Colores y pigmentos: pequeñas dosis, grandes efectos

Colores y pigmentos: pequeñas dosis, grandes efectos

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El color en el plástico ha sido un elemento esencial para los moldeadores de artículos plásticos y sus clientes a la hora de buscar que sus productos sean diferenciados en el mercado, dando herramientas a los diseñadores de producto y de mercadeo en la consecución de artículos plásticos con características de apariencia y diseño según los requerimientos del consumidor final.

Las sustancias que dan color al plástico se vienen usando en productos casi desde la incursión de los polímeros en la industria. Estas materias primas que dan color se dividen entre colorantes y pigmentos orgánicos e inorgánicos, y han evolucionado según las exigencias de resistencia térmica, resistencia a la intemperie, migración y toxicidad para cumplir con los requerimientos del artículo.

Estos materiales pueden cambiar las propiedades con respecto a los artículos sin color, gracias a que algunas de estas sustancias tienen una marcada interferencia en la reología, en la cristalización de termoplásticos semi-cristalinos y en las condiciones de proceso, entre otros efectos. También pueden afectarse dichas propiedades si el artículo es moldeado con concentrados de color con vehículos o “carriers” diferentes a la resina transformada. Estos efectos serán ampliados a continuación.

Caracterización de colorantes y de los pigmentos orgánicos e inorgánicos

Dentro de las materias primas que dan color a los plásticos están los pigmentos y los colorantes. Es común no diferenciarlos y nombrarlos en conjunto como “sustancias colorantes”. Las diferencias fundamentales están dadas en el tamaño de partícula y la solubilidad: los pigmentos pueden ser insolubles o parcialmente solubles y de tamaño de partícula mayor.

En muchos casos, un colorante puede actuar como pigmento para un determinado polímero y como colorante para otro. Esto se debe a que la solubilidad depende directamente de la interacción existente entre las moléculas del colorante y el polímero.

En la aplicación, los colorantes y los pigmentos tienen ventajas y desventajas. Los colorantes no son abrasivos, muestran una capacidad de absorción luminosa y permiten que polímeros transparentes no pierdan esta propiedad. Pero esta misma solubilidad confiere a los colorantes la capacidad de migrar a la superficie del material, causando manchas en el producto o herramental (“plateout”). Pueden llegar a sublimarse y manifestar algún grado de toxicidad.

El precio de los colorantes, normalmente, es mucho más alto que el de los pigmentos. Los pigmentos migran muy poco, no se subliman, son más económicos y tienen baja toxicidad, pero son, por lo regular, un poco abrasivos, difíciles de dispersar y afectan negativamente la apariencia translúcida.

Los pigmentos pueden clasificarse, como se mencionó anteriormente, en orgánicos e inorgánicos. Para que un compuesto orgánico tenga color es preciso que su estructura química posibilite la resonancia electrónica, siendo capaz de absorber radiaciones electromagnéticas en la región del espectro visible. Para que un compuesto orgánico colorido sea usado en polímeros debe presentar características como estabilidad térmica, química, mecánica, de baja migración, entre otros. En resumen debe cumplir con los requerimientos tanto de uso del artículo como de procesamiento del polímero.

Dos estructuras básicas definen los principales grupos de pigmentos orgánicos: los de tipo Azo y los poli-cíclicos. Aunque tienen mucha más gama de tonalidades, los pigmentos orgánicos se restringen en el uso de resinas de ingeniería por sus bajas resistencias térmicas. Aun así, los fabricantes de este tipo de pigmentos vienen trabajando para ofrecer alternativas que cumplan compatibilidad y resistencia térmica para resinas de altas especificaciones.

Por otro lado, los pigmentos inorgánicos poseen una aplicación mucho más extensa y frecuentemente están combinados con los orgánicos. Estos pigmentos tienen un poder más alto de opacidad que los orgánicos, mayor estabilidad térmica, menor poder tintóreo, mayor tamaño de partícula, son más fáciles de dispersar y suelen ser de toxicidad controlada. Las características reológicas del polímero se ven poco afectadas por un pigmento inorgánico, lo cual constituye una ventaja frente a la mayoría de los pigmentos orgánicos. Bajo las mismas condiciones de procesamiento, los pigmentos orgánicos pueden llegar a interferir en el proceso de cristalización de los materiales semi-cristalinos. Una desventaja de los pigmentos inorgánicos es que en la gama de tonalidades es más limitada que la de los orgánicos.

Los pigmentos inorgánicos son representados principalmente por complejos de metales de transición. Pese a esto, son capaces de formar sustancias coloridas y todas pueden usarse como materias que dan color. Se pueden citar algunos como compuestos que contienen molibdeno, cadmio, cromo, cobalto, hierro y níquel.

Cómo se afecta el proceso de cristalización

Los plásticos semi-cristalinos, como el PE o el PP, tienen una estructura microscópica parcialmente cristalina. El proceso de formación de cristales se da con el “nacimiento” de núcleos; estos “nacen” en una discontinuidad de la densidad del fundido, que puede presentarse por la existencia previa de un cristal (memoria) o por una impureza en la masa fundida. Luego las cadenas empiezan a plegarse para formar lo que se conoce como lamela y posteriormente, alrededor del núcleo, ocurre la formación del cristal llamado esferulita.

Algunos pigmentos orgánicos, por su tamaño de partícula, pueden llegar a interferir en el normal crecimiento, velocidad y morfología de los cristales. Esto debido a que actúan como nucleantes de forma no controlada. En contraposición, existen aditivos nucleantes, donde el proceso de nucleación sí se presenta en forma controlada.

La figura 1 ilustra el efecto de nucleación de un pigmento orgánico. En la primera imagen (a) de la figura 1 se observa cómo cristaliza el PP virgen a 132°C y 180 s. En la figura (b) se observa la misma resina, en las mismas condiciones de tiempo y temperatura, pero con un azul inorgánico. En la mezcla de PP con una ftalocianina (c), azul orgánico, se ve cómo los cristales se forman rápidamente, a 140°C y en un menor tiempo. Este cambio en la morfología del cristal del PP con un pigmento orgánico obedece a la gran densidad de núcleos provenientes de la partícula tan pequeña del pigmento.

Este efecto alterará algunas condiciones de procesamiento, debido a que se mueve la temperatura de cristalización y a que se puede lograr el grado de cristalización de la resina mucho más rápido que en un artículo moldeado sin color o con otra formulación. Al artículo final pueden ocurrirle varios fenómenos por esta incidencia en la cristalización, como son la contracción excesiva, problemas en el desmoldeo, alabeo o inestabilidad dimensional. Pigmentos orgánicos como las ftalocianinas, los azo-condensación, la dioxacina, entre otros, tienen una gran influencia en la contracción y alabeo de artículos moldeados. Se puede incluir en este paquete a los pigmentos fluorescentes, que aunque son colorantes inmersos en un vehículo, por lo general de poliamida, también generan problemas de contracción y alabeo en piezas moldeadas.

Efecto en el procesamiento

Los pigmentos tanto orgánicos como inorgánicos tienen una incidencia en el cambio de la capacidad calorífica de la mezcla. En la figura 2 se muestra la medida del CP (calor específico a presión constante) de tres materiales: polipropileno virgen, polipropileno con presencia de un azul inorgánico (aluminosilicato de sodio polisulfurado) conocido como “azul ultramar” y otra con un azul ftalocianina tipo alfa. El CP se midió en un DSC con un enfriamiento de 240°C a 30°, con una velocidad de 20°C. El calor latente resultante para cada material se presenta en la tabla 2.

Se observa cómo la mezcla de la resina PP con el pigmento orgánico Ftalocianina tiene un considerable incremento en su calor latente de cristalización. Esto conlleva a un cambio en las condiciones de procesamiento y afecta condiciones como el perfil de temperatura, el ciclo de inyección y la contrapresión. Estos parámetros tendrán que ser ajustados dependiendo de la formulación de color que se esté empleando. Se puede pensar que hasta el sistema de enfriamiento se debería plantear según la formulación de color, así como el tiempo de enfriamiento y la temperatura del molde.

Hay un efecto importante en el comportamiento reológico de la masa fundida y de sus componentes, pues los cambios en la cristalización también inducen una modificación en la resistencia del material a fluir. En el caso de coloración con masterbatch, es recomendable validar las viscosidades tanto de éste como de la resina a transformar. Ya Grace o Weber habían realizado experimentos en la mezcla de diferentes materiales con variaciones en sus viscosidades y a diferentes flujos, tanto en esfuerzo de cizalla como bajo esfuerzos elongacionales. Sus investigaciones determinaron en qué relaciones de viscosidades se puede obtener dispersión y en cuales no se lograría, y este resultado se plasmó en el famoso “Diagrama de Grace o Weber”.

Lo ideal sería tener las curvas reológicas tanto del masterbatch como de la resina y a las velocidades de cizalla que se someterá la masa fundida y su temperatura. Esto con el fin de determinar los efectos reológicos y evitar problemas, como las vetas en los artículos transformados.

Para lograr una mejor homogeneidad de la masa fundida a veces se debe incrementar la velocidad de cizalla. Esto conllevaría también a un cambio en la cristalización de la resina y por tanto a todos los efectos que se tendrían por este cambio.

En el caso de piezas fabricadas con color en PET el concentrado de color debe ser con vehículo PET, si se pigmenta con masterbatch. Es un poco más complejo el manejo ya que esta resina se ve afectada por la presencia de pigmentos o colorantes con carácter básico, que hacen que la resina pierda viscosidad intrínseca por la hidrolización. En este caso se afectan las propiedades del artículo, tanto las mecánicas como las organolépticas, por el desprendimiento de acetaldehído. También se ven afectadas las condiciones de proceso, ya que en algunos casos se puede promover la cristalización de la resina conllevando a problemas en el soplado de envases, por ejemplo. Esta hidrolización del PET puede también ser promovida por moléculas de agua adsorbidas por los pigmentos y que se liberan durante el procesamiento; o la posible humedad residual en el masterbatch también puede generar esta dificultad.

En general, a la hora de pensar en el diseño de un producto, de un molde y de procesar el artículo, es importante tener presente la formulación de color que será necesario utilizar, ya que puede llegar a tener influencia en las características del artículo, en su uso y en el proceso de moldeo.

Articulo proveniente de la revista impresa con el código: Tp3005-colorantes.

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