R1800-SH, superdispersante para negro de carbono: 28 veces el poder lubricante y 122 veces el poder de dispersión de la cera

R1800-SH es el hiperdispersante que Californium Curium desarrolló específicamente para el negro de carbono. Dispersa el negro de carbono pigmentario: la negrosidad no disminuye sino que aumenta, y el comportamiento de procesado también mejora.

Este artículo explica tres cosas: en qué se diferencia exactamente de la cera; de dónde viene el punto de inflexión de la dosis del 3% y por qué, superado, el comportamiento se invierte; y cómo usarlo, respectivamente, en una planta de negro de carbono y en una planta de masterbatch negro.

Tres cifras de partida

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Respecto a la cera de polietileno, el poder lubricante de R1800-SH es 28 veces el de la cera, y su poder de dispersión es 122 veces el de la cera.

El negro de carbono, como pigmento inorgánico, se utiliza ampliamente en los masterbatch. Sin embargo, durante su empleo, cuanto más finas son las partículas de pigmento, más fácilmente se agrupan entre sí y forman partículas grandes, lo que afecta a la calidad del producto; por eso no pueden usarse directamente y deben someterse a un tratamiento de dispersión. El proceso de dispersión del pigmento se divide en tres partes: humectación, refinado (dispersión) y estabilización tras el refinado (recubrimiento). El tratamiento de superficie del pigmento es precisamente ese proceso de estabilización tras el refinado: sobre la superficie de las partículas de pigmento se depositan y recubren sustancias mono o multimoleculares, entre ellas tensoactivos, modificadores, derivados del propio pigmento, etc.

Este pasaje es la exposición completa del manual sobre por qué la dispersión es imprescindible. Descompone la dispersión en tres etapas: humectación, refinado (dispersión) y estabilización tras el refinado (recubrimiento). La acción de R1800-SH recae en la tercera: deposita una capa de recubrimiento sobre la superficie de las partículas de pigmento, y esa capa, sumada a la barrera estérica espacial, es lo que permite que las partículas se repelan al aproximarse.

El componente principal de R1800-SH es un polímero de silicio y éter de resina: pasta azul, con un tenue olor a manteca de cerdo, densidad 0,860 g/cm³, viscosidad 1000–4000 mPa·s, punto de inflamación 287℃, valor de amina ≦8 mgKOH/g, valor de ácido ≦6 mgKOH/g, grado de dispersión III. No es soluble en agua; a temperatura ambiente se disuelve en la mayoría de los disolventes orgánicos.

El 3% es a la vez punto de saturación y punto de formación de puentes

La negrosidad alcanza su máximo, 130, en el 3%.

El valor de densidad óptica de la película medido en el mismo conjunto de experimentos sigue la misma curva: al aumentar la dosis, la densidad óptica sube, hasta un máximo en el 3%, donde alcanza 0,487; por encima, cae bruscamente.

No se trata de «cuanto más se añada, mejor». El 3% es el punto en que los grupos de anclaje alcanzan la saturación de adsorción sobre la superficie del negro de carbono.

Por debajo del 3%, los sitios de anclaje de la superficie del negro de carbono aún no están ocupados por completo; los grupos de anclaje adsorbidos aumentan con la dosis, la capa de recubrimiento se vuelve más completa y la densidad óptica sube en consecuencia.

Por encima del 3%, las moléculas sobrantes de R1800-SH interactúan entre sí y producen «floculación por puentes»: las partículas de pigmento floculan por el enredamiento de las cadenas solvatantes del hiperdispersante, y la fuerza que debía separar las partículas acaba atando varias en un mismo grupo. El dispersante pasa de ser el que rompe los aglomerados a ser el que los forma, y la densidad óptica da media vuelta y baja.

Esa forma de «primero sube y después baja» es exactamente lo que distingue al hiperdispersante del lubricante convencional: este último no trabaja por la vía «anclaje—saturación—puentes».

80℃ y el interruptor de la capa de recubrimiento

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La estructura molecular de R1800-SH tiene dos partes. El grupo de anclaje es -COOH: estos grupos polares se adsorben con firmeza sobre la superficie del pigmento mediante enlaces iónicos, puentes de hidrógeno y fuerzas de van der Waals, e impiden que el dispersante se desorba; la otra parte es la cadena solvatante (dispersión), que determina directamente la estabilidad del pigmento disperso en el disolvente.

La clave es que el comportamiento de la cadena solvatante está gobernado por un interruptor térmico:

• Por debajo de 80℃, la capa de recubrimiento no se disuelve, envuelve con firmeza la partícula de negro de carbono y actúa como capa aislante
• Por encima de 80℃, la capa de recubrimiento empieza a disolverse, se convierte en un acoplante iónico y mejora la compatibilidad entre el negro de carbono y la resina

El efecto del tratamiento en superficie es óptimo cuando la temperatura es superior a 70℃.

Hay otra propiedad que se pasa por alto con facilidad: el tono se oscurece a medida que cambia la temperatura, pero cuando se utiliza en el producto final no afecta al color.

Dispersabilidad: dos micrografías que se ven a simple vista

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El manual incluye dos microfotografías de microscopía de contraste de fase:

• A: negro de carbono tratado con 3% de R1800-SH, PH = 6,2, 80℃, diluido 1:1 en etanol
• B: negro de carbono sin tratar

En la imagen A la dispersión es bastante uniforme y las partículas de negro de carbono son pequeñas; en la imagen B las partículas de negro de carbono presentan una aglomeración grave.

Ese mismo juicio cualitativo tiene además su versión cuantitativa: la dispersabilidad se caracteriza de forma cualitativa mediante observación y fotografía con microscopía de contraste de fase o con microscopía electrónica, y de forma cuantitativa midiendo la distribución de tamaño de partícula.

En la pasta de negro de carbono, la superficie de las partículas enriquece carga y se combina con facilidad con los grupos de anclaje de R1800-SH (-COOH), formando una capa protectora firme sobre la partícula; después, la barrera estérica espacial de la cadena solvatante (cadena de hidrocarburos) hace que el negro de carbono alcance una dispersión estable. Es la superposición de ambos efectos lo que constituye la dispersión estable.

¿En una planta de negro de carbono o en una planta de masterbatch?

Son dos puntos de adición de carga completamente distintos.

Planta de negro de carbono: el producto normalmente se mezcla y granula junto con el negro de carbono y los demás aditivos durante la granulación por vía húmeda; en la granulación por vía seca se añade de forma uniforme al negro de carbono antes de la molienda, y solo la temperatura alcanzada durante la molienda permite que se manifieste su efecto de dispersión. Si el tratamiento se realiza en la planta de negro de carbono, el manual recomienda diluir con un disolvente de tipo alcohol, para que la cantidad se reparta con mayor uniformidad dentro del polvo.

Planta de masterbatch: se añaden directamente el producto y los demás aditivos al mezclador de alta velocidad y se mezclan, incorporando la resina cuando la temperatura llega a unos 100℃; una vez mezclados de forma uniforme la resina y el negro de carbono, se descarga y se granula.

Su función es reducir el valor de absorción de aceite del negro de carbono, mejorar su dispersabilidad, su fluidez y sus propiedades de lubricación interna y externa, y aumentar el poder de coloración y la compatibilidad.

La fórmula experimental del masterbatch negro se puede copiar directamente:

El proceso es: mezclado de alta velocidad → granulación → extrusión y soplado de película → poder cubriente → negrosidad.

En esta fórmula, los 1 g de R1800-SH corresponden a 50 g de negro de carbono, es decir, un 2% respecto al negro de carbono; respecto a la totalidad del masterbatch (50+1+10+39 = 100 g) supone un 1%.

El 3% del que se ha hablado antes es el porcentaje de tratamiento cuando se hace el tratamiento de superficie del pigmento: en aquel juego de experimentos del 1%–5%, el negro de carbono se trataba como polvo por separado y la dosis se calculaba respecto al negro de carbono.

Los dos números tienen el mismo denominador, pero el escenario es distinto: uno es la proporción de «tratar a fondo el polvo de negro de carbono por separado», y el otro es la proporción de carga al «mezclarlo con la resina para fabricar el masterbatch». No se pueden convertir directamente uno en el otro.

Dosis final en los artículos plásticos

El manual indica como pauta para el usuario final: 0,5%—1% del producto plástico final.

Envase en barril de plástico de 20 kg/PE; almacenar en lugar fresco y seco, protegido de la humedad.

Dos cosas que hay que confirmar antes de usarlo

Primera: R1800-SH no es soluble en agua. Los sistemas acuosos (barnices al agua, tintas al agua, pastas de pigmento al agua) no son adecuados para usar este producto directamente; se recomienda recurrir a otro grado.

Segunda: el punto de inflexión se desplaza cuando cambia el grado de negro de carbono. Los datos del 3% del manual se obtuvieron con el negro de carbono pigmentario ZY-1 de Yunnan Zhongyi como materia prima, y en la fórmula se utilizó DK2028P. En el caso de su propio grado de negro de carbono, el área superficial específica es distinta y, por tanto, también lo es el punto de saturación: el manual indica expresamente que la dosis de uso depende del área superficial específica del pigmento. El 3% es un punto de partida, no un punto final.

Hay otra diferencia de criterio que conviene señalar: en el apartado de resumen del manual, las condiciones de tratamiento registradas son PH=6,2, 80℃ y dosis del 1%, mientras que el apartado de conclusiones indica que el mejor resultado al tratar el negro de carbono se obtiene con una dosis del 3%. Ambas cosas están en el manual.

Preguntas frecuentes

Pregunta: ¿se puede trasladar directamente el 3% a otros grados de negro de carbono? Respuesta: no. El manual indica que la dosis depende del área superficial específica del pigmento; el 3% es el punto de saturación del negro de carbono pigmentario ZY-1 de Yunnan Zhongyi a PH 6,2 y 80℃. Al cambiar de grado hay que volver a buscar el punto de inflexión.

Pregunta: ¿queda más negro si se sube al 5%? Respuesta: no. La negrosidad medida al 5% es 125, inferior a los 130 del 3%. Superado el 3%, la floculación por puentes toma el relevo y la densidad óptica cae bruscamente.

Pregunta: ¿qué ocurre si se usa por debajo de 80℃? Respuesta: la capa de recubrimiento no se disuelve, envuelve con firmeza las partículas de negro de carbono y actúa como aislante; la dispersión se mantiene, pero no se convierte en acoplante iónico y la compatibilidad con la resina no mejora.

Pregunta: ¿son la misma proporción el 1 g de la fórmula de masterbatch negro y el 3%? Respuesta: no. El 1 g corresponde a 50 g de negro de carbono, es decir, un 2% respecto al negro de carbono y un 1% respecto al masterbatch completo; el 3% es la proporción cuando el negro de carbono se trata por separado como polvo. Los dos escenarios no se pueden convertir directamente.

Pregunta: ¿se puede usar directamente en una pasta acuosa? Respuesta: no. R1800-SH no es soluble en agua y a temperatura ambiente solo se disuelve en la mayoría de los disolventes orgánicos; para sistemas acuosos se recomienda otro grado.

Pregunta: el manual indica una dosis del 1% en el apartado de resumen y un 3% como óptimo en las conclusiones, ¿cuál se toma? Respuesta: ambas figuran en el manual. El 1% es la condición de tratamiento registrada en el resumen; el 3% es el punto máximo medido de negrosidad y densidad óptica. Para el propio sistema, la referencia es la curva medida.

En una frase

El valor de R1800-SH no está en «que disperse», sino en «que disperse limpiamente y sepa cuándo hay que parar». El 3% es el punto de saturación de anclaje sobre la superficie del negro de carbono; una vez superado, la floculación por puentes se encarga de rehacer la aglomeración. Los 80℃ son el interruptor de la capa de recubrimiento, y el efecto del tratamiento en superficie es óptimo por encima de 70℃. Recuerde estas dos reglas y el resto se reduce a dosificar en el punto de adición correspondiente.