El origen de los surfactantes. Los anfífilos.
La palabra anfífilo hace su aparición en el título del texto de P. Winsor hace más de 30 años. Se constituyó a partir de dos raices griegas. De un lado el prefijo «anfi» que significa «doble», de los dos lados,»alrededor», como en anfiteatro o anfibio. De otra parte la raíz «filo» que denota la amistad y la afinidad como en filántropo (el amigo del hombre), hidrófilo (afín al agua) o también filósofo (amigo del saber).
Una sustancia anfífila posee una doble afinidad, que se define desde el punto de vista fisicoquímico como una dualidad polar-apolar. La molécula típica de un anfífilo tiene dos partes: un grupo polar que contiene heteroátomos como O, S, P ó N que se encuentran en grupos alcohol, ácido, sulfato, sulfonato, fosfato, amina, amida, etc, y un grupo apolar o poco polar que es en general un grupo hidrocarbonado de tipo alquil o alquil benceno, y que puede contener eventualmente átomos de halógeno u oxígeno.
La parte polar posee afinidad por los solventes polares en particular el agua y se denomina comúnmente la parte hidrófila o hidrofílica. Por el contrario el grupo apolar se llama la parte hidrófoba o hidrofóbica, o bien lipofílica, del griego «phobos», el miedo, y «lipos», la grasa.
¿Que son los surfactantes?
Los ingleses utilizan la palabra «surfactante» (agente activo de superficie) para denotar una sustancia que posee una actividad superficial o interfacial. Es necesario hacer resaltar que todos los anfífilos no poseen tal actividad, para que esto suceda es necesario que la molécula posea propiedades relativamente equilibradas, quiere decir, que no sea ni demasiado hidrófila ni demasiado hidrófoba. La palabra «surfactant» no tiene una traducción exacta en español, lengua en la cual se usa el término genérico de «tensoactivo», que se refiere a una actividad o a una acción sobre la tensión superficial o interfacial, es decir sobre la energía libre de Gibbs. Este término es equivalente a surfactante solo si se supone que la actividad superficial o interfacial se traduce necesariamente por un descenso de la tensión, lo cual es verdad en la mayor parte de los casos que tienen un interés práctico. Usaremos el neologismo «surfactante».
Tipos de Surfactantes
Desde el punto de vista comercial los surfactantes se clasifican según su aplicación en jabones, detergentes, dispersantes, emulsionantes, espumantes, bactericida, inhibidores de corrosión, antiestático, entre otros. Sin embargo se observa que muchos surfactantes son susceptibles de ser utilizados en aplicaciones diferentes, lo que provoca confusiones. Por tanto, se prefiere, clasificarlos de acuerdo a la estructura de su molécula, o más exactamente según la forma de disociación en el agua.
Los surfactantes aniónicos se disocian en un anión anfífilo y un catión, el cual es en general un metal alcalino o un amonio cuaternario. A este tipo pertenecen los detergentes sintéticos como los alquil benceno sulfonatos, los jabones (sales de sodio de ácidos grasos), los agentes espumantes como el lauril sulfato, los humectantes del tipo sulfosuccinato, los dispersantes del tipo lignosulfonatos, etc. La producción de los surfactantes aniónicos representa alrededor del 55% de los surfactantes producidos anualmente en el mundo.
Los surfactantes noiónicos están en el segundo rango por orden de importancia con un poco menos del 40% del total. En solución acuosa no se ionizan, puesto que ellos poseen grupos hidrófilos del tipo alcohol, fenol, éter o amida. Una alta proporción de estos surfactantes pueden tornarse relativamente hidrofílicos gracias a la presencia de una cadena poliéter del tipo polióxido de etileno. El grupo hidrófobo es generalmente un radical alquilo o alquil benceno y a veces una estructura de origen natural como un ácido graso, sobre todo cuando se requiere una baja toxicidad.
Los surfactantes catiónicos se disocian en solución acuosa en un catión orgánico anfífilo y un anión generalmente del tipo halogenuro. La gran mayoría de estos surfactantes son compuestos nitrogenados del tipo sal de amina grasa o de amonio cuaternario. La fabricación de estos surfactantes es mucho más cara que la de los anteriores y es por esta razón que no se les utilizan salvo en caso de aplicación particular, como cuando se hace uso de sus propiedades bactericidas o de su facilidad de adsorción sobre sustratos biológicos o inertes que poseen una carga negativa. Esta última propiedad hace que sean excelentes agentes antiestáticos, hidrofobantes, así como inhibidores de corrosión, y puedan ser utilizados tanto en productos industriales como para uso doméstico.
La combinación dentro de una misma molécula de dos caracteres: aniónico y catiónico producen un surfactante llamado anfótero, como por ejemplo los aminoácidos, las betaínas o los fosfolípidos; ciertos anfóteros son insensibles al pH, otros son de tipo catiónico a pH ácido y de tipo aniónico a pH alto. Los anfóteros son en general tan caros como los catiónicos y por esta razón su utilización se reduce a aplicaciones particulares.
Hace unos veinte años surgieron los surfactantes poliméricos; estos son producidos asociando estructuras polimerizadas de tipo hidrofílico o lipofílico, en forma de bloques o de injertos. Ciertos de estos surfactantes son indispensables en procesos donde están involucrados macromoléculas naturales como en la deshidratación de petróleo.
Producción y usos
La producción mundial de jabones, detergentes y otros surfactantes era del orden de 18
Mt (millones de toneladas) en 1970 y de 25 Mt en 1980, correspondiendo un poco menos del 25% al mercado norteaméricano y un 25% al mercado europeo.
La evolución cualitativa del mercado durante los últimos cuarenta años es significativa.
En efecto en 1940 la producción de surfactantes (1,6 Mt) se limitaba, esencialmente, a los jabones (sales de ácidos grasos) producidos según una tecnología muy antígua. Al final de la segunda guerra mundial se consiguen en el mercado olefinas cortas, en particular propileno, que se obtienen como sub-producto del cracking catalítico y que no tenían en aquel entonces aplicación como el etileno. El bajo costo de esta materia prima permite sustituir ácidos grasos por radicales alquilo sintéticos.
Así nacen los detergentes sintéticos del tipo alquil benceno sulfonato que poco a poco
reemplazarán los jabones para máquinas de lavar y en otras aplicaciones domésticas.
El desarrollo del vapocraqueo en los años 50 para fabricar etileno como materia prima
para polímeros diversos, ha permitido también la aparición en el mercado de surfactantes noiónicos en los cuales el grupo hidrofílico es una cadena poliéter formada por policondensación de óxido de etileno.
En 1965 las nuevas leyes de protección del ambiente limitan la utilización de los
alquilatos de polipropileno en la fabricación de los detergentes sintéticos, tanto en los Estados Unidos como en Europa. Los productores de surfactantes deben por tanto utilizar materias primas un poco más costosas como los alquilatos lineales; como consecuencia los alquil benceno sulfonatos siguen siendo los surfactantes más baratos del mercado pero la diferencia del costo con los otros surfactantes se reduce. Esta situación favorece por tanto el desarrollo de nuevos productos.
En los años siguientes se observa una proliferación de nuevas fórmulas de todo tipo y una gran diversificación en los usos industrial y doméstico. La producción de jabones deja de decrecer y su uso dentro de productos industriales o productos cosméticos no medicinal aumenta rápidamente. Los surfactantes catiónicos y anfóteros aparecen en el mercado, pero su utilización está limitada a aplicaciones particulares por su alto costo.
Hace unos diez años el mercado se ha estabilizado y se reparte de la manera siguiente:
Los surfactantes poliméricos no se reportan en general como surfactantes y por lo tanto
no entran dentro de las estadísticas correspondientes. Se puede estimar que representan un 2% del total, limitándose a las resinas sulfonadas o etoxiladas y a los copolímeros bloque de óxido de etileno o de óxido de propileno. Si se toman en cuenta los polímeros hidrofílicos de tipo carboximetilcelulosa y otros polisacáridos, se obtendría una cifra más elevada, pero estos últimos, en general, no se utilizan por sus propiedades surfactantes, sino como aditivos en formulaciones diferentes.
Este es un fragmento de nuestro cuaderno S300A. Para tener acceso al cuadernos completo puedes hacer click en el siguiente enlace:
