AVALIAÇÃO DO ESPAÇO DE COR CIELAB DURANTE A DEGRAÇÃO DE REVESTIMENTOS ORGÂNICOS POR RADIAÇÃO ULTRAVIOLETA
Bruno, G.U.; Meneguzzi, A.; Sacilotto, D.G.; Matos, M..
Laboratório de Corrosão, Proteção e Reciclagem de Materiais - LACOR Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS
Av. Teresópolis 2255/309T1, Porto Alegre/RS; CEP: 90870-001 giovanniurruth@outlook.com
RESUMO
Este estudo caracteriza e compara quatro revestimentos orgânicos comerciais usados para metais em ambientes externos. A comparação é feita entre uma tinta epóxi branca, uma tinta PU branca, um esmalte sintético branco e um verniz acrílico. A degradação dos materiais, ao longo do tempo e expostos à radiação UV, é analisada de forma natural e acelerada. As amostras em exposição natural estão posicionadas no Campus do Vale da UFRGS, em Porto Alegre. Os ensaios acelerados foram realizados em uma câmara de ensaios acelerados de UV. Todos os revestimentos foram analisados quanto a sua cor, brilho e espessura durante os processos. Para avaliar as mudanças de cor e brilho, um espectrofotômetro foi utilizado para medir as coordenadas do espaço de cor CIELab. Constata-se, após as análises, que o esmalte sintético e a PU sofrem menos mudanças com a exposição prolongada ao UV.
INTRODUÇÃO
A degradação de revestimentos orgânicos é um processo constante nos ambientes industriais e urbanos. Embora sejam utilizados para proteger um substrato específico, sempre existem pontos fracos nos próprios revestimentos protetores. Este estudo leva em consideração as consequências da exposição de revestimentos orgânicos comerciais à radiação ultravioleta (UV). Esta radiação possui energia suficiente para interagir com os átomos ou com os elétrons dos polímeros. Uma dessas interações é a ionização, onde a radiação remove um elétron e converte o átomo em íon carregado positivamente. Esta quebra de uma ligação covalente causa um rearranjo dos átomos ou grupos de átomos naquele ponto. Este processo leva ou a uma cisão da cadeia molecular ou à formação de uma ligação cruzada no local. Consequentemente, os maiores danos causados a
polímeros por radiação devem-se à irradiação UV(1). Após uma exposição
prolongada, a maioria dos filmes poliméricos se torna frágil, descolore, trinca e falha. Este trabalho analisa quantitativamente as mudanças de cor ocorridas decorrentes da exposição a duas diferentes fontes de radiação, natural e artificial, observando a fragilidade, os surgimentos de trincas e as falhas de forma qualitativa. Desta forma, o método utilizado para expressar a cor dos revestimentos ao longo dos ensaios é o espaço de cor CIELab. Que atualmente é o mais popular dos espaços de cores uniformes usados para avaliar cores, correlacionando consistentemente os valores de cor com a percepção visual.
Duas fontes de radiação UV são utilizadas para degradar os revestimentos: o Sol e uma câmara de intempéries aceleradas com UV (QUV). No primeiro caso, trata-se da degradação natural ao longo da exposição prolongada das amostras, com mais de seis meses de duração. Já na câmara QUV, os espaços de cor foram analisados em ensaios de até duas mil horas de degradação intensiva.
O processo de degradação foi realizado em quatro revestimentos orgânicos comerciais diferentes: uma tinta Epóxi branca, uma tinta PU branca, um esmalte sintético branco (alquídica) e um verniz acrílico. Todas as amostras foram pintadas de acordo com as indicações do fabricante, portanto, não foram manipuladas as espessuras dos filmes para este trabalho.
MATERIAIS E MÉTODOS
Revestimentos
Os revestimentos utilizados para os ensaios de degradação são produtos comerciais e contém aditivos de diversas naturezas, inclusive absorvedores de UV. Isso não impede que haja mudanças significativas de cor em alguns casos. Seguem, na tabela 1 a seguir, os revestimentos utilizados.
Tabela 1: Tipos de revestimentos orgânicos e seus respectivos pigmentos.
Revestimento Pigmento
PU TiO2
Epóxi TiO2
Alquídica TiO2
Acrílica ----
Cada revestimento possui um mecanismo específico de formação do filme polimérico. Para o PU e o epóxi este processo é a formação de ligações tridimensionais iniciadas por um agente de cura. Já para a tinta alquídica o processo que ocorre é a cura oxidativa. No verniz acrílico, o filme se forma por simples evaporação do solvente, e neste caso a espessura do filme é diretamente ligada à razão solvente/partículas do produto.
Corpos de prova
As amostras foram pintadas em chapas de aço carbono comum (SAE 1020) de 10 cm x 5 cm. Nestas, foram realizados acabamentos nas bordas e cantos vivos com lixa para evitar possíveis falhas no filme. Antes da pintura, todas as amostras foram lavadas com uma esponja macia e sabão, desengraxadas durante cinco minutos e secadas a frio com ar comprimido.
Os corpos-de-prova foram pintados via DIP-Coating. Os parâmetros utilizados estão dispostos na tabela 2 abaixo.
Tabela 2: parâmetros utilizados no DIP-Coating.
Parâmetro Valor
Velocidade de descida 420 mm/min
Tempo de imersão 15 segundos
Depois de pintadas, as amostras permaneceram no mínimo noventa e seis horas na capela para ocorrer a formação do filme.
Exposição natural
Os corpos-de-prova foram posicionados com a face na direção do equador com um ângulo de fixação de 45 º. A estrutura mantém as chapas a um metro do chão, para evitar qualquer interação com a vegetação local(2)(3). Este método foi escolhido
para tentar maximizar a energia recebida do sol durante o período de exposição. Neste trabalho o ensaio teve duração de 9 meses (novembro - agosto).
Exposição Acelerada
A radiação na qual as amostras foram submetidas é a UVA. Lâmpadas UVA-340 foram utilizadas durante o ensaio. Este tipo de radiação é usado quando se procura um espectro parecido com o emitido pelo sol. O ciclo de exposição foi de 8 h de UVA a 60 ºC e 4 h de condensação a 50 ºC, alternadamente durante os ensaios de 1000 h e 2000 h(4).
Cor e brilho
As variações de cor dos corpos-de-prova foram medidos com um espectrofotômetro (iluminante padrão D65) e calculados com o espaço de cor CIELab(5)(6). O brilho foi observado com um ângulo de 20 º. O parâmetro ΔE* foi
utilizado para comparar a mudança total de cor dos revestimentos. A equação (A) está descrita abaixo.
ΔE* = [ΔL*2 + Δa*2 + Δb*2 ]1/2 (A)
Espessura
As espessuras das amostras foram medidas com um instrumento que mede revestimentos não magnéticos em substratos ferromagnéticos. Em cada amostra, foram criados seis pontos fixos ao longo de toda superfície, e nestes pontos foram realizadas medidas em triplicata e calculada uma média final para cada acompanhamento durante os ensaios.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os revestimentos se comportaram de maneira muito distinta durante os processos de exposição natural e acelerada ao UV. Entretanto, todos os quatro não demonstraram quaisquer variações de espessura durante o ensaio de 1000 h de exposição acelerada. As pinturas foram realizadas seguindo as indicações do
nenhum ajuste foi feito para tentar ajustar a espessura final de cada revestimento. O gráfico mostra que o ensaio de 1000 h foi realizado em 10 semanas. Este atraso se deve as paradas semanais necessárias para realizar medições e ajustar a rotação dos corpos-de-prova dentro do equipamento QUV. A figura 1 abaixo mostra o acompanhamento das medições.
Figura 1: Variação da espessura ao longo do tempo de exposição acelerada. No gráfico acima, pequenas variações aparecem, mas estas se incluem no desvio padrão do cálculo das médias. A grande diferença de espessura entre os revestimentos não tem influência neste trabalho, que visa observar as variações de cor de cada revestimento independentemente. Porém, para outros ensaios esta diferença pode ser relevante ao ponto de não permitir comparações entre os revestimentos.
Já no quesito brilho, foram obtidas variações mais significativas em alguns casos. O revestimento de PU atinge a menor variação e, portanto, o melhor resultado neste quesito. A tinta alquídica, chamada de esmalte sintético por seu brilho intenso, também tem uma pequena variação e uma ótima resposta. Por outro lado, os revestimentos de epóxi e acrílico não mantém o brilho por muito tempo, perdendo drasticamente esta característica. A figura 2 abaixo mostra os valores das medições em 2000 h de exposição acelerada.
Figura 2: Variação do brilho ao longo da exposição acelerada ao UV.
O revestimento de verniz acrílico não suportou o ensaio a partir das 1000 h de exposição, devido também a sua baixa espessura. Portanto, não foi possível realizar a medição de brilho em 2000 h.
As mudanças de cor foram analisadas de duas maneiras. Primeiramente se observa a variação da refletância ao longo de todos os comprimentos de onda do espectro de luz visível de cada revestimento e posteriormente a variação do
parâmetro ΔE* para uma comparação qualitativa. Este vetor não indica
necessariamente a maior mudança de cor e sim a maior variação combinada dos parâmetros L*a*b*.
As figuras 3,4,5 e 6 a seguir mostram as variações de refletância para os quatro revestimentos ao longo de 2000 h de exposição.
Figura 4: Variação da absorção de luz para o revestimento PU.
Figura 6: Variação da absorção de luz para o revestimento acrílico.
A medição de cor em 2000 h de exposição do verniz acrílico não foi possível devido a não permanência destes corpos-de-prova até o fim do ensaio. Os revestimentos que possuem maiores alterações na absorção dos diferentes comprimentos de onda da luz são o epóxi e o verniz acrílico. O revestimento de PU não possui grandes variações de cor na exposição natural e nem na exposição acelerada, mantendo um padrão bem definido de absorção. A tinta alquídica também tem um ótimo desempenho na exposição acelerada, porém tem algumas variações significativas na exposição natural.
Em todos os casos é possível observar que as maiores mudanças na exposição acelerada se dão em comprimentos de onda mais baixos, quase não havendo variações em comprimentos de onda de 600 nm até 700 nm. Entretanto, na exposição natural existe uma variação maior nessa região, indicando que a presença de outras radiações provenientes do sol influenciam mais nessas áreas. A lâmpada de UVA-340 não consegue reproduzir de maneira completa a radiação solar.
Figura 7: Diferença total de cor durante os ensaios de exposição acelerada e natural. O calculo do vetor ΔE* confirma a percepção dos espectros anteriores. As maiores variações de cor ocorrem nos revestimentos epóxi e acrílico. O revestimento PU confirma também sua menor variação de cor e melhor desempenho face à radiações UV. A tinta alquídica mantém um bom comportamento, variando um pouco a mais em relação ao PU. O revestimento de verniz acrílico não apresenta os
valores de ΔE* para 2000 h e na exposição natural, devida a sua incapacidade de
terminar os ensaios, mas sua variação de cor em 1080 h já o deixa com a maior variação entre os quatro materiais estudados.
As imagens de microscopia óptica apenas demonstraram mudanças significativas para o verniz acrílico. Este revestimento apresentou falhas e rachaduras a partir de 100 h de exposição. As figuras 8 e 9 abaixo mostram o ocorrido.
Em muitas regiões é possível encontrar diversas rachaduras em formatos circulares, o que aparenta ser uma maneira de minimizar a energia no momento da propagação da trinca.
CONCLUSÕES
O revestimento de verniz acrílico não possuiu capacidade mecânica, devido a sua baixa espessura, de terminar todos os ensaios e avaliações. Este fato impede que sua comparação com os outros revestimentos seja completa. Entretanto, com o que se pode observar, este revestimento é o que tem maior variação de cor e alta variação de brilho durante a exposição ao UV. O mesmo apresenta rachaduras a partir de 100 h de exposição.
A tinta epóxi apresenta uma grande variação de cor e brilho durante a exposição. Em seguida, a tinta alquídica apresenta uma maior resistência e menor variação de cor e brilho ao longo dos ensaios. E finalmente, a tinta PU apresenta o melhor comportamento dentre os quatro revestimentos estudados. Menor variação de brilho e de cor, mantendo um mesmo padrão de refletância ao longo dos diferentes comprimentos de onda da luz.
A exposição natural é menos agressiva em comparação com a artificial em termos de mudança de cor. Apesar de possuir diferentes radiações e afetar alguns comprimentos de onda que não interagem com o UVA-340, usado no artificial, a radiação natural não é tão agressiva quando atinge as ligações do filme. Portanto, para fins de experimentação e colocação de filmes à prova, a exposição acelerada é um método eficiente.
REFERÊNCIAS
(1) CALLISTER, W. D. Jr.; Ciência e engenharia de materiais – Uma introdução – 7ª Edição;
(2) ASTM D1014 – 09. Conducting Exterior Exposure Tests of Paints and Coatings
on Metal Substrates;
(3) ASTM G7/G7M – 13. Atmospheric Environmental Exposure Testing of
Nonmetallic Materials;
(4) ASTM G154 – 12a. Operating Fluorescent Ultraviolet (UV) Lamp Apparatus for Exposure of Nonmetallic Materials;
(5) ASTM D2244 – 11. Calculation of Color Tolerances and Color Differences from
Instrumentally Measured Color Coordinates;
