El poliacrilato de sodio ( ACR, ASAP o PAAS ), [1] : 233 también conocido como waterlock , es una sal sódica del ácido poliacrílico con la fórmula química [−CH 2 −CH(CO 2 Na)−] 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 [2] con grupos carboxílicos cargados negativamente en la cadena principal. Es un polímero formado por cadenas de compuestos de acrilato. Contiene sodio, lo que le da 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.
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 . [3] 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 EE. UU. (USDA) desarrolló los primeros materiales poliméricos superabsorbentes.
Los polímeros superabsorbentes (SAP) similares al poliacrilato de sodio fueron desarrollados en la década de 1960 por el Departamento de Agricultura de los EE. UU. [3] Antes del desarrollo de estas sustancias, los mejores materiales absorbentes de agua eran celulósicos o basados en fibras como papel tisú, esponja, algodón o pulpa de pelusa. Estos materiales solo pueden retener 20 veces su peso en agua, mientras que el poliacrilato de sodio puede retener cientos de veces su propio peso en agua. El USDA estaba interesado en desarrollar esta tecnología porque quería encontrar materiales que pudieran mejorar la conservación del agua en el suelo. A través de una extensa investigación, descubrieron que los geles que crearon no expulsaban agua como lo harían los materiales basados en fibras. Los primeros en adoptar esta tecnología fueron Dow Chemical , Hercules, General Mills Chemical y DuPont . Los pañales ultradelgados para bebés fueron algunos de los primeros productos de higiene que se desarrollaron y que utilizan solo una fracción del material en comparación con los pañales de pulpa de pelusa. La tecnología superabsorbente tiene una gran demanda en la industria de la higiene desechable para productos como pañales y toallas sanitarias. Los SAP utilizados en productos de higiene generalmente están neutralizados con sodio, mientras que los SAP utilizados en aplicaciones agrícolas están neutralizados con potasio.
Se han empleado métodos para fabricar poliacrilato de sodio, como la polimerización en solución en agua, la polimerización en emulsión inversa, la polimerización en suspensión inversa, la polimerización por plasma y la polimerización inducida por presión para sintetizar varios poliacrilatos. [4] Sin embargo, el proceso para obtener un producto en estado sólido utilizando estos métodos requiere una gran cantidad de equipo y es muy costoso. Los productos obtenidos a partir de estos métodos también tienen defectos como una solubilidad deficiente y una amplia distribución del peso molecular. A pesar de tener inconvenientes, los métodos de polimerización mencionados anteriormente 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 . [5] 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 surfactante . Además, la polimerización en emulsión inversa se utiliza para polimerizar monómeros hidrófilos . Los monómeros hidrófobos se emulsionan a través de una fase acuosa. Se crean radicales libres para producir el polímero con iniciadores solubles en agua o aceite. La polimerización en suspensión inversa se lleva a cabo utilizando una solución acuosa del monómero, agente de reticulación e iniciador que luego se agrega a una fase orgánica que se estabiliza con un surfactante. La polimerización de plasma utiliza una variedad de tecnologías como haces de electrones, radiación ultravioleta o descarga luminiscente 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 experimentan polimerización y producen polímeros.
Otro método probado en un estudio para producir poliacrilato de sodio como alternativa a los métodos actuales comenzó con copolímero de acrilato de butilo-ácido acrílico y poli(acrilato de butilo). [4] 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 físico y mecánico y agitación para mezclar monómeros para formar polímeros. Este proceso requiere medio dispersante, monómeros, agentes estabilizadores 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 resultante hidrolizado. 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.
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 . [6] Se utiliza un método llamado electrohilado para fabricar nanofibras superabsorbentes (SAN) debido a sus propiedades ventajosas como gran área de superficie y estructura porosa. El electrohilado es un método simple que utiliza un campo eléctrico que recoge filamentos al forzar la fusión o solución del polímero. Las 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, las SAN creadas en un estudio mostraron altas tasas de absorción debido al fenómeno capilar mostrado por sus estructuras altamente porosas. Además, la estructura de reticulación mejoró la capacidad de absorción de agua de las SAN. La adición de PVA en este caso le dio estabilidad estructural a la 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 efectiva.
Esta tecnología podría tener muchas aplicaciones en diversos campos industriales debido a la rápida y alta capacidad de absorción, así como a la estructura sostenible de las SAN, que se produjeron mediante métodos de procesamiento relativamente fáciles y simples. [6] Las SAN fueron muy efectivas al absorber agua, ya que hubo un aumento en el área de absorción. La relación de hinchamiento también aumentó debido a los enlaces cruzados y la naturaleza altamente porosa de las nanoredes.
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. [7] 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 de gas 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, incluidos los de arcilla y óxido de polietileno (PEO), así como los de arcilla y poliacrilato de sodio (PAAS). [7] Un estudio comparó los hidrogeles de laponita/PEO y los de mezcla de 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 la 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.
Los 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. [2] 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 propiedad polianiónica característica que permitiría un mayor refuerzo del material. Cuando se combinaron películas de mezcla de colágeno y poliacrilato de sodio (Co-PAAS) con Ca 2+ , Fe 3+ y Ag + en un rango de 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 añadieron más iones metálicos . Cuando se añadieron los iones , aumentó la resistencia a la tracción. Las cantidades óptimas para cada ion son las siguientes: Ca 2+ (0,003 mol/g), Fe 3+ (0,002 mol/g) y Ag + (0,001 mol/g). Las películas compuestas también presentaron una mejor estabilidad térmica.
En general, el estudio demostró que los iones metálicos añadidos a las películas compuestas de mezcla de Co-PAAS se pueden utilizar como una alternativa para reforzar los materiales compuestos de colágeno. [2] Estos tres iones se combinaron con la película de Co-PAAS debido a sus aplicaciones biológicas relevantes. Ca 2+ es uno de los principales elementos en los tejidos animales, incluidos los huesos y los dientes, y tiene una fuerte interacción con el colágeno. A continuación, Fe 3+ 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 la transparencia de la película de Co-PAAS.
El poliacrilato de sodio es un polielectrolito electronegativo de uso común que podría usarse para construir hidrogeles autorreparadores y superabsorbentes. [8] Se han fabricado con éxito nuevos hidrogeles complejos de polielectrolito de quitosano /poliacrilato de sodio (CPG) 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 urea/ álcali . El CPG tenía una alta relación de hinchamiento debido al poliacrilato de sodio y actuaba de manera diferente en varias soluciones de pH, soluciones fisiológicas y soluciones salinas con diferentes concentraciones. Como resultado, el CPG tenía propiedades de respuesta inteligente a diferentes situaciones y exhibía 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 fármacos.
Los polímeros solubles en agua se utilizan en muchas industrias, especialmente los poliacrilatos. [4] Algunas aplicaciones incluyen espesantes , floculantes , dispersantes y agentes reductores de fricción . Los poliacrilatos también se utilizan como adhesivos o recubrimientos ecológicos .
Además, el poliacrilato de sodio se utiliza en pañales de papel y prendas de máxima absorción como material absorbente. [9] También se utiliza en bolsas de hielo para convertir el agua utilizada como agente refrigerante en un gel , con el fin de reducir los derrames en caso de que la bolsa de hielo tenga fugas. [10] El poliacrilato de sodio también se ha estudiado para su uso en muchas aplicaciones, como la nanofiltración de agua para absorber agua y concentrar el líquido con microbios. [11] Además, se utiliza para la ecoingeniería como agente de retención de agua en pendientes rocosas para aumentar la disponibilidad de humedad en el suelo.
Esto puede mejorar la capacidad 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: [12]
Algunos de los elementos enumerados anteriormente se analizarán con más detalle en las siguientes secciones de aplicación. Sin embargo, es importante tener en cuenta que la tabla que se proporciona anteriormente no es exhaustiva y no contiene todas las aplicaciones posibles o potenciales del uso del poliacrilato de sodio.
El poliacrilato de sodio se utiliza comúnmente en detergentes como agente quelante. [13] Un agente quelante se utiliza en detergentes porque tiene la capacidad de neutralizar 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 al limpiar la ropa.
Dado que el poliacrilato de sodio puede absorber y retener moléculas de agua, se utiliza a menudo en pañales, geles para el cabello y jabones. [13] 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.
El poliacrilato de sodio también se puede utilizar como revestimiento para cables eléctricos con el fin de reducir la cantidad de humedad alrededor de los cables. [13] El agua y la humedad cerca de los cables pueden causar problemas con la transmisión de señales eléctricas. Esto podría causar posibles riesgos de incendio. Debido a la eficaz capacidad de absorción e hinchamiento del poliacrilato de sodio, puede absorber agua y evitar que rodee o se filtre en los cables.
En la industria agrícola, el poliacrilato de sodio se utiliza para ayudar a las plantas a retener la humedad en el suelo. [13] Puede actuar como un depósito de agua para las plantas y los floristas lo utilizan habitualmente para mantener las flores frescas. Además, el uso de poliacrilato de sodio para el cultivo doméstico de frutas y verduras ha sido aprobado por el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos.
El poliacrilato de sodio se utiliza como fluido para la perforación en la industria petrolera. [14] [15]
Se informa que se utiliza como agente de extinción de polímeros orgánicos , junto con polialquilenglicol (PAG), polivinilpirrolidona (PVP) y polietiloxazolina ( PEO). [16] [1] : 233
Aunque el poliacrilato de sodio tiene aplicaciones ambientales beneficiosas, en un estudio, se encontró que el poliacrilato de sodio tiene efectos inhibidores en la fermentación bioH2 de los desechos celulósicos. [17] El poliacrilato de sodio se usa comúnmente en pañales para absorber líquidos de la orina y las heces , pero se ha encontrado 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 de la fermentación oscura de WDD. Para ser específicos, WDD representa el 7% de los residuos sólidos urbanos y la opción actual es el vertedero, que es degradable solo durante condiciones biológicas. Tales condiciones incluyen la degradación anaeróbica y el compostaje . Considerando las altas cantidades de desechos celulósicos en WDD, para ser más sustentable, se ha recomendado que el poliacrilato de sodio se reemplace con almidones especiales que pueden absorber cantidades significativas de agua pero aún son degradables por 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.
En la industria del cuero , la conservación a base de sal se utiliza normalmente porque es versátil, rentable y de fácil acceso. [11] Sin embargo, la sal eliminada del proceso de remojo puede causar contaminación, incluidos sólidos disueltos totales elevados (TDS). Se realizó un estudio para medir la eficacia de utilizar en su lugar un método de conservación de la piel con bajo contenido de sal con poliacrilato de sodio que tiene una cantidad reducida de NaCl . El objetivo principal era conservar las propiedades del cuero comercial al tiempo que se reducía la contaminación. Los resultados mostraron que el poliacrilato de sodio con bajos niveles de sal tenía una eficacia de curado adecuada con una reducción significativa (>65%) de TDS. Alrededor del 40% de NaCl se utiliza en los procesos de curado convencionales, pero el proceso realizado con poliacrilato de sodio utilizó un 15% de NaCl y un 5% de poliacrilato de sodio.
Los estudios han demostrado que el poliacrilato de sodio y otros polímeros superabsorbentes o SAP se pueden utilizar para absorber y recuperar iones metálicos. [18] Los metales pesados son contaminantes muy dañinos y pueden tener efectos perjudiciales en los entornos 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 para 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 de bajo costo, no tóxica y biocompatible 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). [18] 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 para el poliacrilato de sodio se encontró con iones Cu (II). Usando una concentración suave de ácido nítrico 0,01 M , casi todo el cobre podría recuperarse de la matriz de poliacrilato de sodio. Los resultados del estudio indican la efectividad de usar poliacrilato de sodio para eliminar del medio ambiente metales tóxicos como el cobre. También es una solución sustentable ya que el poliacrilato de sodio puede reciclarse y reutilizarse, por lo tanto, reduce el desperdicio.
El poliacrilato de sodio se puede utilizar para la microencapsulación para administrar sustancias como probióticos . [19] La administración de probióticos al sistema digestivo puede ser difícil porque la viabilidad de los probióticos disminuye drásticamente en todo el tracto gastrointestinal debido a las fuertes condiciones ácidas . Aunque el alginato (Alg) es la matriz de microcápsulas nativas más utilizada, la combinación de Alg con poliacrilato de sodio produce mejores resultados según la investigación que compara diferentes métodos de encapsulación. El poliacrilato de sodio es un aditivo alimentario seguro para uso oral 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 de 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 naturaleza flexible aumentada de la cadena de polímero.
Se ha descubierto que el poliacrilato de sodio es útil en aplicaciones de administración de fármacos. [19] Cuando se combina 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 .
Las perlas de hidrogel hechas de poliacrilato de sodio se utilizan como juguetes acuáticos expansibles y como munición para pistolas de juguete de gel blaster .
El poliacrilato de sodio por sí mismo no irrita la piel. [20] Está compuesto de polímeros grandes que no tienen la capacidad de infiltrarse en la piel. Sin embargo, a veces el poliacrilato de sodio se mezcla con ácido acrílico que es un residuo del proceso de fabricación. Como residuo de la producción de poliacrilato de sodio, el ácido acrílico puede causar una erupción 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 debe inhalarse. Si se derrama en un área con agua, el poliacrilato de sodio puede hacer que el suelo sea muy resbaladizo. Finalmente, el poliacrilato de sodio puede causar obstrucciones graves si entra en alcantarillas o sistemas de drenaje en grandes cantidades. De lo contrario, el poliacrilato de sodio no es tóxico y está a salvo de cualquier riesgo importante. 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. [21]
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