1. Introducción
El término «emulsión de cera» puede resultar engañoso, ya que en realidad se trata de una dispersión de partículas sólidas de cera en una fase continua de agua. Una emulsión verdadera (definida como la mezcla de dos líquidos inmiscibles) solo ocurre cuando la cera está en estado fundido y se forma a altas temperaturas. Como se mencionó antes, una emulsión de cera debe estabilizarse mediante emulsificantes no iónicos (mecanismo estérico), iónicos (mecanismo electrostático) o una combinación de ambos, lo que permite beneficiarse de ambos mecanismos de estabilización. También se pueden añadir otros ingredientes como electrolitos, espesantes o conservantes para ayudar a mantener la estabilidad de la dispersión.
Es bien conocido que las emulsiones de cera se utilizan ampliamente como aditivos en diversas aplicaciones industriales. Pueden usarse para controlar la procesabilidad de los productos o para mejorar las propiedades de los recubrimientos protectores frente a la abrasión o la exposición a la humedad. Las propiedades fundamentales de las ceras dependen de su composición química, su punto de fusión y su polaridad.
El tamaño de las partículas de cera en las emulsiones es un aspecto clave a considerar cuando se desarrolla una emulsión para un propósito específico. Por ejemplo, si se busca modificar las propiedades táctiles, es esencial que las partículas de cera sobresalgan a través de la capa de recubrimiento, lo que requiere un tamaño de partícula mayor que el grosor de la película. Sin embargo, partículas demasiado grandes pueden generar defectos en la película o incluso fallos en el producto. Por otro lado, un tamaño de partícula muy fino asegura una incorporación homogénea en la formulación, maximizando los efectos deseados y evitando defectos. Además, permite obtener acabados con alto brillo.
En Concentrol, ofrecemos soluciones específicas para problemas definidos, gracias a nuestra experiencia en la producción de emulsiones de cera. Durante el proceso de emulsificación, controlamos el rango del tamaño de las partículas para cumplir con especificaciones precisas. A continuación, se presenta un ejemplo sobre el ajuste del tamaño de partículas en una emulsión de cera a base de polietileno.
2. Procedimiento de emulsificación
Para demostrar este concepto, utilizamos la formulación EMULTROL EPH, una emulsión de cera de polietileno no iónica/aniónica a base de agua. Debido al alto punto de fusión de la cera, la emulsificación solo puede realizarse bajo presión en un sistema cerrado. Además, se empleó la técnica de emulsificación indirecta, que permite obtener emulsiones de alta calidad con la mayor consistencia. La técnica de emulsificación por dilución bajo presión (indirecta) consiste en crear inicialmente una emulsión de alto contenido sólido de cera y tensioactivo, reteniendo una parte del agua. Esto favorece la formación de micelas más uniformes, aunque requiere el uso de dos recipientes a presión.
El procedimiento seguido fue el siguiente: Se introdujo cera de polietileno en un reactor autoclave junto con el emulsificante no iónico, disulfato de sodio alcalino y parte del agua a temperatura ambiente. Se cerró el autoclave y se calentó a 125-135 °C mientras se agitaba, manteniendo la temperatura durante 30 minutos. A continuación, se inyectó la segunda parte del agua, previamente calentada a 100 °C, bajo presión. Luego, se enfrió rápidamente a temperatura ambiente mediante un proceso de enfriamiento por choque para garantizar los mejores resultados. Finalmente, se añadió un conservante para prolongar la vida útil de la emulsión.
3. Resultados
El tipo y la concentración de tensioactivos son factores críticos para determinar el tamaño y la estabilidad de las gotas de cera en la fase continua (agua). En la Figura 1 se muestran las diferentes emulsiones de EMULTROL EPH obtenidas al variar la cantidad de emulsificante. En todas se utilizó el mismo tensioactivo, pero su concentración se redujo progresivamente de A a C.
Figura 1 – EMULTROL EPH con diferentes tamaños de partícula
Como se mencionó antes, las emulsiones constan de una fase dispersa y una fase continua, con una interfaz que las separa. Las emulsiones suelen aparecer turbias o blancas, debido a la dispersión de la luz en las interfaces de fase entre los componentes de la mezcla. Sin embargo, las microemulsiones y nanoemulsiones, con un tamaño de gota inferior a 100 nm, son translúcidas. Esto se debe a que las ondas de luz solo se dispersan si las gotas son mayores de una cuarta parte de la longitud de onda de la luz incidente. Dado que el espectro visible tiene longitudes de onda entre 390 y 750 nm, si las gotas de la emulsión tienen un tamaño inferior a 100 nm, la luz atraviesa la emulsión sin dispersarse. Esta singularidad se percibe claramente en la emulsión A de la Figura 1, y se confirma mediante la medición del tamaño de las partícula, mostrada en la Figura 2.
Figura 2 – Medición del tamaño de partículas de las emulsiones A, B y C
Además, cuando la emulsión se diluye, la luz azul de longitud de onda corta se dispersa más, haciendo que la emulsión parezca más azul. Este fenómeno, conocido como «Efecto Tyndall», ocurre de forma contraria cuando la emulsión es lo suficientemente concentrada, haciendo que la luz se distorsione hacia longitudes de onda más largas, dándole una apariencia más amarillenta. Esta peculiaridad se puede observar en la Figura 3, donde las emulsiones A y B se diluyeron al 10 % de su concentración original en agua desionizada (A’ y B’, respectivamente).
Figura 3 – Apariencia de las emulsiones originales A y B y sus diluciones al 10 % A’ y B’
4. Beneficios de controlar el tamaño de las partículas
Las emulsiones son inherentemente inestables y requieren un aporte energético para formarse. Con el tiempo, tienden a separarse en fases. Por ello, los emulsificantes se utilizan para reducir la tensión superficial interfacial y estabilizar la emulsión. Mientras que las microemulsiones son termodinámicamente estables, las nanoemulsiones translúcidas son cinéticamente estables.
En sistemas de barnices y pinturas, las partículas de cera forman una red que reduce la sedimentación de los agentes de matización (anti-brillo) y mejora el efecto matizante. El tamaño de las partículas de cera también afecta el brillo del recubrimiento.
No obstante, un tamaño de partícula demasiado fino puede disminuir la eficacia de la cera como aditivo en el recubrimiento. Para que la cera cumpla su función, las partículas deben sobresalir a través de la superficie del recubrimiento. Las partículas pequeñas tienen menos probabilidades de sobresalir de las irregularidades, especialmente en recubrimientos pigmentados. En aplicaciones donde la permeabilidad o la transparencia son factores importantes (como en acabados de fibras y productos de pulido), es preferible utilizar una emulsión con partículas muy pequeñas.
5. Conclusión
La elección del emulsificante es fundamental en la formulación de emulsiones, ya que desempeña un papel clave tanto en la formación como en la estabilización de la emulsión. La selección del emulsificante debe basarse en las características del producto final, la metodología de preparación de la emulsión, las propiedades químicas y físicas de cada fase y la presencia de otros componentes funcionales en la mezcla.
Una vez seleccionado el emulsificante, su concentración influye significativamente en todas las propiedades de la emulsión, como la estabilidad, la distribución del tamaño de las gotas, la tensión superficial e interfacial, la capacidad de humectación y la viscosidad. En este artículo, hemos demostrado que la concentración de emulsificante está estrechamente relacionada con el tamaño de las partículas de la emulsión. A mayor concentración de tensioactivo, se obtiene un tamaño de partícula menor. Para ilustrar esto, utilizamos la emulsión EMULTROL EPH y, al variar la cantidad de emulsificante, obtuvimos diferentes tamaños de partículas, que mostraron una apariencia claramente distinguible.
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