La creatividad y capacidad de los artesanos mexicanos es valorada alrededor del mundo. Muchos de sus productos son obras de arte que se distinguen por la diversidad de materiales, colores y diseños. Sin embargo, en la mayoría de los casos, la decoración de las piezas de artesanías fabricadas en cerámica o barro, metales, madera, vidrio,… parte de una formulación de metales pesados como el Plomo, Cadmio, Cromo, Manganeso,… materiales tóxicos con efectos nocivos sobre la salud y el medio ambiente.
Una alternativa “verde” de estas pinturas y pigmentos es la tinta que se obtiene de compuestos de origen natural; coloreado que surge después de un proceso de fotocurado mediante exposición a radiación ultravioleta de baja intensidad o directamente a la luz del sol.
Para ello, en nuestro grupo de investigación elaboramos una pintura con base en compuestos de origen natural cuya estructura química ha sido modificada para introducir grupos epóxido. Estas macromoléculas “epoxidadas” encontraron un importante campo de aplicación como recubrimientos debido a su elevada resistencia mecánica y química cuando son expuestas a diversos ambientes.
Las materias primas para estas tintas se obtienen de aceite de soya, ricino o limoneno, mismas que, sometidas a reacciones especiales, pueden incorporar en su estructura un anillo oxirano (es decir, un grupo epóxido), necesario para lograr que la pintura, una vez aplicada, pueda fijarse al sustrato mediante una reacción de entrecruzamiento por efecto de la luz ultravioleta, reacción que es posible apoyados de la polimerización catiónica por apertura de anillos1,2.
También lee: Todo lo que necesitas saber sobre la sexta versión de la FSSC 22000
El secreto
El proceso de polimerización inducida por radiación ultravioleta implica el uso de un iniciador fotoquímico, un sensibilizante, el compuesto “verde” epoxidado, y una lámpara de luz ultravioleta (como el sol) que provea la energía necesaria para dar inicio a la reacción.
Como fotoiniciadores, se han realizado estudios con moléculas híbridas como las sales orgánicas de ariliodonio3 y arilsulfonio4, las cuales contienen como contraión al hexafluorofosfato o el hexafluoroantimonato.
Estos fotoiniciadores son eficientes para llevar a cabo el proceso de polimerización con altos rendimientos. Aunque, por lo regular, es necesario añadir un agente sensibilizante, que permita que la energía sea absorbida por las especies que están participando en la polimerización.
Los colorantes o pigmentos pueden ser de origen natural o sintético, siempre y cuando sean dispersados de forma homogénea en la formulación y, sobre todo, que su estructura química no cause problemas a la salud humana o al medio ambiente.
El experimento
Para la elaboración de esta pintura se seleccionaron dos aceites de origen natural (biobasados): el aceite de soya y el aceite esencial de limoneno; ambos en su versión epoxidada, en donde los grupos oxirano fueron incorporados en el laboratorio con buenos rendimientos.
Previo a las reacciones de epoxidación de los aceites (soya y limoneno) es necesario cuantificar el contenido de insaturaciones (utilizando la norma ASTM D 5554-95 “Standard Test Method for Determination of the Iodine Value of Fats and Oils”). Una vez determinado este valor, se procede a la reacción de formación de anillos oxiránicos, para luego determinar también su % en el aceite.
Este proceso es fundamental, puesto que cada grupo funciona como sitio activo para la polimerización. El siguiente paso consiste en formular la tinta con los aceites modificados, incorporando el fotoiniciador, el agente sensibilizante y el pigmento que puede ser rojo, azul, verde ó amarillo, o bien, una mezcla de ellos.
La intensidad de la energía ultravioleta puede ser variable, en función de la rapidez con la que se desea efectuar la polimerización. En la mayoría de los casos, la intensidad de la luz solar, la cual puede ir de 1 a 3.5 mW/cm2, de acuerdo a la época del año, suele ser suficiente para dar inicio al proceso de polimerización.
Un paso a la vez
Para evaluar el desempeño de la pintura obtenida, así como su posible deterioro o permanencia del color, se realizó una serie de experimentos que, con la finalidad de facilitar el manejo de las muestras, se prepararon recubrimientos coloreados sobre papel. Enseguida se emplearon las pinturas base aceite de soya modificado con grupos oxiránicos, siguiendo los lineamientos indicados en la norma NMX-E-160-1985.
Esta pintura se aplicó con una brocha y de manera homogénea sobre papel opalina de 120 g de peso por hoja. Luego se expuso a la luz solar durante algunos minutos hasta que se formó el recubrimiento y la mezcla de reacción ya no manchaba al contacto. A continuación, se cortaron muestras del papel opalina recubierto con la pintura con un área superficial de 2.5 cm de ancho por 7.5 cm de largo. Estas fueron colocadas en los porta muestras y ubicadas en la cámara de luz ultravioleta.
La intensidad de la radiación de las dos lámparas en la cámara se midió con un radiómetro, tomándola arriba y abajo, así como a izquierda, derecha y centro, encontrándose un valor promedio de 1.4 mW/cm2.
Se utilizó solo un lado de la cámara y se inició el conteo de las horas rotando las muestras cada 24 horas, dado que las lámparas varían ligeramente en intensidad. De esta manera, se aseguró que la radiación sea recibida homogéneamente durante todo el experimento.
Cada 24 horas fueron evaluados los parámetros de color y adherencia bajo las normas oficiales para tal efecto y con apoyo de un colorímetro.
Grandes oportunidades
La reacción de polimerización inducida por radiación ultravioleta se realiza con la luz del sol, efecto que depende de las condiciones climáticas e intensidad de radiación.
En casos en los que las condiciones de radiación solar no permiten trabajar en “ambiente natural”, es posible fabricar un dispositivo que contiene las lámparas UV en forma vertical colocadas sobre una base giratoria, de modo que las piezas puedan ser expuestas a la radiación en toda su superficie.
Este trabajo es un ejemplo de cómo la aplicación del conocimiento puede apoyar a los artesanos mexicanos que, en ocasiones, encuentran limitantes en la exportación de sus productos por el tipo de materiales utilizados en su fabricación.
Referencias:
1 Bi, Y; Neckers, D. C.; A visible light initiatin system for free radical promoted cationic polymerization; Macromolecules, (1994), 27, 14, 3683-3693, https://doi.org/10.1021/ma00092a001.
2 Spadaro, G., Calderaro, E., Tamarchio, E.; Novel epoxy formulations for high energy radiation curable composites; Radiation Physics and Chemistry, (2005), 72, 4, 465-473; https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2003.12.057.
3 Salik, M. S.; Schlögl, S.; Wolfahrt, M.; Sangermano, M.; Review on UV-induce cationic frontal polymerization of epoxy monomers; Polymers (2020), 12(9), 2146; https://doi.org/10.3390/polym12092146.
4 Crivello, J. V.; Ahn, J.; Synthesis and characterization of second-generation S,S-dialkyl-S-(dimethylhydroxyphenyl) sulfonium salt photoinitiators; Journal of Polymer Science, Part A: Polymer Chemistry (2003), 41(16), 2556-2569; https://doi.org/10.1002/pola.10801.
