Partículas huecas híbridas de polímero y sílice sustituyen totalmente el TiO₂ en recubrimientos opacos

Un equipo internacional liderado por Loughborough University (Reino Unido) ha publicado en la revista Progress in Organic Coatings un estudio que describe por primera vez la sustitución total del dióxido de titanio en películas de pintura mediante partículas huecas híbridas de polímero y sílice. La investigación examina cómo la arquitectura núcleo-cáscara, la humedad durante el secado y la interacción con el aglutinante condicionan la microestructura y el rendimiento óptico. En formulaciones equivalentes por masa, se registran reflectancias solares de hasta 73,3%, superiores a las obtenidas con TiO₂, lo que amplía su potencial en recubrimientos opacos y en aplicaciones vinculadas a la gestión térmica.

El dióxido de titanio constituye desde hace décadas el opacificador dominante en la industria de la pintura. Su elevada capacidad de dispersión luminosa lo ha convertido en referencia técnica para formulaciones arquitectónicas e industriales. Las previsiones de mercado citadas en la investigación sitúan la demanda global en torno a ocho millones de toneladas en 2025, de las cuales aproximadamente el 55% se destinan a pinturas y recubrimientos.

Sin embargo, su producción implica un coste ambiental significativo. El estudio recuerda que la fabricación convencional de TiO₂ genera en torno a 550 kg de CO₂ por tonelada producida, debido a procesos intensivos en energía y, en determinados casos, al empleo de tratamientos químicos agresivos. Esta huella de carbono, en un escenario de descarbonización industrial, introduce una presión creciente sobre fabricantes y formuladores.

Desde el punto de vista técnico, el TiO₂ presenta además limitaciones asociadas a su estabilidad coloidal. La tendencia a la agregación o a la degradación bajo determinadas condiciones ambientales obliga a recurrir a tratamientos superficiales y sistemas de estabilización que incrementan la complejidad de la formulación. A ello se suma una reflectancia centrada principalmente en el rango ultravioleta y visible, con menor eficacia en el infrarrojo cercano, región determinante cuando el recubrimiento aspira a intervenir también sobre el balance térmico de la superficie.

La alternativa propuesta se basa en partículas huecas híbridas sintetizadas a partir de metacrilato de 3-(trimetoxisililo)propilo (TPM). Estas partículas presentan una estructura núcleo-cáscara en la que, durante la dispersión acuosa, el núcleo se encuentra ocupado por agua, que posteriormente se sustituye por aire durante el secado de la película. Ese reemplazo genera un contraste de índice de refracción acusado entre el aire interno, la cáscara polimérica-silícea y la matriz circundante.

La investigación compara dos arquitecturas diferenciadas. Las partículas denominadas HP1 presentan un diámetro aproximado de 5 µm y un espesor de cáscara de 0,25 µm. Por su parte, las HP2 reducen el diámetro hasta 1 µm con una cáscara de 0,2 µm. El análisis termogravimétrico indica un contenido de sílice del 26% en HP1 y del 29% en HP2, lo que confirma la naturaleza híbrida orgánico-inorgánica del material.

El mecanismo de opacificación no se basa en la absorción, sino en la dispersión múltiple de la radiación incidente. Cuando el recubrimiento se seca, el aire encapsulado actúa como un vacío óptico interno que provoca cambios bruscos de trayectoria en cada interfaz y multiplica los eventos de retrodispersión, reduciendo la transmitancia global de la película. Este efecto se vuelve especialmente eficiente cuando el tamaño de partícula se aproxima a escalas comparables a las longitudes de onda del visible y del NIR, porque el sistema ofrece, por unidad de masa, más superficies activas donde la luz puede rebotar y reencaminarse.

La síntesis se realiza en condiciones acuosas suaves y a temperatura ambiente. El proceso incluye un mecanismo de auto-inflado en el que grupos hidroxílicos degradan gotas de aceite y generan presión osmótica interna. A continuación, la red se fija mediante polimerización inducida por radiación ultravioleta. Esta estrategia evita etapas de calcinación a alta temperatura, habituales en la producción de óxidos metálicos, y reduce la demanda energética asociada al opacificador.

El estudio no se limita a caracterizar la partícula aislada, sino que analiza la formación de la película en función de la humedad relativa durante el secado. Para ello se emplean tres condiciones: 15%, 50% y 90% de humedad relativa, que corresponden a velocidades de evaporación decrecientes. Esta variable resulta determinante en la redistribución de partículas y aglutinante a lo largo del espesor del recubrimiento.

Los investigadores emplean el número de Péclet (Pe), que relaciona la velocidad de evaporación con la difusión y el número de sedimentación (Ns), que compara la sedimentación gravitatoria con la evaporación. Cuando Pe supera la unidad, la evaporación marca el ritmo y tiende a crear acumulaciones locales antes de que la difusión reorganice el sistema. Cuando Ns es muy superior a uno, la gravedad adquiere mayor peso y las partículas de mayor tamaño tienden a concentrarse cerca del sustrato.

A baja humedad (15%), la evaporación rápida favorece estructuras “small-on-top”, en las que las partículas de aglutinante, de menor tamaño, se concentran en la superficie, mientras que las partículas huecas se desplazan hacia la base por efectos difusioforéticos. A alta humedad (90%), la sedimentación domina el proceso y también conduce a segregación por tamaños, aunque por una vía distinta: la película tarda más en consolidarse y las partículas disponen de mayor tiempo para asentarse.

En torno al 50% de humedad relativa, y dependiendo de la carga superficial del aglutinante, puede alcanzarse una distribución más homogénea. La interacción electrostática entre partículas huecas y aglutinante modifica el tamaño hidrodinámico efectivo, altera la cinética de ensamblaje y, con ello, la arquitectura final de la película. Esta lectura microestructural conecta parámetros ambientales de aplicación con resultados ópticos, trasladando el foco desde la composición aislada hacia la organización interna del sistema.

Los ensayos ópticos abarcan un rango espectral de 400 a 2.500 nm, que incluye visible e infrarrojo cercano. Los resultados indican que las partículas HP2, de 1 µm, alcanzan valores de reflectancia solar de hasta 73,3%. En comparación, las formulaciones de referencia con TiO₂, a igual concentración másica, se sitúan en el intervalo del 30–40%.

La mejora no se limita al visible. A diferencia del TiO₂, cuya eficacia decrece en el NIR, las partículas huecas mantienen una reflectancia elevada en esta región. Dado que una fracción significativa de la energía solar se concentra en el infrarrojo cercano, esta propiedad introduce una dimensión adicional a la opacidad: la posibilidad de reducir la ganancia térmica por radiación sin recurrir a soluciones externas al propio recubrimiento.

El estudio señala además que el rendimiento óptico se mantiene con independencia de la microestructura interna obtenida tras el secado. Tanto en configuraciones homogéneas como segregadas, las HP2 conservan altos niveles de reflectancia. Esta baja sensibilidad a la distribución interna reduce la dependencia de condiciones estrictas de aplicación, un factor con lectura directa en planta industrial.

La sustitución total del TiO₂ mediante partículas híbridas no implica únicamente un cambio de materia prima, sino una revisión del modo en que se construye la opacidad dentro de la película. Cuando el centro funcional deja de ser un óxido compacto y pasa a ser una cavidad de aire encapsulada, el diseño de la dispersión se traslada desde la química del pigmento a la arquitectura interna del recubrimiento, con consecuencias sobre estrategias de estabilización y sobre la tolerancia del sistema a variaciones durante el secado.

Desde el punto de vista energético, la ampliación de reflectancia al NIR introduce oportunidades en recubrimientos reflectantes solares y pinturas arquitectónicas exteriores. No se trata solo de “blanco” en términos visuales, sino de gestión de radiación: una película que devuelve parte del infrarrojo cercano puede reducir la absorción térmica de la superficie y, por extensión, la carga de refrigeración en determinadas envolventes.

La síntesis en condiciones suaves y la menor dependencia de microestructuras estrictamente controladas durante el secado aportan flexibilidad operativa. Para la industria europea, sometida a exigentes normas ambientales, la posibilidad de reducir la huella de carbono asociada al opacificador sin sacrificar rendimiento óptico introduce un recorrido técnico con efectos potenciales en formulación y en posicionamiento ambiental de producto.

No obstante, el estudio delimita los pasos pendientes. Para validar la durabilidad mecánica, resultan necesarios ensayos de resistencia a la abrasión, pruebas de adhesión, estabilidad frente a alto cizallamiento durante la mezcla y envejecimiento acelerado frente a radiación ultravioleta y humedad. Asimismo, los autores plantean la realización de evaluaciones de ciclo de vida que cuantifiquen comparativamente el impacto ambiental frente al TiO2 convencional.

La investigación identifica un punto de inflexión tecnológico al demostrar la sustitución total de un óxido metálico dominante mediante una arquitectura híbrida diseñada desde la física de la dispersión. Para los fabricantes de pintura arquitectónica, la propuesta introduce un margen de maniobra en un componente históricamente difícil de reemplazar, respaldado por un dato cuantitativo preciso: 73,3% de reflectancia solar con la arquitectura más eficiente.

El estudio identifica el control del tamaño de partícula y del espesor de cáscara como variable determinante. Las HP2 evidencian que una reducción a 1 µm, combinada con una cáscara delgada, maximiza los eventos de dispersión interna por unidad de masa. Más que una sustitución directa, el estudio sugiere una ingeniería del opacificador basada en geometría, interfaces y cinética de formación de película.

Si los ensayos de durabilidad confirman la estabilidad mecánica y la resistencia al envejecimiento, el sector podría asistir a una diversificación de soluciones opacificantes con criterio funcional, donde opacidad y reflectancia NIR convivan como requisitos de diseño. En ese horizonte, la innovación no se limita a sustituir un pigmento; introduce un modelo de diseño basado en la arquitectura interna de la película, donde la gestión simultánea de opacidad y reflectancia térmica se integra desde la fase de formulación.

Referencia académica del estudio

Sofroniou, C., Chong, S., Murdoch, T. J., Espinosa Rodriguez, E., D’Agosto, F., Lansalot, M., Sacanna, S., & Martín-Fabiani, I. (2026). Hollow polymer-silica particles as an alternative to TiO2 opacifiers. Progress in Organic Coatings, 211, 109817. https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2025.109817

El diseño interno de estas partículas permite mantener altas prestaciones ópticas incluso cuando cambian las condiciones de secado, lo que aporta mayor flexibilidad en formulación y aplicación industrial

Al fabricarse en condiciones acuosas y a temperatura ambiente, estas partículas pueden reducir el impacto ambiental asociado a la producción de opacificadores tradicionales como el TiO₂