Impacto do Tamanho de Partícula no Fosqueamento e na Durabilidade de Revestimentos

As sílicas precipitadas têm sido tradicionalmente produzidas pela reação entre silicato de sódio aquoso (vidro líquido) e ácido sulfúrico em um reator em batelada equipado com agitador mecânico. Essa forma de mistura gera regiões dentro do reator com diferentes composições químicas. Consequentemente, as partículas de sílica amorfa que precipitam variam em consistência, e o produto final apresenta uma ampla distribuição de tamanho de partículas.

Por outro lado, sílicas precipitadas esféricas podem ser produzidas por agregação controlada em um reator contínuo de loop.¹,² O ácido sulfúrico é continuamente alimentado em uma zona de reação em loop composta por um fluxo de meio reacional líquido em movimento rápido, e a mistura eficiente garante que todos os sítios de nucleação sejam expostos a ambientes químicos semelhantes, resultando em partículas muito consistentes. Além disso, tempos de residência controlados permitem obter distribuições estreitas de tamanho de partículas.

Modificações adicionais podem ser realizadas nas partículas de sílica precipitadas esféricas após sua descarga do reator de loop. Por exemplo, a redução da área superficial resulta em partículas com morfologia esférica, áreas superficiais extremamente baixas (medidas por nitrogênio) e baixos valores de absorção de óleo, permitindo que tenham impacto mínimo na viscosidade do revestimento.

Diversos estudos foram conduzidos para compreender o comportamento dessas sílicas precipitadas esféricas em aplicações de revestimentos.³,⁴ Em tintas arquitetônicas para interiores, elas demonstraram melhorar a resistência ao polimento (burnish) e à abrasão úmida (wet scrub). Também podem atuar sinergicamente com agentes fosqueantes típicos à base de sílica para melhorar a resistência à abrasão e ao risco em revestimentos foscos para madeira. O aumento do tamanho das partículas parece correlacionar-se com a diminuição da transparência do revestimento e o aumento do efeito fosqueante. No entanto, para revestimentos foscos, permanece a questão: partículas esféricas maiores são sempre melhores? Elas proporcionam fosqueamento mais eficiente? Melhoram a durabilidade do revestimento em maior grau do que as versões com partículas menores?

Uma série de sílicas precipitadas esféricas de baixa área superficial foi utilizada nos estudos a seguir (Tabela 1).¹,² Todas as cinco sílicas precipitadas esféricas apresentam baixos valores de absorção de óleo, tipicamente entre 30 e 60 cc/100 g. Elas também possuem propriedades químicas e físicas idênticas. No entanto, diferem no tamanho médio das partículas, e suas distribuições de tamanho evidenciam as verdadeiras diferenças entre os cinco materiais.

É importante observar que os valores de d95 variam significativamente entre as diferentes classes; contudo, mesmo a maior sílica, SPH18, não contém partículas maiores que 45 micrômetros.

As formulações de revestimentos foram preparadas utilizando as composições apresentadas nas Tabelas 2, 3 e 4.

As tintas com 43% de PVC foram aplicadas com uma espessura de filme úmido de 300 µm sobre cartões Leneta P121-10N e secas por uma semana à temperatura ambiente antes dos testes. As tintas com 80% de PVC foram aplicadas com uma espessura de filme úmido de 150 µm sobre vidro e deixadas secar durante a noite antes dos testes. Os revestimentos em pó foram pulverizados para atingir uma espessura de filme seco de 75 µm (3 mil) sobre um painel Q-Panel A-46 (alumínio nu 3003 H14) e curados nas temperaturas e tempos especificados.

Os testes de resistência ao polimento (burnish) e à abrasão úmida (wet scrub) foram realizados utilizando um Elcometer 1720 Abrasion and Washability Tester, seguindo a norma ISO 11998 (abrasão úmida) e aplicando 20 ciclos para o teste de polimento. As manchas foram aplicadas sobre filmes de tinta seca usando papel filtro Whatman e deixadas por 30 minutos antes da limpeza com água e sabão; os cartões lavados foram deixados para secar durante a noite.

Os valores de brilho foram medidos com um medidor Novogloss, e os valores de ΔE foram medidos com um espectrofotômetro Xrite Ci62. O teste de impacto reverso foi realizado utilizando um BYK Heavy-Duty Impact Tester, seguindo a norma ASTM D2794.

Como pode ser visto na Tabela 5, quando utilizadas para substituir o carbonato de cálcio de 5 µm, todas as três sílicas esféricas, independentemente do tamanho, conferem fosqueamento à tinta acrílica com 43% de PVC e melhoram significativamente a resistência ao polimento (burnish), à abrasão úmida (wet scrub) e às manchas, em um grau notavelmente semelhante.

Na tinta estireno-acrílica com 80% de PVC, SPH15 e SPH18 proporcionam fosqueamento e resistência ao polimento (burnish) notavelmente semelhantes. Embora ambas as sílicas melhorem a resistência à abrasão úmida (wet scrub), a sílica maior, SPH18, é muito mais eficiente e, a 5%, eleva essa tinta da Classe 5 da EN 13300 para Classe 3 (Tabela 6).

A Tabela 7 mostra o desempenho das duas maiores sílicas esféricas em uma formulação de revestimento em pó sem cera. Ambas as sílicas são mais eficientes no fosqueamento e proporcionam melhor aparência e durabilidade do que o hidróxido de alumínio. Curiosamente, a sílica maior, SPH18, é ligeiramente menos eficiente no fosqueamento, mas melhora a durabilidade em maior grau do que a sílica menor, SPH15. Resultados semelhantes foram observados em revestimentos em pó de poliéster superdurável com triglicidil isocianurato.

Em revestimentos líquidos e em pó, o tamanho das sílicas precipitadas esféricas realmente importa, mas maior nem sempre é melhor. Partículas pequenas, como SPH4.4, oferecem durabilidade e certo grau de fosqueamento com o menor impacto na transparência — fator importante para revestimentos claros. Em revestimentos arquitetônicos, partículas maiores (SPH10, SPH15, SPH18) podem proporcionar tintas foscas e “ultrafoscas”, enquanto partículas menores (SPH4.4 ou SPH5.5) são mais adequadas para acabamentos com maior brilho. No entanto, o fosqueamento final e a rugosidade superficial de um revestimento dependem de todas as partículas na formulação, suas morfologias e de como elas se acomodam à medida que o revestimento encolhe e cura.

Em revestimentos em pó foscos, tanto SPH15 quanto SPH18 são mais eficientes no fosqueamento e proporcionam melhor durabilidade do que o hidróxido de alumínio; entretanto, a menor SPH15 é ligeiramente mais eficiente no fosqueamento, enquanto a maior SPH18 oferece melhor resistência a trincas nas formulações avaliadas. Esse comportamento reforça a importância da morfologia e da orientação das partículas na definição da topografia superficial do revestimento.

Como todas as cinco sílicas precipitadas esféricas, independentemente do tamanho, podem melhorar a durabilidade do revestimento, os formuladores podem combinar essas partículas únicas com outros cargas para otimizar suas formulações.

[1] Hagar, W.J. e K.W. Gallis. US Patente 8,609,068 B2 (2013); US Patente 8,945,517 B2 (2015); US Patente 9,327,988 B2 (2016); US Patente 9,617,162 B2 (2017).
[2] Hagar, W.J., R.L. Romer, W.C. Fultz e K.W. Gallis. US Patente 9,028,605 B2 (2015).
[3] Meier, I.K. e T. Hazim. 2022. New Tools for Improving the Durability and Maintaining the Appearance of Architectural Coatings. Paint & Coatings Industry Magazine.
[4] Semmler, H., P. Schuster e I.K. Meier. 2023. Novel Silica Particle Technology for High Durability Matte Wood Coatings. Coatings World.