Substituindo Aditivos à Base de Flúor em Formulações de Revestimentos

Muitos formuladores de revestimentos estão atualmente buscando alternativas aos fluorossurfactantes em resposta a regulamentações potenciais ou mais rigorosas. A indisponibilidade das tecnologias convencionais também é um dos principais motivos que levam muitos a procurar substitutos. A reformulação pode ser desafiadora, devido às propriedades multifuncionais únicas e à estabilidade química dos fluorossurfactantes, de modo que a substituição geralmente não ocorre de forma direta ou equivalente.

Fluorossurfactantes e aditivos são aditivos de baixo peso molecular que contêm cadeias de carbono totalmente (per) ou parcialmente (poli) fluoradas, conectadas a diferentes grupos funcionais. Esses aditivos são altamente eficientes na redução da tensão superficial de revestimentos líquidos, melhorando a molhabilidade dos substratos e eliminando defeitos na película. Eles também podem melhorar a resistência a manchas e produtos químicos, além de aumentar a resistência ao deslizamento e à abrasão.

Formuladores que buscam alternativas aos aditivos fluorados precisam considerar todos os efeitos potenciais que esses aditivos proporcionam às formulações e, então, identificar substitutos que possam oferecer desempenho semelhante. Este artigo compara diferentes famílias de aditivos e analisa como esses aditivos ou combinações deles podem ser utilizados para substituir os fluorossurfactantes quando necessário.

Uma série de surfactantes orgânicos e à base de siloxano foi testada em três diferentes formulações de revestimentos aquosos para madeira, com o objetivo de determinar sua eficácia como alternativas aos fluorossurfactantes de referência. Os aditivos testados estão apresentados na Tabela 1. Cada aditivo foi testado quanto à sua capacidade de reduzir a tensão superficial da formulação, medida pelo método da Placa de Wilhelmy, à formação de espuma da formulação pelo método de escoamento, e à avaliação visual da qualidade da superfície após aplicação.

As três formulações testadas foram: um revestimento aquoso monocomponente (1K), transparente, de alto brilho para móveis, baseado em uma emulsão acrílica auto-reticulante; um acabamento fosco aquoso bicomponente (2K) de poliuretano; e um acabamento decorativo branco pigmentado, monocomponente (1K).

Estudos semelhantes também foram realizados com aditivos de maior peso molecular em dois revestimentos aquosos para couro, baseados em dispersões de poliuretano. A resistência ao rangido foi medida de acordo com o método tribológico de deslizamento Zins-Ziegler. Os ângulos de contato com água e óleos vegetais foram medidos utilizando o Krüss MSA Flex. O brilho foi medido com o BYK Gardner Micro Tri-Gloss e a intensidade do preto (jetness) avaliada com um espectrofotômetro X-Rite. A sensação tátil (haptic feel) foi avaliada manualmente e o Coeficiente de Atrito Dinâmico (COF) foi medido utilizando um sistema de testes dinâmicos Instron, conforme a norma ISO 8295.

Cinco antiespumantes à base de siloxano também foram testados como alternativas aos antiespumantes à base de fluorossilicone em um revestimento transparente bicomponente (2K) à base de solvente, formulado com o ligante Setal S RD181 da Allnex. Os antiespumantes foram testados quanto à eficiência de supressão de espuma por meio de um teste interno de espuma com alta cisalhamento e quanto à compatibilidade com o filme, por aplicação em carta Leneta e escoamento sobre substrato de vidro.

A capacidade dos diferentes surfactantes de reduzir a tensão superficial do revestimento aquoso transparente para móveis está apresentada na Figura 1, e o efeito desses aditivos na formação de espuma da formulação está mostrado na Figura 2. Por fim, a avaliação visual da capacidade desses surfactantes de prevenir defeitos na superfície do revestimento aplicado está ilustrada na Figura 3. Estudos semelhantes foram realizados com os mesmos aditivos nas formulações de acabamento fosco aquoso bicomponente (2K) de poliuretano e no acabamento decorativo branco pigmentado monocomponente (1K).

A maioria dos aditivos testados apresentou resultados semelhantes de tensão superficial nesta formulação, exceto o FL2. No entanto, como poucos contaminantes ou materiais possuem energia superficial tão baixa, é improvável que isso represente um problema. Os siloxanos, em geral, apresentaram controle de espuma comparável ou superior aos fluorossurfactantes. Os fluorossurfactantes demonstraram o melhor desempenho geral de aplicação quando testados na dosagem de 0,1% na formulação, mas na dosagem de 0,3%, diversos aditivos à base de siloxano, incluindo ST2 e PES2, apresentaram desempenho igualmente bom.

Os resultados no revestimento aquoso para couro estão apresentados na Tabela 2, onde nenhum aditivo isolado, incluindo o surfactante fluorado testado, conseguiu atender a todos os critérios desejados de teste.

Os resultados dos cinco antiespumantes à base de siloxano testados como alternativas ao antiespumante à base de fluorossilicone em diferentes dosagens no revestimento transparente bicomponente (2K) à base de solvente de poliuretano estão apresentados na Figura 4. O antiespumante fluorossilicone possui apenas 1% de ativo conforme fornecido, enquanto a maioria dos antiespumantes de siloxano testados era 100% ativa, portanto, os antiespumantes de siloxano foram efetivamente utilizados em dosagens muito maiores. Isso afetou particularmente a compatibilidade dos antiespumantes, com muitos apresentando defeitos na superfície, como crateras e olhos-de-peixe, quando testados como substituições 1:1 na formulação. Quando testados em níveis de uso mais baixos, o desempenho dos antiespumantes de siloxano foi muito mais comparável ao padrão fluorossilicone.

Os fluorossurfactantes são uma classe única de aditivos e podem ser difíceis de substituir, especialmente em uma base 1:1. Doses mais altas de aditivos podem ser necessárias ao substituir aditivos à base de flúor usados para molhabilidade do substrato e controle de defeitos, especialmente com aditivos à base de hidrocarbonetos. Alguns aditivos Gemini à base de siloxano mostraram-se eficazes como substitutos 1:1, mas ainda são recomendados estudos em escada para otimizar a dosagem do aditivo substituto. Por outro lado, ao substituir antiespumantes fluorossilicone, pode ser necessário utilizar uma dose menor de antiespumantes de siloxano devido ao maior teor de ativos desses materiais.

Os fluorossurfactantes também são multifuncionais, portanto, é importante considerar todos os requisitos de formulação e desempenho ao buscar alternativas. Combinações de aditivos podem ser necessárias para obter desempenho ideal, e o desempenho de outros aditivos, como antiespumantes, na formulação também pode ser afetado pela substituição. Os fluorossurfactantes possuem boa estabilidade química e térmica, e pode ser mais difícil encontrar alternativas estáveis para revestimentos formulados em pH alto ou baixo. Por fim, a complexidade de encontrar alternativas adequadas aos aditivos à base de flúor também pode consumir muito tempo dos formuladores.