NANOPINTURAS ECOLÓGICAS HÍBRIDAS PARA LA PROTECCIÓN DE FACHADAS DEL PATRIMONIO CULTURAL

Transcripción

1 NANOPINTURAS ECOLÓGICAS HÍBRIDAS PARA LA PROTECCIÓN DE FACHADAS DEL PATRIMONIO CULTURAL Carlos A. Giudice CIDEPINT, Centro de Investigación y Desarrollo en Tecnología de Pinturas (CICPBA-CONICET) Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional La Plata

2 CONSERVACIÓN Y PRESERVACIÓN DEL PATRIMONIO CULTURAL Se debe implementar una protección eficaz contra: Degradación natural Contaminación ambiental Degradación microbiológica

3 PATOLOGÍA DE LOS MATERIALES La selección de las técnicas de conservación y preservación requiere conocer previamente la patología

4 PATOLOGÍA DE LOS MATERIALES Tipo de material Grado de deterioro Inspección previa Tipo de suciedad Presencia de grietas Rugosidad superficial Desarrollo de terapias basadas en la experiencia y el conocimiento científicotecnológico

5 LIMPIEZA DEL MATERIAL La limpieza es una tarea delicada porque es irreversible: se debe definir el estado de la superficie que se desea alcanzar y llevarla a cabo con los conocimientos y recursos disponibles

6 CONSOLIDACIÓN DEL MATERIAL La extracción acuosa de sales calcáreas y silíceas, la erosión y muchas veces las secuelas de intervenciones fallidas originan la pérdida de consolidantes internos de los materiales de la construcción

7 CONSOLIDACIÓN DEL MATERIAL Las técnicas propuestas incluyen materiales sintéticos (epoxi, poliuretanos, silicatos alcalinos, silanos, etc.) Se inyectan por medios mecánicos, gravedad o por aplicación superficial para consolidar los espacios intergranulares y fisuras

8 LIMPIEZA Y CONSOLIDACIÓN DEL MATERIAL Esta tarea debe encomendarse a quienes comprendan la naturaleza de los mensajes contenidos en esas superficies y sepan restaurarlas: No hay métodos ni productos que resuelvan por sí solos la falta de criterio de un operador poco o mal instruido

9 PROTECCIÓN DE LAS SUPERFICIES El sistema de pinturas constituye el método técnico-económico más conveniente para la protección de superficies y además otorga propiedades decorativas

10 PINTURAS ACUOSAS BASADAS EN SILICATOS INORGÁNICOS No tienen marcada significación económica Sistemas de protección con larga tradición Productos de alta calidad para superficies expuestas al exterior

11 SILICATOS INORGÁNICOS SOLUBLES EN AGUA La eficiencia en pinturas autocuradas aumenta con la relación SiO 2 /K 2 O o SiO 2 /Na 2 O (oscila entre 3,0/1 a 5,0/1) El silicato de litio genera por autocurado películas de elevada resistencia a la abrasión y durabilidad al exterior (relación SiO 2 /Li 2 O, 6,0/1 a 8,0/1) pero su costo elevado ha limitado su empleo en escala comercial

12 PINTURAS BASADAS EN SILICATOS ALCALINOS La incorporación de microsílice a silicatos alcalinos sólo mejora parcialmente la homogeneidad de la red polimérica inorgánica Las partículas de microsílice se orientan hacia la superficie de la película generando áreas mate o ligeramente satinadas, con diferencias en la resistencia a la abrasión, dureza, impacto, etc.

13 PINTURAS BASADAS EN SILICATOS ALCALINOS La incorporación de nanosílice a silicatos alcalinos mejora sensiblemente la homogeneidad de la red polimérica inorgánica Las nanopartículas tienen la capacidad de distribuirse uniformente en toda la superficie e incluso en el espesor de la película de pintura

14 PINTURAS BASADAS EN SILICATOS ALCALINOS La incorporación de nanosílice a silicatos alcalinos conduce a grandes mejoras en la resistencia a la abrasión, dureza, impacto, etc. y en la reflexión de la luz (mayor brillo) El uso de nanopartículas genera un efecto sinérgico con los silicatos solubles

15 PREPARACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE LOS SILICATOS ALCALINOS Para la preparación de las silicatos alcalinos se puede emplear un silicato de sodio o potasio comercial (i.e. relación molar sílice/álcali 3,5/1,0 y 30% p/p) y para incrementar dicha relación una solución de nanosílice coloidal también al 30% p/p

16 SEM DE NANOSÍLICES

17 FORMACIÓN DEL POLÍMERO INORGÁNICO La red polimérica de la película de pintura se forma por reacciones de hidrólisis y condensación de los silicatos alcalinos en medio ligeramente ácido (solublización del dióxido de carbono del aire) Las propiedades fisico-mecánicas de la película dependen de las condiciones medioambientales en que se lleva a cabo la reacción de curado

18 ESTRUCTURA DEL NANOSILICATO METÁLICO POLIMÉRICO

19 PINTURAS ACUOSAS BASADAS EN DISPERSIONES POLIMÉRICAS Tienen marcada significación económica Exhiben una breve historia Productos eficientes para mamposterías exteriores e interiores

20 DISPERSIONES POLIMÉRICAS COMO MATERIAL FORMADOR DE PELÍCULA Se presentan comercialmente como sistemas estables al estado coloidal y de aspecto lechoso El contenido de sólidos se encuentra generalmente entre 45 y 65%, siendo el valor más frecuente el de 50% en peso Incluyen diversas resinas sintéticas: acrílicas, vinílicas, etc.

21 DISPERSIONES POLIMÉRICAS COMO MATERIAL FORMADOR DE PELÍCULA Durante el secado, las distancias interparticulares disminuyen El exceso de presión creciente generado por la tensión superficial favorece la coalescencia La presencia de coalescentes facilita que las partículas se fusionen a temperatura ambiente

22 REPRESENTACIÓN DE UN MODELO DE FORMACIÓN DE PELÍCULA ETAPA DE SECADO CONTRACCIÓN DE LA PELÍCULA, TRANSICIÓN A UN ESTADO DE MAYOR DENSIDAD

23 REPRESENTACIÓN DE UN MODELO DE FORMACIÓN DE PELÍCULA COALESCENCIA Por deformación plástica del material polimérico se llenan completamente los intersticios y se forma una superficie no totalmente lisa

24 PINTURAS CON LIGANTES HÍBRIDOS Los productos acuosos con nanosilicatos inorgánicos modificados con dispersiones poliméricas para exteriores aúnan las propiedades características de cada material, en pinturas de un solo componente Relación silicato alcalino/resina acrílica: 1/1 de sólidos en volumen (ello indica que ambos formadores de película tienen considerable influencia sobre las propiedades finales)

25 NANO PIGMENTACIÓN PARA PINTURAS Los materiales en escala nanométrica presentan elevada relación superficie/volumen Esta área superficial es responsable de la enorme tendencia de las nanocargas a formar aglomerados

26 NANO PIGMENTACIÓN PARA PINTURAS Una eficiente explotación de sus propiedades estará relacionada con su dispersión homogénea dentro de la matriz polimérica Las nanopartículas se estabilizan cubriendo su superficie con un ligando o matrices protectoras adecuadas

27 NANO PIGMENTACIÓN PARA PINTURAS Usualmente los nano pigmentos en grandes niveles porcentuales: - Disminuyen sensiblemente la relación volumétrica pigmento/material formador de película - Decrecen las propiedades fisicomecánicas de la película - Incrementan los costos

28 MICRO Y NANO PIGMENTOS PARA PINTURAS HÍBRIDAS Se deben emplean micro y nano pigmentos en relaciones adecuadas: - Pigmento activo: TiO 2 (elevado índice de refracción) - Extendedores: silicato de aluminio (caolín), carbonato de calcio (tiza) y silicato de magnesio (talco)

29 NANO PIGMENTOS PARA PINTURAS HÍBRIDAS Los cationes de los nano pigmentos intervienen con mayor facilidad (afinidad química) en la silicificación reticulada que produce el silicato alcalino durante el curado/curado de la película

30 CONCENTRACIÓN DE PIGMENTO EN VOLUMEN (PVC) La formulación base tiene un valor de PVC = 65% y está cercano al valor crítico (CPVC) PVC = Volumen de pigmento x 100 Volumen de pigmento + volumen de ligante CPVC= valor de la PVC en el que el ligante es absorbido por las partículas y además ocupa todos los intersticios generados en un denso empaquetamiento

31 NANOFIBRAS DE REFUERZO Actualmente, frente a la explosión de la nanotecnología se están utilizando también nanofibras de refuerzo de diferente naturaleza química Nota: Se define como fibra a cualquier material que tiene una relación mínima de largo / promedio de la dimensión transversal de 10/1

32 NANOFIBRAS DE REFUERZO Las pinturas pueden incluir entre otras nanofibras de carbono, vidrio, alúmina y aramida (entre 1 y 3% v/v sobre película seca) Las nanofibras deben presentar mayor tensión a la tracción y similar flexibilidad (módulo de elasticidad más elevado) que el material formador de película

33 NANOFIBRAS DE CARBONO

34 NANOFIBRAS DE CARBONO

35 NANOFIBRAS DE REFUERZO La adecuada adhesión entre las fases (fibras de refuerzo y material formador de película) resulta indispensable para que las nanofibras absorban los esfuerzos de tracción a que se somete la película en servicio por falta de estabilidad dimensional del sustrato

36 ADITIVOS PARA LAS PINTURAS HÍBRIDAS Los agentes dispersantes y estabilizantes, espesantes y modificadores reológicos, etc. deben ser preferentemente inorgánicos para evitar la saponificación en el envase Nota: Las nanoarcillas se están empleando en gran escala como agentes reológicos

37 ADITIVOS PARA LAS PINTURAS HÍBRIDAS Los preservadores (fungicidas y algicidas) deben ser eficientes en la película en servicio, en donde el ph es aproximadamente neutro debido a la silicificación durante el curado Nota: materiales inorgánicos nanoestructurados, con adecuada actividad anti-microbiana en la película seca de los revestimientos en servicio, son nanopartículas de cobre, óxidos de zinc, plata y derivados de plata

38 ESTRUCTURA DE LA PELÍCULA HÍBRIDA Los polímeros orgánico e inorgánico se intercalarían formando un microcompuesto de fases separadas, con nanosílice dispersada en la fase orgánica Las nanofibras se distribuyen uniformemente en ambas fases por un ajuste previo de sus respectivas tensiones superficiales

39 RESISTENCIA AL AGUA Valores de permeabilidad al vapor de agua y coeficientes de absorción de agua satisfactorios (alcanzan un grado de compromiso aceptable entre el comportamiento individual de los ligantes) La absorción de agua disminuye por la incorporación al nanosilicato alcalino de la dispersión polimérica (protección del sustrato) pero mantiene una película de poro abierto que permite disipar el vapor de agua (resistencia a la formación de ampollas)

40 RESISTENCIA A LA LUZ SOLAR - Excelente retención de color y brillo - Elevada resistencia al tizado, cuarteado, agrietado, escamación, adhesión, etc.

41 PROPIEDADES MECÁNICAS La elevada superficie de los nanomateriales que interaccionan con los polímeros y la adecuada adhesión en la interfase polímero inorgánico-polímero orgánico influirían en forma decisiva en el comportamiento mecánico de la película Se facilita la transferencia de esfuerzos a la fase inorgánica y a los nanomateriales (aumento de la resistencia a la tracción, sin una disminución apreciable de la flexibilidad etc.)

42 OTRAS PROPIEDADES Elevada resistencia a la abrasión húmeda Buena lavabilidad (las manchas se eliminan fácilmente) Elevada resistencia a la acción de los microorganismos en el envase, debido al ph fuertemente alcalino

43 DESVENTAJAS DE LOS NANO RECUBRIMIENTOS HÍBRIDOS Pueden saponificar películas aplicadas basadas en dispersiones poliméricas o emulsiones; en estos casos el repintado debe contemplar la eliminación del esquema existente Se elaboraran con colores limitados, dado que los pigmentos deben ser preferentemente inorgánicos para evitar reacciones no deseadas en el envase

44 CONCLUSIONES Las películas de los nano recubrimientos acuosos presentan las propiedades mecánicas y fisicoquímicas acorde con el carácter inorgánico intrínseco del nano silicato alcalino y el comportamiento propio de las dispersiones poliméricas, incluso con un marcado efecto sinérgico

45 CONCLUSIONES Los recubrimientos híbridos basados en nano pigmentos bien dispersadas en la matriz polimérica mejoran notablemente las propiedades fisicomecánicas de la película

46 CONCLUSIONES Los recubrimientos híbridos reforzados con nano fibras están en condiciones de evitar o controlar la propagación de fisuras en la película por agrietado o cuarteado del material de base durante su vida útil

47 CONCLUSIÓN FINAL Las citadas propiedades convierten a los nano revestimientos híbridos en altamente adecuados para su utilización en la conservación y preservación de monumentos y edificios históricos

48 MUCHAS GRACIAS