Modificación de pigmentos para el ajuste concreto del perfil de propiedades

Vivimos en un mundo lleno de colores. ¿Se imagina la naturaleza o una puesta de sol en blanco y negro? Una vida sin colores apenas parece imaginable. Los colores atraen la atención, son el portador de significados y provocan en el observador emociones y asociaciones. Durante miles de años se ha dependido para ello de sustancias colorantes naturales y de pigmentos de minerales (ocre, cinabrio), de plantas (índigo, madera roja) o de animales (púrpura). Según fue avanzando la comprensión de la química orgánica, se logró a lo largo del siglo XIX la producción de sustancias colorantes sintéticas. Debido a su autenticidad de coloración y a la luz sustancialmente superior, hoy en día han desplazado casi por completo a los colores naturales. Por sus opciones de variabilidad de coloración y de técnica de aplicación, los pigmentos azo forman el grupo más amplio de las sustancias de coloración orgánico-sintéticas y dominan entre los tonos de color amarillos, rojo-amarillos, rojos, rosáceos y marrones. De acuerdo con sus propiedades, el ámbito de aplicación de estos pigmentos va desde la pigmentación de todo tipo de materiales de acabado, plásticos y pinturas de imprenta hasta la coloración de alimentos y productos cosméticos.

Stefan Wannemacher, Technical Marketing Colorants
Clariant GmbH, División de Pigmentos & Aditivos

Los pigmentos azo, aquí en rojo y amarillo, forman el grupo más grande dentro de los colorantes sintéticos orgánicos.

Con el descubrimiento de la diazotación de las aminas aromáticas y su acoplamiento en aromatizantes ricos en electrones, el químico alemán Johann Peter Griess dio lugar en los años 1858-1860 a la categoría de los colorantes azo.

Todos los colorantes azo presentan la fórmula general R1 – N = N – R2, si bien los dos residuos R1 y R2 pueden ser de naturaleza diversa o idéntica. La producción de los colorantes azo se realiza mediante la diazotación de aminas aromáticas (los componentes diazo) y la subsiguiente realización del compuesto diazonio resultante con componentes de enlace adecuados.

Debido a la sencillez de la síntesis, que generalmente se produce en el agua, y la amplitud de variabilidad prácticamente ilimitada en la elección del componente diazo y de enlace, así como de los sustituyentes del componente diazo y de enlace (grupos hidroxi, alquil-amino, carboxi o nitro) es posible la representación de muchos colorantes azo diferentes.

Uno de los criterios más importantes en la valoración y selección de colorantes es su solubilidad. Como compuestos orgánicos, los colorantes azo se disuelven en muchos de los disolventes orgánicos corrientes, en parte también en entornos acuosos. Por esta razón, muchos colorantes azo de estructura simple no pudieron imponerse en el mercado. Con carácter general, la solubilidad de los colorantes se puede reducir de dos formas: Mediante el agrandamiento de la estructura de molécula o mediante la introducción de grupos inertes frente al disolvente. El primer camino nos lleva por la modificación de la estructura de la molécula. Aquí, mediante el acoplamiento a través de dos puentes azo y una molécula de puente agrandada casi se duplica el tamaño de la molécula. La segunda opción para reducir la solubilidad es la de incorporar grupos que tengan un efecto repelente frente a los disolventes. Así, por ejemplo, una fuerte mejora de la indisolubilidad se consiguió con la introducción de grupos de carbonamida o de heterociclos como la benzimidazolona. De esta forma, muchos colorantes azo fueron convertidos en pigmentos azo, que, en cuanto a la cantidad, por su indisolubilidad, tienen una importancia mucho mayor como colorantes. Pero también otras propiedades técnicas de aplicación como resistencia a la luz, a la meteorología y al calor, la fuerza de coloración, la dispersabilidad y la resistencia a la migración pueden ser influenciadas mediante la sustitución de la estructura química básica y mediante una elección inteligente del sustituyente del componente diazo y de acoplamiento.

La diversidad de plásticos que hay es prácticamente inabarcable. Para dar color al mundo del plástico necesitamos una gama de colorantes exactamente definida.

Gracias a su sobresaliente estabilidad a la temperatura y su consistencia química, los pigmentos azo son empleados preferentemente en la coloración de plásticos técnicos como el policloruro de vinilo, los copolímeros de estireno y las poliolefinas.

Para obtener los efectos de color deseados y las propiedades cualitativas del componente de plástico terminado, en la coloración del plástico hay que tener en cuenta un gran número de factores de influencia. El tono de color, la disolubilidad en el fundido de plástico, la tendencia de recristalización y la autenticidad del plastificante tienen que ser comprobados para el correspondiente plástico, pues pueden ser influenciados por aditivos y materiales de relleno así como por los parámetros de procesamiento.

Además, la fuerza de color de los pigmentos también depende en gran medida del tamaño y de la forma de la partícula y también del grado de dispersión en el medio de aplicación. Como, por regla general, las pequeñas partículas de pigmentos forman en el proceso de producción aglomerados muy estables y de difícil destrucción, que causan tonos de color diferentes en el medio de coloración, el empleo de preparados de pigmentos es recomendable para la coloración de plásticos. Se trata de premezclas en las que los pigmentos están presentes muy bien dispersados.

Uno de los ejemplos más recientes de la modificación finalista de pigmentos representa un logro del productor de pigmentos y aditivos Clariant con el pigmento Yellow 214

Por esta razón, la síntesis química es sólo el primer paso en el desarrollo de los pigmentos. El verdadero reto está en el control del tamaño de partículas, la forma y la superficie, así como en el acondicionamiento de los pigmentos, lo que exige un ingente trabajo de investigación y desarrollo. Por esta razón, los productores de pigmentos deben estar en situación de adaptar los productos, los procesos de producción y las tecnologías de aplicación y de proceso así como los correspondientes servicios cada vez más rápidamente y más decididamente a los deseos de los clientes.

Uno de los ejemplos más recientes de la modificación finalista de pigmentos representa un logro del productor de pigmentos y aditivos Clariant con el pigmento Yellow 214. Hace ya veinte años que algunos químicos sintetizaron este compuesto diazo. Sin embargo, propiedades desfavorables como un matiz marrón, su baja fuerza de color y su dispersabilidad impidieron la explotación comercial de este pigmento. Un proceso de acabado innovador genera ahora en la síntesis de PY 214 un pigmento amarillo de matiz verdoso – PV Fast Yellow H9G. Actualmente, en el mercado no hay disponible ningún pigmento amarillo comparable que presente un matiz verdoso tan intenso. Mediante el mezclado con otros pigmentos ofrece muchas posibilidades para la configuración de una amplia gama de colores. Además del tono de color brillante, este pigmento también presenta otras mejoras: Una muy buena dispersabilidad, un reducido comportamiento de demora en HDPE, buena resistencia al calor (280ºC en HDPE), insensibilidad frente a los álcalis, como p. Ej. estearatos de cinc, así como una tendencia a la migración muy baja. El pigmento optimizado alcanza un grado de pureza que es significativamente superior que el de otros pigmentos orgánicos disponibles en el mercado. De esto resulta una buena compatibilidad del cromóforo en el procesamiento. También habría que destacar que PV Fast Yellow H9G, en su segmento de color, presenta con diferencia el contenido en cloro más bajo.

Mundo de plástico rico en colores - Los pigmentos dotan a los polímeros, que por naturaleza van desde un color transparente hasta un beige opaco, del color deseado.

Instalación de producción de pigmentos de Clariant en el parque industrial Höchst, Alemania

Otros pigmentos azo, disponibles sólo desde hace poco tiempo y que también son producidos haciendo uso del nuevo proceso de acabado, son Hostaperm Yellow H5G (Pigment Yellow 213) y Hostaperm Yellow H7G (Pigment Yellow 219). También estos pigmentos convencen por su sobresaliente perfil de propiedades.

A pesar de muchos avances decisivos que hasta ahora se han alcanzado en el sector de pigmentos, los investigadores continúan a una velocidad vertiginosa la investigación y la optimización. En base a nuevos conocimientos científicos, innovaciones técnicas en la tecnología de producción y de aplicación, mayores exigencias de los consumidores, así como requisitos más duros en materia de seguridad, salud y protección del medioambiente, también en el futuro se necesitarán mejoras adicionales en el campo de las sustancias colorantes.