Maricela DeHoyos-López,
Antonia Martínez-Luévanos,
Lorena Farías-Cepeda
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CienciaCierta #38, abril-junio 2014
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Introducción
Las suspensiones coloidales están formadas por dos fases no miscibles, una dispersa en forma de partículas o gotas y una fase dispersante o continua. Los sistemas coloidales se pueden definir como sistemas que contienen partículas menores de 1µ (Sheludko, 1966).
Los coloides son sistemas heterogéneos los cuales son estables indefinidamente, formados por uno o varios componentes dispersos en otros; no son fácilmente distinguibles ya que poseen apariencia homogénea, no se observa resolución de la mezcla por sedimentación, floculación de sus partículas o separación de fases (Fernández, 2011).
Las partículas coloidales se encuentran dispersas en la fase continua debido a un balance de fuerzas de atracción-repulsión entre ellas.Cuando dominan las fuerzas de repulsión (Figura 1) las partículas coloidales permanecen separadas después de la colisión, si dominan las fuerzas de atracción (Figura 2), las partículas se aglomeran después de la colisión;generalmente las partículas poseen cargas en su superficie (positivas o negativas) o presentan alguna forma de repulsión estérica, debido a la presencia de surfactantes en su superficie o por su propia naturaleza. Estas fuerzas de atracción son las de Van der Waals, entre otras.
Para poder entender las fuerzas de repulsión es necesario hacer una descripción de la partícula cargada y la doble capa eléctrica.
Doble capa eléctrica
El fenómeno de doble capa eléctrica se origina como una consecuencia del encuentro entre dos fases en un límite, esto sucede cuando se pone en contacto un sólido con un líquido, por ejemplo, las partículas de pigmento en una solución acuosa, el sólido (pigmento) adquirirá una cierta carga con respecto a la solución. Para mantener la electroneutralidad eléctrica del sistema, se desarrolla un exceso de carga opuesta en la solución cercana a la superficie. El exceso de carga en la solución, el cual es igual en magnitud pero opuesto en signo a la carga superficial, se desarrolla en una región difusa extendida hacia la solución. La carga superficial y la carga en la región difusa constituyen la doble capa eléctrica (Figura 3).
(Ψ_0= Potencial en la superficie de la partícula, Ψ_δ= Potencial en el plano de Stern,
δ= Espesor de la capa de Stern,1/ = Espesor de la doble capa eléctrica ς= Potencial zeta).
El potencial eléctrico Ψ a la distancia r, puede ser calculado con la siguiente ecuación:
La ecuación 1 indica que a bajos valores del potencial, este disminuye exponencialmente con la distanciardesde la superficie cargada. Cerca de la superficie cargada, en el cual es muy probable que el potencial sea relativamente alto, este disminuirá más rápidamente que lo previsto por la ecuación exponencial. Los centros de cualquier ion adsorbido específicamente están localizados en la capa de Stern. Este potencial cambia desde Ψ_0 (Potencial en la superficie), a Ψ_δ(Potencial de Stern) en la capa de Stern y disminuye de Ψ_δa 0 en la región difusa de la doble capa.
El potencial de Stern puede ser calculado a partir de mediciones electrocinéticas. En estas mediciones el potencial calculado se le llama potencial electrocinético o potencial zeta (ς), este es medido en el plano de cizallamiento (situado entre la superficie cargada y la solución electrolítica) el cual es muy cercano al plano de Stern.
La cantidad medida en electroforesis es la velocidad electroforética υ_E, de una partícula relativa a la solución que le rodea producida por la aplicación de un campo eléctrico externo E_0. Por medio de un modelo teórico adecuado, la velocidad electroforética puede ser convertida en un valor de potencial zeta.
La relación entre la velocidad y el potencial puede establecerse de un modo analítico mediante la ecuación 2 de Smoluchowski que se escribe como sigue:
La ecuación de Smoluchowski aplica para una esfera aislada que satisface la condición (1/ ) <<R 0, donde R0 es el radio hidrodinámico, 1/ es el espesor de la doble capa ( depende de la composición iónica del medio), y la constante dieléctrica y la viscosidad del líquido, respectivamente (Luévanos et al., 2011).
Mecanismos de estabilización de sistemas coloidales con aditivos poliméricos
Los dos mecanismos de estabilización principales son: estabilización electrostática y estérica. La primera, en un sistema acuoso, implica iones absorbidos, la construcción de una capa cargada alrededor del pigmento o partícula, previniendo la agregación por repulsión electrostática. La estabilización estérica, por otro lado, se describe en general a partir de dos factores: un componente de restricción de volumen y una mezcla o componentes osmótica, que implican la compresión de la capa adsorbida causando un au-mento en la concentración de polímero (Farrokhpay et al., 2005)
Teoría DLVO
Esta teoría señala que una dispersión de coloides cargados en una solución electrolítica de Van der Waals, entre dos partículas coloidales éstas se oponen por una repulsión procedente de capas dobles eléctri-cas (Lekkerkerker y Tuinier, 2011). En el caso de la es-tilización electrostática calcula la energía del poten-cial repulsivo. Supone que los iones en la doble capa eléctrica son cargas puntuales y que está ausente la adsorción de iones en la superficie de la partícula. En las dispersiones estabilizadas electrostáticamente, el potencial de la superficie puede surgir, por ejem-plo, por la adsorción de iones potenciales, tales como tensioactivos aniónicos o catatónicos; por la ioniza-ción de grupos ionógenos (ácido carboxílico entre otros). El potencial en la superficie tiende a atraer a los contraiónes a la superficie de la partícula, en consecuencia, la mayor parte de los iones existe en una capa difusa que rodea a la partícula (Figura 4) (Napper, 1970). El potencial DLVO está dado por:
Donde Wvdw es el potencial de Van der Waals y WDR es el potencial repulsivo. Para una dada atracción de y un tamaño de partícula, el potencial WDLVO depende de la fuerza iónica (Lekkerkerker y Tuinier, 2011).
Por lo tanto es posible alterar el entorno de las partículas coloidales para aumentar o disminuir las fuerzas de atracción o repulsión, dependiendo del sistema coloidal que se requiera.
Por ejemplo, cuando buscamos la estabilización en las formulaciones de pintura con el fin de obtener la dispersión de los pigmentos, se busca la repulsión entre ellas.
Dióxido de Titanio (TiO2) como pigmento para la formulación de pinturas blancas base agua
Las pinturas son sistemas coloidales los cuales, como se mencionó anteriormente, podemos alterar con el fin de obtener una mayor calidad de dispersión de las partículas de pigmentos y por tanto, una mayor calidad de pintura; el TiO2 es un pigmento ampliamente utilizado en la fabricación de pintura blanca debido a su alto índice de refracción.
Este pigmento pueden ser el ingrediente más caro de una lata de pintura, la mejora en la calidad de la dispersión pueden tener un impacto significativo en el precio, por esta razón es indispensable encontrar la mejor dispersión con la menor concentración de pigmento, la cual se consigue con la adición de diferentes polímeros dispersantes o estabilizadores (Dyk y Nakatani, 2013).
Polímeros como agentes dispersantes
En estos sistemas es necesario utilizar diferentes polímeros como agentes dispersantesde la solución. Estos agentes dispersantes se utilizan para proporcionar la estabilidad coloidal necesaria en las pinturas y ayudan en gran medida a la dispersión de los pigmentos utilizados en la elaboración de la pintura (Farrokhpay et al., 2005).
En ausencia de dispersantes, la distribución de pigmentos en la película de pintura no es uniforme y se observa la aparición de grandes agregados de pigmento en la superficie de la película, la cual es rugosa y por lo tanto con bajo brillo, también afecta a la resistencia física, mecánica, y el color de la pintura (Farrokhpay et al., 2010).
El efecto de los polímeros aniónicos o no iónicos utilizados como estabilizadores de las soluciones, depende de factores como el pH. Por ejemplo, para polímeros aniónicos como el acido poliacrílico y la poliacrilamida sustituida con grupos hidroxilos y carboxilos, las interacciones electrostáticas entre la superficie del pigmento TiO2 se producen tanto a pH 6.0 y 9.5. La mayor densidad de adsorción de estos polímeros a valores de pH más bajos que el punto isoeléctrico del pigmento (IEP), es el resultado de la atracción electrostática entre el grupo funcional del polímero cargado negativamente (carboxilato) y la superficie del pigmento cargado positivamente (Farrokhpay et al., 2004).
Polímeros aniónicos favorecen la dispersión de las partículas de pigmentos de TiO2, disminuyen la rugosidad de la superficie y aumenta el brillo de las películas de la pintura seca.
La presencia de grupos funcionales carboxílicos como el ácido poliacrílico y copolímeros de poliacrilamida aniónica alteran el comportamiento de la dispersión del pigmento de TiO2, la reducción de la tensión a la fluencia de la suspensión y el tamaño de partícula (Farrokhpay et al., 2005).
Otro dispersante que logra una buena dispersión del pigmento de TiO2 es el poliacrilato de sodio (NaPAA). Al agregar este polímero en dosis relativamente altas, la viscosidad de la suspensión aumenta debido a la floculación de las partículas. La estabilidad de las partículas de TiO2en la suspensión se ve directamente afectada por el pH de la suspensión, la concentración de NaPAA y la densidad de adsorción de NaPAA en TiO2, por lo tanto, una dispersión adecuada de partículas de TiO2en un sistema como la pintura requiere un delicado equilibrio del medio de carga de TiO2, pH y la densidad de adsorción del polímero utilizado como dispersante o estabilizador (Karakaş y Çelik, 2013).
El control de cada uno de estos factores en el medio de dispersión es crítico en la estabilidad de los sistemas coloidales.
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Refrerencias bibliógraficas
Dyk, A., y Nakatani, A. (2013). Shear rate-dependent structure of polymer-stabilized TiO2 dispersions. Journal of Coatings Technology and Research, 10(3), 297-303. doi: 10.1007/s11998-012-9454-2
Farrokhpay, S., Morris, G. E., Fornasiero, D., y Self, P. (2004). Effects of chemical functional groups on the polymer adsorption behavior onto titania pigment particles. J Colloid Interface Sci, 274(1), 33-40. doi: 10.1016/j.jcis.2004.02.026
Farrokhpay, S., Morris, G. E., Fornasiero, D., y Self, P. (2005). Influence of polymer functional group architecture on titania pigment dispersion. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 253(1-3), 183-191. doi: 10.1016/j.colsurfa.2004.11.019
Farrokhpay, S., Morris, G. E., Fornasiero, D., y Self, P. (2010). Stabilisation of titania pigment particles with anionic polymeric dispersants. Powder Technology, 202(1-3), 143-150. doi: 10.1016/j.powtec.2010.04.031
Fernández, R. m. (2011). Sistemas Coloidales Retrieved 30 Marzo 2014, from https://www5.uva.es/guia_docente/uploads/2011/446/42089/1/Documento36.pdf
Karakaş, F., y Çelik, M. S. (2013). Mechanism of TiO2 stabilization by low molecular weight NaPAA in reference to water-borne paint suspensions. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 434, 185-193. doi: 10.1016/j.colsurfa.2013.05.051
Lekkerkerker, H. N. W., y Tuinier, R. (2011). Colloids and the Depletion Interaction: Springer.
Luévanos, A. M., Berumen, C. M. P., Bermúdez, L. B., Ramírez, A. H., Beltrán, C. K. G., Alemán, C. R., . . . Velázquez, A. A. P. (2011). Química Coloidal, Aplicaciones. Saltillo, Coahuila. Mexico.
Napper, D. H. (1970). Colloid Stability. Product R&D, 9(4), 467-477. doi: 10.1021/i360036a005
Sheludko, A. (1966). Colloid Chemistry. Amsterdam.
