Polímeros súper absorbentes

Introducción

Los polímeros súper absorbentes (en inglés Super Absotbent Polymers o SAP) también llamado nieve en polvo, son polímeros que pueden absorber y retener cantidades extremadamente grandes de un líquido en relación a su propia masa.

Los polímeros absorbentes de agua, los cuales se clasifican como hidrogeles cuando reticulan, absorben soluciones acuosas a través de enlaces de puente de hidrógeno con las moléculas de agua. La capacidad de un SAP para absorber el agua es un factor de la concentración iónica de la solución acuosa. En agua desionizada y destilada, un SAP pueden absorber 500 veces su peso (30 a 60 veces su propio volumen) y puede llegar a ser hasta 99,9% de líquido, pero cuando se colocan en una solución salina al 0,9%, la capacidad de absorción baja a quizás 50 veces su peso. La presencia de cationes en la solución impide la capacidad del polímero para el enlace con la molécula de agua.

Polímero súper absorbente

La absorbencia total y la capacidad de hinchamiento se controlan mediante el tipo y grado de agentes de reticulación utilizados para fabricar el gel. Los SAP con baja densidad reticulación generalmente tienen una mayor capacidad absorbente y se hinchan a un grado mayor. Estos tipos de SAP también tienen una formación de gel más blando y pegajoso. Los polímeros con altas densidades de reticulación exhiben menor capacidad absorbente y se hinchan, pero la resistencia del gel es más firme y puede mantener la forma de las partículas, incluso bajo una presión moderada.

El mayor uso de SAP se encuentra en los productos de higiene personal desechables, tales como pañales para bebés, ropa interior protectora para adultos y toallas sanitarias. Se suspendió el uso de SAP en tampones en 1980 debido a la preocupación sobre una asociación con el síndrome de shock tóxico (enfermedad potencialmente mortal, causada por una toxina bacteriana). Los SAP se utilizan también para bloquear la penetración de agua en cables de energía eléctrica o de comunicaciones subterráneas, agentes hortícolas de retención de agua, control de derrame y residuos de fluido acuoso, y la producción nieve artificial. El primer uso comercial fue en 1978 para uso en compresas femeninas en Japón y bolsas desechables de cama para los pacientes de hogares de ancianos en los EE.UU.

Historia
Hasta los años 1980, los materiales absorbentes de agua eran productos celulósicos o basados en fibras. Las opciones eran papel tissue, algodón, esponja y la pulpa de pelusa. La capacidad absorbente de agua de este tipo de materiales es sólo de hasta 11 veces su peso, pero la mayor parte se pierde bajo una presión moderada.
A principios de 1960, el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA) estaba llevando a cabo trabajos sobre materiales para mejorar la conservación del agua en los suelos. Ellos desarrollaron una resina basada en el injerto de moléculas de acrilonitrilo en la cadena principal de moléculas de almidón (es decir, almidón-injertado). El producto hidrolizado de la hidrólisis de este copolímero de almidón-acrilonitrilo dio una absorción de agua mayor a 400 veces su peso. Además, el gel no liberó el agua líquida de la manera que si lo hacían los absorbentes a base de fibras.
El polímero se llegó a conocer como "Super Slurper" (súper absorbedor). El USDA dio el conocimiento técnico a varias compañías de EE.UU. para un mayor desarrollo de la tecnología básica. Una amplia gama de combinaciones se intentaron incluyendo el trabajo con ácido acrílico, acrilamida y alcohol de polivinilo (PVA).
Los copolímeros de acrilato-acrilamida fueron diseñados originalmente para su uso en condiciones de alto contenido electrolito/mineral y la necesidad de una estabilidad a largo plazo que incluye numerosos ciclos húmedo/seco. Se emplea en agricultura y horticultura. Con la mayor adición del monómero de acrilamida, es utilizado como control derrame médico, y de bloqueo de agua en cables.

El poliacrilato de sodio

Como se ha mencionado, uno de los polímeros súper absorbentes más utilizados es el poliacrilato de sodio. Es un polímero formado por monómeros —CH2CH(CO2Na)— inventado por Robert Niles Bashaw, Bobby Leroy Atkins y Billy Gene Harper en el Basic Research Laboratory de la Dow Chemical Company. Es un polvo blanco y sin olor. Puede aumentar su volumen hasta mil veces si se le agrega agua destilada. Debido a sus cualidades es utilizado en pañales, toallas higiénicas o procesos químicos que requieran la absorción de agua.

Estructura química del poliacrilato de sodio

La capacidad de absorber grandes cantidades de agua se debe a que en su estructura molecular existen grupos de carboxilatos de sodio que cuelgan de la cadena de composición principal del compuesto. Estos grupos, al entrar en contacto con el agua desprenden el sodio, dejando libres iones negativos de carboxilo. Los iones negativos se repelen, estirando la cadena principal y provocando el aumento de volumen. Para que el compuesto vuelva a ser estable y neutro, los iones captan las moléculas de agua.

Este polvo, al añadirle agua, se puede observar cómo se va absorbiendo por cada uno de los granitos, y se van reuniendo hasta formar una especie de gel cristalino. Debido a que este compuesto posee alta masa molecular, en vez de disolverse, se gelifica. Este compuesto también tiene la singular característica de parecerse a la nieve, mirado a simple vista, por lo que sirve para la creación de nieve falsa.

Química de los polímeros súper absorbentes

Los polímeros acrílicos, en estado seco, se asemejan a un ovillo rizado.

Cuando estas moléculas son colocadas en agua, enlaces por puente de hidrógeno con el HOH las rodea causando que se desplieguen y enderecen.

Cuando las moléculas se enderezan, aumentan la viscosidad del líquido circundante. Es por esto que varios tipos de acrilatos se utilizan como espesantes. La química súper absorbente requiere dos cosas: La adición de pequeñas moléculas que unan transversalmente las hebras de polímero constituyendo una red (reticulación) y la neutralización parcial de los grupos ácido carboxilo (- COOH) a lo largo de la cadena principal del polímero (- COO^-Na⁺).

Las moléculas de agua son atraídas hacia la red a través de un gradiente de difusión que está formada por la neutralización de sodio de la cadena principal del polímero. Las cadenas de polímero desean enderezarse pero se ven limitados debido a la reticulación. Así, las partículas se expanden como el agua pasa a la red.

Las moléculas de agua se sujeta firmemente a los iones carboxilato de la red del polímero súper absorbente por enlaces por puente de hidrógeno. Muchos metales solubles también tienen tendencia al intercambio iónico con el sodio a lo largo de la cadena principal del polímero y son retenidos. Motivo por el cual los poliacrilatos pueden ser utilizados como secuestrante o quelantes en algunos detergentes para ser utilizados en agua dura.

Este es el aspecto que presenta una molécula súper absorbente con mayor detalle:

Y esto es lo que una red de poímero súper absorbente se parece a una escala mayor:

Síntesis de los SAP
Copolímeros Los polímeros súper absorbentes están hechos actualmente a partir de la polimerización de ácido acrílico mezclado con hidróxido de sodio en presencia de un iniciador para formar una sal de ácido poliacrílico (poliacrilato de sodio). Este polímero es el tipo más común de SAP hecha en el mundo hoy en día.

Otros materiales también se utilizan para fabricar un polímero súper absorbente, tal como copolímeros de poliacrilamida, copolímeros de etileno-anhídrido maleico, copolímeros reticulados de carboximetilcelulosa, copolímeros de alcohol polivinílico, óxido de polietileno reticulado y copolímero de almidón injertado de poliacrilonitrilo para nombrar unos pocos. Esta última es una de las formas más antiguas de SAP creados.

Los polímeros súper absorbentes se realizan utilizando uno de los tres métodos principales siguientes: polimerización en gel, polimerización en suspensión o polimerización en solución.

Polimerización en gel Una mezcla de ácido acrílico, agua, agentes de reticulación y el iniciador UV se mezclan y se coloca ya sea sobre una cinta transportadora en movimiento o en grandes bateas. La mezcla de líquido luego entra en un "reactor", que es una cámara larga con una serie de luces UV fuertes. La radiación UV genera la polimerización y las reacciones de reticulación. El compuesto en forma de "tronco" resultante son geles pegajosos que contienen 60-70% de agua. Los “troncos” son triturados o molidos y se colocan en varios tipos de secadores. Un agente de reticulación adicional puede ser rociado sobre la superficie de las partículas; esta "reticulación superficial" aumenta la capacidad del producto a hincharse bajo presión; una propiedad medida como Absorbencia Bajo Carga (Absorbency Under Load o AUL) o Absorbencia contra la presión (Absorbency Against Pressure o AAP). Las partículas de polímero secos se criban para su correcta distribución del tamaño de partícula y el embalaje. La polimerización en gel (GP) es actualmente el método más popular para hacer los polímeros de poliacrilato de sodio súper absorbente utilizado en pañales y otros artículos higiénicos desechables.

Polimerización en solución Los polímeros en solución ofrecen la capacidad de absorción de un polímero granular suministrado en forma de solución. Las soluciones se pueden diluir con agua antes de la aplicación o ser utilizadas saturadas. Después de secar a una temperatura específica durante un tiempo determinado, el resultado es un substrato revestido con funcionalidad súper absorbente. Por ejemplo, esta química se puede aplicar directamente sobre los alambres y cables, a pesar de que está especialmente optimizado para su uso en componentes tales como productos enrollados o sustratos laminados.

La polimerización en solución comúnmente se utiliza en la actualidad para la fabricación de copolímeros SAP, particularmente aquellos con el monómero de acrilamida tóxico. Este proceso es eficiente y generalmente es de menor costo. El proceso de solución utiliza una solución de agua basados ​​en monómeros para producir una masa de gel polimerizado reactivo. La propia energía de la reacción de polimerización (exotérmica) se utiliza para conducir la mayor parte del proceso, ayudando a reducir el costo de fabricación. El gel de polímero reactivo es entonces cortado, secado y molido a su tamaño final de gránulo. Cualquier tratamiento para mejorar las características de rendimiento de los SAP se realiza normalmente después de que el tamaño del gránulo final se crea.

Polimerización en suspensión El proceso de polimerización en suspensión es practicado por sólo unas pocas empresas, ya que requiere un mayor grado de control de la producción y de la ingeniería del producto durante la etapa de polimerización. Este proceso suspende el reactivo de base acuosa en un disolvente a base de hidrocarburos. El resultado neto es que la polimerización en suspensión crea la partícula de polímero primario en el reactor en lugar de mecánicamente en las etapas de post-reacción. Mejoras en el rendimiento también se puede realizar durante, o justo después, de la etapa de reacción.

Aplicaciones

Los diferentes polímeros súper absorbentes pueden ser utilizados para un gran variedad de aplicaciones, entre las cuales se encuentran: la liberación controlada de insecticidas y herbicidas, pañales y prendas de incontinencia, filtración, como aditivos espesantes y secuestrantes, gel ignífugo, portador de fragancias, Frog tape o cinta sapo (cinta adhesiva de alta tecnología diseñado para su uso con pintura de látex), juguetes (que crecen en agua), packs o paquetes de terapia de calor y frío, solidificación de desechos médicos, camas de agua sin movimiento, control de derrames, almohadillas quirúrgicas, tierra para macetas, estabilización de residuos y reparación del medio ambiente, retención de agua para suministrar agua a las plantas, bloqueo de agua para cables, vendajes para heridas, eliminación del agua de los combustibles de aviación, eliminación de la humedad en embalajes, nieve artificial entre otros tantos usos.

Almohadillas para absorción de agua de alimentos descongelados

Juguetes que incrementan su tamaño por absorción de agua

Vendajes súper absorbentes

Cinta sapo (cinta de enmascarar) para pintura látex

 

Nieve artificial

 

Pañales (izq.) y estructura del pañal (der.)

Usos de SAP en agricultura y horticultura

Fuentes:
http://www.m2polymer.com
http://www.btc-europe.com
http://www.techabsorbents.com
http://centros5.pntic.mec.es
Revista Investigación y Ciencia
http://www.chemblink.com
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http://sites.jmu.edu
http://www.ars.usda.gov
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