Poliacrilato de sodio
El
Poliacrilato de sodio (ACR, ASAP o PAAS), también conocido como waterlock, es una sal sódica del ácido poliacrílico con la sustancia química fórmula [−CH2−CH(CO2Na)−]n y tiene amplias aplicaciones en productos de consumo. Este polímero superabsorbente (SAP) tiene la capacidad de absorber de 100 a 1000 veces su masa en agua. El poliacrilato de sodio es un polielectrolito aniónico con grupos carboxílicos cargados negativamente en la cadena principal. Es un polímero formado por cadenas de compuestos de acrilato. Contiene sodio, lo que le confiere la capacidad de absorber grandes cantidades de agua. Cuando se disuelve en agua, forma una solución espesa y transparente debido a las interacciones iónicas de las moléculas. El poliacrilato de sodio tiene muchas propiedades mecánicas favorables. Algunas de estas ventajas incluyen buena estabilidad mecánica, alta resistencia al calor y fuerte hidratación. Se ha utilizado como aditivo para productos alimenticios como pan, jugos y helados.
Si bien los ácidos poliacrílicos neutralizados con sodio son la forma más común utilizada en la industria, también hay otras sales disponibles, incluidas las de potasio, litio y amonio. Los orígenes de la química de los polímeros superabsorbentes se remontan a principios de la década de 1960, cuando el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA) desarrolló los primeros materiales poliméricos superabsorbentes.
Antecedentes e historia
Los polímeros superabsorbenos (SAP) similares al poliacrilato sodio fueron desarrollados en la década de 1960 por el Departamento de Agricultura de Estados Unidos. Antes del desarrollo de estas sustancias, los mejores materiales de absorción de agua eran celulósicos o de fibra como papel de tejido, esponja, algodón o pulpa de pelusa. Estos materiales sólo pueden retener 20 veces su peso en el agua, mientras que el poliacrilato de sodio puede retener cientos de veces su propio peso en el agua. El USDA estaba interesado en desarrollar esta tecnología porque querían encontrar materiales que pudieran mejorar la conservación del agua en el suelo. A través de extensas investigaciones, encontraron que los geles que crearon no expulsaron el agua como materiales basados en la fibra. Los primeros adoptadores de esta tecnología fueron Dow Chemical, Hércules, General Mills Chemical y DuPont. Los pañales de bebés ultrafinales fueron algunos de los primeros productos de higiene que se desarrollaron que utilizan sólo una fracción del material en comparación con los pañales de pulpa. La tecnología superabsorbente está en alta demanda en la industria de higiene desechable para productos como pañales y servilletas sanitarias. SAPs used in hygiene products are usually sodium neutralized whereas SAPs used in agricultural applications are potassium neutralized.
Métodos de fabricación
Descripción general
Se han empleado métodos para fabricar poliacrilato de sodio, como polimerización en solución en agua, polimerización en emulsión inversa, polimerización en suspensión inversa, polimerización por plasma y polimerización inducida por presión, para sintetizar varios poliacrilatos. Sin embargo, el proceso para obtener un producto en estado sólido utilizando estos métodos requiere mucho equipo y es muy costoso. Los productos obtenidos con estos métodos también tienen defectos como mala solubilidad y amplia distribución de pesos moleculares. A pesar de tener inconvenientes, los métodos de polimerización antes mencionados se utilizan a menudo para formar poliacrilato de sodio y otros SAP.
Durante la polimerización en solución, los monómeros se disuelven en un disolvente que contiene un catalizador para inducir la polimerización. La polimerización en solución en agua utiliza agua como disolvente, lo que significa que el producto final formado a partir de la reacción es soluble en agua. La polimerización en emulsión inversa requiere agua, monómeros y un tensioactivo. Además, la polimerización en emulsión inversa se utiliza para polimerizar monómeros hidrófilos. Los monómeros hidrófobos se emulsionan a través de una fase acuosa. Los radicales libres se crean para producir el polímero con iniciadores solubles en agua o en aceite. La polimerización en suspensión inversa se lleva a cabo utilizando una solución acuosa del monómero, el agente reticulante y el iniciador que luego se agrega a una fase orgánica que se estabiliza con un tensioactivo. La polimerización por plasma utiliza una variedad de tecnologías, como haces de electrones, radiación ultravioleta o descarga luminosa, para formar polímeros a partir de un vapor hecho de monómeros. La descarga de gas proporcionada a través de este proceso inicia la polimerización de un grupo de monómeros. Finalmente, la polimerización inducida por presión aplica presión o fuerzas de compresión a soluciones de monómeros para crear unidades que se polimerizan y producen polímeros.
Otro método probado en un estudio para producir poliacrilato de sodio como alternativa a los métodos actuales comenzó con el copolímero de acrilato de butilo y ácido acrílico y poli (acrilato de butilo). Se sintetizaron mediante polimerización en suspensión utilizando acrilato de butilo como monómero principal y ácido acrílico como monómero secundario. La polimerización en suspensión utiliza movimiento y agitación físicos y mecánicos para mezclar monómeros y formar polímeros. Este proceso requiere medio dispersante, monómeros, agentes estabilizantes e iniciadores. A continuación, los polímeros se hincharon en etanol y se hidrolizaron en una solución acuosa de hidróxido de sodio. Finalmente, se obtuvieron poliacrilatos de sodio solubles en agua lavando y secando el hidrolizado resultante. Este es un método diferente en comparación con los procesos de fabricación que se han utilizado anteriormente, pero podría ser un método potencial para fabricar específicamente poliacrilato de sodio. En general, los diversos métodos de producción de poliacrilato de sodio influirán en su capacidad de hinchamiento, absorbencia y otras propiedades mecánicas. También es importante considerar el costo y la viabilidad al fabricar polímeros como el poliacrilato de sodio.
Nanofibras superabsorbentes (SAN)
Los polímeros superabsorbentes son una clase innovadora de productos de hidrogel que se pueden utilizar en muchas aplicaciones, incluidos productos de higiene, sistemas de administración de medicamentos, agricultura, biomedicina y tratamiento de aguas residuales. Se utiliza un método llamado electrohilado para fabricar nanofibras superabsorbentes (SAN) debido a sus propiedades ventajosas como una gran superficie y una estructura porosa. El electrohilado es un método simple que utiliza un campo eléctrico que recolecta filamentos forzando soluciones o polímeros fundidos. Los SAN se han creado con éxito utilizando poliacrilato de sodio y alcohol polivinílico (PVA) como matriz polimérica, que es un polímero soluble en agua que es altamente hidrófilo. Como resultado de este método de fabricación, los SAN creados en un estudio mostraron altas tasas de absorción debido al fenómeno capilar que muestran sus estructuras altamente porosas. Además, la estructura de reticulación mejoró la capacidad de absorción de agua de los SAN. En este caso, agregar PVA dio estabilidad estructural al SAN y evitó que se disolviera en agua. En general, el poliacrilato de sodio se puede combinar con PVA en una nanofibra para producir una estructura fuerte y eficaz.
Esta tecnología podría tener muchas aplicaciones en diversos campos industriales debido a la rápida y alta absorbencia, así como a la estructura sostenible de los SAN que se produjeron mediante métodos de procesamiento relativamente fáciles y simples. Los SAN fueron muy efectivos a la hora de absorber agua ya que hubo un aumento en el área de absorción. La proporción de hinchamiento también aumentó debido a los enlaces cruzados y la naturaleza altamente porosa de las nanoredes.
Compuestos
Hidrogeles de arcilla-polímero
Se han realizado estudios que observan el efecto de las propiedades mecánicas de los hidrogeles en función de la cantidad de arcilla combinada con el polímero. Al combinar polímeros con arcilla, los resultados son prometedores, mostrando un aumento en el módulo elástico y la resistencia a la tracción de los hidrogeles de arcilla-polímero. En general, la combinación de sustancias inorgánicas con polímeros puede mejorar las propiedades eléctricas, mecánicas, térmicas y de barrera a los gases de materiales como los hidrogeles. Para obtener estos resultados, se recomienda utilizar polímeros de masa molecular ultraalta superior a unos pocos millones para que las propiedades mecánicas puedan mejorar independientemente del tipo de polímero utilizado.
Se han estudiado las propiedades mecánicas de los hidrogeles de arcilla y polímero, incluida la arcilla y el óxido de polietileno (PEO), así como la arcilla y el poliacrilato de sodio (PAAS). Un estudio comparó hidrogeles de mezcla de laponita/PEO y laponita/PAAS. La laponita es una arcilla sintética que tiene la capacidad de hincharse cuando se coloca en agua. Los resultados mostraron que ambos hidrogeles tienen un módulo elástico similar. Sin embargo, la resistencia a la tracción de laponita/PAAS es mucho más fuerte que la de los hidrogeles de mezcla de laponita/PEO. La razón de esta diferencia se basa en la fuerza de interacción arcilla-polímero en cada mezcla de hidrogel. En laponita/PAAS, la interacción es mucho más fuerte en comparación con la mezcla de laponita/PEO.
Iones metálicos
Experimentos y estudios han demostrado que la incorporación de 0,3% en peso de poliacrilato de sodio en fibras de colágeno (Co) puede mejorar las propiedades mecánicas y la estabilidad térmica de las películas compuestas. El poliacrilato de sodio puede formar películas y compuestos con diferentes polímeros catiónicos, proteínas y otras sustancias, todo lo cual puede beneficiar las propiedades de la película resultante. Además, el poliacrilato de sodio tiene el potencial de combinarse con iones metálicos debido a su característica propiedad polianiónica que permitiría un mayor refuerzo del material. Cuando se combinaron películas de mezcla de colágeno y poliacrilato de sodio (Co-PAAS) con Ca2+, Fe3+ y Ag+ que oscilaron entre 0,001 A 0,004 mol/g, la superficie de los compuestos se volvió más gruesa y la estructura interna se volvió más estratificada a medida que se añadían más iones metálicos. Cuando se agregaron los iones, aumentó la resistencia a la tracción. Las cantidades óptimas para cada ion son las siguientes: Ca2+ (0,003 mol/g), Fe3+ (0,002 mol/g) y Ag+ (0,001 mol/g). Las películas compuestas también tenían una mejor estabilidad térmica.
En general, el estudio demostró que los iones metálicos añadidos a las películas compuestas de mezcla Co-PAAS se pueden utilizar como una alternativa para reforzar los materiales compuestos colágenos. Estos tres iones se combinaron con la película Co-PAAS debido a sus relevantes aplicaciones biológicas. Ca2+ es uno de los principales elementos de los tejidos animales, incluidos los huesos y los dientes, y tiene una fuerte interacción con el colágeno. Además, el Fe3+ es un oligoelemento importante en el cuerpo humano y participa en la quelación de proteínas. Finalmente, Ag+ tiene propiedades antibacterianas y puede mejorar la estabilidad y transparencia de la película Co-PAAS.
Chitosán
El poliacrilato de sodio es un polielectrolito electronegativo de uso común que podría usarse para construir hidrogeles y superabsorbentes autorreparantes. Se han fabricado con éxito nuevos hidrogeles de complejo polielectrolito (CPG) de quitosano/poliacrilato de sodio en un estudio mediante la reticulación de quitosano y poliacrilato de sodio con epiclorhidrina (ECH) a través del efecto inhibidor de la protonación del quitosano en una solución acuosa de álcali/urea. El CPG tuvo una alta proporción de hinchamiento debido al poliacrilato de sodio y actuó de manera diferente en varias soluciones de pH, soluciones fisiológicas y soluciones salinas con diferentes concentraciones. Como resultado, el CPG tuvo propiedades de respuesta inteligentes a diferentes situaciones y exhibió una alta resistencia a la compresión, buena biocompatibilidad y biodegradabilidad in-vitro. Este proceso de fabricación ha demostrado ser exitoso y tiene aplicaciones potenciales en los campos de la agricultura, los alimentos, la ingeniería de tejidos y la administración de medicamentos.
Aplicaciones
Descripción general
Los polímeros solubles en agua se utilizan en muchas industrias, especialmente los poliacrilatos. Algunas aplicaciones incluyen espesantes, floculantes, dispersantes y agentes reductores de arrastre. Los poliacrilatos también se utilizan como adhesivos o revestimientos respetuosos con el medio ambiente.
Además, el poliacrilato de sodio se utiliza en pañales de papel y prendas de máxima absorbencia como material absorbente. También se utiliza en bolsas de hielo para convertir el agua utilizada como agente refrescante en un gel, a fin de reducir los derrames en caso de que la bolsa de hielo tenga fugas. También se ha estudiado el uso del poliacrilato de sodio en muchas aplicaciones, como la nanofiltración de agua para absorber agua y concentrar el líquido con microbios. Además, se utiliza en ecoingeniería como agente de retención de agua en laderas rocosas para aumentar la disponibilidad de humedad en el suelo.
Esto puede mejorar la disponibilidad de retención de agua del suelo y la capacidad de infiltración en suelos arenosos. A continuación se muestra una tabla que contiene categorías y listas de algunos productos y aplicaciones que utilizan poliacrilato de sodio:
| Salud | Animales | Industria | Medio ambiente | Otros productos |
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Algunos de los elementos enumerados anteriormente se analizarán con más detalle en las siguientes secciones de la aplicación. Sin embargo, es importante tener en cuenta que la tabla proporcionada anteriormente no es exhaustiva y no contiene todas las aplicaciones posibles o potenciales para el uso de poliacrilato de sodio.
Agentes secuestrantes
El poliacrilato de sodio se usa comúnmente en detergentes como agente quelante. Un agente quelante se utiliza en los detergentes porque tiene la capacidad de neutralizar los metales pesados que se pueden encontrar en la suciedad, el agua y otras sustancias que podrían estar en la ropa. La adición de poliacrilato de sodio hace que el detergente sea más eficaz a la hora de limpiar la ropa.
Agentes espesantes
Dado que el poliacrilato de sodio puede absorber y retener moléculas de agua, se usa a menudo en pañales, geles para el cabello y jabones. El poliacrilato de sodio se considera un agente espesante porque aumenta la viscosidad de los compuestos a base de agua. En los pañales, el poliacrilato de sodio absorbe el agua que se encuentra en la orina para aumentar la capacidad de almacenar líquido y reducir las erupciones.
Recubrimientos
El poliacrilato de sodio también se puede utilizar como recubrimiento para cables eléctricos para reducir la cantidad de humedad alrededor de los cables. El agua y la humedad cerca de los cables pueden causar problemas con la transmisión de señales eléctricas. Esto podría provocar posibles riesgos de incendio. Debido a la eficaz capacidad de absorción e hinchazón del poliacrilato de sodio, puede absorber agua y evitar que rodee o se infiltre en los cables.
Agricultura
En la industria agrícola, el poliacrilato de sodio se utiliza para ayudar a las plantas a retener la humedad en el suelo. Puede actuar como depósito de agua para las plantas y los floristas lo utilizan habitualmente para mantener frescas las flores. Además, el Departamento de Agricultura de Estados Unidos ha aprobado el uso de poliacrilato de sodio para el cultivo de frutas y hortalizas nacionales.
Industria petrolera
El poliacrilato de sodio se utiliza como fluido para perforar en la industria petrolera.
Metalurgia
Según se informa, se utiliza como agente extintor de polímeros orgánicos, junto con polialquilenglicol (PAG), polivinilpirrolidona (PVP) y polietiloxazolina (PEO).
Aplicaciones medioambientales
Inhibición de la producción de hidrógeno a partir de residuos de pañales
Aunque el poliacrilato de sodio tiene aplicaciones ambientales beneficiosas, en un estudio se descubrió que el poliacrilato de sodio tiene efectos inhibidores sobre la fermentación de bioH2 de los desechos celulósicos. El poliacrilato de sodio se usa comúnmente en pañales para absorber líquidos de la orina y las heces, pero se ha descubierto que los pañales desechables de desecho (WDD) se acumulan en los vertederos ya que el poliacrilato de sodio previene y afecta negativamente la producción de H2 procedente de la fermentación oscura del WDD. En concreto, los WDD representan el 7% de los residuos sólidos urbanos y la opción actual es el vertedero, que sólo es degradable en condiciones biológicas. Tales condiciones incluyen la degradación anaeróbica y el compostaje. Teniendo en cuenta las grandes cantidades de desechos celulósicos en WDD, para ser más sostenible se ha recomendado reemplazar el poliacrilato de sodio con almidones especiales que pueden absorber cantidades significativas de agua pero aún son degradables mediante fermentación oscura (DF). En general, a pesar de tener muchas aplicaciones ambientales beneficiosas, el uso de poliacrilato de sodio en pañales puede evitar que los desechos se degraden adecuadamente con el tiempo.
Conservación de la piel de animales baja en sal
En la industria del cuero, la preservación a base de sal se usa típicamente porque es versátil, rentable y fácilmente disponible. Sin embargo, la sal extraída del proceso de remojo puede causar contaminación, incluido un elevado nivel de sólidos disueltos totales (TDS). Se realizó un estudio para medir la eficacia de utilizar un método de conservación de la piel bajo en sal con poliacrilato de sodio que tiene una cantidad reducida de NaCl. El objetivo principal era conservar las propiedades del cuero comercial y al mismo tiempo reducir la contaminación. Los resultados mostraron que el poliacrilato de sodio con bajos niveles de sal tenía una eficiencia de curado adecuada con una reducción significativa (>65%) de TDS. En los procesos de curado convencionales se utiliza alrededor del 40% de NaCl, pero el proceso realizado con poliacrilato de sodio utilizó un 15% de NaCl y un 5% de poliacrilato de sodio.
Eliminación de iones metálicos del medio ambiente
Los estudios han demostrado que el poliacrilato de sodio y otros polímeros superabsorbentes o SAP se pueden utilizar para absorber y recuperar iones metálicos. Los metales pesados son contaminantes muy dañinos y pueden tener efectos perjudiciales para los ambientes acuáticos y los seres humanos debido a su alta toxicidad, bioacumulación y no degradabilidad. Actividades como la minería y la refinación de petróleo pueden producir estos metales pesados, lo que requiere un proceso simple y ambientalmente sostenible para absorber estos metales dañinos y evitar resultados desastrosos. El poliacrilato de sodio puede absorber soluciones rápidamente al hinchar las redes de estructuras porosas para reducir la resistencia a la transferencia de masa. Además, el poliacrilato de sodio es una opción biocompatible, no tóxica y de bajo costo para la purificación del agua para recuperar iones metálicos.
Un estudio demostró que un compuesto de poliacrilato de sodio tenía una alta eficiencia de adsorción y desorción, lo que implica que el poliacrilato de sodio puede reciclarse y reutilizarse como un absorbente eficaz para la recuperación de Cu(II). El poliacrilato de sodio puede hacer esto debido a su grupo funcional (-COO-) en su matriz, que contribuye a su capacidad de adsorción efectiva. El poliacrilato de sodio tiene una capacidad de adsorción muy alta y una de las capacidades de adsorción más altas del poliacrilato de sodio se encontró con los iones Cu(II). Usando una concentración suave de ácido nítrico 0,01 M, casi todo el cobre pudo recuperarse de la matriz de poliacrilato de sodio. Los resultados del estudio indican la eficacia del uso de poliacrilato de sodio para eliminar del medio ambiente metales tóxicos como el cobre. También es una solución sostenible ya que el poliacrilato de sodio se puede reciclar y reutilizar, reduciendo así los residuos.
Aplicaciones de entrega de medicamentos
El poliacrilato de sodio se puede utilizar para microencapsulación para administrar sustancias como probióticos. La entrega de probióticos al sistema digestivo puede resultar difícil porque la viabilidad de los probióticos disminuye drásticamente en todo el tracto gastrointestinal debido a condiciones de acidez fuerte. Aunque el alginato (Alg) es la matriz de microcápsulas nativa más utilizada, la combinación de Alg con poliacrilato de sodio produce mejores resultados según investigaciones que comparan diferentes métodos de encapsulación. El poliacrilato de sodio es un aditivo alimentario oral seguro aprobado por la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) y tiene grupos carboxilato repetidos a lo largo de su cadena molecular. Como resultado, el efecto amortiguador del ácido del poliacrilato de sodio podría ser mejor que el del ácido molecular pequeño. Además, la capacidad de unión del poliacrilato de sodio con iones de calcio podría ser mayor que la del Alg debido a la alta concentración de grupos carboxilato y la mayor naturaleza flexible de la cadena polimérica.
Se ha descubierto que el poliacrilato de sodio es útil en aplicaciones de administración de fármacos. Cuando se combinó con Alg, el poliacrilato de sodio pudo encapsular con éxito Lactobacillus plantarum MA2 y permitió una mejor administración de probióticos en comparación con una microcápsula de Alg. Este resultado es válido tanto para el intestino delgado como para el grueso. Esta investigación ha demostrado que Alg-PAAS(1:2) podría ser una matriz de microcápsulas potencialmente eficaz en la administración de fármacos probióticos. Esta cápsula mejoró la supervivencia del probiótico cuando viaja tanto in-vitro como in-vivo.
Entretenimiento
Las perlas de hidrogel hechas de poliacrilato de sodio se utilizan como juguetes acuáticos expandibles y como munición para pistolas de juguete de gel.
Seguridad
El poliacrilato de sodio por sí solo no irrita la piel. Está formado por polímeros de gran tamaño que no tienen la capacidad de infiltrarse en la piel. Sin embargo, a veces el poliacrilato de sodio se mezcla con ácido acrílico que queda del proceso de fabricación. Como sobrante de la producción de poliacrilato de sodio, el ácido acrílico puede provocar sarpullido en contacto con la piel. Debe ser inferior a 300 PPM como material absorbente en pañales de papel. Además, si se utiliza poliacrilato de sodio en forma de polvo, no se debe inhalar. Si se derrama en una zona con agua, el poliacrilato de sodio podría provocar que el suelo quede muy resbaladizo. Finalmente, el poliacrilato de sodio puede causar obstrucciones graves si ingresa en alcantarillas o sistemas de drenaje en grandes cantidades. De lo contrario, el poliacrilato de sodio no es tóxico y está a salvo de riesgos importantes. Los datos sobre su seguridad para el medio ambiente no son adecuados; sin embargo, se considera no biodegradable y puede causar salinización del suelo cuando se agrega en grandes cantidades.