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Nos encontramos con tinta y pintura a diario. Estos materiales se utilizan para escribir e imprimir, protección contra los elementos, motivos estéticos y mucho más. Nuestro registro histórico existe en gran parte debido a estas sustancias. ¿Cómo se fabrican las pinturas y tintas y qué medidas de control de calidad (QC) se toman? Este artículo de blog cubre una breve historia de esta industria, el proceso de fabricación y cómo la espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) se puede utilizar como una solución de control de calidad multiparamétrico.

¿Cuál es la diferencia entre pintura y tinta?

La pintura es una sustancia que se aplica como líquido o pasta y que al secarse forma una capa sólida. Este recubrimiento protege y/o añade color al objeto o superficie sobre la que se ha aplicado. 

La tinta Es un fluido a base de pigmentos o colorantes que se utiliza para escribir, imprimir, etc.

Orígenes y breve repaso histórico de la tinta y la pintura.

Haga clic en las flechas a continuación para obtener más información sobre los orígenes y la historia de estos dos materiales.

Muchas culturas formularon sus propias tintas de forma independiente, generalmente basadas en el hollín (pigmento) sobrante de las hogueras combinado con agua (portador). De hecho, esta sencilla composición es la base de tinta china, que todavía está en uso hoy. 

Los chinos y egipcios establecieron recetas de tintas duraderas hace al menos 4.500 años. Estas tintas se basaban en fuentes vegetales, animales y minerales. En Europa, antes de la Edad Media, la tinta también se preparaba a partir de polvo de carbón negro y agua, con goma arábiga u otros aglutinantes. 

Finalmente, los romanos desarrollaron una fórmula mejor conocida como tinta de hiel de hierro (o roble). La tinta de hiel de hierro era relativamente fácil de fabricar a partir de sulfato de hierro (II) (FeSO4), ácido tánico y goma arábiga. Esta tinta permanente se utilizó hasta que las tintas producidas químicamente comenzaron a ganar popularidad a mediados del siglo XX.

En la década de 1440, la invención de la imprenta requirió un nuevo tipo de tinta. Las variedades a base de agua simplemente no eran adecuadas para una impresión de buena calidad. Las tintas a base de aceite se desarrollaron con este fin para ayudar a adherirse mejor a la superficie de impresión. 

La pintura es una forma de pigmento líquido que se utiliza para decorar o proteger superficies. Es difícil determinar cuándo se hicieron las primeras pinturas, ya que son anteriores a la historia escrita. Los registros más antiguos del uso de pintura son pinturas rupestres, como las encontradas en Francia, España, y Sudáfrica. Estas pinturas primitivas se elaboraban moliendo sustancias pigmentadas (p. ej., ocre) y mezclándolas con un aglutinante líquido simple (p. ej., huevos) para ayudarlas a adherirse a superficies como la piedra.

Las pinturas a base de agua se han utilizado a lo largo de la historia para crear obras de arte atemporales. Por ejemplo, los antiguos egipcios utilizaban tonos atrevidos y vibrantes para adornar sus cámaras funerarias. Miguel Ángel pintó el famoso techo de la Capilla Sixtina siglos después con un simple pigmento en polvo mezclado con agua (fresco). 

Las pinturas a base de aceite se desarrollaron ya en el año 600 d.C., como se ve en las pinturas rupestres encontradas en Afganistán. Estas pinturas sustituyen el agua por un aceite secante y también pueden contener otros modificadores. Las pinturas al óleo también se han utilizado con fines artísticos (por ejemplo, la Mona Lisa de Leonardo da Vinci, la Noche estrellada de Vincent van Gogh), pero también son populares por motivos de protección, como por ejemplo para impermeabilizar la madera.

Los pigmentos naturales generalmente provienen de fuentes vegetales, minerales o arcillosas. Los pigmentos sintéticos, que se elaboran mediante técnicas de procesamiento químicas, térmicas u otras, ofrecen una variedad mucho más amplia de colores. Tanto los pigmentos naturales como los sintéticos se pueden clasificar como orgánicos o inorgánicos.

También se encuentran disponibles soportes/aglutinantes naturales y sintéticos. En el pasado, las pinturas a base de aceite utilizaban frecuentemente aceite de linaza como soporte. A principios del siglo XX, se inventaron y utilizaron los alquídicos artificiales para este propósito. Los alquídicos eran baratos y fáciles de fabricar, mantenían bien el color y eran duraderos. Más tarde, se desarrollaron pinturas a base de polímeros, como las acrílicas y las de látex, que siguen siendo populares hoy en día.

El uso de aglutinantes sintéticos dio lugar a pinturas de secado rápido, con menor tendencia a amarillear y con una amplia gama de apariencias y propiedades de manipulación. Para las formulaciones en emulsión, los aglutinantes sintéticos han eliminado el uso de disolventes orgánicos como diluyentes y diluyentes.

¿De qué está hecha la pintura?

La pintura suele estar compuesta de pigmento, resina, disolvente y aditivos.

Los pigmentos se utilizan para proporcionar color y controlar el nivel de brillo. Una concentración de volumen de pigmento (PVC) más baja da como resultado un acabado brillante, mientras que un alto nivel de PVC da una apariencia mate y plana.

La resina es el aglutinante que mantiene unidas las partículas de pigmento y proporciona adhesión a la superficie pintada.

El disolvente actúa como portador de los pigmentos y la resina. Puede ser orgánico o a base de agua.

Los aditivos se utilizan para mejorar ciertas propiedades, como la facilidad de cepillado, la resistencia al moho, la resistencia al desgaste, el secado y la resistencia al pandeo.

¿Cómo se fabrica la pintura?

El proceso de producción de pintura se puede dividir en cuatro pasos básicos. Primero, se hace la pasta (Figura 1), luego los pigmentos se muelen y dispersan para fines de homogeneidad (Figura 2). En el tercer paso, la pasta se diluye (Figura 3), y finalmente se empaqueta el producto final (Figura 4). 

Sin embargo, diferentes ingredientes requieren una adaptación del proceso de producción y el ejemplo mostrado es una generalización. Los recubrimientos se fabrican en un proceso por lotes y se aplican pruebas rigurosas durante todo el proceso de producción para garantizar la calidad.

Figura 1. El primer paso en la producción de pintura es hacer la pasta mezclando pigmentos, aditivos, aglutinantes y disolventes.
Figura 2. El segundo paso en la producción de pintura es moler y dispersar los pigmentos en la pasta.
Figura 3. El tercer paso en la producción de pintura es donde la pasta se diluye con solventes, aglutinantes y pigmentos adicionales.
Figura 4. El último paso en la producción de pintura es el envasado del producto final una vez filtrado.

Control de calidad y cribado de tintas y pinturas. 

El control de calidad (QC) de la tinta y la pintura se puede realizar fácilmente durante todas las etapas de producción con espectroscopía de infrarrojo cercano (NIR). El uso de NIRS para el control de calidad y el cribado de tinta y pintura es más eficiente y rentable que otros métodos analíticos. 

El resto de este artículo de blog cubre una breve descripción de la espectroscopia NIR y sus aplicaciones para la industria de tintas y pinturas. Se proporcionan ejemplos de cómo los productores de tintas y pinturas pueden beneficiarse del uso de instrumentos NIRS para garantizar y controlar la calidad para fabricar productos de alta calidad.

Espectroscopia NIR: ¿cómo funciona?

La espectroscopía NIR es una técnica analítica que utiliza la interacción entre la luz y la materia para determinar los parámetros físicos y químicos de una muestra. En esta situación, la luz se describe por longitud de onda o números de onda en lugar de por la energía aplicada. La interacción se puede medir, por ejemplo, con la Analizador de líquidos Metrohm DS2500 (Figura 5a), que genera espectros NIR (Figura 5b).

Figura 5. a) El analizador de líquidos Metrohm NIRS DS2500. b) Ejemplo de espectros resultantes de la interacción de luz NIR con cinco muestras diferentes de secadores de pintura.

Como NIRS es bastante sensible a la presencia de algunos grupos funcionales moleculares, es una técnica ideal para cuantificar muchos parámetros químicos. Contenido no volátilcompuestos orgánicos volátiles, contenido de tintecontenido de surfactante, y humedad se puede medir simultáneamente en pintura o tinta. Incluso la detección de parámetros físicos como densidad y viscosidad Es posible con NIRS. 

Un único espectro NIR contiene toda esta información, lo que hace que la espectroscopia de infrarrojo cercano sea adecuada para un análisis rápido de múltiples parámetros. 

Elección del modo de medición NIRS

El modo de medición NIRS depende del tipo de muestra a analizar. 

Al analizar líquidos, el modo de transmisión es apropiado (Figura 6). Durante la transmisión, la luz NIR se absorbe mientras viaja a través de la muestra y la luz no absorbida va directamente al detector. 

Figura 6. a) Las mediciones de líquidos normalmente se realizan con viales desechables. b) El modo de medición NIRS se conoce como transmisión, donde la luz viaja a través de la muestra mientras es absorbida (de izquierda a derecha en la ilustración).

Al analizar pastas, el modo de transflexión se prefiere (Figura 7). En este caso se utiliza un sello de oro como reflector difuso. En este caso, la luz NIR se dirige a través de la muestra de pasta mientras es absorbida y reflejada por el sello dorado. La luz NIR reflejada es absorbida aún más por la muestra y finalmente llega al detector.

Figure 7. a) La medición de las pastas se realiza normalmente en un recipiente para lechada utilizando un sello dorado como reflector difuso. b) El modo de medición se conoce como transflexión, donde la luz viaja a través de la muestra, se refleja en el reflector difuso y viaja nuevamente a través de la muestra mientras es absorbida.

Ventajas de utilizar NIRS para fines de control de calidad y detección

La espectroscopia de infrarrojo cercano tiene varias ventajas sobre otras técnicas analíticas, especialmente cuando se trata de control de calidad y detección. 

NIRS es rápido y proporciona resultados en menos de un minuto. No se requiere preparación de muestras, lo que ahorra aún más tiempo. Las mediciones no son destructivas, por lo que las muestras se pueden reutilizar. No se necesitan reactivos cuando se utiliza espectroscopía NIR para el análisis. Esto no sólo reduce el coste por muestra, sino que también hace que esta técnica sea respetuosa con el medio ambiente. 

NIRS también cumple con estándares internacionales como ASTM E1655: Prácticas estándar para el análisis cuantitativo multivariado por infrarrojos, lo que simplifica su adopción por parte de las industrias. Finalmente, NIRS es fácil de usar y puede ser operado por personal no técnico, a diferencia de otras técnicas analíticas más complicadas.

Parámetros de control de calidad y cribado para la producción de tintas y pinturas.

Los productos de tinta y pintura se someten a varios métodos de prueba estandarizados para determinar sus propiedades químicas y físicas. Estas pruebas de laboratorio son una parte indispensable de la investigación, el desarrollo y el control de calidad. tabla 1 enumera los parámetros de prueba más relevantes para el control de calidad y cribado de tintas y pinturas.

En las siguientes secciones se muestran ejemplos de aplicaciones que muestran la capacidad de NIRS para analizar varios de estos parámetros simultáneamente a partir de la misma muestra.

Tabla 1. Varios parámetros de control de calidad y detección para tinta y pintura junto con el método típico utilizado para el análisis.

Parámetro Método de análisis convencional
Viscosidad intrínseca y cinemática. Viscometría
Humedad Titulación de Karl Fischer
Contenido de surfactante Titulación
Contenido no volátil / Contenido de sólidos Pérdida por secado (LOD)
Contenido de tinte/Contenido de pigmento Incendiar
Compuestos orgánicos volátiles (COV) Múltiples métodos químicos húmedos
Aditivos y ceras en pintura para embalaje. HPLC y GC

Ejemplo de aplicación: Control de calidad de tinta con NIRS

Al realizar controles de calidad durante la producción de tinta, los parámetros típicos que se miden son el contenido de tinte, dietilenglicol (DEG), tensioactivo y agua. El tinte (por ejemplo, trifenilmetano/fenazina o tintes azoicos) da color a la tinta. El dietilenglicol se utiliza como disolvente y evita que la tinta se seque. Los tensioactivos controlan la textura y evitan que la tinta forme espuma.

Estos parámetros generalmente se monitorean utilizando diferentes técnicas analíticas que incluyen incineración, titulación y titulación Karl Fischer. La preparación de muestras requiere mucho tiempo y el uso de múltiples métodos de determinación es engorroso. Al utilizar NIRS, se pueden medir simultáneamente varios parámetros de control de calidad de la tinta y obtener resultados en menos de un minuto. 

Los espectros NIR de varias muestras de tinta se muestran en Figura 8 con el respectivo diagrama de correlación para la predicción del contenido de colorante en Figura 9. Las cifras de mérito para la predicción NIRS de tinte, DEG, surfactante y agua en tinta se dan en Tabla 2.

Figura 8. Selección de espectros Vis-NIR a partir de muestras de tinta medidas en un analizador Metrohm NIRS DS2500 en modo de transflexión. La incrustación muestra cómo los espectros difieren según el contenido de tinte.
Figura 9. Diagrama de correlación para la predicción del contenido de colorante en tinta utilizando un analizador Metrohm NIRS DS2500.

Tabla 2. Cifras de mérito para varios parámetros de control de calidad en muestras de tinta utilizando un analizador Metrohm NIRS DS2500.

Figuras de merito Contenido de tinte Contenido DEG Contenido de agua Contenido de surfactante
R2 0,996 0,993 0,991 0,977
Error estándar de calibración (SEC) 0,0835% 0,5037% 0,5571% 0,0368%
Error estándar de validación cruzada (SECV) 0,0949% 0,5888% 0,9614% 0,1316%

Ejemplo de aplicación: control de calidad de secadores de pintura con NIRS

Los secadores de pintura disminuyen el tiempo de secado de las pinturas y afectan el brillo y la claridad del recubrimiento. En este caso, los principales parámetros de control de calidad de interés son el contenido de metal, el contenido de sólidos, la viscosidad y la gravedad específica. 

Todos los procedimientos de prueba de referencia para estos parámetros se especifican en los procedimientos ASTM:Norma ASTM D2373, Norma ASTM D1644, Norma ASTM D5125, y Norma ASTM D2196. Cada estándar utiliza diferentes instrumentos analíticos para la medición: balanzas y hornos, tituladores, hidrómetros y viscosímetros. Por el contrario, utilizar NIRS para medir todos estos parámetros simultáneamente ahorra una cantidad significativa de tiempo y reduce los costos por análisis.

Figura 10. Selección de espectros Vis-NIR de muestras de secadores de pintura medidas en un analizador de líquidos Metrohm NIRS DS2500 en modo de transmisión. Los espectros difieren según el contenido de cobalto.
Figure 11. Diagrama de correlación para la predicción del contenido de cobalto en secadores de pintura utilizando un analizador de líquidos Metrohm NIRS DS2500.

Tabla 3. Cifras de mérito para varios parámetros de control de calidad en muestras de secadores de pintura utilizando un analizador de líquidos Metrohm NIRS DS2500.

Figuras de merito Contenido de cobalto* Contenido de sólidos Gravedad específica Viscosidad
R2 0,999 0,999 0,977 0,999
SEGUNDO 0,08% 0,24% 0,003% 9,3 MPa
SECV 0,09% 0,29% 0,003% 10,9 MPa
* El rango espectral con mejores resultados para la medición de cobalto fue en la región visible (400–800 nm, ver Figura 9).

Resumen

NIRS es una excelente opción para el control de calidad y cribado de tintas y pinturas a lo largo de toda la cadena de producción, desde las materias primas hasta los productos terminados. No se pueden subestimar sus ventajas sobre otras técnicas analíticas. La capacidad de realizar análisis multiparamétricos en una sola muestra con resultados en menos de un minuto ahorra una increíble cantidad de tiempo y dinero. 

Las técnicas de laboratorio convencionales suelen requerir un preacondicionamiento de la muestra o productos químicos y personal cualificado para realizar los análisis. Cada parámetro se mide en un instrumento diferente y, por lo tanto, los resultados tardan mucho más en generarse. 

Aumente la eficiencia en el laboratorio de control de calidad: cómo NIRS ayuda a reducir los costos hasta en un 90 %

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Subestimar los procesos de control de calidad es uno de los principales factores que conducen a fallas internas y externas del producto, que según se informa causan una pérdida de facturación de entre el 10% y el 30%. Como resultado, se implementan muchas normas diferentes para ayudar a los fabricantes en esto. Sin embargo, el tiempo para obtener resultados y los costos asociados de los productos químicos pueden ser bastante excesivos, lo que lleva a muchas empresas a implementar la espectroscopia de infrarrojo cercano en su proceso de control de calidad. Este documento técnico ilustra el potencial de NIRS y muestra potenciales de ahorro de costes de hasta un 90 %.

Autores
Guns

Wim Guns

International Sales Support Spectroscopy
Metrohm International Headquarters, Herisau, Switzerland

Contacto

Lanciki

Dr. Alyson Lanciki

Scientific Editor
Metrohm International Headquarters, Herisau, Switzerland

Contacto