Tecnología convencional para dispersiones blancas acuosas
Escrito por: Dra. Cathy Cooper, Gerente Técnica
Introducción
El dióxido de titanio es uno de los pigmentos más utilizados a nivel mundial, con millones de toneladas consumidas anualmente en diversas aplicaciones de recubrimientos. Su excepcional índice de refracción y su capacidad para dispersar la luz lo hacen particularmente eficaz para lograr los altos niveles de opacidad y brillo requeridos en los recubrimientos modernos. A medida que los formuladores priorizan cada vez más las tecnologías de base acuosa para cumplir con las normas ambientales cada vez más estrictas, lograr una dispersión de TiO₂ consistente y estable en sistemas acuosos se ha convertido en un desafío técnico crucial. Si bien los fabricantes de pigmentos aplican diversos tratamientos superficiales para mejorar su manipulación, estos por sí solos no garantizan el grado de separación y la estabilidad a largo plazo necesarios para un rendimiento óptimo. Esto otorga una importancia significativa a la tecnología de dispersantes seleccionada para controlar las interacciones entre partículas y mantener la distribución deseada del tamaño de partícula fina.
En respuesta a estos desafíos, Lankem ha continuado desarrollando una amplia gama de dispersantes de alto rendimiento basados en química convencional que proporcionan una estabilización de pigmentos fiable y robusta. Entre ellos se encuentran Lansperse SPA y Lansperse DS80 ; dos productos consolidados diseñados para promover una humectación eficaz, la defloculación y la estabilidad a largo plazo de pigmentos inorgánicos en formulaciones acuosas. Lansperse SPA es un dispersante a base de poliacrilato de sodio diseñado para proporcionar una fuerte estabilización electrostática. Lansperse DS80 es un agente dispersante aniónico patentado que combina una humectación eficaz con mecanismos complementarios de estabilización estérica y electrostática para ofrecer una protección eficaz contra la floculación de pigmentos.
Este informe presenta los resultados de nuestros estudios de laboratorio más recientes, en los que se evaluaron Lansperse SPA y Lansperse DS80 frente a un estándar de mercado de poliacrilato de sodio en pruebas de dispersión controlada de dióxido de titanio. Mediante el análisis de parámetros como la viscosidad y el desarrollo del tamaño de partícula, estas pruebas buscan ofrecer una comparación clara y objetiva del rendimiento.
Figura 1: Representación estructural y detalles de los agentes dispersantes probados.
Experimental
Las premezclas se prepararon con un homogeneizador Silverson a 1000 rpm, añadiendo los ingredientes según se especifica en la Tabla 1. Todos los componentes líquidos se mezclaron primero antes de añadir el pigmento durante 10 minutos. Una vez añadido todo el pigmento, se realizó una homogeneización adicional a 4000 rpm durante 15 minutos.
Tabla 1: Formulaciones acuosas de dióxido de titanio y una gama de dispersantes con una carga de pigmento del 65 % p/p y una carga de dispersante del 1 % p/p de principios activos en relación con el pigmento.
Componente | Porcentaje (según lo suministrado) | ||
Estándar de mercado | 1,62 | --- | --- |
Lansperse DS80 | --- | 0,81 | --- |
Spa de Lansperse | --- | --- | 1.55 |
Dfoam AR2 | 0,10 | 0,10 | 0,10 |
Biocida | 0,10 | 0,10 | 0,10 |
Kemectant EB3 | 2.00 | 2.00 | 2.00 |
Tioxide® TR92 | 65.00 | 65.00 | 65.00 |
agua desionizada | Al 100% | Al 100% | Al 100% |
La viscosidad de las dispersiones resultantes se midió con un instrumento Haake Roto-Visco 1 en un rango de velocidad de cizallamiento de 5 a 100 s⁻¹. El tamaño de partícula se midió con un Malvern Instruments Mastersizer, obteniéndose valores de Dx(10), Dx(50) y Dx(90) en µm. La estabilidad de almacenamiento se evaluó colocando las dispersiones en un horno a 50 °C durante una semana y volviendo a medir la viscosidad y el tamaño de partícula tras el equilibrio a temperatura ambiente.
Resultados y discusión
La figura 2 muestra la viscosidad inicial de las tres dispersiones en función de la velocidad de cizallamiento. Ambos dispersantes de poliacrilato de sodio mostraron un comportamiento tixotrópico, con una disminución de la viscosidad al aumentar la velocidad de cizallamiento. Este efecto fue más sutil en el caso de Lansperse DS80 , debido a la combinación de la repulsión electrostática y estérica, que mejora la separación entre partículas y protege contra la floculación débil a bajas velocidades de cizallamiento.
El tamaño inicial de partícula se muestra en la Figura 3. Aunque Dx(10) y Dx(50) son bastante similares para las tres muestras, las diferencias en Dx(90) resaltan la calidad de la dispersión. Cuando se utilizó el poliacrilato de sodio estándar del mercado, el Dx(90) fue de 166 µm, lo que indica la presencia de grandes agregados no dispersos dentro de la muestra. La variante de Lankem de la misma química ofreció un rendimiento mejorado, con un Dx(90) de 8,29 µm para Lansperse SPA . Sin embargo, el dispersante aniónico patentado Lansperse DS80 tuvo un Dx(90) significativamente menor de 1,45 µm, lo que indica una distribución más uniforme de los tamaños de partícula del pigmento.
Figura 2: Viscosidad inicial en base de molienda en función de la velocidad de cizallamiento aplicada para dispersiones acuosas de dióxido de titanio preparadas con tres agentes dispersantes sintéticos.
Figura 3: Tamaño inicial de partícula de las tres dispersiones de dióxido de titanio. Si bien Dx(50) es similar, el Dx(90) del producto estándar del mercado es significativamente mayor que el de las dispersiones de Lankem.
En la Figura 4 se muestran los datos de estabilidad durante el almacenamiento. A la izquierda, se compara la viscosidad inicial a una velocidad de cizallamiento de 10 s⁻¹ con la viscosidad tras el almacenamiento a una temperatura elevada de 50 °C. Lansperse DS80 presenta la menor viscosidad durante el almacenamiento y la menor variación respecto al valor inicial. La marcada caída observada en el estándar comercial indica que el pigmento de dióxido de titanio, de alta densidad, se deposita en el fondo de la muestra por efecto de la gravedad.
Este efecto también se observa en el cambio significativo del tamaño de partícula Dx(90). Para el dispersante estándar del mercado, el tamaño de partícula inicial era alto, pero durante el almacenamiento el pigmento floculado se ha asentado y, en la medición a los 7 días, el Dx(90) es comparable al de las demás dispersiones. Lansperse DS80 proporciona la dispersión más estable, sin cambios significativos en el tamaño de partícula entre las mediciones iniciales y las de almacenamiento.
Figura 4: Comportamiento de almacenamiento de las dispersiones; a la izquierda se muestra la viscosidad a una velocidad de cizallamiento de 10 s⁻¹ inmediatamente después de la molienda y tras el almacenamiento a 50 °C durante 7 días. El gráfico de la derecha muestra la variación del tamaño de partícula Dx(90) a lo largo del tiempo.
Conclusión
Este estudio demuestra que la selección del dispersante influye significativamente tanto en la calidad inicial de la dispersión como en la estabilidad de almacenamiento de los sistemas acuosos de dióxido de titanio con alto contenido de sólidos. Si bien los tres dispersantes evaluados pudieron producir dispersiones utilizables en condiciones de procesamiento idénticas, se observaron diferencias claras y medibles en el comportamiento de la viscosidad, la distribución del tamaño de partícula y la resistencia a la sedimentación del pigmento durante el almacenamiento a temperaturas elevadas.
En comparación con un poliacrilato de sodio estándar del mercado, Lansperse SPA ofrece un claro avance en la calidad de la dispersión, proporcionando un mejor control de las poblaciones de partículas gruesas, a la vez que mantiene la flexibilidad de manejo y formulación característica de los sistemas basados en poliacrilato. Para los formuladores que buscan un rendimiento superior sin abandonar la tecnología establecida, Lansperse SPA se convierte en una opción fiable y práctica para dispersiones acuosas de dióxido de titanio. Cuando se requiere la máxima eficiencia y estabilidad de la dispersión, Lansperse DS80 ofrece el nivel más alto de rendimiento, combinando una fuerte humectación con una estabilización estérica y electrostática complementaria para lograr distribuciones de tamaño de partícula finas, menor viscosidad a baja cizalladura y excelente estabilidad de almacenamiento. En conjunto, estos resultados destacan cómo un enfoque personalizado para la selección del dispersante permite a los formuladores equilibrar el rendimiento, la robustez y los objetivos de formulación en sistemas acuosos blancos.
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