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La mejor válvula para partículas sólidas

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La buena elección de una válvula determina el desempeño óptimo del aerosol. La válvula es un elemento fundamental del aerosol pues garantiza su cierre hermético y permite la mejor perfomance para cada tipo de producto a dispensar. Existen diferentes clases de válvulas para propósitos bien definidos, por lo que una del tipo estándar no siempre es la opción más adecuada, antes se debe analizar las características y fines del aerosol para determinar el dispensado que se desea.

Hay que considerar que la válvula en el aerosol es la responsable de dispensar con eficiencia las cantidades
adecuadas de cada producto, y facilitar de la mejor manera la carga del propelente a través de la misma.

Otro aspecto importante a valorar es su compatibilidad con el contenido del aerosol, para resistir la acción
del mismo sobre los materiales que componen a la válvula. En consecuencia, debe resistir reacciones químicas que puedan afectarla tanto por parte del producto como del propelente.

Es también una condición más que se adecue a las necesidades y requisitos productivos, en cuanto a solidez y fiabilidad.

Por todo esto, para hacer que el aerosol sea preciso, seguro y confiable es necesaria una correcta elección de la válvula. Para elegir la adecuada de acuerdo al producto en particular, se debe conocer las diferentes clases de válvulas que existen.

Estas se clasifican de la siguiente manera:
• Por su funcionamiento: continuas, dosificadoras.
• Por su forma: masculinas, femeninas.
• Por su accionamiento: vertical, lateral.
• Por su tipo de aplicación: vertical, anyway.
• Por el tipo de producto dispensar: para líquidos, para espumas, para polvos.
• Por su tipo de pulverización: espacial, superficie.
• Por su adaptación al envase: de 1 pulgada, 20 mm, 13 mm, para envase de PET.
• Especiales: Sin resorte, alimentos, etc.

Otro elemento para elegir la mejor válvula, consiste en conocer los diferentes tipos de dispensado, estos son:
• Pulverización espacial.
• Pulverización sobre superficies (húmeda y seca).
• Aplicación de sólidos.
• Rociado de bajo caudal.
• Espuma (distintos grados de consistencia).
• Gel.
• Especiales: (aplicadores TPBF, cánulas etc.).

La pregunta importante aquí es ¿de qué depende la perfomance de dispensado de un aerosol? Hay muchos elementos, en primer término depende de su formulación, del tipo de propelente o mezclas de propelentes usados; de su miscibilidad con el concentrado (solución, emulsión, suspensión), de la presión de vapor de la mezcla de propelentes utilizados, de la presencia adicional de solventes volátiles, de las densidades de los propelentes y los solventes que integran el concentrado, de la viscosidad del contenido, y principalmente de la relación concentrado/propelente, entre otros.

Esto constituye lo que suelo llamar la sintonía gruesa para modificar la performance. La sintonía fina se establece combinando los orificios principales de los componentes de la válvula.

Válvula estándar y para sólidos

Una válvula estándar se compone de un cuerpo cilíndrico por donde fluye el contenido del aerosol impulsado por el propelente, el cual posee un vástago con un orificio perpendicular a su eje que fundamentalmente regula el caudal del aerosol. Junto al orificio hay una arandela de material elastomérico (junta interna) cuya misión es la apertura y cierre de la válvula, lo que se consigue de forma mecánica gracias a la fuerza ejercida sobre el actuador por el consumidor al accionar el mismo.

En lo que se refiere a las válvulas para aerosoles que contienen sólidos, en especial para polvos, su característica importante es el diseño del vástago, destacando principalmente dos tipos: vástago anillado y recto con base y copa.

Fase a vapor

Un aspecto importante a considerar para la elección de la válvula adecuada es el empleo del orificio de fase a vapor. Este se encuentra ubicado en el cuerpo de la válvula y permite la entrada al mismo tiempo del propelente en estado gaseoso el cual se incorpora con el líquido que proviene de la fase líquida.

Por lo general se encuentra a un costado o en la base del cuerpo de la válvula y se emplea cuando se desea un menor tamaño de la partícula para mejorar la pulverización espacial, de igual forma se usa para cuando se busca una pulverización más seca en productos como desodorantes personales, o también cuando se requiere que sea más blanda, como en el caso de ciertos hair spray, y por último cuando se quiere fluidizar mejor partículas sólidas en los aerosoles que contienen polvos.

Existen diferentes ventajas al emplear el orificio de fase vapor en la válvula, porque consigue mejorar las pulverizaciones espaciales en concentrados viscosos o con mayor densidad, como por ejemplo los que contienen una importante proporción de agua. Permite además emular el funcionamiento de las válvulas “anyway” (uso vertical e invertido), en algunos productos y reduce la distancia de ignición del aerosol y/o su proyección de largo de llama, es decir, mejora la condición de inflamabilidad del aerosol.

Aunque el orificio de fase vapor se emplea, como se ha mencionado, para obtener muchos y variados beneficios en el dispensado del aerosol, no siempre se puede utilizar. Por ejemplo, cuando se busca una pulverización totalmente líquida, cuando se emplea un gas disuelto o comprimido como propelente, cuando se desea una espuma o si se trata de un gel.

Combinación de orificios internos

En una válvula estándar que se usa en aerosoles que no contienen sólidos, la combinación de los distintos orificios disponibles en los componentes de la misma es la responsable de la perfomance final del aerosol. El desarrollista debe elegir entre todas las posibilidades aquella que sea más apropiada a los resultados que desea conseguir para su producto.

Para el caso de los aerosoles que contienen sólidos, como los antitranspirantes, los desodorantes pédicos y otros, hay que evaluar las siguientes consideraciones:

Al concentrado que entra al cuerpo de la válvula a través del tubo de pesca se le agrega propelente en fase gaseosa, el cual se introdujo por medio del orificio de fase vapor. Esta acción genera la presencia de burbujas que se suman a las producidas por la descompresión que se efectúa en la cola del cuerpo de la válvula. Esta suspensión final de burbujas de gas ayuda, en el caso de los aerosoles con polvo, a la fluidización de las partículas sólidas y a mantenerlas dispersas por el resto de los pasajes internos de la válvula y el actuador.

Para optimizar este proceso, principalmente en aerosoles con sólidos, es posible hacer una combinación de los diferentes orificios internos: de fase líquida, de fase a vapor, del vástago y de salida del
inserto del actuador.

Combinaciones de orificios recomendada para aerosoles con sólidos

Fase líquida Fase vapor Orificio del vástago Orificio de salida del actuador
2mm 0.76mm 2×0.50mm 0.63mm
1.27mm 1mm 2×0.50mm 0.50mm
1.27mm 0.50mm 0.60mm 0.63mm
0.76mm 0.45mm 0.60mm 0.50mm

 

El éxito o fracaso de un aerosol que contiene una formulación con sólidos puede depender de la correcta elección de la combinación de los orificios internos a diferencia de aquellos productos que son de una sola fase líquida, es decir que no contienen sólidos (mencionados anteriormente), tales como los desodorantes personales o los hair spray, en donde hay un amplio margen de variaciones posibles para distintos performances de rocío.

Cómo afecta la fase vapor al performance del aerosol

Esto se determina haciendo ensayos de vaciado del aerosol terminado:

Tenemos dos tipos de pruebas o ensayos de vaciado:
• Vaciado continuo: se pulsa el aerosol con agitación, ininterrumpidamente hasta agotar el contenido.
• Vaciado no continuo: se pulsa el aerosol algunos segundos, en varias ocasiones durante cada jornada reproduciendo el uso que hace el consumidor del aerosol.

La condición es que como resultado de estos ensayos se verifique el vaciado total del aerosol o que al menos sea tolerable el remanente de producto en el mismo.

Cuando el cuerpo de la válvula no tiene orificio de fase vapor, la prueba o ensayo de vaciado continuo del aerosol no difiere demasiado del vaciado durante el uso por parte del consumidor, debido a que hay un poco más de consumo de propelente gracias al mayor volumen que va ocupando la parte gaseosa a medida que se va vaciando el mismo. Y porque se produce un enfriamiento del contenido a partir de la evaporación del propelente que baja la presión de vapor dentro del aerosol. Todo esto no influye demasiado en el vaciado del producto por lo que esta prueba o ensayo se considera aceptable, siempre que se logre vaciar el contenido del aerosol.

Por el contrario, cuando el cuerpo de la válvula tiene orificio de fase a vapor, la prueba o ensayo de vaciado continuo es diferente al que se efectúa durante el uso por parte del consumidor, porque hay un gran consumo de propelente que ingresa a la válvula por la fase a vapor, esto disminuye cada vez más la presión en la zona gaseosa del aerosol por lo que la misma ya no es suficiente para empujar el líquido
que sube por el tubo de pesca.

Además hay que sumar el enfriamiento del envase que empeora esta condición. En este caso la presencia de producto como remanente no es suficiente para rechazar la válvula elegida, por eso hay que efectuar el vaciado no continuo.

En el caso del vaciado no continuo se trata de reproducir, como se dijo, el uso que hace el consumidor del aerosol, actuando una o dos veces al día durante 10 ó 15 segundos solamente. Si en el ensayo de vaciado se aplica con esta metodología de uso del consumidor, o sea actuar el aerosol 1 o dos veces por día durante 10 ó 15 segundos, se obtiene una situación más real por los siguientes motivos.

Después de cada actuación de 10 ó 15 segundos se restablece el equilibrio de presión dentro del aerosol durante el tiempo de nouso, esto permite que ante cada nueva actuación toda la presión del propelente esté disponible para empujar el líquido que sube por el tubo de pesca. También se mitiga el efecto de enfriamiento del aerosol pues este retoma su temperatura normal durante el tiempo de no uso.

Por estas razones una prueba negativa con el ensayo de vaciado continuo puede revertirse al hacer este no continuo, y permitir la aceptación de la válvula utilizada.

Son varias las condiciones que debe reunir el diseño de los conductosinternosdeunactuador que se utiliza en una válvula de aerosol que contiene sólidos en suspensión.Podemos considerar que una solución de un gas licuado (compresible) y un medio líquido (no compresible) que circulan por dentro de los conductosdeunactuador sufriendo sucesivas compresiones y descompresiones puede asimilarse a unfluidoparcialmenteNewtoniano. Si a ello sumamos la presencia de partículas sólidas quesesuponenfluidizadas debido a la magnitud del flujo de la corriente que circula y que las arrastra, pero que están sometidas a fuerzas de gravedad, flotación y rozamiento, vemos que establecen un modelo físico y termodinámico que represente esta cinética es una tarea más que difícil.Sin embargo podemos suponer como conclusión que las fuerzas de rozamiento, provocadas por las rugosidades de los conductos y fundamentalmente los cambios repentinos de la dirección del flujo, los estrangulamientos y expansiones que experimenta la circulación de la vena fluida, afectan más a las partículas sólidas que a los fluidos propiamente dichos.Podemos agregar también, como conclusión de lo antedicho, que si en un conducto dentro de unactuador se produce un cambio brusco de dirección el fluido se adaptará a este cambio pero las partículas no.Estas últimas debido a su inercia tendrán tendencia a continuar en la misma dirección e impactarán de lleno en la pared del conducto que se les enfrenta. No ocurre lo mismo si este cambio de dirección es por medio de una curva con lo cual las partículas también se verán obligadas a cambiar su rumbo arrastradas por el fluido pero sin estrellarse contra las paredes como en el caso anterior.Por lo tanto el diseñador del actuador deberá evitar dichos cambios bruscos de dirección del fluido particulado utilizando radios de la mayor amplitud posible para cambiar las direcciones de circulación dentro del mismo. Esta particularidad del diseño de los actuadores para productos que contienen sólidos mejorara el flujo, evitando los atascamientos de partículas, con la consiguiente obturación del actuador.

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