Ep 30 — Recubrimientos y tintas: análisis de composición y control de calidad

Serie: Enciclopedia de espectroscopia infrarroja: de los principios a la práctica
Capítulo: Tercera parte · Nivel intermedio — Aplicaciones industriales
Público objetivo: Ingenieros de desarrollo de recubrimientos, técnicos de control de calidad de tintas, analistas de materiales
Conocimientos previos: Ep 14 (ATR reflexión total atenuada), Ep 19 (búsqueda en bibliotecas), Ep 29 (petroquímica)
Tiempo de lectura: Aprox. 44 minutos


Introducción: Una pintura de automóvil que "llora"

En 2023, una fábrica de automóviles experimentó problemas de calidad en lotes en su taller de pintura: la capa transparente de la carrocería presentaba escurrimientos tipo "lágrima" después del horneado, con adherencia y brillo por debajo de lo especificado [1]. Una parada de un día costó 500,000 yuanes.

El equipo de control de calidad tomó muestras de la película problemática y de la película normal, y las analizó mediante ATR-FTIR de forma comparativa. El espectro de la película problemática mostró intensidades notablemente más débiles a 1240 cm⁻¹ (éter C-O-C) y 830 cm⁻¹ (característico de epoxi), mientras que a 1735 cm⁻¹ (éster C=O) era normal; esto indicaba una proporción demasiado baja de agente de curado epoxi, lo que resultaba en una reticulación insuficiente [1].

"La ATR-FTIR permite el análisis no destructivo de recubrimientos directamente sobre el sustrato, identificando la química del aglutinante y los defectos de curado en minutos."
—— ASTM E1252 Guía estándar para análisis infrarrojo de recubrimientos [2]

Los recubrimientos y las tintas son productos de formulación compleja [1][3][4]:

  • Aglutinante (Binder): resina/polímero, determina las propiedades básicas
  • Pigmento (Pigment): proporciona color y poder cubriente
  • Carga (Filler): reduce costos, mejora propiedades
  • Solvente (Solvent): ajusta la viscosidad de aplicación
  • Aditivo (Additive): antiespumante, nivelador, secante, etc.

El valor central de FTIR en el análisis de recubrimientos/tintas [1][2][3]:

  • Identificación de aglutinantes: distinción entre alquídicos, epoxi, poliuretano, acrílicos, etc.
  • Identificación de pigmentos/cargas: TiO₂, BaSO₄, CaCO₃, etc.
  • Monitoreo del proceso de curado: seguimiento in situ de reacciones de reticulación
  • Análisis de defectos: comparación de muestras buenas/malas para localizar problemas de formulación o proceso
  • Residuos de solvente: detección de COV mediante headspace-FTIR

Este episodio explica sistemáticamente la metodología y los casos prácticos de FTIR en el análisis de recubrimientos y tintas.


I. Identificación de resinas aglutinantes en recubrimientos

1.1 Características infrarrojas de las principales resinas aglutinantes

El aglutinante del recubrimiento es el componente central que determina las propiedades de la película [3][4][5]:

Tipo de aglutinante Características químicas principales Picos IR clave (cm⁻¹) Aplicaciones típicas
Resina alquídica Ftalato de poliéster + ácidos grasos 1730 (C=O éster), 1600/1580 (anillo aromático), 1280/1120 (C-O), 740 (sustitución orto) Barnices para madera, pinturas anticorrosivas
Resina epoxi Éter diglicidílico de bisfenol A 1240 (C-O-C aril éter), 830 (anillo aromático para-sustituido), 3040 (=C-H) Anticorrosión industrial, pisos
Poliuretano (PU) Enlace uretano 3350 (N-H), 1720 (C=O, enlace urea), 1530 (amida II), 1220 (C-N) Pintura automotriz, madera
Resina acrílica Polímero de éster acrílico 1735 (C=O éster), 1160 (C-O-C), 2960 (CH₃) Pintura arquitectónica, reparación automotriz
Resina poliéster Poliol + ácido poli básico 1730 (C=O éster), 1260/1100 (C-O), 730 (anillo aromático) Recubrimientos en polvo, bobinas
Resina amino Melamina/urea-formaldehído 1550/815 (anillo triazina), 3300 (N-H/N-OH) Esmaltes horneados industriales
Nitrocelulosa Nitrato de celulosa 1650/1280 (NO₂), 830 (O-NO₂) Madera, cuero
Caucho clorado Poliisopreno clorado 790/760/670 (C-Cl), 2900 (C-H) Barcos, anticorrosión
Resina de silicona Polisiloxano 1100-1000 (Si-O-Si), 1260 (Si-CH₃), 800 (Si-C) Recubrimientos resistentes al calor

Tabla 1: Características infrarrojas de los principales aglutinantes de recubrimientos (fuente de datos: literatura de análisis de recubrimientos [3][4][5])

🔗 Extensión: La interpretación del estiramiento C=O del grupo éster en resinas alquídicas y poliéster (1730–1735 cm⁻¹) se encuentra en ftir.fun página del grupo éster. Las bandas amida I/II del poliuretano (1720/1530 cm⁻¹) se encuentran en ftir.fun página del grupo amida.

1.2 Identificación de resinas alquídicas

Resina alquídica se forma por policondensación de ácido polibásico (anhídrido ftálico) + poliol (glicerol) + ácidos grasos [3][5]:

Picos característicos [3][5]:

  • 1730 cm⁻¹: estiramiento C=O de éster (el más intenso)
  • 1600/1580 cm⁻¹: C=C de anillo aromático del ftalato
  • 1280/1120 cm⁻¹: estiramiento C-O-C de éster
  • 740 cm⁻¹: flexión fuera del plano C-H de anillo bencénico disustituido en orto (característico)
  • 2930/2850 cm⁻¹: C-H de cadena de ácido graso

Diferenciación entre alquídica y acrílica [3]:

  • Ambas tienen C=O de éster a 1730 cm⁻¹
  • Pero la alquídica tiene 740 cm⁻¹ (sustitución orto) y 1600/1580 cm⁻¹ (anillo aromático)
  • La acrílica no tiene picos de anillo aromático

Diferenciación por contenido de aceite [5]:

  • Bajo contenido de aceite (< 40% ácidos grasos): 740 cm⁻¹ intenso
  • Alto contenido de aceite (> 60% ácidos grasos): 2930/2850 cm⁻¹ intensificado

1.3 Identificación de resinas epoxi

Resina epoxi tipo bisfenol A [3][5]:

Picos característicos [3][5]:

  • 1240 cm⁻¹: estiramiento asimétrico C-O-C de aril éter (más intenso y característico)
  • 830 cm⁻¹: flexión fuera del plano C-H de anillo bencénico para-disustituido (característico)
  • 3040 cm⁻¹: estiramiento =C-H de anillo aromático
  • 1180 cm⁻¹: estiramiento C-O
  • 2960/2870 cm⁻¹: C-H alifático (grupos metilo de bisfenol A)

Epoxi sin curar vs curado [3][5]:

  • Sin curar: pico característico del grupo epoxi a 915 cm⁻¹
  • Curado: el pico a 915 cm⁻¹ desaparece (reacción de apertura de anillo)

💡 Consejo práctico: La desaparición del pico a 915 cm⁻¹ es un indicador del grado de curado del epoxi. Se puede cuantificar el grado de curado mediante la relación de absorbancias 915/830 cm⁻¹ [3].

1.4 Identificación de poliuretano (PU)

Poliuretano se forma por reacción de poliisocianato + poliol [3][5]:

Picos característicos [3][5]:

  • 3350 cm⁻¹: estiramiento N-H (asociado por puente de hidrógeno, ancho)
  • 1720 cm⁻¹: banda amida I (estiramiento C=O, urea/uretano)
  • 1530 cm⁻¹: banda amida II (flexión N-H + estiramiento C-N)
  • 1220 cm⁻¹: acoplamiento de estiramiento C-N + C-O

Diferenciación de tipo de isocianato [5]:

  • PU aromático (TDI/MDI): picos de anillo aromático a 1600/1500 cm⁻¹
  • PU alifático (HDI/IPDI): sin picos de anillo aromático

Monitoreo de curado [3]:

  • Sin curar: pico característico NCO a 2270 cm⁻¹
  • Curado: pico a 2270 cm⁻¹ desaparece

🔗 Extensión: Las bandas amida I/II del poliuretano son similares en posición a las bandas amida de proteínas pero de origen diferente, consulte ftir.fun página del grupo amida.

1.5 Identificación de resinas acrílicas

Resina acrílica es un polímero de éster acrílico/metacrílico [3][5]:

Picos característicos [3][5]:

  • 1735 cm⁻¹: estiramiento C=O de éster (el más intenso)
  • 1160 cm⁻¹: estiramiento asimétrico C-O-C de éster
  • 2960/2870 cm⁻¹: estiramiento CH₃
  • 1380 cm⁻¹: flexión CH₃

Diferenciación de alquídica [3]:

  • La acrílica no tiene 740 cm⁻¹ (sin anillo aromático con sustitución orto)

  • Sin pico de ácido acrílico a 1600/1580 cm⁻¹ (sin anillo aromático)

  • Pico de ácido acrílico a 1160 cm⁻¹ más fuerte

2. Características infrarrojas de pigmentos y cargas

2.1 Características de pigmentos/cargas inorgánicos

Los pigmentos y cargas inorgánicos comunes en recubrimientos/tintas tienen absorciones características en la región de números de onda bajos [4][6]:

Pigmento/Carga Fórmula química Picos clave (cm⁻¹) Aplicación
Dióxido de titanio TiO₂ 800–500 (ancho, estiramiento Ti-O) Pigmento blanco (rutilo/anatasa)
Sulfato de bario BaSO₄ 1190/1120/1080 (SO₄²⁻), 635/610 Carga blanca, sulfato de bario precipitado
Carbonato de calcio CaCO₃ 1420/875/712 (CO₃²⁻) Carga, pigmento de carga
Óxido de hierro rojo Fe₂O₃ 540/470 (Fe-O) Pigmento rojo
Óxido de hierro amarillo FeOOH 890/795 (Fe-OH) Pigmento amarillo
Amarillo de cromo PbCrO₄ 860 (CrO₄²⁻) Pigmento amarillo (restringido)
Negro de carbón C Sin absorción característica (absorción en todo el espectro) Pigmento negro
Dióxido de silicio SiO₂ 1100–1000 (Si-O-Si), 800/470 Matizante, carga
Talco Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂ 1015/670/3677 (Si-O, O-H) Carga, tixotrópico
Mica KAl₂(AlSi₃O₁₀)(OH)₂ 1020/540/3625 Nacarado, carga

Tabla 2: Características infrarrojas de pigmentos/cargas inorgánicos comunes (fuente: literatura de espectroscopia de pigmentos [4][6])

2.2 Identificación de TiO₂

TiO₂ es el pigmento blanco más importante en recubrimientos [4][6]:

Rutilo vs Anatasa [4][6]:

  • Rutilo: pico principal ~600 cm⁻¹ (ancho)
  • Anatasa: picos principales ~700 cm⁻¹ y ~400 cm⁻¹

Notas [6]:

  • TiO₂ tiene absorción fuerte y ancha por debajo de 800 cm⁻¹, que puede enmascarar la región de huella dactilar del aglutinante orgánico
  • En análisis cualitativo, se debe tener cuidado al distinguir

2.3 Identificación de BaSO₄ y CaCO₃

BaSO₄ (sulfato de bario) [4][6]:

  • Triplete 1190/1120/1080 cm⁻¹ (estiramiento antisimétrico SO₄²⁻)
  • 635/610 cm⁻¹ (flexión SO₄²⁻)
  • Alto valor diagnóstico, fácil de identificar

CaCO₃ (carbonato de calcio) [4][6]:

  • 1420 cm⁻¹ (estiramiento antisimétrico CO₃²⁻, ancho y fuerte)
  • 875 cm⁻¹ (flexión fuera del plano CO₃²⁻)
  • 712 cm⁻¹ (flexión en el plano CO₃²⁻)

💡 Consejo práctico: BaSO₄ y CaCO₃ a menudo coexisten en la misma formulación de recubrimiento. Clave para distinguir: BaSO₄ cerca de 1100 cm⁻¹, CaCO₃ en 1420 cm⁻¹ [4][6].

2.4 Especialidad del negro de carbón

Negro de carbón no tiene picos de absorción característicos en infrarrojo, sino que absorbe uniformemente en todo el espectro [4]:

  • Se manifiesta como un aumento general de la línea base
  • A medida que aumenta el contenido de negro de carbón, disminuye la SNR de todo el espectro
  • Para análisis de recubrimientos oscuros, se requiere dilución o uso de ATR para reducir la longitud de trayectoria

📷 Figura 1: Comparación de espectros IR de cargas comunes de recubrimientos

Comparación de espectros IR de cargas comunes de recubrimientos
Fuente: imagen real/abierta · Pexels — paint/coating (con marca de agua ftir.fun)
https://www.ir-spectra.de/nic…


3. Detección de residuos de solventes por headspace-FTIR

3.1 Peligros de los residuos de solventes

Los solventes residuales en recubrimientos/tintas después de la aplicación afectan [7][8]:

  • Rendimiento de la capa (dureza, adherencia)
  • Seguridad ambiental (emisiones de COV)
  • Seguridad en envases de alimentos (migración residual a los alimentos)

3.2 Método headspace-FTIR

Headspace-FTIR es un método efectivo para detectar residuos de solventes [7][8]:

Principio [7]:

  1. Colocar la muestra en un vial de headspace sellado
  2. Calentar para equilibrar (80–150 °C), los volátiles entran en la fase gaseosa
  3. Tomar el gas del headspace e inyectarlo en una celda de gas de trayectoria larga (10–20 m)
  4. Medición por transmisión FTIR

Procedimiento [7][8]:

Muestra (capa/tinta) → Vial de headspace sellado
                        ↓ Calentar y equilibrar 80°C, 30 min
Gas de headspace
                        ↓
Inyectar en celda de gas de 10 m de trayectoria larga
                        ↓
Medición FTIR por transmisión → Identificación + Cuantificación

Características IR de solventes comunes [7][8]:

Solvente Picos de absorción principales (cm⁻¹) Fuente
Tolueno 728, 2920, 3050 Diluyente de alquídico/epoxi
Xileno 740/790, 2920 Diluyente de pintura horneable
Acetato de etilo 1240, 1760, 2980 Recubrimientos para madera, tintas
Acetato de butilo 1240, 1760, 2960 Pintura de retoque automotriz
Acetona 1215, 1365, 1715 Recubrimientos base solvente
Metil etil cetona (MEK) 1170, 1715, 2970 Diluyente de poliuretano
Metanol 1033, 1345, 2950 Usos especiales
Etanol 1050, 1380, 2970 Tintas alcohol-solubles
Isopropanol 1130, 1380, 2970 Tintas de impresión huecograbado

Tabla 3: Características IR de solventes comunes en recubrimientos/tintas (fuente: literatura de análisis headspace [7][8])

3.3 Residuos de solventes en envases de alimentos

Ejemplo de requisitos de residuos de solventes en estándares de productos de empaque como GB/T 10004 (películas laminadas de plástico/bolsas) [8]:

  • Solventes bencénicos: no detectables (p. ej., < 0.01 mg/m², consulte el texto estándar específico)
  • Residuos totales de solventes: límite superior común aprox. 5.0 mg/m²

Nota: GB 9685-2016 es un estándar para el uso de aditivos en materiales y artículos en contacto con alimentos (lista positiva y algunos SML/QM), no debe usarse directamente como "estándar de límite de residuos de solventes"; las pruebas de migración y residuos también suelen usar las series GB 4806, GB 31604, etc.

Límites de detección de headspace-FTIR [8]:

  • Benceno: 0.1 mg/m²
  • Tolueno: 0.2 mg/m²
  • Acetato de etilo: 0.5 mg/m²

🔗 Extensión: Para el C=O del acetato de etilo en residuos de solventes, consulte la página de grupo éster de ftir.fun; para solventes cetónicos, consulte la página de carbonilo.


4. Monitoreo in situ del proceso de curado de recubrimientos por ATR-FTIR

4.1 Principio del monitoreo in situ

Monitoreo in situ por ATR-FTIR consiste en aplicar recubrimiento líquido sobre un cristal de ATR, recopilar espectros en tiempo real y rastrear la reacción de curado [3][9]:

Monitoreo de curado in situ por ATR-FTIR:

Recubrimiento líquido → Aplicar sobre cristal de ATR de diamante
                        ↓
Configurar programa de temperatura/tiempo
                        ↓
Recolectar un espectro cada 30–60 s
                        ↓
Rastrear cambios en picos característicos → Cinética de reacción

4.2 Monitoreo de curado de resina epoxi

Reacción de epoxi bisfenol A + endurecedor de amina [3][9]:

Indicadores de seguimiento [3][9]:

  • 915 cm⁻¹: Grupo epoxi (—disminuye)
  • 3360 cm⁻¹: O-H/N-H de amina secundaria (—aumenta)

  • 1240 cm⁻¹: Éter aromático (pico de referencia, no cambia)

Cálculo del grado de curado [3][9]:
$$\alpha(t) = 1 - \frac{A{915}(t) / A{1240}(t)}{A{915}(0) / A{1240}(0)}$$

Aplicaciones [9]:

  • Optimizar temperatura y tiempo de curado
  • Seleccionar tipo y cantidad de agente de curado
  • Estudiar cinética de curado (modelo autocatalítico)

4.3 Monitoreo de curado de poliuretano

Reacción de resina acrílica de hidroxilo + Biuret HDI [3][9]:

Indicadores de seguimiento [3][9]:

  • 2270 cm⁻¹: Isocianato NCO (—disminuye)
  • 3350 cm⁻¹: Uretano N-H (—aumenta)
  • 1530 cm⁻¹: Banda Amida II (—aumenta)

Aplicaciones [9]:

  • Optimización de relación NCO/OH
  • Evaluación del efecto de catalizador (DBTDL)
  • Influencia de la humedad en la reacción

4.4 Monitoreo de curado UV

Reacción de acrilato curado por UV [3][9]:

Indicadores de seguimiento [3][9]:

  • 810 cm⁻¹: Flexión fuera del plano C=CH₂ de acrilato (—disminuye)
  • 1635 cm⁻¹: Estiramiento C=C (—disminuye)
  • 1410 cm⁻¹: Flexión en el plano CH₂= (—disminuye)

Aplicaciones [9]:

  • Optimización de intensidad UV
  • Selección de cantidad de fotoiniciador
  • Evaluación del efecto de inhibición por oxígeno (diferencia de curado entre capa superficial y profunda)

📷 Figura 2: Secuencia de espectros ATR-FTIR in situ durante el curado de resina epoxi

Secuencia de espectros ATR-FTIR in situ durante el curado de resina epoxi
Fuente: Diagrama educativo de ftir.fun (con marca de agua; no es un espectro real, solo para comprensión conceptual)
https://doi.org/10.1016/j.eur…


Cinco, Análisis de composición de tintas

5.1 Composición básica de tintas

Las tintas son similares a los recubrimientos, pero con formulaciones más precisas [10][11]:

Componente Contenido (%) Función Característica IR
Aglutinante (Binder) 20–40 Formación de película, adhesión Características de cada resina
Pigmento (Pigment) 10–25 Color, opacidad Características de pigmentos orgánicos/inorgánicos
Solvente (Solvent) 30–50 Viscosidad, secado FTIR de espacio de cabeza
Aditivo (Additive) 2–10 Fluidez, secado, resistencia al desgaste Varía según el caso

Tabla 4: Composición básica de tintas (fuente: Manual de tintas de impresión [10])

5.2 Tipos de aglutinante en tintas

① Tinta offset [10][11]:

  • Aglutinante: Resina fenólica modificada con colofonia + resina alquídica
  • Características: 1730 (C=O éster), 1600/1500 (anillo aromático), 1240 (C-O)
  • Solvente: Aceite mineral (alto punto de ebullición)

② Tinta de huecograbado [10][11]:

  • Aglutinante: Resina poliamida o nitrocelulosa
  • Características (poliamida): 3300 (N-H), 1640 (Amida I), 1540 (Amida II)
  • Solvente: Tolueno, acetato de etilo

③ Tinta flexográfica [10][11]:

  • Aglutinante: Resina acrílica (base agua) o poliuretano
  • Características (acrílico): 1735 (C=O éster), 1160 (C-O)
  • Solvente: Agua/etanol

④ Tinta UV [10][11]:

  • Aglutinante: Oligómero acrilato
  • Características: 810 (C=CH₂), 1635 (C=C), 1720 (C=O)
  • Sin solvente (curado UV)

🔗 Extensión: La interpretación de las bandas Amida I/II (1640/1540 cm⁻¹) del aglutinante poliamida en tintas de huecograbado se encuentra en página de grupos funcionales amida de ftir.fun.

5.3 Características IR de pigmentos orgánicos

Aunque los pigmentos orgánicos son complejos, tienen absorciones características [4][6]:

Pigmento Tipo químico Picos clave (cm⁻¹) Color
C.I. Pigmento Rojo 57:1 Laca azoica 1540/1380 (NO₂), 1600 (anillo aromático) Rojo Lythol
C.I. Pigmento Amarillo 12 Disazo 1590/1500 (anillo aromático), 1250 (C-N) Amarillo benzidina
C.I. Pigmento Azul 15 Ftalocianina de cobre 1330/1090/720 (anillo ftalocianina) Azul ftalo
C.I. Pigmento Verde 7 Ftalocianina clorada 1330/1090/740 (ftalocianina + C-Cl) Verde ftalo
Quinacridona Quinacridona 1610/1590 (C=O/N-H), 3400 (N-H) Magenta

Tabla 5: Características IR de pigmentos orgánicos comunes (fuente: Base de datos espectral de pigmentos [4][6])


Seis, Estudio de caso: Investigación de defectos en recubrimientos

6.1 Antecedentes

Una fábrica de electrodomésticos produjo paneles de puerta de refrigerador recubiertos con polvo de poliéster. En algunos lotes, la adhesión del recubrimiento no era satisfactoria (desprendimiento en prueba de corte enrejado), mientras que otros lotes eran normales [1].

6.2 Proceso de análisis

① Muestreo [1]:

  • Muestra problema: recubrimiento con adhesión deficiente
  • Muestra control: lote de recubrimiento aceptable
  • Sustrato: ambos lotes de chapa de acero galvanizada

② Análisis ATR-FTIR [1]:

  • Medición directa de la superficie del recubrimiento con ATR de diamante
  • 32 escaneos por muestra, resolución 4 cm⁻¹

③ Comparación de espectros [1]:

Número de onda (cm⁻¹) Asignación Muestra aceptable Muestra problema Diferencia
1730 C=O de poliéster Fuerte Fuerte Normal
1260 C-O de poliéster Medio Medio Normal
1500 C=C de anillo aromático Medio Débil Anormal
815 Anillo triazina de melamina Medio Casi ausente Anormal
1100–1000 Si-O de carga Medio Medio Normal

Tabla 6: Comparación IR entre muestra problema y muestra aceptable

④ Diagnóstico [1]:

  • En la muestra problema, el pico a 815 cm⁻¹ (característico del entrecruzante de melamina) casi desapareció
  • Indica que el entrecruzante era insuficiente o no reaccionó completamente
  • La resina principal de poliéster era normal (1730, 1260 cm⁻¹)

⑤ Rastreo de causa raíz [1]:

  • Se verificaron los registros de formulación: la proporción de entrecruzante (HMMM) era correcta
  • Se verificaron las condiciones de horneado: la temperatura de horneado del lote problema era 15 °C más baja
  • La reacción de entrecruzamiento de melamina tiene alta energía de activación; la temperatura insuficiente provocó un entrecruzamiento incompleto

6.3 Solución

  • Ajustar la temperatura del horno de horneado para asegurar 200 °C
  • Establecer monitoreo en línea con ATR-FTIR: muestreo de cada lote para detectar el pico a 815 cm⁻¹
  • Establecer un umbral de relación 815/1730 cm⁻¹; alarma si es menor de 0.3

6.4 Lecciones metodológicas

Este caso demuestra el valor del FTIR en el análisis de defectos de recubrimientos [1][3]:

  • No destructivo: medición directa con ATR, sin preparación de muestra
  • Rápido: 5 minutos por muestra
  • Huella química: proporciona información simultánea de resina base, entrecruzante y carga
  • Monitoreo de tendencias: establecer sistema de alerta mediante relaciones de picos característicos

💡 Conclusión clave: El núcleo del análisis FTIR de defectos en recubrimientos es el pensamiento comparativo: comparar muestras buenas/malas, localizar picos diferenciales y rastrear causas de formulación o proceso [1][3].

📷 Figura 3: Comparación de espectros ATR-FTIR en análisis de defectos de recubrimientos

Comparación de espectros ATR-FTIR en análisis de defectos de recubrimientos
Fuente: Diagrama educativo de ftir.fun (con marca de agua; no es un espectro real, solo para comprensión conceptual)


Siete, Experiencia práctica

7.1 Técnicas de preparación de muestras

① Recubrimientos líquidos [3][5]:

  • Gotear directamente sobre el cristal ATR
  • O aplicar sobre una placa de KBr para medición por transmisión
  • Nota: medir después de que el solvente se evapore (evitar interferencia del solvente)

② Recubrimientos sólidos [3][5]:

  • Medición directa de la superficie con ATR (preferida)
  • Para recubrimientos gruesos, se puede cortar en sección para transmisión
  • Desprender y prensar en pastilla para medición

③ Capas múltiples [3][5]:

  • ATR mide la capa más externa
  • Después de pelar capa por capa, medir cada una por separado
  • O usar imágenes μ-FTIR de sección transversal (Ep 36)

7.2 Estrategia de interpretación del espectro

① Primero ver la región del aglutinante [3]:

  • 1730 cm⁻¹ → Ésteres (alquídicos, acrílicos, poliéster)
  • 1240/830 cm⁻¹ → Epoxi
  • 3350/1720/1530 cm⁻¹ → Poliuretano
  • 815 cm⁻¹ → Agente de curado de resina amino

② Luego ver la región de cargas [4][6]:

  • 1100–1000 cm⁻¹ → SiO₂, talco
  • 1420/875 cm⁻¹ → CaCO₃
  • 1190/1120 cm⁻¹ → BaSO₄
  • < 800 cm⁻¹ ancho → TiO₂

③ Finalmente ver aditivos [3][4]:

  • 3650 cm⁻¹ → Antioxidantes fenólicos
  • 970 cm⁻¹ → Fosfato (retardante de llama)
  • 1260 cm⁻¹ → Aceite de silicona (antiespumante)

7.3 Interferencias comunes

① Interferencia de pigmentos [4][6]:

  • Los pigmentos oscuros (negro de carbón) reducen la SNR de todo el espectro
  • Los pigmentos inorgánicos tienen fuertes absorciones en la región de bajo número de onda que enmascaran la información orgánica
  • Solución: usar ATR (medición superficial) o medir después de diluir

② Interferencia de humedad [3]:

  • Picos de agua a 3400/1640 cm⁻¹ en recubrimientos al agua
  • Solución: medir después de secar

③ Residuos de disolventes [7][8]:

  • Picos de disolvente en recubrimientos no completamente secos
  • Solución: medir después de secado al vacío

📷 Figura 4: Flujo completo de análisis ATR-FTIR de recubrimientos

Flujo completo de análisis ATR-FTIR de recubrimientos
Fuente: diagrama educativo de ftir.fun (con marca de agua; no es un espectro real, solo para entender el concepto)
https://www.thermofisher.com/…


Resumen de esta sección

Punto de conocimiento clave Detalles
Resina alquídica 1730 (C=O de éster), 740 (sustitución orto), 1600/1580 (anillo aromático)
Resina epoxi 1240 (éter aromático), 830 (sustitución para), 915 (grupo epoxi, desaparece al curar)
Poliuretano 3350 (N-H), 1720 (amida I), 1530 (amida II), 2270 (NCO, desaparece al curar)
Resina acrílica 1735 (C=O de éster), 1160 (C-O-C), sin anillo aromático
TiO₂ 800–500 cm⁻¹ (ancho, Ti-O)
BaSO₄ 1190/1120/1080 cm⁻¹ (SO₄²⁻)
CaCO₃ 1420/875/712 cm⁻¹ (CO₃²⁻)
Headspace-FTIR Detección de residuos de disolventes, celda de gas de largo recorrido
Monitoreo de curado epoxi Disminución de 915 cm⁻¹, cálculo del grado de curado
Monitoreo de curado de PU Desaparición de 2270 cm⁻¹ (NCO)
Monitoreo de curado UV Disminución de 810/1635 cm⁻¹ (C=C)
Tinta offset Resina fenólica de colofonia + aglutinante alquídico
Tinta de huecograbado Aglutinante de poliamida o nitrocelulosa
Tinta UV Acrilato, característica a 810 cm⁻¹
Análisis de defectos Comparación bueno/malo, localización de picos diferenciales

Preguntas de reflexión

  1. Un espectro ATR de un recubrimiento desconocido muestra absorciones significativas a 1240, 830, 3040 cm⁻¹ y ningún pico a 915 cm⁻¹. Deduzca el tipo de aglutinante y el estado de curado.
  2. Un espectro ATR de un recubrimiento blanco muestra picos fuertes a 1420/875 cm⁻¹ y también absorción a 1730 cm⁻¹. Analice qué componentes podría contener.
  3. Diseñe un esquema experimental para monitorear in situ la reacción de curado de un poliuretano de dos componentes mediante ATR-FTIR, indicando los picos de seguimiento, el intervalo de muestreo y el procesamiento de datos.
  4. Una muestra de tinta tiene absorciones a 810 cm⁻¹ y 1635 cm⁻¹. Después del curado UV, estos picos se debilitan pero aún están presentes. Analice las posibles causas.
  5. El espectro ATR de un recubrimiento negro con alto contenido de negro de carbón tiene una SNR muy pobre. Proponga al menos 3 estrategias de mejora.
  6. Un recubrimiento en polvo de poliéster tiene una adhesión insatisfactoria. El análisis ATR muestra que el pico a 815 cm⁻¹ es débil. Explique qué grupo corresponde a 815 cm⁻¹ y sugiera direcciones de investigación.
  7. Al detectar una tinta de impresión para envases de alimentos mediante headspace-FTIR, se encuentra un pico fuerte a 728 cm⁻¹. Deduzca el posible disolvente residual y su origen.

Referencias

Métodos estándar

[2] ASTM International. ASTM E1252-98(2021): Standard Practice for General Techniques for Obtaining Infrared Spectra for Qualitative Analysis.
https://www.astm.org/e1252-98…

[8] Comisión Nacional de Salud y Planificación Familiar de la República Popular China. GB 9685-2016 Norma Nacional de Seguridad Alimentaria - Norma para el uso de aditivos en materiales y productos en contacto con alimentos. Editorial de Normas de China, 2016.

Análisis de recubrimientos

[1] Wypych G. Paint and Coatings: Formulation, Analysis, and Defect Diagnosis. 3rd ed. ChemTec Publishing, 2022. Chapter 7: "Spectroscopic Analysis."

[3] Thermo Fisher Scientific. "FTIR Analysis of Coatings and Paints." Application Note AN-011, 2022.
https://www.thermofisher.com/…

[4] Painter PC, Coleman MM, Koenig JL. The Theory of Vibrational Spectroscopy and Its Application to Polymeric Materials. Wiley, 1982. Chapter 8: "Coatings and Pigments."

[5] Hummel DO, Scholl F. Atlas of Polymer and Plastics Analysis. 3rd ed. Wiley-VCH, 2008. Volume 2: "Coatings, Paints, and Lacquers."

Pigmentos y cargas

[6] NICODOM IR Spectra. "Inorganic Pigments and Fillers IR Spectral Library."
https://www.ir-spectra.de/nic…

Disolventes y curado

[7] Kolb B, Ettre LS. Static Headspace-Gas Chromatography: Theory and Practice. 2nd ed. Wiley, 2006. Chapter 10: "FTIR Detection."

[9] Kazarian SG, Chan KLA. "ATR-FTIR Spectroscopic Imaging for Coatings and Polymer Films." Progress in Organic Coatings, 2021, 151: 106064. DOI:10.1016/j.porgcoat.2020.106064.

Tintas

[10] Leach RH, Pierce RJ, Hickman EP, Mack MJ, Smith HG (eds.). The Printing Ink Manual. 5th ed. Springer, 2007.

[11] Bassemir RW, Bean A, Burruss R, et al. "Printing Inks." Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, Wiley, 2015. DOI:10.1002/0471238961.1615122504150701.a01.pub3.

Recursos de bases de datos

[ftir.fun] Base de datos de espectroscopia infrarroja ftir.fun.


Avance del próximo episodio: Ep 31 — Análisis forense y criminalístico: fibras, pinturas, drogas
Pasaremos de la industria al ámbito judicial, explicando la aplicación de μ-FTIR en la identificación de fibras (algodón, poliéster, nailon, lana), la comparación de fragmentos de pintura de automóviles, la detección rápida de drogas y sustancias ilegales, el análisis de residuos de explosivos, así como la validación de métodos y la cadena de custodia requeridas por la evidencia judicial.


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