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A estabilização de pigmentos em sistemas de tinta base água é um processo complexo e que exige uma alta resiliência da dispersão de pigmento devido à necessidade de compatibilidade em diferentes meios. Adicionalmente, a restrição de uso de componentes devido a fatores ambientais1 e limitação do conteúdo de COV1,2 (Compostos Orgânicos Voláteis) torna a formulação de dispersões de pigmentos cada vez mais desafiadora. A seleção de um agente dispersante adequado é fundamental para assegurar o máximo desempenho em termos de estabilidade e desenvolvimento de cor, e para apoiar neste trabalho, testamos a utilização do negro de fumo.
O processo de dispersão de pigmento em água envolve (i) a umectação da superfície sólida do pigmento pela água, (ii) a separação física dos aglomerados de pigmento durante o processo de dispersão e moagem e (iii) a estabilização das partículas menores geradas, evitando-se o processo de reaglomeração.
A escolha de um agente dispersante adequado para a formulação do concentrado de pigmento deve considerar sua capacidade em reduzir a tensão superficial durante a etapa (i) de modo a facilitar a umectação do pigmento pela água, a capacidade de seu grupo afínico adsorver sobre a superfície do pigmento de maneira rápida durante a etapa (ii) afim de evitar a reaglomeração das partículas menores geradas e, por fim, a seleção de uma cadeia polimérica apropriada, afim de garantir a estabilização (impedimento estérico, repulsão eletrostática ou mecanismo eletroestérico) das partículas durante a etapa (iii), bem como proporcionar uma boa compatibilidade com o sistema que será tingido. Além da seleção do agente dispersante, é fundamental determinar a dosagem adequada de uso – cada dispersante demandará uma concentração ótima de acordo com o pigmento de interesse.
Pensando nesses fatores, a Oxiteno desenvolveu a nova linha OXITIVE® 8000, composta por agentes dispersantes para formulação de concentrados de diferentes pigmentos, com baixo ou zero conteúdo de COV. Este trabalho apresenta resultados com os produtos OXITIVE® 8201, dispersante não iônico, e OXITIVE® 8122, dispersante aniônico, para a formulação de concentrados de pigmento com negro de fumo.
Resultados e discussão sobre o negro de fumo
Foram preparados concentrados de pigmento conforme descrito na Tabela 1. O pigmento utilizado no estudo foi o negro de fumo, Monarch® 430, cedido pela CABOT. Como referência, foi incluído no estudo um produto de mercado amplamente utilizado como agente dispersante universal, descrito como “Competidor”. A dosagem de agente dispersante utilizada na formulação foi calculada considerando a concentração ótima determinada na curva de defloculação de cada dispersante bem como o teor de ativos de cada produto.
Tabela 1. Formulações dos concentrados de pigmento de negro de fumo preparados com os diferentes agentes dispersantes.
Após 24 horas do processo de preparação dos concentrados de pigmento, foi realizada avaliação dos valores de viscosidade e tamanho de partícula médio. Na sequência, foi iniciado o teste de estabilidade térmica, mantendo-se as amostras em estufa a 52°C por um período de 7 dias. Após esse período, foram realizadas novamente as avaliações de viscosidade e tamanho de partícula médio. Os resultados de avaliação são mostrados na Figura 1.
Figura 1. Avaliação de viscosidade (a) e tamanho de partícula médio (b) dos concentrados de pigmento antes e após teste de estabilidade térmica.
Pela análise da Figura 1(a) verifica-se que os concentrados de pigmento formulados com os dispersantes OXITIVE® 8201 e OXITIVE® 8122 apresentam baixos patamares de viscosidade inicial mesmo com uma concentração alta de pigmento de negro de fumo na composição, sendo ideais para formulações em que se deseja maximizar o teor de pigmento incorporado. Além disso, o patamar de viscosidade se mantém estável após teste de estabilidade térmica, indicando uma boa resistência ao processo de reaglomeração das partículas. Essa boa resistência fica evidente ao se observar a Figura 1(b), que traz os valores de tamanho de partícula médio antes e após o teste de estabilidade térmica – além dos concentrados de pigmento formulados com OXITIVE® 8201 e OXITIVE® 8122 apresentarem menores valores de tamanho de partícula inicial em relação ao Competidor em uma mesma condição de processo, fator desejado para um melhor desenvolvimento de cor, não são observadas variações significativas de tamanho de partícula médio após teste de estabilidade térmica, indicando a excelente estabilidade proporcionada por esses agentes dispersantes.
Os dispersantes que compõem a linha OXITIVE® 8000 foram desenvolvidos considerando-se fatores essenciais no desenho da molécula afim de se obter o máximo desempenho em termos de estabilidade e performance: os grupamentos afínicos presentes na estrutura dos dispersantes foram selecionados com o objetivo de maximizar a adsorção de dispersante sobre a superfície da partícula de pigmento, e, as cadeias poliméricas, foram selecionadas em termos de tamanho e inclusão de grupamentos iônicos de forma a aumentar a estabilização das partículas de pigmento em água e a compatibilidade das partículas dispersas nos sistemas de interesse para tingimento. A Figura 2 representa de forma esquemática a importância da seleção desses parâmetros.
Figura 2. Representação da importância de seleção de um tamanho de cadeia polimérica adequado para um dispersante não iônico a fim de se obter a máxima estabilização da partícula de pigmento.
Durante a fase de desenvolvimento dos produtos foram avaliados parâmetros físico-químicos como a densidade de adsorção e energia livre de adsorção por área das moléculas de dispersantes. Os resultados obtidos são mostrados na Tabela 2.
Tabela 2. Parâmetros físico-químicos dos dispersantes – densidade de adsorção (Γ), energia livre de adsorção (∆Gads) e energia livre de adsorção por área (Γ.∆Gads).
Estudos demonstram que agentes dispersantes com valores mais negativos de energia livre de adsorção tendem a adsorver melhor na superfície do pigmento e, consequentemente, melhorar as propriedades de desempenho e estabilidade do concentrado de pigmento3. Os valores de energia livre de adsorção obtidos para os dispersantes OXITIVE® 8201 e OXITIVE® 8122 indicam sua melhor interação com pigmentos hidrofóbicos, como o negro de fumo, em relação a outros dispersantes avaliados e com dados disponíveis na literatura4.
Com o objetivo de se avaliar o desempenho dos concentrados de pigmento formulados em termos de desenvolvimento de cor, foi realizado o tingimento de diferentes tintas – esmalte alquídico base solvente, tinta Premium Semibrilho, tinta Premium Fosca e tinta Standard Fosca. Para essa avaliação, os sistemas foram tingidos com 2.0% do concentrado de pigmento sobre a massa de tinta. As Figuras 3 e 4 trazem os resultados de avaliação de poder tintométrico e rub-out, respectivamente.
Figura 3. Avaliação de poder tintométrico dos concentrados de pigmentos em diferentes sistemas. Para todas as avaliações, adotou-se o concentrado de pigmento formulado com OXITIVE® 8201 como referência, correspondente ao poder tintométrico de 100.0%.
Pela avaliação da Figura 3 é possível observar que os concentrados de pigmento formulados com OXITIVE® 8201 e OXITIVE® 8122 apresentam, na grande maioria dos sistemas avaliados, valores de poder tintométrico superiores aos obtidos com o dispersante Competidor. Considerando essa avaliação e o fator de que todos os concentrados possuem o mesmo teor de pigmento da formulação, é razoável afirmar que os concentrados de pigmento formulados com os dispersantes da linha OXITIVE® 8000 podem ser dosados em uma menor concentração no sistema final, gerando economia no processo de fabricação ou tingimento da tinta.
Figura 4. Avaliação rub-out dos concentrados de pigmentos em diferentes sistemas.
Observando-se a Figura 3, que apresenta os valores de rub-out inicial, após tingimento das tintas, verifica-se que os concentrados de pigmento formulados apresentam boa compatibilidade com os diferentes sistemas avaliados. Em todos os casos, os valores de rub-out são inferiores a 1.0, e, na maioria dos casos, inferiores a 0.5, indicando a boa compatibilidade do concentrado de pigmento com o sistema. É importante ressaltar a possibilidade de uso do OXITIVE® 8201 e OXITIVE® 8122 como agentes dispersantes universais, viabilizando o tingimento tanto de sistemas base água quanto de sistemas alquídicos base solvente.
Conclusões
Os dispersantes de baixo ou zero COV da linha OXITIVE® 8000 foram desenvolvidos para maximizar a adsorção sobre as partículas de diferentes pigmentos e assegurar a estabilidade.
Os resultados apresentados ao longo do trabalho com os produtos OXITIVE® 8201 e OXITIVE® 8122 para formulação de concentrado de pigmento de negro de fumo demonstraram os benefícios em relação aos seguintes aspectos: alta incorporação de pigmento na formulação e manutenção dos patamares de viscosidade baixos; manutenção da estabilidade térmica e prevenção da reaglomeração das partículas, conforme demonstrado nas avaliações de tamanho de partícula; aumento da capacidade de desenvolvimento de cor do concentrado, demonstrado pelos resultados de poder tintométrico; e boa compatibilidade com diferentes sistemas, tanto base água quanto alquídico base solvente, propiciando o uso desses produtos como agentes dispersantes universais.
Texto escrito por: Alann Bragatto, Pesquisador de Desenvolvimento e Inovação para Coatings da Oxiteno
Referências Bibliográficas
1. GS-11-Green Seal™ Standard for Paints, Coatings, Stains and Sealers, Edição 4.0, 7 Setembro, 2021.
2. Associação Brasileira de Normas Técnicas, NBR 11702: Tintas para construção civil – Tintas, vernizes, texturas e complementos para edificações não industriais – Classificação e Requisitos, Terceira Edição, 25 Setembro, 2019.
3. S.W. Musselman, S. Chander, Adsorption of Acetylenic Diol-Based Nonionic Surfactants on Lampblack and Phthalocyanine Blue Pigment, Journal of Colloid and Interface Science, 256 (2002) 91-99
4. S.W. Musselman, S. Chander, Wetting and adsorption of acetylenic diol based nonionic surfactants on heterogeneous surfaces, Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects, 206 (2002) 497-513.
