Recubrimiento híbrido acrílico-siloxano para materiales de construcción y procedimiento de obtención.

Este invento es un producto para la modificación superficial de sustratos con el fin de reducir su carácter deslizante. Consiste en un recubrimiento adhesivo híbrido orgánico-inorgánico en base agua, con buenas propiedades mecánicas, aplicable a la superficie de un material de revestimiento, para reducir su resbaladicidad.

El procedimiento de obtención es una combinación de dos procedimientos:

- IPN (Interpenetrating Polymer Networks).

- Síntesis de híbridos a través del proceso sol-gel.

La combinación de estos dos procedimientos para la fabricación del producto, permite la adición de un mayor porcentaje en peso de silicio en la formulación final sin producirse típicos fenómenos de sedimentación.

Recubrimiento híbrido acrílico-siloxano para materiales de construcción y procedimiento de obtención.

Objeto

El sector industrial al que pertenece este invento es el de los materiales de construcción y particularmente el de los pavimentos fabricados en base a piedra natural, piedra aglomerada, terrazo y cerámica.

Este invento consiste en un producto y un procedimiento doble, especialmente concebido para la fabricación de dicho producto.

El producto es un recubrimiento adhesivo híbrido orgánico-inorgánico en base agua, con buenas propiedades mecánicas, aplicable a la superficie de un material de revestimiento, con el objeto de reducir su resbaladicidad.

El método de obtención es una combinación de dos procedimientos:

- Síntesis de híbridos IPN (Interpenetrating Polymer Networks).

- Incorporación de Si a través del proceso sol-gel.

La combinación de estos dos procedimientos para la fabricación del producto, permite la adición de un mayor porcentaje en peso de silicio en la formulación final sin producirse típicos fenómenos de aglomeración. La formación de enlaces químicos Si-O-Si a través de este proceso de invención confiere a los recubrimientos notables propiedades.

Antecedentes de la invención

Según informes sobre estadísticas de accidentes domésticos y de ocio, un 50% son producidos por caídas en el uso del edificio y, concretamente, entre las causas que producen dichos accidentes se encuentra la caída en el mismo nivel por resbalamiento con un 18,41% (DADO, 2001). Este tipo de accidente es también una causa de lesiones en accidentes laborales (Pacios et al, 2002).

Actualmente existe normativa en la que se especifica que el suelo sea, no resbaladizo, o no deslizante, tal como el Real Decreto 486/1997, del 14 de abril, por el que se establecen las disposiciones mínimas de seguridad y salud en los lugares de trabajo o las normativas referentes a accesibilidad redactadas por las Comunidades Autónomas, que hacen referencia, en distintos puntos, a suelos o pavimentos no deslizantes.

Existen ensayos normalizados que permiten evaluar y estudiar los parámetros que hacen un suelo más o menos deslizante y a los que se deben someter aquellos materiales que se quiera destinar a la instalación de pavimentos.

El desarrollo completo de esta exigencia obliga a identificar las zonas en las que es necesario utilizar un pavimento que ofrezca resistencia al resbalamiento, así como clasificar los materiales empleados en pavimentación según su contribución al resbalamiento. El primer aspecto es responsabilidad de la administración como respuesta al tipo de accidentes, grupo de población afectado, lesiones,... En el segundo aspecto, los fabricantes han tenido un papel activo con la finalidad de promover sus productos ante supuestas reservas de los técnicos.

Entre las soluciones posibles a este problema se encuentra la protección del material de construcción con un recubrimiento polimérico. Los polímeros más ampliamente utilizados para la protección de revestimientos en construcción son resinas de silicona y siloxano, resinas acrílicas y polímeros fluorados. Por lo que se puede tener en cuenta su uso como tratamientos de protección antideslizamiento de materiales de construcción, teniendo en cuenta la particularidad de que deben tener elevadas propiedades tribológicas para que su efecto en un pavimento sea duradero.

Las resinas acrílicas son, con diferencia, los polímeros más empleados y estudiados en el sector de la restauración de revestimientos gracias a sus excelentes características consolidantes, de transparencia, claridad y resistencia a la radiación UV, calor y a condiciones meteorológicas adversas durante largos períodos de tiempo. En bibliografía se encuentran una gran cantidad de estudios científicos sobre este tipo de protectores, siendo destacables los trabajos realizados por M. Lazzari y O. Chiantore sobre protectores acrílicos comerciales del tipo Paraloid (Acryloid en el mercado americano) y los efectos que a nivel molecular produce su exposición a la radiación UV y a la temperatura.

Los estudios realizados con los polímeros acrílicos que se acaban de describir corresponden a productos formulados en base disolvente. En la actualidad, por razones medioambientales y riesgos en la salud asociados a la exposición prolongada a disolventes, existe un rechazo cada vez mayor a este tipo de productos, lo que está forzando a su sustitución por formulaciones en base acuosa con características similares. El agua, a diferencia de la mayoría de disolventes orgánicos, es un disolvente económico, no inflamable y, sobre todo, no tóxico. Además, se persigue el cumplimiento de la Directiva Europea 2004/42/CE de 21 de abril de 2004 la cual introduce limitaciones importantes en el contenido de COV (Compuestos Orgánicos Volátiles) cuyo ámbito de aplicación incluye los recubrimientos aplicados a los edificios, carpintería y estructuras asociadas para fines decorativos, funcionales o de protección.

En cuanto a la utilización los polímeros acrílicos en dispersión acuosa obtenidos mediante un proceso de polimerización en emulsión su evaluación como recubrimiento protector es muy favorable respecto a las siguientes propiedades: adhesión, estabilidad química, propiedades ópticas, estabilidad frente a la degradación por radiación ultravioleta.

Aprovechando las propiedades de los polímeros acrílicos se puede tratar de mejorar el recubrimiento hecho con este tipo de materiales con el fin de conferirle propiedades adicionales. Este objetivo se puede alcanzar mediante el uso de polímeros híbridos orgánico-inorgánico que combinan las características típicas de los polímeros orgánicos con las propias de los materiales cerámicos inorgánicos. Estas propiedades se resumen en la Tabla 1.

La síntesis de de polímeros híbridos se puede llevar a cabo mediante diferentes procedimientos, pero la que aquí se presenta consiste en la combinación de dos rutas sintéticas: síntesis de sistemas híbridos IPN (Interpenetrating Polymer Network) y proceso sol-gel. Con ello se consigue la incorporación de un mayor porcentaje de silicio en la composición del producto final, lo cual se traduce en un aumento de las propiedades tribológicas y antideslizantes del recubrimiento, con ventajas claras en la problemática de suelos previamente descrita.

La metodología de formación de híbridos IPN permite obtener materiales que contengan dos polímeros, cada uno de los cuales en forma de red. Estrictamente hablando, un IPN debe cumplir las siguientes premisas: (1) los dos polímeros deben sintetizarse y/o entrecruzarse en presencia del otro, (2) los dos polímeros deben poseer cinéticas de reacción similares y (3) los dos polímeros no deben sufrir una separación de fases. Sin embargo, y a pesar de estas férreas restricciones, en la bibliografía científica se aceptan como IPNs los sistemas en los que únicamente uno de los polímeros se encuentra entrecruzado, lo que ocurre cuando los polímeros se obtienen por vías diferentes, o los sistemas compuestos por polímeros con cinéticas de reacción muy diferentes.

Por otro lado, en la actualidad existen distintos procedimientos para obtener materiales híbridos nanoestructurados pero el método sol-gel está siendo cada vez más usado (Yang et al. 2002) ya que es un método simple, reproducible, flexible, de bajo coste y sobre todo es importante resaltar es que no necesita temperatura. El proceso conocido como sol-gel se basa en reacciones hidrólisis-condensación de precursores como pueden ser los alcóxidos metálicos M(OR)₄. La finalidad es conseguir dispersar fases inorgánicas a nivel molecular las cuales están interconectadas tridimensionalmente a un polímero orgánico. La estructura final posee propiedades muy superiores en comparación con las técnicas tradicionales de incorporación de compuestos inorgánicos. En el proceso sol-gel la fase inorgánica se forma in situ, mediante reacciones de hidrólisis condensación de alcóxidos metálicos (normalmente de silicio) mediante las siguientes reacciones, en las que R representa el grupo alquilo (Esquema 1):

Esquema 1

1. Recubrimiento híbrido acrílico-siloxano para materiales de construcción especialmente concebido para su fabricación, caracterizado porque, su composición es la siguiente:

a) Dos o mas monómeros acrílicos de fórmula general (I) seleccionados de metacrilato de metilo, acrilato de metilo, acrilato de etilo, acrilato de butilo, ácido acrílico o ácido metacrílico en donde R¹ es un átomo de hidrógeno o un grupo metilo. R² es un átomo de hidrógeno o un grupo funcional alquilo seleccionado de sustituyentes metilo, etilo o butilo.

b) Un organosilano insaturado de fórmula general (II)

en donde R¹ es un grupo alquilo, seleccionado de los sustituyentes metilo y etilo. R² es un grupo funcional alqueno-terminal seleccionado de sustituyentes vinilo o 3-metacriloxipropilo.

c) Un éster silícico de fórmula general (III):

en donde R es un grupo alquilo, seleccionado de los sustituyentes metilo y etilo, el cual se incorpora tanto en el proceso de polimerización como de forma posterior.

d) La razón en peso preferible metacrilato de alquilo/acrilato de alquilo es de 44:56 a 52:48, y razones en peso de ésteres acrílicos/ácido acrílico desde 90:10 hasta 99:1.

e) Se emplea como componente (II) en el proceso de polimerización el vinilalcoxisilano previamente seleccionado de viniltrimetoxisilano, viniltrietoxisilano o 3-metacriloxipropiltrimetoxisilano.

f) En el caso de utilizar un vinilalcoxisilano (II) como monómero en el proceso de polimerización radicalaria, es preferiblemente emplear un porcentaje en peso del 1% con respecto al total del contenido en sólidos.

g) Como componente (III) se emplea un éster de silicio previamente seleccionado de tetrametoxisilano y tetraetoxisilano. Las cantidades relativas utilizadas rondan el intervalo del 1 al 30% en peso con respecto al contenido total de la emulsión.

2. Procedimiento doble, de obtención de un recubrimiento híbrido acrílico-siloxano para materiales de construcción caracterizado porque, consta de los dos procedimientos y pasos siguientes, aplicados uno a continuación del otro:

- Síntesis de híbridos IPN (Interpenetrating Polymer Networks).

- Incorporación de silicio a través del proceso sol-gel.

Paso 1: En un matraz reactor de 500 mL se adiciona una disolución de NaHCO₃ en agua destilada (0.1% en peso), agitando con una varilla para asegurar su total disolución, purgándose después con N₂ seco para asegurar su desgasificación.

Paso 2: Se conecta la circulación de agua a 65ºC por la camisa del reactor y se pesan los reactivos. Cuando la temperatura del medio de reacción se encuentra cercana a la de reacción, se extrae una alícuota de la disolución de NaHCO₃ que se utiliza para disolver el iniciador peroxodisulfato de potasio (KPS). Seguidamente, se introduce el surfactante en porciones sucesivas.

Paso 3: Se adicionan los monómeros acrílicos y alquenilalcoxisilanos, con el porcentaje en peso correspondiente. La mezcla de reacción se mantiene en agitación mecánica durante 5 minutos para conseguir una mejor homogeneidad. Finalmente, se introduce la disolución del iniciador KPS en agua destilada.

Paso 4: Se lleva a cabo el seguimiento de la reacción a partir de métodos gravimétricos. Cuando la reacción se completa, se detiene la agitación y se enfría hasta alcanzar temperatura ambiente. A una cantidad conocida de la emulsión acuosa correspondiente se añade NH₄OH al 25% hasta conseguir un pH cercano a 10. Mientras tanto, se prepara una mezcla de tetraetoxisilano (TEOS) y agua destilada en una proporción determinada, dejándola en agitación durante 5 minutos. Después, se adiciona una determinada fracción en peso de esta disolución a la correspondiente emulsión acuosa previamente basificada y se mantiene en agitación durante 30 minutos.

Paso 5: Las distintas emulsiones poliméricas se dejan reposar durante 1 h y se adiciona coalescente BYK 346 con el fin de optimizar la humectación del sustrato.

Paso 6: Se realizan distintos ensayos para evaluar la calidad de dichos recubrimientos.