Additivi cerosi esenti da PTFE per superfici prive di scalfitture

Philipp Teriete, Brigitte Weber – BYK

Il politetrafluoroetilene (PTFE) è una sostanza che dà una risposta tipica nelle applicazioni di rivestimenti. è utilizzato in tutte le tipologie di rivestimenti per modificare la prestazione meccanica globale riducendo nello stesso tempo l’attrito superficiale. Se il PTFE è utilizzato come additivo per pitture e rivestimenti, esso esercita un influsso minimo sui valori di brillantezza o su altre proprietà ottiche ed è adatto ad applicazioni con contatto con i prodotti alimentari. Grazie alla superiore densità del PTFE, gli additivi di cera possono diffondersi sull’intero film di rivestimento, diversamente da un certo numero di altri additivi di cera che si orientano sulla superficie della pittura e che interagiscono soltanto nelle interfacce fra il rivestimento e l’aria (Fig. 1). Gli additivi di cera a base di PTFE sono forniti tipicamente nella forma micronizzata oppure come dispersione nei solventi organici.^(1,2)

Perché è meglio sostituire le sostanze a base di PTFE nelle applicazioni di rivestimenti?
Il politetrafluoroetilene è una variante ben nota delle sostanze perfluoroalchiliche e polifluoroalchiliche (PFAS). Questo grande gruppo di materiali chimici sintetici offre un ampio ventaglio di utilizzi nell’attuale società. Si trovano nei prodotti tessili, nei trattamenti superficiali e negli impregnanti. I PFAS sono utilizzati per l’abbigliamento protettivo dalle fiamme e nelle schiume ignifughe di alta prestazione, negli elettrodomestici d’uso quotidiano e nel confezionamento alimentare al fine di conferire la proprietà di antiaderenza. Inoltre, queste sostanze sono utilizzate in diversi materiali da costruzione e pitture per migliorare la durabilità.

Fig. 2 – Nuovi membri della famiglia di additivi di cera esenti da PTFE

Nonostante i PFAS intensifichino l’azione di diverse proprietà in questi campi di applicazione, essi presentano anche degli inconvenienti. Alcuni PFAS sono tossici per gli esseri umani e sono anche noti agenti inquinanti per l’ambiente. Sono molto resistenti e persistenti alla degradazione, un’ottima qualità per dar luogo a proprietà di lunga durata nelle applicazioni di rivestimento, ma sono anche pericolosi per l’ambiente. Gli studi hanno dimostrato che i PFAS possono contaminare le fonti idriche e il suolo. Inoltre, queste sostanze possono essere trovate nel sangue dell’uomo. I test indicano che i PFAS possono indebolire il sistema immunitario e sono associati a livelli elevati dei valori del colesterolo e a patologie del fegato.
Di conseguenza, gli enti normativi internazionali hanno iniziato a compiere ricerche sui polimeri contenenti PFAS enfatizzandone il tema per accrescere la consapevolezza sui problemi legati all’uso dei PFAS. Importanti Enti legislativi come l’Agenzia Chimica Europea, l’Agenzia per la Protezione dell’Ambiente negli Stati Uniti e il Ministero dell’Ecologia e dell’Ambiente della Repubblica Popolare Cinese hanno già emanato delle norme restrittive, divieti e direttive sull’utilizzo dei PFAS. (3-8)

I prodotti alternativi esenti da PTFE – presentazione dei nuovi prodotti di questo gruppo
Sebbene il PTFE sia una sostanza dotata di proprietà uniche, sono disponibili prodotti alternativi che sono stati sviluppati come soluzioni sostitutive degli additivi di cera tipici PE/PTFE. I nuovi additivi di cera di casa BYK offrono prestazioni comparabili con particolare riferimento al miglioramento della resistenza meccanica. Offrono una riduzione del coefficiente di attrito (COF), in base al sistema, ma sono idonei ad applicazioni che prevedono il contatto con prodotti alimentari. Questi tre nuovi prodotti alternativi sono attualmente disponibili per un’analisi comparata diretta con gli additivi di cera standard a base di PTFE (Fig. 2). Tutti e tre i prodotti vengono micronizzati con granulometria molto fine pari a D90:10µm. In questo modo si fornisce una prestazione riproducibile in molte differenti aree di applicazione. Ceraflour 1050 utilizza una base di cera PE ed è raccomandato in particolare per vernici trasparenti e per sistemi suscettibili della formazione di aloni. Ceraflour 1051 utilizza una lega PE modificata come cera di base e fornisce i risultati migliori per una vasta serie di aree di applicazione. Ceraflour 1052 utilizza anch’essa una lega PE modificata ed è consigliata per sistemi in cui è richiesto un COF ridotto.

Prestazione tecnica per nuovi prodotti del gruppo
Tutte le attività di sviluppo sono state compiute in diversi sistemi di analisi e aree applicative dove è importante la prestazione meccanica. I barattoli del cibo inscatolato e delle bevande dovrebbero proteggere il contenuto per diversi anni. Gli interni di automobili vengono rivestiti tipicamente con uno strato organico che preserva l’integrità del barattolo dagli effetti esercitati dall’alimento. D’altronde, anche le parti esterne sono rivestite per evitare che il barattolo si deteriori durante lo stoccaggio o il trasporto. Ciò significa che i rivestimenti per interni ed esterni devono soddisfare requisiti specifici relativamente alla resistenza alla scalfittura e ai valori COF. I test della resistenza alla scalfittura nell’industria produttrice di barattoli vengono eseguiti con l’ausilio del tester 705 della scalfittura meccanizzato-TQC-sheen (Fig. 3). Un pannello da test viene agganciato e spostato lentamente mentre un ago scalfisce la superficie. (9)

Fig. 3 – Scalfittura TQC-Sheen

Un metodo di test comunemente adottato per valutare i valori COF della superficie è il tester della mobilità/bagnabilità Altek 9505. Facendo passare un peso attraverso il campione, viene determinato il coefficiente di attrito (10).
I risultati ottenuti con questi due metodi di test delle nuove varianti di cere sono presentati in Figura 4. La formulazione utilizzata è una vernice trasparente a base solvente e tutti gli additivi di cera sono utilizzati con l’1% di cera solida sul totale della formulazione.
Ceraflour 999 e 996 R sono additivi di cera micronizzati a base di cera PE a modificazione PTFE e vengono utilizzati come standard del mercato a titolo di comparazione. Inoltre, nella figura si osserva un campione di rivestimento privo di additivo di cera. I risultati mostrano che tutti i prodotti possono diminuire il COF delle superfici dei rivestimenti da 0,30 (senza cera) fino a circa 0,06 in totale. I valori fra i prodotti a base di PTFE e quelli nuovi esenti da PTFE sono altamente comparabili. La stessa affermazione vale per la durezza e luminosità del rivestimento. Il campione di controllo privo dell’additivo di cera fornisce un grado prestazionale inferiore e soltanto 100 g di resistenza alla scalfittura. Utilizzando ciascun additivo di cera, è possibile aumentare la resistenza alla scalfittura fino a 900 g.

Fig. 4 – Confronto di COF e durezza superficiale di una vernice trasparente per barattoli senza uso di bisfenolo

Un’altra area di applicazione, che è particolarmente importante, è il coil coating, dove il metallo viene rivestito prima di essere plasmato nella forma desiderata. La superficie di un metallo preverniciato può essere o molto opaca o molto brillante, levigata, ad effetto buccia d’arancia oppure ad effetti speciali. Sebbene i rivestimenti organici utilizzati nel coil coating presentino uno spessore del film secco inferiore rispetto ai film applicati dopo come i rivestimenti per il settore automotive, essi offrono ugualmente una prestazione meccanica e ottica sorprendente. Ciò significa che i valori desiderati di COF e resistenza all’abrasione devono essere precisamente riproducibili, affidabili e a livelli perfettamente idonei a mantenere efficace il processo di applicazione permettendo le operazioni di taglio e di formatura di tutte le parti dopo le operazioni di verniciatura. Oltre alla eccellente prestazione meccanica, il rivestimento deve dare un grado di brillantezza costante e buon livellamento con tempi di appassimento ridotti o nulli dopo l’applicazione.(12)
Una modalità efficace per valutare la resistenza all’abrasione nei coil coating è il test Taber. Per compiere questo test, un pannello da test viene montato su una piattaforma girevole che ruota su un asse verticale ad una velocità prestabilita. Due ruote Abrasive Taber, eseguono un’azione caratteristica di strofinamento/usura a contatto con il campione di test generando una rotazione oscillante delle due ruote abrasive.(13)

Fig. 5 – Confronto fra l’abrasione Taber e la brillantezza nei coil coating poliestere/melamminici

La perdita di peso viene misurata in milligrammi dopo un certo numero di cicli di rotazione. In Figura 5 gli additivi di cera Ceraflour 996 e 999 sono standard del mercato per l’analisi comparata con il sistema coil coating a base solvente poliestere/melamminico. Tutti gli additivi di cera sono utilizzati con l’1% di cera solida sulla formulazione totale. Ciò dimostra che i nuovi additivi di cera Ceraflour 1050, 1051 e 1052 possono offrire una resistenza all’abrasione che è altamente comparabile con gli standard a base PTFE.
Un’altra area di applicazione particolarmente importante degli additivi di cera a base di PTFE è l’ampia area dei rivestimenti d’uso industriale che variano dai rivestimenti per computer o elettronica di consumo fino agli aerosol DIY e ai rivestimenti per barili ed ancora in campo agricolo, per attrezzature agricole e interni di automobili. Possono essere a base solvente, esenti da solvente o a base acquosa, ma un aspetto che questi rivestimenti hanno in comune è che devono necessariamente essere resistenti alla scalfittura e all’abrasione. Un metodo di test aggiuntivo in questa area di applicazione è il test dell’abrasione in base a Wazau SN 27650. Il dispositivo determina la resistenza all’abrasione dei rivestimenti. è idoneo a superfici esposte a sollecitazioni meccaniche minime come l’attrito sui prodotti tessili o la carta. Un nastro di carta viene tirato su una piastra rivestita ad una velocità costante. La misura della resistenza all’abrasione è la lunghezza del nastro di carta nei centimetri necessari per rendere il materiale veicolo visibile. Inoltre, è possibile stabilire un valore desiderato in centimetri, richiesto perché la carta si muova sul campione.(14)
I nuovi prodotti esenti da PTFE sono valutati in un’emulsione acrilica monocomponente con contenuto di cosolvente organico al 10% per compiere il test dell’abrasione Wazau e dell’abrasione Taber.
Ogni additivo di cera viene utilizzato con il 2% di cera solida sulla formulazione totale. Il test Taber utilizza le ruote di macinazione CS10 per 1000 cicli a 500 grammi di pressione su ogni lato mentre il test dell’abrasione Wazau viene valutato con la lunghezza massima della carta che il rivestimento può tenere. Inoltre, ogni campione viene valutato visivamente superando la lunghezza della carta di 300 cm. I risultati mostrano che tutti i nuovi prodotti esenti da PTFE offrono una buona prestazione nei test. Riducono l’abrasione Taber da 25 mg nel campione di controllo fino ad arrivare a 4 mg di perdita con i nuovi additivi di cera. I risultati possono essere comparati con entrambi gli additivi di cera standard a base di PTFE.
Il test dell’abrasione Wazau mostra che tutti i nuovi prodotti esenti da PTFE possono resistere alle sollecitazioni meccaniche esattamente come i prodotti a base di PTFE. In particolare, le figure che comprendono l’abrasione dopo una lunghezza della carta di 300 cm mostrano un danno inferiore del rivestimento e una risposta più omogenea.

Fig. 6 – Analisi comparata dell’abrasione Taber e Wazau nei rivestimenti GI a base acquosa

Dopo aver valutato dozzine di campioni in una vasta serie di aree di applicazione, sistemi di rivestimento, si è concluso che gli additivi di cera di recente produzione esenti da PTFE possono potenzialmente sostituire gli additivi di cera a base di PTFE PE/PTFE. (Fig. 6). Essi soddisfano proprietà note quali la resistenza all’abrasione e alla scalfittura senza dover utilizzare i PTFE. Essi rappresentano un’alternativa agli additivi di cera a base di PTFE senza produrre gli inconvenienti di un impatto pericoloso sulla salute dell’essere umano o sull’inquinamento dell’ambiente.
I risultati presentati sono i punti di forza selezionati da una vasta serie di test e di processi di sviluppo e offrono un quadro generale delle potenzialità di questi nuovi prodotti.

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