio inferior a 7 KU. Ese límite es específico de esa aplicación y no debe asumirse como una especificación universal.
• Viscosímetro rotacional o reómetro: ASTM D2196 cubre los métodos de viscosímetro rotacional para materiales no newtonianos. La norma señala que la viscosidad a dos o más velocidades caracteriza mejor dicho material que a una sola velocidad, que es exactamente el punto para los recubrimientos de adelgazamiento por cizalla.

Paso 3: Reportar un perfil, no un número

Registra la viscosidad a bajo, medio y alto cizallado, más una medición de recuperación tixotrópica donde el escurrimiento o la sedimentación sean un problema. Expresa la deriva como el cambio porcentual o en KU respecto a la lectura fresca en cada rango de cizalla por separado.

Paso 4: Separar el cambio reversible del irreversible

Reensaya tras una agitación suave y definida. La viscosidad que regresa al valor original apunta a una estructura tixotrópica. La viscosidad que no regresa apunta a un cambio químico o coloidal: floculación, degradación del espesante o deriva de pH.

Paso 5: Acelerar con precaución

El envejecimiento por calor acorta el estudio pero puede introducir artefactos, como la hidrólisis del espesante que no ocurriría a temperatura ambiente. Correlaciona los resultados acelerados con datos a temperatura ambiente de al menos una formulación de referencia antes de usarlos para liberar producto.

Guía de diagnóstico: del síntoma a la palanca

Control de la deriva mediante la selección de aditivos

Las palancas se disponen en un orden de prioridad coherente.

1. Estabiliza primero el pigmento. Selecciona un dispersante acoplado a la química superficial del pigmento y al sistema de ligante, y establece la dosis a partir de una curva de demanda de dispersante en lugar de un porcentaje fijo.
2. Elige la arquitectura del espesante para la aplicación. Donde dominan el nivelado y la resistencia al salpicado, un perfil asociativo es típico; donde dominan el anti-sedimentación y la resistencia al escurrimiento, contribuyen las arcillas o los modificadores de bajo cizallado. Las mezclas son comunes, y cada componente debe incluirse en el estudio de envejecimiento.
3. Controla la espuma sin alterar la reología. Compara desespumantes de silicona y sin silicona con igual eficacia, y luego compara la estabilidad de la viscosidad, no solo la altura de espuma.
4. Fija el proceso. El tiempo de dispersión, la temperatura y la secuencia de acabado afectan la estructura final. Un proceso coherente reduce la deriva tanto como cualquier cambio de aditivo.
5. Revalida cuando algo cambie. El proveedor de resina, la calidad de la carga, el paquete de colorante o el nivel de surfactante pueden alterar cada uno el equilibrio.

Nuestra perspectiva

Según nuestra experiencia como fabricante de aditivos, las quejas por deriva suelen llegar atribuidas al espesante, pero la primera pregunta que hacemos es qué tan completamente se dispersó el pigmento y qué desespumante se usó. Una pintura que se espesa lentamente por un pigmento marginalmente estabilizado no se corregirá ajustando el modificador reológico; el modificador enmascarará el síntoma en la liberación y la inestabilidad reaparecerá en el almacenamiento.

Por ello recomendamos que los formuladores trabajen en una secuencia fija: establece la dosis del dispersante, fija el perfil reológico con un modificador ensayado a dos o más velocidades de cizalla, luego selecciona el desespumante y confirma que el perfil de viscosidad no se ha movido. Cada paso debe ir seguido de una comprobación de envejecimiento, no solo la formulación final.

La consistencia de lote de los propios aditivos es la otra mitad del problema. Una formulación estable con un lote de un aditivo pero no con el siguiente se ha cualificado frente a la variable equivocada. Por esa razón respaldamos la cualificación respaldada por laboratorio, la guía de dosificación optimizada y la documentación para necesidades de producción y regulatorias, para que una formulación validada siga siéndolo.

— Astra R&D Team

Aditivos para la estabilidad de viscosidad de ASTRA Chemical

Para recubrimientos, adhesivos, tintas, plásticos y compuestos, ASTRA Chemical suministra dispersantes, modificadores reológicos y desespumantes de silicona y sin silicona, con soporte técnico y guía de formulación a medida. Las líneas relevantes para un programa de deriva son:

• ASTRA DISP®: dispersantes y aditivos para pigmentos, el punto de partida para estabilizar la dispersión en la que se basa una reología estable.
• ASTRA REO®: modificadores reológicos para fijar el perfil de flujo una vez que la dispersión es estable.
• ASTRA DF® y ASTRA DF NS®: desespumantes de silicona y sin silicona para el control de espuma que pueden compararse tanto en estabilidad de viscosidad como en eficacia.

La gama completa figura en la página de productos de ASTRA CHEMICAL, y hay artículos técnicos adicionales en el blog. Los precios no se publican; las solicitudes de muestras y consultas técnicas se gestionan directamente a través del sitio en astra-chemical.com.

Lista de verificación para una formulación resistente a la deriva

• Viscosidad fresca, a 24 horas, envejecida a temperatura ambiente y por calor registrada para cada candidato.
• Datos en KU y rotacionales a no menos de dos velocidades de cizalla.
• Recuperación tixotrópica registrada donde importan el escurrimiento, el nivelado o la sedimentación.
• pH registrado en cada punto temporal.
• Viscosidad comprobada tras el teñido con toda la gama de colorantes, si el producto es teñible.
• Lotes de aditivos replicados al menos una vez para confirmar la consistencia.
• Límites de aceptación definidos por aplicación, no tomados prestados de una distinta.

FAQ

¿Qué es la deriva de viscosidad en la pintura?

Es el cambio en la viscosidad de una pintura con el tiempo tras su fabricación, causado por la equilibración continua del espesante, la floculación del pigmento, los cambios de pH o la degradación química. Puede ser ascendente, descendente o visible solo a ciertas velocidades de cizalla.

¿Por qué el adelgazamiento por cizalla dificulta detectar la deriva?

Como la viscosidad medida depende de la velocidad de cizalla, una lectura a una velocidad puede permanecer constante mientras el comportamiento a bajo o alto cizallado cambia. Medir a dos o más velocidades, como aconseja la declaración de significancia de ASTM D2196 para materiales no newtonianos, evita este punto ciego.

¿Cuánto cambio de viscosidad es aceptable?

Depende de la aplicación. Una divulgación publicada de pintura de tráfico trata un cambio superior a 10 KU como un fallo, pero los sistemas arquitectónicos, industriales y de tinta necesitan cada uno límites ligados a su propia ventana de aplicación. Define el límite a partir de ensayos de aplicación.

¿Puede un dispersante reducir la deriva?

A menudo, sí. Cuando la causa es la floculación parcial del pigmento o una superficie que sigue adsorbiendo espesante, un dispersante mejor acoplado a la dosis correcta elimina la fuente de la inestabilidad. Los modificadores reológicos por sí solos usualmente no pueden corregirla.

Fuentes

• Composiciones espesadas y método para espesar composiciones de polímero acuoso (EP2166044)
• Buenas prácticas para seleccionar aditivos reológicos en pinturas de látex, PCI Magazine
• Investigación del flujo por cizalla y el comportamiento tixotrópico de pinturas y recubrimientos, Thermo Fisher
• Aditivos y reología de pinturas y recubrimientos, American Coatings Association
• Celulosa microfibrilada, American Coatings Association
• Espesantes de arcilla filosilicatada para pinturas de látex, PCI Magazine
• Cómo formular pinturas y recubrimientos para estabilidad al almacenamiento, SpecialChem
• Programa de formación sobre pinturas y recubrimientos ambientales, US EPA
• Optimización del tiempo abierto, PCI Magazine
• Composiciones de marcado de tráfico que contienen aminas polifuncionales, patente de EE. UU. 10450475
• ASTM D2196, propiedades reológicas de materiales no newtonianos por viscosímetro rotacional