Proyecto de innovacion y mejora en procesos de pintado automotriz

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1. Índice

1. Resumen

1. Introducción

1. Planteamiento del Problema

1. La mayoría de los COV (Componentes Orgánicos Volátiles) utilizados en pintura de automóviles se emiten al aire durante su aplicación y secado. El uso directo de pinturas ha provocado entre 425-475.000 toneladas de emisiones COV. La reducción de los COV es de gran importancia para la industria de la pintura.

1. Con el secado de las piezas automotrices empleando una corriente de aire a temperatura ambiente, aproximadamente 30 °C, con el cual los solventes contenidos en la pintura no se difundirán uniformemente y el tiempo de evaporado es muy prolongado.

1. En la etapa de la evaporación de los solventes en la cámara de pintado y secado para automóviles la utilización de un corriente de aire a una velocidad menor de 0.2 m/s provoca que los solventes contenidos en la pintura no se difunden uniformemente, formando poros debido a los solventes residuales que no han sido liberados a la superficie.

1. Justificación

1. Las opciones para la reducción de COV

Las principales opciones para la reducción de las emisiones son:

• Cambiar productos de base disolvente por productos en base agua: Durante las últimas décadas el uso de productos de base agua dentro del mercado de pinturas de automóviles ha aumentado hasta el extremo de que actualmente representa un 60% del volumen total.
• Reducir el disolvente que contienen los productos de base disolvente.

DESVENTAJA 

• Los productos de base agua en comparación con los productos de base disolvente no ofrecen la calidad y el comportamiento que se requiere.

• Son más caros y normalmente secan más despacio los productos que contienen menor cantidad de solventes volátil.  

VENTAJA

Es posible producir productos de base disolvente con un menor contenido de disolvente utilizando la moderna tecnología de altos contenidos en sólidos que puede ser usada para formular productos que ofrecen muchas de las propiedades que se atribuyen a los tradicionales productos en base disolvente, pero que reducen significativamente el contenido de disolvente.

1. Al realizar la evaporización de una pieza automotriz con aire caliente, los solventes se difunden con mayor rapidez al aire circundante, por lo tanto se debe calentar el aire que ingresa a la cámara de evaporización con temperatura máxima de 70°C.

VENTAJAS

El aire caliente puede ser soplado no solo en el revestimiento sino también en la parte posterior de la pieza, lo que resulta en un calentamiento de doble cara y una mayor eficiencia en el punto de equilibrio térmico.

El flujo másico de volátiles que se difunden con mayor rapidez, y posterior la difusividad disminuye cuando el recubrimiento está casi seco.  

La temperatura del sustrato y la película de pintura cambian con el tiempo debido a la transferencia de calor y masa por convección, evaporación y radiación.

DESVENTAJAS

Durante  un evaporado lento (temperatura ambiente), las moléculas tienen más tiempo para relajarse antes de que el movimiento cese efectivamente; por lo tanto, hay una tendencia alta de agrietarse o formar porosidades.

Al emplear aire a temperatura ambiente, el contenido de humedad es demasiado alto, no tendrá lugar a un evaporado eficaz; incluso puede conducir la humedad del aire hacia el recubrimiento, formando imperfecciones como la acumulación de burbujas de aire en la superficie.

Si la temperatura es superior a 70°C, se produce un defecto en la superficie, el llamado “Piel de naranja”, ésta  falla es efecto de la evaporación demasiada rápida de los solventes. 

1. El rango idóneo de la velocidad del aire en la cámara de pintado y secado para automóviles es de 0,2 a 0,4 m/s, utilizando una turbina de 15 Kw.  

VENTAJA

Un aumento de la velocidad del aire en la cámara permite que la evaporación de los solventes volátiles de la pintura sea rápida rápida pero de una manera controlada.

DESVENTAJAS

Un aumento en la velocidad del aire proporcionado por las turbinas ocasiona desniveles en la superficie de pintura debido a la baja adherencia que posee la pintura fresca sobre la carrocería o superficie metálica, dando así un efecto semejante al del anillo de café, donde las partículas esféricas tienden a desplazarse hacia el borde de manera que, cuando el líquido se evapora, la mayoría de las partículas han llegado a ese límite y forman la mancha con forma de anillo, en la cual su superficie tiene forma de ondas

1. Marco teórico

SECADO

El secado es una operación unitaria importante en un proceso de fabricación. Un ejemplo es la formación de película que requiere la eliminación de agua para permitir que las partículas se empaqueten y formen una película compacta y bien definida. Esta eliminación de agua se logra por evaporación [1]. Además de la formación de película, existen varios otros ejemplos en los que es deseable reducir la cantidad de agua (o incluso cualquier disolvente) de un producto[2]. A partir de la transferencia de calor hacia un sólido húmedo, un gradiente de temperatura se desarrolla dentro del solido mientras la evaporación de la humedad ocurre en la superficie. La evaporación produce una migración de humedad desde adentro del solido hacia la superficie, la cual ocurre a través de uno o más mecanismos llamados difusión[3][4]. La eliminación de agua de un producto requiere una entrada de energía para superar el calor latente del disolvente[5]. En el secado ocurren 2 procesos simultáneamente:

• Transferencia de calor de los alrededores hacia el sólido húmedo como resultado de convección, conducción o radiación, permite evaporar la humedad de la superficie.
• Transferencia de masa de la humedad del líquido al aire.

CONDICIONES DE SECADO EXTERNAS E INTERNAS

Condiciones externas

La eliminación de agua o disolvente en forma de vapor de la superficie del material, depende de las condiciones externas tales como: temperatura, humedad y flujo del aire, área de la superficie expuesta y la presión[6][7]. Siendo estas condiciones importantes durante las etapas iniciales de secado cuando la humedad de la superficie está siendo removida[8].

Condiciones internas

El movimiento de humedad dentro del sólido es una función de la naturaleza física dentro del sólido, la temperatura y su contenido de humedad[9].

Hay dos métodos para remover la humedad.

• Evaporación: cuando el estado líquido cambia lentamente a estado gaseoso, tras haber adquirido suficiente energía para vencer la tensión superficial[10].
• Vaporización: es el secado que es llevado por convección, pasando aire caliente sobre el producto. La humedad es transferida hacia el aire, en esta caso la presión del vapor de la humedad es menor que la presión atmosférica[11][12].

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Fig 1.- Proceso durante el cual la pintura líquida se endurece y forma una capa

Fuente:  www.elchapista.com/pintura_para_coches.html

El calor suministrado durante el proceso de secado vaporiza el disolvente y la eliminación del disolvente debe realizarse sin afectar negativamente la formulación del recubrimiento o inferir negativamente con la uniformidad física del recubrimiento[13]. Se debe tomar en cuenta que el secado puede implicar la eliminación del disolvente, las reacciones químicas también pueden ayudar a la solidificación, así como acelerar la solidificación utilizando un catalizar o una fuente de energía externa. Para esto se deben tener claro lo que es el tiempo de secado y el tiempo de curado[14].

En primer lugar, es necesario separar las pinturas líquidas en dos grupos, el primero es aquel en el cual la evaporación total de elemento volátiles produce un film cuyas características son definitivas, el segundo grupo lo forman las pinturas en las cuales después de la evaporación de las sustancias volátiles todavía se debe producir o terminar una reacción química que conllevará un cambio progresivo de las características hasta obtener las definitivas[15].

Forman el primer grupo aquellos productos cuyo proceso de formación se limita a la evaporación de los disolventes, es decir a lo que conocemos como secado físico, tal es el caso de los polímeros en dispersión[16], las pinturas nitrocelulósicas, etc[17]. Estos productos una vez formada la película compuesta por un material 100% sólido tienen unas características que pueden ser consideradas definitivas[18].

El segundo grupo está formado por productos en uno o dos componentes que se transforman debido a una reacción química, estos productos una vez evaporado el disolvente están sometidos a cambios que se producen mientras persiste la reacción y para alcanzar las características definitivas precisan de tiempo, aplicación de calor, radiación, etc [19].  Tal es el caso de las pinturas en base a aceite o a resinas alquídicas que precisan de un tiempo determinado para que se produzca la reacción de oxidación sobre los dobles enlaces. Los productos de dos componentes basados en resinas epoxi o las pinturas de poliuretano una vez que pierden la pegajosidad poseen unas características que todavía no son definitivas y que varían con el tiempo, tampoco se puede olvidar de las pinturas horneables a base de combinaciones determinadas resinas con resinas amínicas en las que la evaporación de los disolventes es solo un primer paso de inicio de la reacción que se completa mediante la aplicación de calor [20][21].

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