Curado ultrarápido por radiación UV

La luz induce a la polimerización de monómeros multifuncionales; es lo que conocemos como ‘Curado por luz UV’ y está reconocido como el sistema más efectivo para transformar muy rápidamente y a temperatura ambiente una resina líquida libre de solvente, en un producto polimérico altamente resistente. Bajo intensa iluminación, la reacción de entrecruzamiento puede realizarse a temperatura ambiente, generando una densa red tridimensional en el polímero, lo que se traduce en un excelente comportamiento a disolventes orgánicos, químicos y temperatura.

Debido a sus notables ventajas tanto en lo referente al proceso de fabricación como al producto en sí, esta limpia tecnología ha encontrado una amplia aplicación, por ejemplo en el rápido secado de tintas y barnices, así como en la utilización inmediata de adhesivos y materiales compuestos.

Las propiedades viscoelásticas y mecánicas de los polímeros curados por UV, pueden ser controladas con precisión a través de la estructura química y la funcionalidad del monómero utilizado, así como de las condiciones de curado, dependiendo de la aplicación considerada.

En la fabricación de materiales compuestos curados por radiación UV, es esencial utilizar como carga, un material que sea transparente a la radiación UV, como el cuarzo, fibra de vidrio o escamas de silicato, al objeto de conseguir un curado profundo en piezas de pocos centímetros de espesor.

Las aplicaciones más importantes para el curado por UV han sido fundamentalmente las artes gráficas y la industria de barnices y lacas. Esto se debe a la enorme rapidez en el secado, lo que juega a favor de la normativa cada vez más exigente de protección del medio ambiente.

Las resinas de curado por UV se utilizan cada vez más, en la rápida consolidación de adhesivos, sellantes y desmoldeantes; y por supuesto, en la fabricación de composites de curado a temperatura ambiente.

El curado por radiación UV consiste básicamente en fotoiniciar la polimerización de monómeros y polímeros multifuncionales, los cuales se convierten en pocos segundos en una estructura tridimensional.

El cambio de fase líquido-sólido puede seguirse por el método convencional a tiempo real por espectroscopia infrarroja (RTIR), una técnica que relaciona directamente por medio de curvas y en milisegundos, la conversión respecto al tiempo, en recubrimientos expuestos a radiación visible o UV.

La influencia de factores químicos y físicos en la cinética de polimerización, ha sido hasta ahora cuantificada tanto para una amplia gama de resinas endurecibles por UV como de monómeros. La reticulación polimérica con sus diferentes estructuras, así como sus respectivas propiedades, se han obtenido bien sea por radiación UV de radicales, o por cationes o formulaciones híbridas conteniendo más de un tipo de monómero.

El endurecimiento de recubrimientos orgánicos por medio de luz se consigue generalmente por una reacción de polimerización con mecanismo de radicales (por ejemplo resinas acrílicas) o por un mecanismo catiónico (resinas epoxy). En el caso de que tengamos zonas poco iluminadas, se han desarrollado curados de doble acción, es decir, curados por UV y curado térmico.

Una formulación típica de una resina de curado por UV consiste en un fotoiniciador, un prepolímero funcionalizado que constituirá el esqueleto tridimensional del polímero y un monómero utilizado como reactivo diluyente, al mismo tiempo que ajustador de la viscosidad. Los sistemas de doble curado contienen algunas funcionalidades adicionales, generalmente isocianatos y grupos hidroxilos al objeto de conseguir un efectivo entrecruzamiento en zonas oscuras por medio del calor.

El fotoiniciador juega un papel clave, controlando por una parte el grado de iniciación de la reacción así como la penetración de la luz incidente y por consiguiente, la profundidad de curado. El grado de polimerización dependerá de la reactividad del grupo funcional, de la viscosidad de la resina y naturalmente de la intensidad de la radiación UV.

Los fotoiniciadores del tipo radical, consisten en cetonas aromáticas que generan radicales libres al exponerse a la luz ultravioleta, bien por apertura de los dobles enlaces C – C o por sustracción del hidrógeno de la molécula donante del mismo. Ambos, el benzoilo y el radical alkilo, inician la polimerización por adición al doble enlace del monómero. Para ser eficiente, un fotoiniciador deberá absorber la radiación de luz emitida por la fuente, generalmente una lámpara de mercurio de media presión y generar radicales con alto rendimiento.

Las resinas de acrilato se usan generalmente en curados de barnices debido a su gran reactividad y a una amplia elección de monómeros y prepolímeros.

Las propiedades finales de un recubrimiento curado por UV dependen primeramente de la estructura química del prepolímero, del grado de curado y de la densidad de reticulación. Mientras actúa la luz, cambia la fase de líquido a sólido, la viscosidad incrementa rápidamente y hace que la polimerización se ralentice hasta llegar a pararse cuando ocurre la solidificación o endurecimiento. Un curado más completo pero más lento se conseguirá usando monoacrilatos como diluyente reactivo en vez de di ó triacrilatos, a causa del aumento de la movilidad molecular en el blando polímero producido.

Quizás sea exclusiva de las reacciones por curado UV, la gran rapidez, cuestión de segundos, en la que una resina líquida pasa a ser un polímero sólido. Esta tecnología de curado por UV, que ha sido profundamente investigada en la última década, ha encontrado multitud de aplicaciones, como son el secado rápido de barnices, adhesivos, imprenta y composites. Para el químico especialista en polímeros, el seguimiento y control a tiempo real de estas ultrarrápidas reacciones ha sido todo un reto.

Realmente, las técnicas analíticas comúnmente utilizadas para estudiar las reacciones de polimerización, como la calorimetría o dilatometría, presentan una respuesta en el tiempo demasiado lenta para poder seguir la cinética de la reacción. Más aún, con esas técnicas lo que registramos son los efectos físicos causados por la fotopolimerización de la reacción, como son el calor desprendido, cambios en el volumen o índice de refracción. Este no es el caso de la espectroscopia infrarroja (RTIR) a tiempo real, una técnica que nos permite seguir la desaparición del monómero reactivo al ser expuesto a la luz UV. Con esta técnica, las curvas que muestran el avance de la polimerización en el tiempo, pueden registrarse en fracciones de segundo.

La tecnología del curado por radiación UV utilizada en la iniciación de la reticulación polimérica de los monómeros multifuncionales, presenta numerosas ventajas, en particular en la síntesis de composites y nanocomposites:

- Formulación libre de solventes, por tanto, no emisión de componentes volátiles orgánicos.

- Control preciso del tiempo de crecimiento que asegura la perfecta interpenetración de la resina dentro de las capas de arcilla mineral.

- Operatividad a temperatura ambiente en presencia de aire.

- Control preciso del comienzo de la polimerización, simplemente conectando la luz.

- Curado ultrarrápido utilizando resinas acrilato altamente reactivas y fotoiniciadores adecuados.

- Control preciso del desarrollo de la polimerización, controlando simplemente la intensidad de la luz.

- Amplia variación de las propiedades mecánicas, desde composites blandos y flexibles hasta vidrios orgánicos duros, eligiendo el adecuado prepolímero.

- Obtención de polímeros curados muy resistentes al calor y a los agentes químicos, consecuencia del elevado índice de entrecruzamiento.

Los materiales de fibra de vidrio y resina epoxy, han sido producidos a temperatura ambiente por fotoiniciadores catiónicos de un diepòxido, consiguiéndose un completo curado de la resina tras cinco minutos de exposición a la luz y un ligero calentamiento. Este total curado del material hace que se logre una gran dureza, excelente resistencia a los productos químicos y al calor, así como a agresiones mecánicas. Esto supone aumentar sus aplicaciones, debido a las notables ventajas que supone el empleo de curado por luz UV: alta velocidad, bajo consumo de energía y cero emisiones de volátiles.

Basados en los actuales y previsibles desarrollos, puede esperarse que esta tecnología, respetuosa con el medio ambiente, tenga una rápida expansión, en muy amplios sectores industriales de la fabricación de composites.