Un profundo análisis a la función de los surfactantes en la industria de la pinturas.
por José Tomás Rojas*
Unos de los objetivos más importantes que deben alcanzar los formuladores de pinturas, y los formuladores de la industria química en general, es el de lograr compatibilizar materiales que son por naturaleza incompatibles, y deben lograr además, que esta compatibilidad se mantenga estable en el tiempo.
¿Qué es la compatibilidad?
A manera muy general, podemos decir que la compatibilidad es la habilidad que tiene una sustancia de combinarse o mezclarse con otra, esto refiriéndonos a un contexto físico, más que químico. La evidencia más clara de buena compatibilidad, sobre todo en el caso de los líquidos, es que la mezcla resultante nos genera una solución homogénea.
La incompatibilidad, por el contrario, implica la incapacidad de dos sustancias para combinarse entre sí. La evidencia de incompatibilidad, en general es una mezcla heterogénea, en donde pueden identificarse los componentes de la mezcla en forma separada. La mezcla de agua y aceite es el ejemplo clásico.
¿Por qué ocurre la incompatibilidad?
Como sabemos, todas las sustancias están conformadas por átomos y moléculas. Sabemos además que algunas sustancias tienen una configuración de átomos y moléculas que muestran semejanzas ente sí, bien sea por el tipo de elementos que la constituyen, bien sea por el largo de la cadena, o bien sea por la polaridad que demuestran.
Otra cosa es que las sustancias poseen un arreglo energético estable, que es producto de cómo sus elementos se arreglan en el espacio. De acuerdo a esto, una sustancia se combinará con otra, siempre y cuando la situación energética resultante sea más favorable que la situación energética de la sustancia individual. Si la situación energética resultante es desfavorable, no habrá combinación.
La tensión superficial
Si pudiéramos ver al interior de las moléculas que conforman una sustancia, encontraríamos que cada una de ellas está rodeada por un cierto número de moléculas vecinas, lo que genera un intercambio energético favorable. (Ver Figura 1.)
Figura 1. Interacción Molecular.
Esta interacción favorable solo ocurre al interior de la sustancia. En la superficie, hay un espacio donde hay menos moléculas con las cuales interactuar. Para equilibrar la situación energética desfavorable que esta situación genera, las moléculas del exterior tienden a contraerse hacia el interior, generando una cierta tensión, conocida como Tensión Superficial (TS).
Esta tensión es un valor medible, típico de los líquidos, dependiente de la estructura química de la sustancia y particular a cada material. Explica cosas interesantes, como por ejemplo la forma esférica de las gotas de agua, que son así, ya que esta figura geométrica es la que ocupa mayor volumen con menos área superficial expuesta.
También nos permite concluir que los líquidos que tengan tensión superficial semejante deben tener una tendencia a combinarse, así como, similitudes en su estructura que permitan una interrelación energética apropiada.
Estructuras disimiles preferirán separase unas de otras, estrechando la interacción con sus vecinas, y la diferencia entre sus valores de TS serán importantes. Para los que quieran abundar más en el tema, hay mucha literatura al respecto.
Surfactantes
Los surfactantes son aditivos, que actuando están sobre la superficie de los materiales, permiten compatibilizar materiales incompatibles. Para ello poseen en su estructura, un extremo que en general es compatible con el agua o con sustancias polares (Hidrofílico), y otro extremo que en general es compatible con sustancias orgánicas o no polares, familiares al aceite (lipolfílicas). Una explicación muy simple del mecanismo de compatibilización puede verse en la figura 2.
Figura 2. Mecanismo de compatibilidad.
Al ser colocados en medio de dos sustancias incompatibles, los surfactantes se van a la interfase entre ellas, orientando sus extremos a donde ubique mejor afinidad química, funcionando como un puente que permite la combinación de ambos materiales. Una evidencia de la efectividad de un surfactante es su capacidad para disminuir las diferencias entre la TS de dos materiales Incompatibles. Por ejemplo, la TS del agua es 72 dinas/cm. Al tratarla con un surfactante, la misma baja a 35 dinas/cm.
Tipos de surfactantes
En general los surfactantes se clasifican como Iónicos y no iónicos. Los surfactantes Iónicos se clasifican a su vez como Catiónicos o Aniónicos. También tenemos surfactantes anfotéricos, cuya característica es que tienen una doble polaridad. Ver Figura 3.
Figura 3. Tipos de Surfactantes.
Existe un valor que caracteriza a los surfactantes, que se denomina Balance Hidrofílico Lipofilico (HLB), que permite determinar cómo será el comportamiento del surfactante ante una mezcla de materiales incompatibles.
Para los que deseen investigar más sobre el tema, el Laboratorio de Fenómenos interfaciales de la universidad de los Andes, en Venezuela, tiene mucha literatura disponible. Les dejo el link (http://www.firp.ula.ve/archivos/cuadernos/S300A.pdf).
Surfactantes en la industria de pinturas
Si bien no son conocidos como tales en la industria de pinturas, en ella se utilizan gran cantidad de surfactantes. Se les clasifica más por función que por su estructura. Entre los surfactantes más conocidos tenemos Dispersantes, Humectantes, Antiespumantes y Agentes de Nivelación, y se emplean tanto en pinturas base agua como en pinturas base solvente.
Desde luego, el uso en pinturas base agua es masivo, ya que acá se trata de mantener estable una combinación compleja de materiales, de naturaleza química disímil, tales como pigmentos orgánicos e inorgánicos, resinas tipo látex, agentes espesantes, en combinación con el agua. Un ejemplo muy conocido de surfactante en la Industria es el Nonil Fenol Etoxilado, un surfactante no iónico, que se emplea como humectante.
Ver Figura 4.
Figura 4. Nonil Fenol Etoxilado. Se nota claramente la parte lipofilica, y la parte hidrofilica.
Las cantidades de surfactantes que se emplean suelen ser pequeñas, de 0.5 a 2% aproximadamente. Su eficiencia dependerá de la correcta selección del surfactante, según sea el sistema que se trata de compatibilizar.
Adicionalmente, los surfactantes trabajan en un rango muy cerrado, lo que quiere decir que agregar cantidades de ellos en exceso o en defecto a la formula, puede ser muy perjudicial para su desempeño. El caso más crítico es el de los agentes de nivelación basados en Siliconas, los cuales, agregados en las dosis recomendadas corrigen defectos de superficie como cráteres y puntos de aguja (pin hole), en la película. Sin embargo, un exceso de ellos puede causar que aparezcan mas cráteres, perjudicando la apariencia, e incluso afectando otras propiedades de la película.
* José Tomás Rojas. JTROJAS Pinturas, F.P. Pueden enviarle sus comentarios al correo electrónico [email protected]
Deje su comentario