Nuovi additivi superficiali nanocompositi per la sostituzione dei PFAS

Rich Czarnecki – MICRO POWDERS

Premessa
Gli additivi a base di cera rappresentano uno strumento essenziale degli strumenti del formulatore di rivestimenti. Le polveri di cera micronizzate, le dispersioni e le emulsioni possono apportare migliorie alla durabilità di tutte le tipologie di rivestimento superficiale, a vantaggio dello slittamento e della bagnabilità, della resistenza all’abrasione e alla scalfittura, dell’anti-blocking e della resistenza allo sfregamento.
Con la revisione legislativa emergente in tema di sostanze PFAS (poli-perfluorolchiliche), molti clienti hanno rimosso l’utilizzo del PTFE (politetrafluoroetilene), classificato come sostanza PFAS.

Comportamento della cera nei rivestimenti
Le particelle di cera emergono in superficie di un rivestimento liquido grazie a una combinazione di processi chimico-fisici durante l’applicazione e l’essiccazione o reticolazione:
– densità.
– Riduzione del film.
– Solubilità e compatibilità.
– Effetti dell’energia superficiale.
Questa reazione è considerata essenziale nei rivestimenti, inchiostri e altre formulazioni per migliorare proprietà superficiali quali, slittamento, controllo della brillantezza e resistenza all’abrasione.

Processi chimici delle cere
La scelta dei processi chimici della cera può influire su molte proprietà prestazionali (Tab. 1). Dalla Tabella 1 si evince che il PTFE presenta proprietà marcatamente differenti dalla maggior parte dei processi chimici degli additivi:
– minima energia superficiale.
– Massimo punto di fusione.
– Massima densità.
Alcune di queste proprietà offrono vantaggi prestazionali unici nell’additivo di cera. La bassa energia superficiale del PTFE lo rende un materiale ideale in quanto fornisce un grado elevato di slittamento e di bagnabilità.
L’elevato punto di fusione del PTFE ne consente l’utilizzo in applicazioni in cui un rivestimento viene sottoposto a un processo di reticolazione in forno in quanto non fonde.
Inoltre, il PTFE è un materiale a durabilità molto elevata che può fornire vantaggi con il miglioramento della resistenza alla scalfittura, all’usura e all’abrasione. Per contro, l’elevata densità di PTFE impatta in modo significativo l’abilità delle particelle micronizzate di migrare in modo efficiente sulla superficie del rivestimento dopo l’essiccazione e la reticolazione.

Cere nanocomposite
Per superare il problema dell’elevata densità e della scarsa mobilità del PTFE, i produttori di cere hanno messo a punto cere nanocomposite o in lega che combinano il PTFE finemente micronizzato con altre cere.
La permutazione più nota di questa soluzione potrebbe essere una cera composita basata sulla combinazione di PTFE e cera polietilenica, tipicamente polietilene ad alta densità (HDPE). Questa cera nanocomposita viene prodotta miscelando la polvere fine di PTFE con HDPE fuso in un processo di estrusione oppure di fusione in volume. Questo materiale intermedio viene poi raffreddato, frantumato e ridotto (micronizzato) in una polvere fine (Tab. 2).
Le cere nanocomposite in PTFE vengono selezionate come campione di riferimento da decenni nell’industria produttrice di prodotti vernicianti.

Sostituire il PTFE negli additivi compositi a base di cera
Il PTFE viene valutato principalmente nelle polveri di cera composite, in funzione dei seguenti vantaggi prestazionali:
– elevata bagnabilità superficiale (basso coefficiente di attrito o COF)*.
– Eccellente resistenza alla scalfittura e all’abrasione.
– Resistenza chimica e al calore.
– Anti-blocking.
Fortunatamente, molti altri processi chimici dell’additivo a base di cera possono anch’essi fornire proprietà di slittamento e bagnabilità. Il vantaggio prestazionale più importante derivato dall’incorporazione del PTFE in una cera composita viene considerato generalmente la durabilità superficiale.
Le polveri dell’additivo composito con PTFE possono migliorare in modo significativo la resistenza di un rivestimento al deterioramento durante l’applicazione, la fabbricazione e l’utilizzo finale. Fra questi vi è la resistenza alla scalfittura e all’abrasione.
Se il PTFE non dovesse risultare più un componente autorizzato dell’additivo in cera, i materiali alternativi individuati dovranno arrecare a un rivestimento formulato un grado simile di durabilità superficiale.
Questi materiali devono presentare un buon record di utilizzo sicuro, in particolare nelle confezioni di prodotti alimentari.
Sono state individuate due tecniche per la sostituzione del PTFE come componente di una particella di cera composita, con l’ausilio dell’ossido di alluminio (durezza Mohs 9) e delle ceramiche (durezza Mohs 6).

Cere composite inorganiche 1
Poiché l’ossido di alluminio e le particelle ceramiche sono molto dense, esse richiedono una quantità di energia extra considerevole per portarle sulla superficie del rivestimento.
In una polvere di cera composita, come con PTFE, esse traggono vantaggio dalla combinazione con un materiale a densità inferiore quale l’HDPE in una polvere di cera composita. Sono state predisposte diverse combinazioni abbinando varie cere con l’ossido di alluminio e la ceramica in un processo di estrusione o di miscela in fusione (Tab. 3).
Questi materiali sono stati in seguito micronizzati con granulometria fine. La densità di ogni cera composita è quasi o leggermente superiore al valore 1.0 per migliorare l’efficienza e la stabilità.

Prestazione – Resistenza alla scalfittura
Per confrontare i progressi della resistenza alla scalfittura, ciascun campione è stato analizzato con la controparte cera priva della modificazione dell’ossido di alluminio.
Tutti i campioni sono stati dosati all’1% sul peso totale della formula in un rivestimento a base di dispersione poliuretanica acquosa. I pannelli essiccati sono stati analizzati con l’ausilio dello strumento di abrasione lineare Taber come da ASTM D3363 (Fig. 1).
Come si evince dal grafico in Figura 1, la prestazione della cera HDPE modificata con ossido di alluminio (HDPE-A) è marcatamente superiore a quella della cera non modificata.
Risultati simili che mostrano il miglioramento sono stati riscontrati con tutte le altre combinazioni, dove una cera modificata con ossido di alluminio o con ceramica ha dato prova di una prestazione superiore rispetto agli stessi processi chimici della cera senza modificazione inorganica.
Uno studio più rilevante consiste nel confrontare la prestazione delle cere composite modificate con ossido di alluminio e ceramica con le cere composite a base di PTFE classiche.
I risultati di Figura 2 dimostrano che le cere composite a base sia di ossido di alluminio che di particelle ceramiche offrono una prestazione uguale o superiore per quanto riguarda la resistenza alla scalfittura rispetto alle cere composite con PTFE.

Prestazione – resistenza all’abrasione
Per confrontare il miglioramento della resistenza all’abrasione, ogni campione è stato analizzato contro le polveri di cera composita con PTFE. Ogni campione di cera è stato dosato all’1% sul peso totale della formula in un rivestimento duro di dispersione poliuretanica acquosa. I pannelli essiccati sono stati analizzati dal punto di vista della resistenza all’abrasione con l’ausilio dello strumento abrasivo rotatorio Taber, come da ASTM D4060 (Fig. 3).

Conclusioni
Gli additivi in cera composita a base di ossido di alluminio e ceramica mostrano un’eccellente durabilità superficiale, che supera spesso gli additivi in cera composita classici in PTFE.
Con le normative che continuano a minacciare l’utilizzo delle sostanze PTFE, questi nuovi additivi offrono ai formulatori la possibilità di conservare o migliorare la prestazione rimuovendo il PTFE dalle loro formulazioni.

Nota:
Brevetto US 10, 646, 212.

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