Aditivos y colorantes más versátiles y ecológicos

Los colorantes inorgánicos más estables

La tendencia de los fabricantes a excluir de sus formulaciones a los metales pesados ha modificado los tipos utilizables de colorantes y pigmentos, que han sido sustituidos en parte por productos modificados o totalmente nuevos, que amplían en gran medida las aplicaciones anteriores. En este artículo se señalan las principales aportaciones de la industria en este campo en los sos últimos años

En los números 28 y 30 de Plásticos Universales se ofrecieron extensos informes sobre aditivos y colorantes, respectivamente. Pese a los más de dos años transcurridos, las novedades en este campo se han producido más en las empresas fabricantes que en los propios materiales, puesto que son necesarios controles extraordinariamente largos y estrictos para que puedan considerarse sin riesgo para su uso.

Con una excepción, la tendencia a excluir de sus formulaciones a los metales pesados ha modificado los tipos utilizables de colorantes y pigmentos, que han sido substituídos en parte por productos modificados o totalmente nuevos. Las líneas que siguen representan un resumen de las principales aportaciones de la industria en este campo desde la fecha de aquellos informes.

Alternativa a los productos tóxicos

Los pigmentos de vanadato de bismuto son pigmentos brillantes en el campo del amarillo verdoso. Se habían utilizado en pintura debido a los cambios de color asociados con su presencia en los plásticos. Los nuevos tipos basados en BiVO₄son estables al calor y adecuados para la pigmentación de plásticos, están recubiertos con capas múltiples de óxidos de boro, aluminio, silicio y cinc densos y de aspecto cristalino.

Estos pigmentos constituyen una alternativa válida y no tóxica a productos que contengan plomo o cadmio. El riesgo de inhalación cuando están en polvo es bajo, debido a que presentan densidades de 4-5 g/cm. Resisten temperaturas de 280-300 C en el procesado de PA o hasta 280 C en poliaolefinas o ABS y exhiben muy buena resistencia a la luz y a la intemperie para aplicaciones en el exterior.


Figura 1 Las exigencias para la eliminación de los metales pesados en los plásticos coloreados en contacto con productos alimentarios han obligado a modificar aquellos colorantes y a crear otros nuevos que cunplan con los requisitos de la actual reglamentación

Desde el punto de vista ecológico, los pigmentos de vanadato de bismuto contienen un promedio del 40-50% de bismuto y 10-12% de vanadio como componentes primarios; en todo el mundo se producen unas 5.000 T/año de bismuto como subproducto de la elaboración del cobre y del plomo y no se han registrado efectos tóxicos., probablemente por su baja solubilidad en el agua, que lo aproxima al hierro como el menos tóxico de los metales pesados. El vanadio o tungsteno se usa aquí en su forma tetraóxido; en forma de pentóxido puede ser irritante por inhalación. Es un subproducto de la fusión de cobre, cinc, plomo y hierro y es un componente vital (en trazas) en el hombre, por lo que muestra sólo efectos ligeros a elevadas concentraciones.

Estabilización de pigmentos inorgánicos

El área donde se han experimentado progresos en los últimos años es la de la estabilización de los colorantes inorgánicos, que en algunos casos deben resistir temperaturas de moldeo de hasta 380 C (por ejemplo, con PPS), no deben ser en absoluto reactivos con las resinas o aditivos empleados en los plásticos, deben resistir al fenómeno de la migración y poseer una alta resistencia a la luz y a la intemperie para que puedan usarse en aplicaciones al exterior.

Pese a que en general tienen buena retención de color, los pigmentos inorgánicos han tenido una aplicación limitada debido a su pobreza de características frente a las anteriormente citadas. Además, su descomposición foto-catalítica podía llevar a cambios en coloración y mecánicos en el plástico inaceptables. Este era el caso, por ejemplo, de los vanadatos antes mencionados, que ha llevado al desarrollo del post-tratamiento con óxidos metálicos, que puede aplicarse a otros pigmentos.

El método basado en el encapsulado del pìgmento inorgánico en óxidos metálicos inertes es aplicable de modo casi universal. Se obtiene en fase húmeda mediante una lenta precipitación de óxiodos metálicos del tercer y cuarto grupo del sistema periódico, especialmente boro, aluminio y ssilicio. El caracter amorfo de la superficie y la estructura multicapa de la "cáscara" formada le confieren una estabilidad mucho mayor que los recubrimientos monocapa.

La calidad del recubrimiento resulta determinada por los parámetros de la aplicación, por lo que puede influenciarse tanto la estructura como el espesor de la multicapa. Eventualmente podrían producirse tensiones mecánicas elevadas durante el tratamiento en extrusora que produjeran fracturas de la cáscara, que puede protegerse mediante aditivos organo-metálicos que no sólo mejoran la estabilidad mecánica sino también la adhesión al sustrato.

Al existir una masa incolora del 10 al 15% en peso, se hace necesario aumentar la cantidad de pigmento para obtener la coloración deseada, pero el material encapsulante hace innecesaria la adición de dióxido de titanio para aumentar el brillo, dado que su índice de refracción del 1,45 al 1,6 es similar al del polímero y es, por tanto, transparente.

Pigmentos térmicamente lábiles

El óxido amarillo de hierro (FeOOH) tiene un alcance limitado como pigmento debido a su estabilidad térmica inadecuada. A temperaturas de 180 a 200 C, según la geometría en forma de aguja, el complejo sufre una descomposición irreversible acompañada por una liberación de agua. En términos termodinámicos el óxido amarillo de hierro debe alcanzar una presión de descomposición correspondiente a la del entorno del pigmento, que se presenta a la temperatura citada.

El encapsulado de las particulas con un cáscara de óxidos inertes tiene un efecto similar al de un autoclave; es decir, que aumenta la presión en la capa de frontera, contrarrestando la presión de descomposición que sólo se alcanza aumentando la temperatura.


Figura 2 Los elementos de los equipos eléctricos, que se colorean para una identificación inequívoca, deben incorporar aditivos y colorantes específicos para estas aplicaciones, entre las que destacan los aditivos dedicados a obtener el efecto de pantalla electrónica

De modo algo inferior a los vanadatos, el óxido amarillo de hierro estabilizado soporta temperaturas 20 C más elevadas sin descomponerse. Esta diferencia con los vanadatos puede atribuirse a que su extructura en agujas tiende a romperse fácilmente bajo solicitación mecánica. Unas vez contrarrestado el efecto del recubrimiento, se pierde la protección del mismo de manera irreversible.

Pigmentos con potencial catalítico

Los elementos constitutivos del pigmento limitan a menudo el alcance de su uso. Los elementos de las primeras series de transición (titanio, vanadio, cromo, manganeso, hierro, cobalto, níquel y cobre) tienen a menudo un potencial catalítico considerable que les capacita para cambiar las propiedades originales del polímero.

Los pigmentos que contienen hierro o cobalto, las ferritas, pueden usarse para colorear, por ejemplo, PVC en tanto que dure el efecto de los estabilizantes. Una vez se han consumido por fenómenos como la exposición a los UV, el polímero libera ácido clorhídrico que reacciona con iones de hierro de las ferritas que pueden acelerar catalíticamente la descomposición del PVC, con lo que el material ennegrece.

En las resinas UP la presencia de cobalto tiende a acelerar la reacción, pero la presencia de iones hierro puede retardarla. Este fenómeno se presenta también con el negro espinela, el pardo de cromo hierro, el azul cobalto y el verde cobalto. Puede esperarse que los pigmentos encapsulados contengan muchos menos iones metal libres; este extremo puede confirmarse sin necesidad de recurrir a largos ensayos de envejecimiento, simplemente situándolos en una csolución caliente de 0,1 M ClH y determinando la concentración de iones metal disueltos mediante espectrometría de absorción atómica.

Como resumen, los grados de pigmento tratados exhiben características mejoradas de resistencia al calor, fijeza de color, resistencia química, al agua y a la luz y al propio sistema polimérico a colorear, al que tampoco influyen catalíticamente.

Con ello se aumenta el campo de aplicación de una variedad de pigmentos y, como único inconveniente, el déficit en fuerza tintórea puede compensarse con un correspondiente incremento de la concentración de pigmento.