Pulverización por enfriamiento para desarrollo de aditivos plásticos

Los aditivos para plásticos comprenden una amplia gama de sustancias que son añadidas en cantidades controladas con el fin de agregar, modificar o mejorar las propiedades de plásticos (Figura 1).

Los aditivos proporcionan la mayor parte de las ventajas buscadas en los plásticos tales como alta procesabilidad, protección a la intemperie, bajo costo, rendimiento, seguridad y apariencia. Sin embargo, el reto sigue siendo la incorporación efectiva de éstos sin afectar sus propiedades finales.

La evolución en tecnologías para incorporar aditivos está influenciada por las tendencias en materiales avanzados y la prevención de riesgos tóxicos. En este contexto, el encapsulamiento de aditivos proporciona soluciones para el desarrollo de procesos sustentables y seguridad laboral dentro de la industria alimenticia, biomédica y agroquímica (Figura 2).

Entre los métodos de encapsulamiento de aditivos más utilizados se encuentran la técnica de inversión de fases, atomización en cama fluidizada, coprecipitación, Sol-Gel, emulsión, recubrimiento por atomización y secado por atomización.

A pesar de la alta eficiencia de encapsulamiento de estas técnicas, la mayoría presenta grandes desventajas tales como el uso excesivo de solventes, bajo rendimiento y alto consumo energético, los cuales dificultan su escalamiento a nivel industrial. De estas técnicas, el secado por atomización (spray drying) sobresale por ser una alternativa popular y económica para el micro-encapsulamiento de fármacos y enmascaramiento de aromas y de sabores.

Este proceso parte de una dispersión atomizada en un ambiente caliente. Un intercambio de calor y masa entre el ambiente y las gotas de la dispersión permite eliminar el solvente y generar micro-encapsulados tipo núcleo-coraza, matriz o huecos con diferente grado de porosidad.

¿Qué es la pulverización por enfriamiento?

1. Introducción y aplicaciones de la pulverización en frío

La necesidad de encapsular aditivos en matrices cristalinas, así como de procesar ingredientes termosensibles en las industrias farmacéutica y de alimentos, generó el desarrollo de la tecnología de pulverizado en frío (spray chilling, spray cooling, spray congealing por sus nombres en inglés) a partir del secado por atomización.

Su principio de funcionamiento es el inverso del secado por atomización; inclusive, equipos de secado por atomización pueden adaptarse a una configuración de pulverización por enfriamiento.

La tecnología de pulverización por enfriamiento consiste en la atomización de una suspensión, solución o emulsión de un agente activo o aditivo (sólido o líquido) en una matriz fundida, a un ambiente que se mantiene a una temperatura por debajo del punto de solidificación de la matriz.

La atomización permite la formación de gotas pequeñas fundidas, que al solidificar forman las micropartículas en forma de polvos con tamaño entre 1 – 500 micras, conteniendo los aditivos encapsulados.

La pulverización por enfriamiento ha sido tradicionalmente utilizada en la industria de alimentos y medicina para el encapsulamiento de vitaminas, fármacos, enzimas y suplementos alimenticios; así como también en la industria de cosméticos. Sin embargo, en los últimos años esta tecnología ha ganado popularidad en el área de aditivos plásticos con el encapsulamiento de estabilizantes, antioxidantes, agentes anti-estáticos, retardantes de flama, adhesivos de fusión en caliente (Hot-Melt Adhesives) entre otros.

El espectro de aditivos que pueden ser encapsulados es muy amplio, por lo que el tipo de aditivo a encapsular y sus propiedades, como estabilidad térmica en condiciones de procesado, definirán las características del sistema de pulverización y las características físico-químicas de la matriz de encapsulamiento para favorecer la interacción con el aditivo.

 2.  Sistema de pulverización por enfriamiento

El sistema para realizar el proceso de pulverización por enfriamiento consta principalmente de un atomizador, una cámara de enfriamiento, un suministro de gas de enfriamiento (13 – 18 ºC) y de atomizado (70 – 160°C), un ciclón y un sistema de aspiración (Figura3). Las partículas de aditivo encapsulado pueden ser colectadas en dos fracciones dependiendo de las condiciones de procesamiento.

Las partículas más grandes (mayores a 50 micras) se depositan en un colector que se encuentra debajo de la cámara de enfriamiento, mientras que las partículas finas (de entre 1 a 50 micras) son transportadas hacia un ciclón donde se separan del aire caliente y son recolectadas en un depósito.

El diseño de la cámara de enfriamiento dependerá del tipo de atomizador que se utilice (Figura 3); mientras que el tamaño de micropartícula del aditivo encapsulado dependerá de distintas variables de proceso, además de las propiedades del aditivo y de la matriz encapsulante.

Respecto al tamaño de los micro-encapsulados, generalmente un aumento en la presión del aire de atomización disminuye el tamaño de las micropartículas, mientras que un aumento excesivo en la temperatura y presión de atomizado puede generar una reducción en la eficiencia de encapsulamiento debido a la producción de partículas muy finas. La velocidad de enfriamiento afecta la cristalinidad tanto del agente activo como del material matriz, influyendo en las propiedades de los productos fabricados.

3. Características de la matriz de encapsulamiento y su interacción con el aditivo

Los criterios de selección de los materiales deben basarse en las propiedades de la matriz (solubilidad,polaridad, permeabilidad y viscosidad) y las características hidrófobas, hidrófilas o cristalinas de los aditivos, los cuales sean compatibles con los materiales plásticos en los cuales se incorporarán los micro-encapsulados. Se busca preferentemente matrices con puntos de fusión relativamente bajos (40-90 ºC).

Generalmente, un aumento en el contenido de sólidos dispersos aumenta la viscosidad de la matriz y en consecuencia el tamaño de la partícula obtenida; para prevenir una obstrucción del atomizador por una mezcla excesivamente viscosa se añaden agentes dispersantes y surfactantes.

Para aplicaciones en materiales plásticos, las matrices más recomendadas son los ácidos grasos, alcoholes de cadena larga,lípidos, ceras y polímeros de bajo peso molecular. Una opción de gran utilidad para el encapsulamiento de aditivos son mezclas de ceras, por su uso tanto como matriz encapsulante, como plastificante durante la extrusión o inyección del plástico.

Por otra parte, los aditivos a encapsular deben tener un tamaño de partícula por lo menos 10 veces menor al tamaño de los micro-encapsulados requeridos. En general, la eficiencia de encapsulamiento de aditivos se reduce al disminuir el tamaño del micro-encapsulado y al aumentar el contenido de aditivo a encapsular; mientras que la carga de aditivo puede subir hasta 50% en peso mediante modificaciones al diseño del atomizador.

Para aplicaciones médicas o agronómicas, la composición química de la matriz encapsulante define las interacciones con el ingrediente activo o aditivo y determina si el mecanismo de liberación será por difusión del activo o degradación de la micropartícula.

El uso de surfactantes es recomendado dentro de una concentración óptima para estabilizar los aditivos y retardar su liberación. La velocidad de liberación del aditivo incrementa a una mayor concentración de surfactante, un menor tamaño de partícula y una menor cristalinidad de los aditivos encapsulados.

4. Características de forma de los microencapsulados

Las propiedades finales del microencapsulado son definidas también por la distribución espacial del aditivo en la matriz de encapsulamiento, exhibiendo distintas configuraciones: núcleo-coraza, de tipo matriz o matriz recubierta (Figura 3).

Por ejemplo, para aplicaciones como masterbatches, las distribuciones de tipo matriz o matriz recubierta proveen características ideales para alcanzar una mejor dispersión en el polímero. Por otra parte, las configuraciones de tipo núcleo-coraza podrían ser ideales para aplicaciones en sistemas modificadores de impacto en materiales plásticos, así como en sistemas antimicrobianos en textiles.

La rugosidad de los micro-encapsulados se ve afectada por la presencia de aditivos ya que estos se pueden depositar o re-cristalizar en la superficie de la micropartícula,impactando en las propiedades finales tales como adhesión e hidrofobicidad, principalmente en aplicaciones en recubrimiento de textiles y de pinturas en polvo (Figura 4).

5. Ventajas de la tecnología de pulverización por enfriamiento

Algunas ventajas de esta tecnología son:

• Fácil escalamiento y bajo consumo energético por sus bajas temperaturas de operación (60-120°C).
• No requiere el manejo de solventes orgánicos, reduciendo los riesgos ambientales y los costos de proceso.
• Encapsulamiento de aditivos termosensibles o termolábiles.
• Micropartículas de geometría esférica y superficie lisa, lo que aumenta sus propiedades de fluidez, ayudando la dispersión del aditivo en la matriz polimérica.

En México, el encapsulamiento por pulverización en frío es una tecnología emergente con un gran potencial de aplicación en diferentes mercados. Actualmente, el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) en conjunto con el Instituto de Ecología A.C. (INECOL) lideran el uso de esta tecnología en el desarrollo de nuevas estrategias para encapsular agroquímicos, como parte del proyecto CONACyT No. 248760 de la Convocatoria 2014 de Atención a Problemas Nacionales.

Las nuevas estrategias tecnológicas desarrolladas para este sector en particular tienen las características de ser genéricas o adaptables, por lo que tienen una amplia cobertura en aplicaciones de la industria de plásticos.