DISPERSÃO CORE SHELL ACRÍLICA MODIFICADA: UMA ALTERNATIVA

À SUBSTITUIÇÃO DE REVESTIMENTOS DE ALTO DESEMPENHO BASE

SOLVENTE

Álann de Oliveira Piagentini Bragatto1, Jorge Mayer de Oliveira2

1 – Archroma – Laboratório de Aplicações – Emulsions Products - São Paulo, SP, Brasil

2 – Archroma – Laboratório de Pesquisa e Desenvolvimento – Emulsions Products - Suzano,

SP, Brasil

RESUMO

O trabalho avalia o desempenho de vernizes exteriores para madeira formulados

com dispersões poliméricas Core Shell - Mowilith® LDM 2250 e Mowilith® LDM 7410 –

afim de se realizar um estudo comparativo com vernizes de mercado, tanto base

solvente quanto base água, oferecidos ao consumidor final. São avaliadas propriedades

fundamentais, como resistência aos raios UV por teste de intemperismo acelerado,

resistência à absorção de água, resistência ao blocking e tração e alongamento dos

revestimentos. O estudo demonstra que a utilização de dispersões Core Shell é uma

alternativa para se atingir as propriedades de desempenho desejadas de um

revestimento base solvente.

INTRODUÇÃO

A radiação solar e a chuva são as principais causas de degradação da madeira

submetida a condições de uso em ambientes exteriores. Agentes biológicos, como

fungos, algas, bactérias e insetos, além de fatores como a poluição, também contribuem

para o processo de degradação da madeira. O mecanismo de degradação envolve

basicamente a quebra da lignina e outros componentes pela radiação ultravioleta e sua

subsequente remoção pela ação da chuva. Afim de prolongar o tempo de vida útil da

madeira, revestimentos orgânicos são aplicados em sua superfície, conferindo assim

características de proteção e acabamento estético no substrato.

Baixa permeabilidade à água/vapor d’água e alta resistência aos raios

ultravioleta são as principais características que o revestimento aplicado deve

apresentar. Além disso, uma combinação de propriedades do revestimento contribui

para maximizar o tempo de vida útil da madeira: ausência de tack ou blocking,

responsável por diminuir a pega de sujeira na superfície e assim manter o acabamento

estético por um período prolongado; flexibilidade do revestimento para acompanhar os

processo de expansão e retração da madeira devido às variações de temperatura e

umidade a que o substrato será exposto e não ocasionar no revestimento o

aparecimento de fissuras ou seu craquelamento, que exporiam as camadas mais abaixo

do revestimento, contribuindo para a degradação da madeira, e resistência ao

crescimento de microorganismos, que pode ser obtida caso o revestimento apresente

algum preservativo em sua formulação, ou então, seja realizado algum tratamento

prévio antes da aplicação do revestimento.

A degradação é um processo longo e demorado, dependente de fatores como

tempo e condições climáticas durante a exposição, propriedades da madeira, qualidade

do design da estrutura de madeira, propriedades físicas e químicas do revestimento,

método de aplicação, espessura do filme do revestimento, a cor do revestimento e a

manutenção do revestimento.

O uso de absorvedores UV na formulação do revestimento pode minimizar a

degradação pela radiação ultravioleta e diminuir a perda de brilho do revestimento, no

entanto, o polímero utilizado na formulação é o principal responsável por oferecer

resistência à água e aos raios UV. A degradação fotoquímica do polímero propicia a

perda de camada, ocasionando assim variações de brilho e cor, além do surgimento de

craquelamento, blistering, perda de aderência e perda de flexibilidade.

No Brasil, a maioria dos vernizes destinados a aplicações exteriores em madeira

utilizam resinas alquídicas dispersas em solventes orgânicos. Estes revestimentos

apresentam excelentes propriedades protetivas à madeira, principalmente em relação à

resistência à água. No entanto, devido a preocupações em relação a fatores ambientais

como a poluição do ar, e também em relação à saúde e segurança, a demanda por

produtos com menor concentração de compostos orgânicos voláteis (COV’s) é cada vez

mais crescente globalmente e também no Brasil, como pode ser verificado pelo

surgimento de órgãos regulamentadores, como é o caso do Green Building, e pela

publicação de normas que visam estabelecer limites aceitáveis de COV’s nas

formulações de revestimentos, caso do Brasil, em que será publicado neste ano de 2015

a norma ABNT NBR 16388.

As dispersões acrílicas oferecem uma alternativa à formulação destes

revestimentos, no entanto, apresentam limitações devido principalmente a resistência à

água quando comparada a resinas alquídicas, e devido ao antagonismo de

propriedades desejadas (alta flexibilidade e alta dureza superficial). A utilização de

dispersões acrílicas Core Shell, uma evolução morfológica das dispersões, em que o

polímero disperso em água apresenta duas temperaturas de transição vítrea (Tg)

distintas é um meio de oferecer as propriedades antagônicas, uma vez que é possível

obter-se uma boa flexibilidade associada a um baixo valor de Tg, e uma alta dureza

superficial, associada a uma alta Tg em uma mesma partícula de polímero. Para

aumentar a resistência à água, a utilização de um monômero derivado de vinil éster do

ácido versático, que confere características hidrofóbicas ao polímero, é um meio de se

buscar uma otimização da resistência à água.

A dispersão polimérica Mowilith® LDM 2250 oferece as propriedades desejadas

acima e além disso, incorpora o conceito Low Emissions desenvolvido pela Archroma,

em que não apenas a concentração de COV’s é um fator determinante, mas há também

outros seis pilares fundamentais de consciência ambiental: a dispersão não utiliza

APEO’s (alquilfenóis etoxilados) como tensoativo, não utiliza nenhum solvente orgânico

em sua composição, é livre de amônia e livre de compostos tóxicos, como metais

pesados, possui baixíssimo teor de formaldeído e possui baixo odor.

O trabalho visa comparar o desempenho de vernizes formulados com Mowilith®

LDM 2250, dispersão Core Shell acrílica modificada, e Mowilith® LDM 7410, uma

dispersão Core Shell acrílica, com vernizes de mercado oferecidos ao consumidor final

– Base Solvente e Base Água – de modo a avaliar as principais propriedades de

interesse e verificar se é possível realizar a substituição de revestimentos de alto

desempenho Base Solvente por equivalentes Base Água.

PARTE EXPERIMENTAL

Foram preparados dois vernizes a partir das dispersões poliméricas Mowilith®

LDM 2250 e Mowilith® LDM 7410. Para obter informações sobre as propriedades

protetivas oferecidas pelo polímero, não foram utilizados na formulação absorvedores

UV nem corantes, uma vez que esses dois componentes contribuem para um melhor

desempenho das películas de verniz em relação à resistência aos raios UV e à água,

conforme descrito na literatura.

O teor de sólidos dos vernizes preparados foi ajustado para 40,0% (em relação

à massa) e preparados a uma concentração de COV’s de 70,0 g.L-1, considerando a

definição de COV descrita na norma Green Seal GS-11, em que o ponto de ebulição do

componente para ser considerado um COV é abaixo de 280°C e o limite de COV aceito

para esta aplicação é de 100,0 g.L-1. O ajuste de coalescentes na formulação foi feito

de modo a se obter uma temperatura mínima de formação de filme (TMFF) de 0°C e um

tempo em aberto (secagem ao toque) entre 40 e 50 minutos. A faixa de viscosidade final

estabelecida é de 60 a 70KU.

Para efeito comparativo, foram coletadas e avaliadas três amostras de vernizes

de mercado, de diferentes fabricantes, indicados para aplicação exterior em madeiras

com durabilidade de 6 anos, sendo um base água, utilizando dispersão polimérica

acrílica em sua composição, e os outros dois, baseados em solventes orgânicos

alifáticos e utilizando resinas alquídicas em sua composição. Durante o trabalho, estes

vernizes são indicados como Mercado 1-BA, Mercado 2- BS e Mercado 3 – BS.

Como substrato para os testes realizados, foi utilizado madeira Teka, uma

madeira de densidade média. Foram aplicadas três demãos dos vernizes, respeitando-

se o intervalo entre demãos indicado pelos fabricantes. Todos os vernizes foram

aplicados diluídos a um mesmo teor de sólidos em massa (40,0%). A massa total úmida

aplicada dos vernizes sobre o substrato de madeira, considerando-se a soma das três

demãos, foi de (30±3) g.m-2.

Os testes foram realizados conforme normas descritas da ABNT e ASTM.

Apenas o teste de resistência ao blocking foi realizado de acordo com procedimento

interno. Os testes realizados são listados abaixo:

- ABNT NBR 15380 – Resistência à radiação UV/condensação de água;

- ABNT NBR 7462 – Determinação da resistência à tração

- ASTM D570 – Standard Test Method for Water Absorption of Plastics

- ABNT NBR 14946 – Determinação da dureza König

- ABNT NBR 15299 – Determinação do brilho

- Resistência ao Blocking – Avaliação em temperatura ambiente e alta temperatura.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Foram preparados filmes dos vernizes a serem avaliados sobre placas metálicas

de dimensões de (10x30x1) cm revestidas com plástico. Foi depositado sobre o

substrato 40,0g dos vernizes a um teor de sólidos (em massa) de 40,0%. A cura foi

realizada em sala climatizada à temperatura de (25±2)°C e umidade relativa do ar de

(60±5)% por um período total de 14 dias, sendo que ao sétimo dia, a película do verniz

foi virada de modo a expor a superfície antes em contato com o plástico ao ar. A

espessura dos filmes obtidos variou entre 0,35 e 0,45mm.

Para o teste de absorção de água, foram preparados corpos de prova com

dimensão de (5x5) cm. Os corpos de prova foram mantidos em estufa com circulação

de ar a 50°C até obtenção de massa constante. Em seguida, os corpos de prova foram

imersos em água e avaliou-se a absorção de água em função do tempo de imersão –

24 horas, 7, 14 e 21 dias. Os testes foram realizados em triplicata. Os resultados,

referentes à média dos três valores, são mostrados abaixo.

Figura 1. Avaliação da absorção de água dos filmes de vernizes em função do tempo

de imersão em água (24 horas, 7, 14 e 21 dias).

Como pode ser observado na Figura 1 , a absorção de água da amostra Mercado

1 – BA tende a aumentar muito em relação aos demais vernizes em função do tempo

de imersão. Os vernizes preparados com as dispersões Mowilith® LDM 2250 e

Mowilith® LDM 7410 apresentam absorção de água próxima às dos vernizes de

mercado Base Solvente, sendo que o caso do Mowilith® LDM 2250 é interessante por

se verificar uma constância da absorção de água em função do tempo de imersão em

12,0

61,9

99,4

125,9

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

140,0

0 5 10 15 20 25

9,3 11,111,1

11,7

4,0

11,4

15,7

19,9

3,4

6,7

9,411,4

2,8

5,6

7,88,9

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

0 5 10 15 20 25

Abs

orçã

o de

águ

a (%

)

Dias de imersão

Abs

orçã

o de

águ

a (%

)

Mowilith® LDM 2250 Mowilith® LDM 7410 Mercado 1 – BA Mercado 2 – BS Mercado 3 - BS

água, atribuída ao uso do monômero derivado de vinil éster do ácido versático em sua

composição. Esta manutenção da absorção de água é interessante, pois mostra uma

maior resistência do filme formado à penetração de água em períodos de longa

exposição. Esta é uma propriedade fundamental para os vernizes e é atualmente, um

dos fatores que limitam a substituição de produtos base solvente por produtos base

água, que possuem como maior deficiência a baixa resistência à absorção de água,

propriedade fundamental para uma boa proteção da madeira.

Utilizando-se os filmes de vernizes preparados conforme descrito anteriormente,

foram preparados doze corpos de prova para teste de resistência à tração e avaliação

de alongamento, conforme descrito na norma ABNT NBR 7462. Os resultados obtidos

são mostrados nos gráficos abaixo.

Figura 2. Avaliação da resistência à tração e do alongamento dos filmes dos vernizes.

2,85

1,78

0,72

1,57

1,15

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

163,3

285,8

455,8

101,4 91,5

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Res

istê

ncia

à tr

ação

(N

.mm

-2)

Alo

ngam

ento

(%

)

Como pode ser observado pela avaliação dos gráficos da Figura 2 , a amostra

Mercado 1 – BA destaca-se pelo seu alto valor de alongamento, propriedade desejada

para que o revestimento acompanhe os processos de expansão e retração da madeira

em função das condições de sua exposição, fundamentalmente a temperatura e

umidade. No entanto, as amostras formuladas com as dispersões Mowilith® LDM 2250

e Mowilith® LDM 7410 apresentaram desempenho satisfatório, uma vez que os valores

de alongamento obtidos foram superiores em relação aos vernizes de mercado base

solvente avaliados. Além disso, os vernizes formulados com as dispersões Mowilith®

caracterizaram-se pelo maior valor de resistência à tração em relação aos vernizes de

mercado, o que proporciona uma melhor resistência da película protetiva quando

submetida a esforços mecânicos, ou seja, torna mais difícil o aparecimento de fissuras,

que são pontos de penetração de água e microorganismos que ocasionariam a

degradação das camadas mais interiores do revestimento, podendo chegar ao

substrato.

A avaliação de intemperismo acelerado foi realizada em equipamento QUV/se

Q-Lab, utilizando lâmpada UVB 313 Q-Lab e ciclo de exposição conforme condição 2.

Foi avaliado a alteração de brilho em função das horas de exposição e a mudança de

aspecto visual (esbranquiçamento, aparecimento de fissuras e craquelamento). Os

resultados mostrados correspondem até 600h de exposição, no entanto, o teste ainda

está sendo realizado e será finalizado a um período total de no mínimo 2000h de

exposição. Abaixo, é mostrado a variação do brilho em função do tempo de exposição.

Figura 3. Avaliação de variação de brilho da película de verniz sobre substrato de

madeira em função do tempo de exposição em teste de intemperismo acelerado.

Início

Após 300h

Após 600h

Bril

ho (

U.B

.) 68,9

73,9

65,4

86,081,2

60,369,1

51,4

63,4 63,3

41,5

50,0

39,4

20,8

4,1

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

Como pode ser observado pela análise da Figura 3 os vernizes base água

apresentam um menor brilho inicial em relação aos vernizes base solvente, no entanto,

a manutenção do brilho em função do tempo de exposição é muito superior em relação

aos vernizes base solvente, como é enfatizado na Tabela 1 .

Tabela 1. Avaliação da perda de brilho da película de verniz aplicada sobre madeira em

função do tempo de exposição durante teste de intemperismo acelerado.

Amostra Perda de brilho após

300h de exposição (%)

Perda de brilho após

600h de exposição (%)

Mowilith ® LDM 2250 12,5 39,8

Mowilith ® LDM 7410 6,5 32,3

Mercado 1 – BA 21,4 39,8

Mercado 2 – BS 26,3 75,8

Mercado 3 – BS 22,0 95,0

Analisando-se a Tabela 1 , observa-se que os vernizes base água apresentaram

perda de brilho semelhante entre si e muito inferior em relação aos vernizes base

solvente, com destaque para o verniz formulado com Mowilith® LDM 7410, que

apresenta a menor perda de brilho para ambos intervalos de tempo entre todos os

vernizes.

Em relação ao aspecto visual, analisando-se a Figura 4 , verifica-se que não foi

observado formação de fissuras ou craquelamento em nenhuma amostra. No entanto,

com exceção do verniz formulado com Mowilith® LDM 2250, todas amostras

apresentaram esbranquiçamento na região exposta durante o teste de intemperismo

acelerado, indicativo de que houve penetração de água pela película protetora. O

escurecimento da região exposta nas amostras revestidas com os vernizes formulados

com Mowilith® LDM 2250 e Mowilith® LDM 7410 deve-se ao fato de não ter sido

utilizado absorvedores UV nem corantes na formulação do verniz. Além disso,

comparando-se apenas os vernizes formulados com Mowilith® LDM 2250 e Mowilith®

LDM 7410, observa-se que o escurecimento da região exposta é inferior para o verniz

formulado com Mowilith® LDM 2250, fator, assim como a manutenção da absorção de

água em função do tempo de imersão, associado à presença do monômero derivado de

vinil éster do ácido versático na composição do polímero.

Figura 4. Avaliação visual dos corpos de prova revestidos com os vernizes após 600

horas de exposição em teste de intemperismo acelerado. A região superior corresponde

a área não exposta durante o teste, ao passo que a região inferior corresponde a área

exposta ao teste.

A dureza pendular König foi avaliada conforme a norma ABNT NBR 14946, para

diferentes tempos de cura da amostra. As amostras formuladas com as dispersões

Mowilith® LDM 2250 e Mowilith® LDM 7410 apresentaram maior dureza em relação aos

vernizes de mercado, como pode ser observado na Figura 5 , indicando assim que estes

vernizes apresentam uma maior resistência ao risco e uma menor tendência à pega de

sujeira, fator importante para manter o aspecto inicial do revestimento pelo maior tempo

possível.

Figura 5. Avaliação da dureza König dos vernizes em função do tempo de cura.

Mowilith® LDM 2250 Mowilith® LDM 7410 Me rcado 1 – BA Mercado 2 – BS Mer cado 3 - BS

1413

8

1110

22

17

12

16

11

28

2220

23

13

0

5

10

15

20

25

30

Núm

ero

de o

scila

ções

Cura 24h Cura 72h Cura 7 dias

Outro fator importante para uma menor pega de sujeira e melhor desempenho,

principalmente nos primeiros dias após a aplicação do revestimento, é a resistência ao

blocking. Amostras com menor blocking são desejadas para não causar o destacamento

prematuro da película quando em contato com outras superfícies e manutenção da

estética da película, além de proporcionarem uma menor pega de sujeira. O blocking

das amostras foi avaliado em duas situações (temperaturas distintas). Após secagem

total das amostras (variável de acordo com o verniz), o blocking foi avaliado colocando-

se duas madeiras revestidas com a película de interesse em contato entre suas

superfícies no formato de cruz. Em seguida, foi colocado um peso de 2kg sobre o

conjunto, como pode ser observado na Figura 6A . Para o teste realizado em

temperatura ambiente, o peso é mantido sobre as amostras por um período de duas

horas. Já para o teste realizado em estufa a 50°C, o tempo em que o peso permanece

sobre as amostras é de 30 minutos. Em seguida, um béquer é colocado sobre o conjunto

e adiciona-se água dentro dele – Figura 6B . A massa de água adicionada é monitorada

com uma balança semi-analítica com precisão de 0,01g. O teste é encerrado quando a

massa de água adicionada é suficiente para separar os dois corpos de prova de madeira

em contato- Figura 6C . Anota-se a massa do conjunto (béquer + água) necessária para

separação dos corpos de prova. Os resultados são mostrados na Figura 7 .

Figura 6. Ilustração dos procedimentos para realização do teste de resistência ao

blocking.

Região de contato entre os corpos de

prova revestidos

A B C

Figura 7. Avaliação da resistência ao blocking em temperatura ambiente e alta

temperatura (50°C).

Pela análise da Figura 7 , verifica-se que os vernizes formulados com as

dispersões Mowilith® LDM 2250 e Mowilith® LDM 7410 apresentam menor blocking em

relação aos vernizes de mercado, sendo que em temperatura ambiente, o blocking pode

ser classificado como ausente, uma vez que os corpos de prova revestidos não aderem

um à superfície do outro e nem apresentam mínima pegajosidade por avaliação em

teste qualitativo. Em altas temperaturas, destaca-se o baixo blocking do verniz

formulado com Mowilith® LDM 2250.

CONCLUSÕES

Os resultados dos testes evidenciaram que é possível utilizar as duas dispersões

para formulação de vernizes base água com baixo teor de COV’s que necessitam obter

desempenho semelhante a vernizes Base Solvente.

Os vernizes formulados com as dispersões Mowilith® LDM 2250 e Mowilith®

LDM 7410 apresentaram dureza superficial, resistência ao blocking, e alongamento

maior em relação aos vernizes de mercado base solvente avaliados, demonstrando

assim que a utilização de partículas poliméricas Core Shell é altamente favorável

quando busca-se aliar propriedades antagônicas como estas em um revestimento. Além

disso, verificou-se que o uso destas dispersões na formulação de vernizes propiciou

uma resistência à água muito superior em relação ao verniz de mercado base água

avaliado.

A incorporação de um monômero hidrofóbico na composição do polímero, caso

da dispersão Mowilith® LDM 2250, mostrou-se eficiente para aumentar a resistência à

Mas

sa d

e ág

ua (

g)

T ambiente T = 50°C 0 0

983

44954932

992

1593

2156

3675

2055

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

água da película do revestimento submetida a longos períodos de exposição à água,

como pôde ser verificado pela manutenção da absorção de água em função do tempo

de imersão e pelo não esbranquiçamento do corpo de prova submetido ao teste de

intemperismo acelerado.

Os próximos passos do trabalho envolvem o estudo da utilização de corantes e

absorvedores UV na formulação com as dispersões Mowilith® LDM 2250 e Mowilith®

LDM 7410, afim de se avaliar o quanto é possível otimizar o desempenho destes

vernizes para se obter um desempenho superior em relação aos vernizes de mercado

Base Solvente. Além disso, os próximos passos também envolvem o estudo de

dispersões Core Shell acrílicas para utilização em formulação de tintas protetivas DTM

(Direct to Metal), que envolvem requisitos de desempenho semelhantes para oferecer

uma boa proteção à corrosão.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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2. J.E.P. Custódio, M.I. Eusébio, Progress in Organic Coatings 56 (2006) 59-67.

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4. A. Mader et al., Progress in Organic Coatings 71 (2011) 123-135.

5. GS-11 Green Seal™ Standard for Paints and Coatings, Edition 3.1, July 12 2013.

6. Jorge M. R. Fazenda, Tintas – Ciência e Tecnologia, 4ª ed., 2009.