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Reducción de monómero residual en látex poliméricos

María Jesús Barandiaran
Instituto de Materiales Poliméricos (POLYMAT) Universidad del País Vasco
15/06/2003
En los procesos de polimerización, los monómeros utilizados raramente alcanzan conversión completa, por lo que inevitablemente, queda monómero residual en el polímero. La presencia de este monómero no es deseable, debido, entre otros, a su toxicidad (tal es el caso del acrilonitrilo o cloruro de vinilo), u olor desagradable (la presencia de acrilatos y metacrilatos, aún a bajas ppm resulta un gran problema en aplicaciones tales como pinturas de interior o envases de alimentos). Además, junto con el monómero residual, el producto final suele tener otros compuestos orgánicos volátiles (COV) no polimerizables, procedentes de impurezas de los reactivos o de reacciones secundarias durante la polimerización, así como el propio disolvente utilizado en el proceso de polimerización. En ocasiones, todo ello puede resultar en una mezcla explosiva durante el almacenamiento y transporte.
La industria química se ha visto obligada a buscar métodos eficaces para la reducción de COVs debido a las cada vez más estrictas regulaciones medioambientales, así como la necesidad de mejorar las propiedades del producto y poder satisfacer las demandas del mercado.

Uno de los saltos cualitativos importantes en la producción de polímeros fue el desarrollo de la polimerización en emulsión, donde la fase dispersa es el agua. En el sector de las pinturas, por ejemplo, en Europa ya más del 70 por ciento de las pinturas son producidas en emulsión1. Sin embargo, los látex finales presentan monómero residual, que aun siendo en el rango de ppm, es un producto no deseable, y ha de minimizarse.

Los dos procesos más importantes que se aplican industrialmente para la reducción de monómero residual en látex poliméricos son la postpolimerización y la desvolatilización.

La postpolimerización consiste en la adición de iniciadores al final de la etapa de polimerización, de forma que genere radicales en el medio, capaces de iniciar la polimerización del monómero que permanece en el látex. La gran ventaja de este proceso es que puede realizarse en el propio reactor de polimerización, o en los tanques de almacenamiento, por lo que no se necesita equipo adicional. Sin embargo, la postpolimerización únicamente es capaz de reducir el contenido final de los compuestos polimerizables, por lo que los COVs no polimerizables permanecen en el látex.

El proceso de desvolatilización consiste en la eliminación de monómero residual y COVs mediante la aplicación de vacío y calor, y puede incluir el uso de un agente inerte de arrastre. La ventaja fundamental de la desvolatilización es su capacidad para eliminar tanto el monómero residual como cualquier tipo de COV. Sin embargo, es un proceso de alto coste energético. Además, durante el proceso se puede producir espuma debido fundamentalmente a la desorción del emulsificante. Los tiempos requeridos pueden ser largos y el látex puede degradarse.

La utilización simultánea de la postpolimerización y la desvolatilización es el procedimiento que proporciona el menor contenido en COVs en el menor tiempo posible
A pesar de la gran importancia industrial de ambos procesos, no existe mucha información abierta a cerca de las estrategias más adecuadas, basadas en el conocimiento del proceso. El Instituto de Materiales Poliméricos (POLYMAT) de la Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea, en colaboración con otras universidades y empresas europeas, en el marco de un proyecto Brite-Euram, así como con la subvención económica de la CICYT, ha investigado ambos procesos para reducir el monómero residual y COVs de látex industriales tanto vinílicos como acrílicos2-5.

El conocimiento adquirido del estudio de los mecanismos básicos involucrados en la postpolimerización ha permitido dar pautas para la elección del iniciador más eficaz, así como desarrollar un modelo matemático y posteriormente encontrar las condiciones óptimas para la eliminación de monómero en el mínimo tiempo, con la mínima formación de nuevos COVs. (Figura 1)

El entender las etapas de transferencia que toman parte en la desvolatilización de los látex y determinar la etapa limitante (Figura 2), ha posibilitado el establecimiento de criterios para la selección de las condiciones de operación más adecuadas. Asimismo, se ha desarrollado un modelo matemático capaz de relacionar los factores que afectan a la eficiencia del proceso y realizar la optimización.(Figura 3)

Finalmente, se han explorado nuevas estrategias, observándose que la utilización simultánea de la postpolimerización y la desvolatilización es el procedimiento que proporciona el menor contenido en COVs en el menor tiempo posible. Cabe mencionar que los contenidos en monómero residual y COVs obtenidos están muy por debajo de los mínimos exigidos por la legislación vigente.

Referencias

[1] Van Broekhuizen, J.C., Terwoert, J., Le Feber, M., Van der Veen, Wallhaim, S., Informe Decopaint, http://europa.eu.int/enviroment/air/decopaint.pdf (Junio 2000)

[2] Ilundain, P.; Alvarez, D.;Da Cunha, L.; Salazar, R.; Barandiaran M.J.; Asua, J.M.; J. Polym. Sci.: Part A. Polym. Chem. , 40, 4245 (2002)

[3] Ilundain, P.; Da Cunha, L.; Alvarez, D.; Salazar, R.; Barandiaran M.J.; Asua, J.M.; J.Appl.Polym.Sci., 83,923,(2002)

[4] Da Cunha, L.; Ilundain, P.; Salazar, R.; Alvarez, D.; Barandiaran M.J.; Asua, J.M.; Polymer, 42, 391,(2001)

[5] Salazar, R.; Alvarez, D.; Ilundain, P.; Da Cunha, L.; Barandiaran M.J.; Asua, J.M.; Progress in Colloid & Polymer Science, 2002 (aceptado)

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Figura 1. Representación de los procesos involucrados en el proceso de desvolatilización del látex. (1) Difusión en el interior de la partícula; (2) Transferencia de materia de la partícula a la fase acuosa; (3) Difusión a través de la fase acuosa; (4) Transferencia de materia de la fase acuosa a la fase vapor
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Figura 2. Esquema del sistema utilizado en el estudio de la postpolimerización
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Figura 3. Imagen de la desvolatilización del látex

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