La Universidad Americana de Sharjah (AUS), Emiratos Árabes Unidos, se está preparando para albergar el Congreso Internacional de la Frontera en Ciencia e Ingeniería de Materiales (FMSE) del 13 al 15 de febrero de 2024.
La colaboración entre la Universidad Americana de Sharjah, World Direct Tech y Energeia-Graphenemex tiene como objetivo mostrar los avances en América Latina en el desarrollo de productos nanotecnológicos para la industria de la construcción.
Parte II
En el artículo anterior sobre Innovaciones textiles se abordaron las tendencias del grafeno en la industria enfocadas en aplicaciones prácticas aprovechando sus propiedades eléctricas, térmicas, resistencia al fuego y mecánicas sobre textiles; a continuación se describirán las ventajas del grafeno tomando en consideración el resto de sus beneficios multifuncionales como el efecto barrera con enfoque impermeable y antimicrobiano, así como sus aportaciones en cuanto a protección contra la radiación Uv y confort.
Resistencia mecánica.
La alta resistencia mecánica del grafeno es ampliamente conocida, con un módulo de Young de ~1100 Gpa y una tensión mecánica a la rotura de 42 N/m, por lo que una sola capa de grafeno es 200 veces más resistente que el acero en igualdad de espesor. Esta fuerza se puede utilizar en compuestos modificados con grafeno, de tal manera que puedan soportar grandes esfuerzos sin deformarse y obteniendo mayor resistencia con menor calibre.
En tejidos de lana se ha encontrado una excelente linealidad con más del 20% de alargamiento, resistencia a la humedad del 30 al 90% y buenas propiedades eléctricas y mecánicas. En fibras producidas con un 25% de contenido de lana, la modificación con un compuesto grafénico exhibió una mayor resistencia mecánica (~ 327 MPa) con reducciones en su diámetro de hasta ~ 70% (~ 30 a ~ 20 µm), en comparación con otras fibras como púas de plumas (~ 161 MPa), fibras de queratina (~ 138 MPa), fibras de lana (~ 173 MPa), fibras compuestas de alpaca / PAN (~ 297 MPa) y fibras de viscosa (~ 276 MPa), reportadas en la literatura. Estos cambios pueden explicarse por el efecto del compuesto grafénico sobre la reducción de los defectos en la superficie interna de la fibra y en su contribución para mejorar la orientación molecular de la cadena polimérica de la fibra.
Propiedades de barrera
La naturaleza hidrofóbica del grafeno, el tamaño de sus nanocanales y la elevada densidad de electrones sobre su superficie lo vuelve una estructura altamente impermeable a materia particulada, líquidos y gases. Por otro lado, la manera que tienen los compuestos grafénicos de interactuar con otros materiales y de organizar a nivel molecular la estructura tridimensional de los mismos, permite crear compuestos con arquitecturas más densas y organizadas a nivel molecular disminuyendo la porosidad de los materiales y creando compuestos además de impermeables, también más resistentes mecánicamente y con importantes índices de recuperación o de resistencia a la deformación.
Barrera antimicrobiana
Otra ventaja del uso del grafeno en la industria textil es su capacidad antimicrobiana, considerando la persistencia y aparición de nuevos retos como el riesgo que conlleva el anclaje, proliferación y propagación de microorganismos sobre las prendas utilizadas particularmente por el sector médico.
Mecanismos de barrera antimicrobiana
– Exclusión por tamaño. El tamaño de los microorganismos puede variar desde los 10 nm hasta 3 micrómetros, por lo tanto, no logran permear a través de la barrera que provee la distancia interatómica de átomos de carbono de las láminas del grafeno (0.142 nm- 0.9 nm).
– Estrés oxidativo. Las interacciones entre los extremos polares de los fosfolípidos de las membranas celulares con el grafeno generan estrés oxidativo irreversible y muerte microbiana. Además, su gran capacidad de anclaje a proteínas puede inhibir la capacidad enzimática de algunos microorganismos.
– Daño a la membrana. Los bordes cortantes de las láminas del grafeno dañan físicamente la estructura de los microorganismos, evitando la adherencia microbiana a las superficies, pero sin tener efectos adversos sobre la piel.
Protección UV.
El espectro de absorción del grafeno abarca todo el espectro electromagnético, con un pico de absorción alrededor de 281 nm, por lo que puede absorber radiación UV con una longitud de onda comprendida entre 100 y 281 nm. Para longitudes mayores a 281 nm, la reflexión que provee el grafeno juega un papel importante en cuanto a la resistencia a la radiación UV y por lo tanto a la mayor durabilidad de los materiales, sobre todo aquellos expuestos a la intemperie.
Confort
Textiles como el algodón, el lino o las telas de seda, son altamente hidrófilas, pero tienen poca capacidad de transporte de moléculas de agua, es decir, pueden absorber la humedad del vapor y la transpiración líquida, pero no pueden desorber el agua hacia la superficie exterior, por lo tanto, el agua retenida en la tela hará que las telas estén húmedas o pegajosas siendo incómodo para el usuario; la hidrofobicidad de los compuestos grafénicos repele o evita el transporte de agua hacia la capa interior y a la vez transporta el agua inversamente a su superficie exterior, además, su excelente capacidad de regulación térmica evita que el calor y la humedad se concentre, evitando que se genere un ambiente propicio para la proliferación de microorganismos como hongos, bacterias virus, ácaros, y por lo tanto infecciones, manchas y malos olores.
En Energeia- Graphenemex® como líderes en América latina en la producción y desarrollo de aplicaciones con grafeno, estamos convencidos del gran potencial de este maravilloso material para atender las necesidades de sectores industriales como la industria textil. Asimismo, estamos sensibilizados sobre las necesidades científicas, técnicas, económicas y éticas que cada proyecto involucra para su materialización en un producto diferenciado. Por esta razón, somos un aliado estratégico para otras compañías interesadas en innovar y mejorar sus productos y/o procesos a partir de la conformación de equipos multidisciplinarios que allanen el camino para la introducción de nuevas tecnologías como el grafeno en el mercado. Esperamos tener pronto los primeros textiles con grafeno en México.
Redacción: EF/DHS
Referencias
Parte I
El grafeno es un nanomaterial bidimensional a base de átomos de carbono que está revolucionado la ciencia de los materiales y la nanotecnología, ya que es el único material conocido por el hombre en el convergen una gran cantidad de propiedades térmicas, eléctricas, mecánicas, ópticas, etc., y que además tiene la capacidad de combinarse con otras estructuras para compartir sus propiedades, modificando y mejorando sustancialmente sus características de origen. Desde su aislamiento en 2004, una gran cantidad de investigadores e industrias alrededor del mundo han intentado aprovechar sus extraordinarios beneficios explorando gradualmente cada una de sus propiedades, sin embargo, los altos costos de producción y la dificultad para obtener cantidades suficientes para su aplicación industrial, han limitado la llegada de productos al mercado.
Aún frente a estas dificultades, la industria textil no se ha quedado inmóvil ante las oportunidades que la nanotecnología grafénica representa y durante la última década ha estudiado no solo al grafeno y sus derivados, sino a otros nanomateriales como las nanopartículas de cobre (CuNp´s), plata (AgNp´s), oro (AuNp´s), óxido de zinc (ZnO), dióxido de (TiO2) y nanotubos de carbono por mencionar algunos, con la finalidad de proveer a los textiles de propiedades antimicrobianas, retardantes a la flama, resistencia mecánica, conductividad eléctrica, entre muchas otras. La diferencia principal es que, mientras que la mayoría de las nanopartículas suelen tener una propiedad específica, el grafeno ofrece capacidades multifuncionales, es decir, puede proveer o mejorar más de un beneficio.
¿Qué beneficios tiene el grafeno en la industria textil?
La lista de propiedades del grafeno es muy amplia y compleja, que parte de beneficios mecánicos hasta de barrera que son de gran interés para incontables usos. En cuanto a la industria textil se refiere, de todas las propiedades del grafeno, las primeras que despertaron interés fueron la conductividad eléctrica y térmica, pero gracias a su extensa investigación, el día de hoy se tiene identificada una amplia gama de beneficios que correlacionan su multifuncionalidad.
Es importante tener en mente que las extraordinarias características de los materiales grafénicos descritas en la literatura generalmente corresponden a mediciones realizadas sobre los nanomateriales en su forma pura, pero que para aprovechar realmente sus beneficios en aplicaciones tangibles, es necesario combinarlo con materiales tridimensionales sobre los cuales sea posible transferir sus propiedades. En este aspecto, las matrices poliméricas han demostrado ser altamente eficientes como soporte de los materiales grafénicos a través de procesos amigables para su integración y con interesantes mejoras en sus propiedades físico- químicas, donde, uno de los retos más importantes reside en la naturaleza de la interfase grafeno/polímero, siendo que, entre más fuerte y estable es la interfase, mejor será la transferencia de propiedades.
¿Cómo interactúa el grafeno con los materiales textiles?
En la escala nanométrica, los mecanismos de interacción dependen de múltiples factores, pero en general ocurren a través de interacciones electrostáticas, fuerzas de Van der Waals, puentes de hidrógeno, interacciones π-π o interacciones hidrofóbicas; en la escala macrométrica dicha interacción puede comprenderse mejor sobre con el tipo de grafeno, del material textil y del método o momento de integración. Este último punto es de suma importancia, porque no es suficiente tener el grafeno adecuado para proveer o mejorar determinada propiedad, sino que su anclaje y permanencia en toda la estructura de las fibras textiles naturales o sintéticas son variables que aumentan su complejidad. Es decir, en la mayoría de los casos son necesarias modificaciones químicas adicionales al grafeno, aunque también debe considerarse la implementación de otros aditivos para la modificación de cargas que favorezcan las interacciones y el autoensamblaje del nanomaterial con las fibras o incluso emplear otras herramientas o tecnologías para mejorar la interacción de todos los componentes como la infiltración al vacío, prensado o métodos de teñido.
Pero el tema no es tan simple, diversos estudios han identificado que si bien la presión y calor, en efecto ayudan a la penetración y homogeneidad del grafeno dentro de la fibra, reduce las escamas y mejoran la suavidad de la tela, estos métodos pueden ser superficiales y no proveer de beneficios mecánicos o de retardo al fuego. Para este tipo de modificaciones lo ideal es que el grafeno esté perfectamente integrado en toda la estructura de la fibra como ocurre en las telas no tejidas a base de polímeros termoplásticos, porque como es bien conocido, el éxito de la transferencia de las multifunciones del grafeno a otros materiales no solo depende de la presencia del grafeno sino de la identificación o creación de nuevas tecnologías que garanticen su distribución y permanencia en toda la estructura del material de soporte.
Por lo extenso del tema, el presente artículo ha sido dividido en dos secciones. En esta primera parte hablaremos sobre los usos de las propiedades eléctricas, térmicas (resistencia al fuego) y mecánicas del grafeno en textiles; en la siguiente publicación se concluirá la descripción sobre las propiedades de barrera, protección contra radiación Uv y confort.
Conductividad eléctrica
La gran conductividad eléctrica del grafeno es sumamente interesante para la fabricación de textiles inteligentes con la adaptación de sensores, microprocesadores, indicadores luminosos, fibra óptica, etc., textiles con protección electromagnética y antiestática en vías de ser implementados en la industria petrolera, minera, militar y médica, ya que, además de proveer alta eficiencia conductora, el grafeno, al ser láminas monoatómicas de carbono, es libre de corrosión, no agrega volumen, peso, ni disminuye su flexibilidad, como lo suelen hacer las fibras metálicas.
También se ha estudiado para la incorporación de componentes digitales o electrónicos a las prendas como sensores para monitoreo de glucosa, monitoreo cardiaco, sensores de gas, sensores para monitoreo de tensión, torsión, movimiento, acústico, pulso, etc., o incluso para captación de energía solar.
Conductividad térmica
Entre las propiedades más conocidas del grafeno es su conductividad térmica que en diversos materiales, incluyendo los textiles, favorece la rápida disipación del calor, por lo tanto, su incorporación en materiales viscoelásticos para colchones o en textiles utilizados para prendas de verano ayuda a mantener un equilibrio térmico asociado al confort y descanso. Aunque esta misma propiedad también está siendo estudiada con fines terapéuticos para estimular la circulación sanguínea y ayudar a recuperar los músculos de la fatiga.
Por otro lado, los textiles con grafeno también se han utilizado como elementos calefactores en componentes de calefacción industrial y residencial como alfombras, asientos de automóviles y deshielo de las vías de acceso de los aviones; de igual manera, al estar el grafeno libre de corrosión y permitir menor peso, ofrece ventajas adicionales sobre los elementos calefactores metálicos.
Resistencia al fuego
La estabilidad térmica de los materiales grafénicos va a depender de su estructura química y puede estar en el rango de los 500 °C hasta 3000 °C, sin embargo, estas condiciones pueden variar cuando han sido funcionalizados o combinados con otros materiales, en los cuales el grafeno puede aumentar la temperatura de descomposición y el tiempo de ignición. La participación del grafeno es actuar como una barrera de gas debido a la tortuosa estructura interna entre sus nanocanales, es decir, reduce la difusión del gas combustible a la fuente de la llama, reduce la difusión de oxígeno, retarda la combustión inicial y previene la reignición. Por lo tanto, el grafeno mejora la estabilidad térmica de los polímeros al disminuir la tasa de liberación de calor del polímero, evita la propagación del fuego y disminuye el tiempo de ignición.
En algunos polímeros, la presencia del material grafénico puede acelerar el tiempo de ignición, pero una vez que se forma la capa de carbón, este cubre la superficie del polímero y protege la subcapa de la propagación del fuego. Esto se puede explicar porque el material grafénico actúa como una barrera durante el período de ignición y dificulta el deterioro de la cadena de la estructura del polímero, además de que, al formar rápidamente carbón en la superficie externa del polímero, que actúa como una barrera térmica física y disuade los combustibles en la llama. Finalmente, la composición química del grafeno está libre de halógenos, por lo tanto, no se liberan furanos y dioxinas causantes de problemas ambientales.
En Energeia- Graphenemex® como líderes en América latina en la producción y desarrollo de aplicaciones con grafeno, estamos convencidos del gran potencial de este maravilloso material para atender las necesidades de sectores industriales como la industria textil. Asimismo, estamos sensibilizados sobre las necesidades científicas, técnicas, económicas y éticas que cada proyecto involucra para su materialización en un producto diferenciado. Por esta razón, somos un aliado estratégico para otras compañías interesadas en innovar y mejorar sus productos y/o procesos a partir de la conformación de equipos multidisciplinarios que allanen el camino para la introducción de nuevas tecnologías como el grafeno en el mercado. Esperamos tener pronto los primeros textiles con grafeno en México.
Redacción: EF/DHS
En el marco del esperado 3er Webinario Global sobre Nanotecnología y Nanociencia, programado para los días 27 y 28 de febrero de 2024, contará con la destacada participación de Eduardo Priego Mondragón, CEO de Graphenemex México, como uno de los conferencistas principales.
Bajo el tema «Insights and Innovations in Nanotechnology and Nano Science: Progressing to the future», este evento, organizado por Global Scientific Guild, se presenta como una plataforma única para el intercambio de conocimientos entre expertos y delegados de la industria y la academia.
La inclusión del Óxido de Grafeno (GO) en recubrimientos demuestra eficacia en la inhibición de la inflamabilidad, brindando una barrera resistente al fuego. Los beneficios incluyen protección anticorrosiva, propiedades antimicrobianas y mayor adherencia a sustratos. Este avance destaca la innovación de Energeia-Graphenemex en la producción de recubrimientos ignífugos, posicionándose como líder en la investigación y aplicación de materiales grafénicos de alta calidad.
Los recubrimientos son utilizados en varios sectores, a nivel industrial el uso de recubrimientos está enfocado a la protección contra la corrosión, mientras que a nivel comercial se utilizan para mantenimiento de infraestructuras y con fines decorativos. Hoy en día, la industria de los recubrimientos sigue en constante investigación para el desarrollo de recubrimientos mejorados, con propiedades antimicrobianas, antiadherentes, con mayor resistencia al ataque químico y al intemperismo. Sin embargo, a nivel comercial existen pocos desarrollos enfocados a recubrimientos ignífugos (retardantes a la flama) para la protección contra incendios en infraestructuras.
Los recubrimientos ignífugos tradicionales son revestimientos cementosos, a base de cemento Portland, cemento de oxicloruro de magnesio, vermiculita, yeso y otros minerales. Además, contienen cargas fibrosas, aglutinantes, suplementarios y aditivos que controlan la densidad y la reología, estos materiales generalmente se mezclan con agua en el sitio y se aplican mediante pulverización de alguna construcción o pueden aplicarse sobre un sustrato inflamable mediante el uso de rodillo, en espesores de media pulgada o más. Sin embargo, por su peso, espesor y mala estética, limitan el diseño arquitectónico.
En la industrial de recubrimientos y pintura, existe una amplia variedad de recubrimientos a base de diferentes tipos de resinas (polímeros) y aditivos. Debido a su naturaleza, la mayoría de estos recubrimientos son materiales inflamables y combustibles. Es decir, son materiales que se pueden incendiar cuando son expuestos al fuego, sufriendo degradación y la liberación calor para posteriormente iniciar la propagación de la flama, liberando humo y gases tóxicos, siendo un peligro para la seguridad de la vida humana y los bienes. Por otro lado, los recubrimientos ignífugos base polimérica, utilizan aditivos convencionales basados en halógenos (bromo y cloro), así como fósforo, compuestos de melamina e inorgánicos, para mejorar la resistencia al fuego de los recubrimientos, sin embargo, estos materiales son tóxicos para los seres humanos y el medio ambiente.
En los últimos años, Energeia-Graphenemex se ha enfocado en la producción de materiales grafénicos. El grafeno es el aditivo nanotecnológico más revolucionario para la industria de recubrimientos y pinturas, ya que permite el desarrollo de recubrimientos con extraordinaria protección anticorrosiva, recubrimientos con propiedades antimicrobianas, recubrimientos con mejor adherencia a los sustratos y mayor resistencia a la radiación UV. En este sentido, el óxido de grafeno (GO), ha mostrado ser un nuevo aditivo que ayuda a inhibir o reducir la inflamabilidad de los recubrimientos, para la producción de recubrimientos ignífugos (retardantes de flama) efectivos.
Su eficiencia está asociada a que el GO tiene un fuerte efecto barrera, alta estabilidad térmica y gran capacidad de absorción superficial que son favorables para reducir eficazmente la transferencia de calor y masa.
La incorporación de GO en recubrimientos pueden mejorar la resistencia a la flama, mediante la inhibición de los dos términos clave: calor y combustible. Es decir, puede funcionar como retardante de flama de las siguientes formas:
En resumen, la incorporación de GO en los recubrimientos pueden proporcionar protección contra incendios, debido a que pueden liberan agua y además proveer efectos de aislamiento térmico.
Los recubrimientos ignífugos a base de grafeno están diseñados para retardar la ignición y la velocidad de combustión, además deben proporcionar una barrera resistente al fuego.
Energeia – Graphenemex®, empresa mexicana líder en América Latina en investigación y producción de materiales grafénicos para el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial. Tiene amplia experiencia en la producción de óxido de grafeno (GO) a gran escala, y tiene a la venta, materiales grafénicos de alta calidad para su uso en diferentes industrias.
Referencias
La tribología es la ciencia que estudia la fricción, el desgaste y la lubricación, tanto de sistemas naturales como artificiales en movimiento relativo; su estudio es importante puesto que todos los sistemas mecánicos en movimiento que nos rodean consumen grandes cantidades de energía debido a la fricción. Esto puede generar una deformación estructural y fatiga, o causar el inicio y propagación de grietas que finalmente lleva a la formación de restos de desgaste sueltos en los mecanismos.
A medida que las superficies se desgastan se vuelven más rugosas y altamente reactivas por la formación de defectos provocando una mayor disipación de energía convirtiéndose en un ciclo altamente dañino. Esto se debe a que cuando una superficie se desliza tangencialmente sobre otra se presenta una resistencia al movimiento causado principalmente por interferencia entre las rugosidades, en ocasiones macroscópicas entre dos superficies. Esta resistencia se llama fricción y se presenta en forma de desgaste, aumento de temperatura y deformación; aún en presencia de una película lubricante, cuando la capacidad de carga es grande o el tiempo de deslizamiento es prolongado, la película lubricante pierde espesor o en su defecto, se rompe generando calor y fricción, provocando fallos importantes en las piezas de los equipos metalúrgicos.
“La fricción y el desgaste no solo afectan la operación y el mantenimiento de los equipos industriales, sino que la pérdida de energía causada por estos fenómenos representa 1/3 el consumo de energía industrial del mundo, mientras que el 80% de las fallas en las piezas derivan en importantes impactos económicos”
La amplia investigación sobre las propiedades tribológicas del grafeno y sus derivados lo ha colocado como un importante elemento bidimensional nano-lubricante, con efecto antifricción, anti- desgaste y anticorrosivo debido a los siguientes mecanismos:
Estudios teóricos sugieren que, al aumentar la temperatura, la fuerza de fricción disminuye debido a la acumulación de carga entre átomos de carbono e hidrógeno, generando repulsión electrostática. Estas propiedades han llevado a coeficientes de fricción desde 0.05 hasta 0.0003, sin desgaste superficial significativo.
Energeia-Graphenemex®, empresa pionera en América Latina, se destaca por su enfoque en el desarrollo industrial del grafeno. Su experiencia en la creación de métodos de producción asequibles a gran escala garantiza la disponibilidad de materiales grafénicos para diversas aplicaciones, desde productos propios hasta colaboraciones estratégicas con otras empresas que buscan incorporar la técnología del grafeno en sus productos.
Un punto importante por considerar es que, la efectividad de los materiales grafénicos no solo radica en su simple presencia dentro de un nuevo material, es decir, para mejorar su desempeño como lubricante pueden requerirse modificaciones químicas adicionales p.ej., con nitrógeno, elementos metálicos y sus óxidos, polímeros, compuestos como el disulfuro de molibdeno, nitruro de boro, tetraóxido de dimanganeso, ácido esteárico, ácido oleico, alquilamina, entre otros que están siendo estudiados. En Energeia- Graphenemex® esperamos pronto tener disponible el primer lubricante grafénico en México.
Redacción: EF/DH
Referencias
El concreto reforzado con fibras es una versión mejorada del concreto convencional caracterizado por un mejor desempeño ante la fisuración, deformación, fatiga e impacto. Es muy utilizado para la fabricación de pisos industriales y comerciales, túneles, taludes, tanques, concreto lanzado, prefabricados y en algunos casos como reemplazo de la malla electrosoldada de pisos, pero no como sustituto del acero de refuerzo de columnas estructurales, muros de carga o vigas suspendidas. A diferencia del concreto armado con estructuras de acero, las fibras representan un refuerzo tridimensional discontinuo y homogéneo dentro de la mezcla de concreto que le permite tener las mismas características en cada punto de la estructura.
De la extensa clasificación de fibras en cuanto a materiales, longitudes, espesores y geometrías, la principal competencia se encuentra entre las fibras de acero y las fibras de polipropileno, debido a que ambos materiales aumentan la tenacidad del concreto y le permiten continuar absorbiendo cargas antes de colapsar. La diferencia es que las fibras de acero controlan el agrietamiento durante el asentamiento plástico del concreto y después de endurecido, tienen gran resistencia a la tracción y no se deforman, sino que absorben la energía y la transforman en un esfuerzo interno; características que las hacen muy útiles para su uso en concreto expuesto a altas cargas; las fibras de polipropileno contribuyen al control de grietas por contracción plástica, por cargas externas, temperatura o contracción por secado y, aunque su resistencia a la tracción es menor que las de acero, su capacidad de deformación le permite absorber grandes cargas sin fallar; son menos costosas, más fáciles de manejar y generalmente están indicadas para concretos de menor carga.
Aunque las propiedades mecánicas de las fibras de acero son superiores a las de polipropileno y a reserva de las características del proyecto y de las normativas aplicables, existen otras diferencias técnicas que vale la pena considerar al momento de su selección:
Durabilidad– Las fibras de acero dentro del concreto suelen mantenerse estables y asiladas del medio exterior, sin embargo, cuando este aislamiento se rompe ya sea por capilaridad, microfisuración o bien, por un cambio en el pH del concreto, las fibras se vuelven susceptibles de corrosión, cuya oxidación en un futuro será la responsable de la pérdida de adherencia con el concreto. La ventaja de las fibras de polipropileno es que son aptas para su colocación en ambientes húmedos y marinos gracias a su estabilidad química, resistencia a la corrosión y a la degradación.
Peso volumétrico– La cantidad de fibras de polipropileno por kilogramo de peso es mayor que las contenidas en un kilogramo de fibras de acero; esto quiere decir que, para tener una distribución similar se deberían dosificar aproximadamente entre 5 y 8 kg de fibras metálicas por cada kilogramo de fibras de polipropileno y, aunque el peso volumétrico puede considerarse irrelevante para el desempeño, el costo y manipulación del producto pueden ser dos variables interesantes.
Adherencia– la adherencia o unión interfacial entre la fibra y el concreto es fundamental para el éxito a largo plazo de la estructura y se cuantifica como la fuerza necesaria para que la fibra sea arrancada de la matriz de concreto o experimente ruptura. En las fibras de acero su adherencia depende principalmente de su morfología y longitud, en cambio, las fibras de polipropileno además de facilitar la fabricación de distintas configuraciones también pueden ser modificadas químicamente para mejorar su adherencia.
Distribución- Dependiendo de la cantidad dosificada, las fibras de acero pueden formar “erizos” o dejar puntas en las superficies, representando riesgos durante su manipulación y después de colocadas. Una desventaja de las fibras de polipropileno es su hidrofobicidad o incompatibilidad con el agua, esto quiere decir que cuando se realiza el mezclado mecánico de las fibras dentro del concreto compuesto por agua, cemento y agregados, estas pueden aglomerarse y causar cúmulos sobre todo a dosificaciones elevadas; en consecuencia, una mala distribución, agregación o formación de espacios de aire dentro del concreto tendrá una repercusión negativa en su adherencia y, por lo tanto, en su desempeño.
Resistencia al fuego- Ante un incendio, el concreto puede tener un comportamiento de desprendimiento explosivo o “spalling” que consiste en la expulsión violenta de fragmentos debido al aumento de presión ejercida por la salida del vapor de agua hasta que se produce el desprendimiento cuando la presión supera la resistencia a tracción del concreto. Las microfibras de polipropileno se funden a temperaturas entre 160 y 170° C, por lo tanto, crean canales interconectados que aumentan la permeabilidad del concreto y ayudan a liberar la humedad y presión interna.
La empresa mexicana Energeia- Graphenemex® a través de su división Graphenergy Construcción, aprovecha los beneficios de la nanotecnología grafénica para mejorar las características de las fibras de polipropileno convencionales; su fórmula especializada permite obtener filamentos individuales con mayor resistencia mecánica y térmica, mejor distribución y mayor adherencia dentro del concreto en comparación con las fibras comunes.
¿Cómo mejora el Óxido de grafeno el desempeño de las fibras poliméricas?
El óxido de grafeno es uno de los materiales más interesantes para mejorar las características de una gran cantidad de polímeros; consiste en láminas de grafeno o de carbono puro estabilizadas con grupos oxigenados que lo vuelve una estructura multifacética, compatible con el agua, afín con los cristales de cemento y fácilmente combinable con otros compuestos para diseñar materiales con propiedades nuevas o mejoradas, por ejemplo:
Distribución dentro de la mezcla de concreto
Una de las ventajas del óxido de grafeno diseñado para la fabricación de las fibras de polipropileno es su química superficial constituida principalmente por grupos oxigenados (OH- y COOH-) que ayudan a mantener la afinidad de las fibras con los elementos acuosos de la pasta de cemento actuando de manera similar a los aditivos plastificantes, esto se debe a que el óxido de grafeno disminuye la energía superficial de las fibras facilitando su distribución dentro de la mezcla y evitando agregados.
Adherencia
Otro beneficio del óxido de grafeno presente en las fibras de polipropileno es la repulsión electrostática que genera entre las partículas del cemento; este fenómeno evita la aglomeración del cemento y aumenta el grado de interacción fibra- cemento al alterar los productos de hidratación y aumentar su grado de polimerización. En el concreto endurecido este efecto aumenta el coeficiente de fricción de manera que, cuando una grieta desplace una fibra se requerirá más carga para poder desplazarla dentro del concreto.
Resistencia mecánica
El óxido de grafeno aumenta la resistencia a la tracción y a la rotura de los polímeros, esto se debe a que su módulo de elasticidad (230 GPa) es ligeramente superior al del acero y sus aleaciones (190-214 GPa), pero comparable con el de la Zirconia (160-241 GPa) y aleaciones de Cobalto (200-248 GPa), por lo tanto, las fibras con óxido de grafeno tienen menor riesgo de fractura y son más duraderas que las fibras comunes
Resistencia a la degradación
Las fibras poliméricas con óxido de grafeno tienen mayor vida útil debido a que es un material que diferencia de muchos otros que se deterioran por los efectos de la radiación UV, el óxido de grafeno mantiene su integridad estructural y propiedades mecánicas, ademàs, es químicamente inerte y más resistente a los medios corrosivos.
Estabilidad térmica
El óxido de grafeno aumenta la estabilidad térmica del polipropileno a partir de la formación de puentes o vías interconectadas a lo largo de la matriz del polímero mejorando el transporte de calor.
Redacción: EF/DH
Fuentes
A nivel global el concreto es el material de construcción más utilizado. El concreto es aplicado en diferentes infraestructuras, incluidos edificios, puentes, presas y túneles, debido a su alta resistencia a la compresión. Sin embargo, el concreto tiene algunas limitaciones y problemas, como baja resistencia a la tensión y agrietamiento. Las grietas o fisuras se pueden formar desde la producción del concreto y durante las etapas posteriores, inician como grietas a nanoescala, posteriormente se unen formando micro y macrofisuras. Este comportamiento está estrechamente asociado al proceso de hidratación que sufre el cemento, donde libera calor y aumenta la temperatura del concreto. En estructuras de gran tamaño, el calor no puede liberarse fácilmente, lo que provoca expansión, tensiones y contracción térmica, lo que conduce al agrietamiento.
Debido a que el concreto está en constante exposición al impacto, la fatiga y otro tipo de cargas, se pueden originar grietas, fisuras y fallas irreparables, por lo que es común reforzarlo con fibras poliméricas para mejorar las características físico-mecánicas del concreto.
La incorporación de fibras en el concreto ha demostrado ser eficaces para retrasar o prevenir la propagación de grietas. A nivel comercial, existe una amplia gama de fibras poliméricas como refuerzo secundario tridimensional de concreto y mortero, con diferente longitud y tamaño (macrofibras y microfibras). Estas fibras poliméricas están elaboradas a partir de materiales como polipropileno (PP), polietileno de alta densidad (HDPE), PVA y poliéster.
Sin embargo, existen algunas desventajas o limitantes de las fibras poliméricas comerciales, la naturaleza hidrofóbica de las fibras poliméricas, el módulo de elasticidad de la fibra es insuficiente, por lo que la incorporación de fibras poliméricas en el concreto solo mejora un poco la resistencia a la tensión. Además, la poca mejora en la resistencia a la tensión se atribuye principalmente a una fuerza de unión insuficiente en la interfaz entre la fibra y la matriz, es decir, una baja compatibilidad (no hay un anclaje adecuado) de la fibra con el concreto. Por lo que las fibras se desprenden fácilmente del concreto, incrementando el riesgo de agrietamiento y fallas en el concreto. (Ver Figura 1)
Actualmente Energeia Fusión- Graphenemex, bajo su línea Graphenergy Construcción ha desarrollado y tiene a la venta macrofibras poliméricas con oxido de grafeno (GO). El óxido de grafeno es un nanomaterial, que debido a sus características físicas y químicas únicas, como su gran área superficial (736.6 m2/g), extraordinarias propiedades mecánicas (25 GPa), propiedades térmicas y su única estructura con múltiples grupos que contienen oxígeno sobre su superficie, hace que el GO sea un material ideal para la modificación de la superficie de las fibras poliméricas. Estas características permiten mejorar la interfaz o compatibilidad de las fibras con los materiales cementicios y/o concreto.
Los grupos oxigenados del GO actúan como sitios de anclaje para la formación de productos de hidratación del cemento, mejorando la interfaz entre las fibras y la matriz cementosa (Ver Figura 2). En consecuencia, una interfaz más fuerte conduce en una mejora en la resistencia a la tensión del concreto.
Cuando una estructura de concreto se somete a cargas, los esfuerzos de tensión y compresión comienzan a acumularse. Con el tiempo aparecen pequeñas fisuras en lugares donde la tensión alcanza un punto crítico. En este sentido, las fibras de refuerzo Graphenergy quedan sólidamente ancladas en la matriz de concreto y absorbe el esfuerzo por tensión en cualquier punto y dirección.
Si hay una pequeña fisura las fibras se sujetan con firmeza dentro del concreto, a medida que aumenta la tensión la fibra se alarga lentamente (se deforma) hasta alcanzar su máxima resistencia. Con un porcentaje de mejora en la resistencia a la tensión de 38 % y 29 % más de alargamiento que el refuerzo comercial, las estructuras de concreto reforzadas con fibras Graphenergy pueden soportar un gran esfuerzo de flexión durante un largo periodo. Estas fibras con nanotecnología, permite retrasar la aparición de la primera grieta y ralentizar la propagación de grietas en el concreto.
La principal diferencia entre las fibras de refuerzo Graphenergy y otro tipo fibras comerciales, es que las fibras con grafeno se vuelven parte de la matriz del concreto y dan lugar a un material compuesto. Las fibras de refuerzo Graphenergy forman una red de refuerzo en toda la estructura, reduciendo o inhibiendo la aparición de grietas (control eficaz de las grietas) y mejora la ductilidad del concreto. Además, las fibras de refuerzo Graphenergy mejoran la calidad del concreto, brindando una mayor resistencia a la contracción, resistencia al fuego y mayor impermeabilidad en el concreto.
Referencias
¿Qué es la corrosión?
El término corrosión se refiere a la destrucción de un material como resultado de sus interacciones químicas o electroquímicas con el medio circundante; la importancia de su prevención y/o control se debe a que al ser un fenómeno natural, una vez iniciado es prácticamente imposible de detener, es entonces que, una evolución descontrolada invariablemente comprometerá la integridad y vida útil de los materiales generando a la industria involucrada gastos directos e indirectos por pérdida de producto, paro de actividades por mantenimiento hasta el reemplazo de maquinaria o estructuras.
“Las pérdidas económicas causadas por corrosión superan el 3,4% del PIB mundial”
Corrosión influenciada microbiológicamente
La corrosión influenciada microbiológicamente o MIC (por sus siglas en inglés, Microbiologically Influenced Corrosion) puede definirse como el proceso electroquímico en el cual los microorganismos como algas, hongos y bacterias inician, facilitan o aceleran una reacción de corrosión, generalmente localizada en forma de grietas o picaduras sobre superficies tanto metálicas como de concreto. Aunque la corrosión involucra diversas variables, se estima que la MIC participa desde el 20 hasta el 40% de todas las fallas por corrosión, particularmente en la infraestructura hidráulica y petrolera, con costos cercanos a los 2 mil millones de dólares anuales.
¿Por qué inicia la MIC?
La presencia de humedad en cualquier entorno es el hábitat ideal para el crecimiento de numerosas comunidades de microorganismos que, aunada a condiciones óptimas de temperatura, pH, flujo de nutrientes, etc., promueve su adhesión y crecimiento sobre las superficies formando una biopelícula que si no es removida, crece hasta convertirse en una biomasa endurecida y obstructiva dentro de la cual las bacterias reductoras de sulfato, bacterias productoras de ácido, bacterias reductoras de hierro y bacterias formadoras de gel promueven la corrosión o MIC a través de reacciones electroquímicas destructivas de las superficies.
¿Cómo se combate?
Son tres los métodos más comunes para tratar de combatir la MIC, el primero es la limpieza mecánica de las superficies para remover las biopelículas idealmente en etapas incipientes, sin embargo, no siempre es posible acceder a todas las zonas expuestas dificultando su eficiencia; la segunda es el uso de agentes biocidas que, además de ser costosos, la mayoría pueden no ser amigables con la salud humana y con el medio ambiente; finalmente y, quizá el método más apto es la colocación barreras externas a manera de recubrimientos o películas poliméricas para evitar el contacto directo de las estructuras metálicas o de concreto con el medio agresivo.
Control de la corrosión en el concreto
Las opciones disponibles para proteger al concreto contra la corrosión desde su estado fresco son las adiciones de materiales puzolánicos, ceniza volante, escoria de alto horno, agregados sin sulfatos, fibras poliméricas, uso de cemento resistente a sulfatos o modificados con nanopartículas como los nanotubos y nanofibras de carbono, nanopartículas de sílice, alúmina o dióxido de titanio; para la protección en el estado endurecido es común la aplicación de barreras físicas como los recubrimientos anticorrosivos o películas poliméricas y, para la protección de las estructuras metálicas, además de los recubrimientos anticorrosivos, se puede hacer uso de estructuras galvanizadas, estañadas o la colocación de ánodos de sacrificio de magnesio. Sin embargo, se considera que, por la porosidad natural del concreto, no existen métodos totalmente eficientes que ataquen el problema de la corrosión hacia el interior de las estructuras.
La corrosión en el concreto puede ocurrir por carbonatación, ingreso de cloruros y sulfatos o por ataque microbiológico; cuando el concreto tiene acero de refuerzo y es atacado por la corrosión, se puede llegar a formar un óxido con 2 a 4 veces mayor volumen que el acero original provocando pérdida de adherencia con el concreto y poniendo en riesgo la resistencia del material. Además, la porosidad del concreto además de permitir el paso de humedad para el ingreso de iones agresivos también ofrece millones de nichos ideales para la retención de microorganismos y para la subsecuente formación de las biopelículas iniciadoras de la MIC, no solo porque favorecen su anclaje, sino porque dificultan su eliminación y promueven el avance de la corrosión.
“Se espera que para 2032 el mercado de los inhibidores de corrosión ascienda a 12,5 billones, siendo que en 2022 esta cifra oscilaba en los 8,3 billones”.
El Grafeno y el óxido de grafeno son nanomateriales multifuncionales de carbono con extraordinarias propiedades que, al incorporarse como nanorelleno de otros compuestos como recubrimientos, plásticos o cemento, tienen la capacidad de organizar molecularmente su estructura de tal forma que mejoran su resistencia frente a ataques químicos, físicos y microbiológicos. Entre sus particularidades está que son nanoestructuras inertes, es decir, son estables, no reaccionan con otros materiales y no sufren oxidación ni corrosión; son sumamente delgados y ligeros, pero a la vez, muy resistentes y flexibles; son impermeables incluso a los gases y cuentan con mecanismos antimicrobianos sumamente eficientes.
A continuación, se resumen algunas de las investigaciones más destacadas sobre el uso del grafeno como alternativa contra la corrosión influenciada microbiológicamente (MIC):
2015- El Departamento de Ciencias e Ingeniería de Materiales del Instituto Politécnico Rensselaer, Nueva York, E.U.A., modificó recubrimientos de poliuretano con grafeno identificando una protección 10 veces mayor contra la MIC en comparación con los recubrimientos de poliuretano no modificados.
2017– El laboratorio de Nanobiomateriales de la Universidad Técnica Federico Santa María, Valparaíso, Chile, evaluó el efecto directo del grafeno colocado sobre sustratos de níquel y su interacción con bacterias causantes de corrosión; los resultados evidenciaron una barrera impermeable generada por el grafeno que bloqueó la interacción entre las bacterias y el metal, pero sin efecto bactericida.
2021– El Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, de la Escuela de Minas y Tecnología de Dakota del Sur, E.U.A., reportó que múltiples capas de grafeno restringieron 10 veces más el ataque de la MIC sobre superficies de cobre y níquel.
2021– La Escuela de Ingeniería de la Universidad de Glasgow, Escocia, examinó el deterioro de pastas de cemento modificadas con óxido de grafeno (GO) expuestas a ambientes de ácidos. Los resultados demostraron que la presencia de GO disminuye la pérdida de masa en el concreto por dichos ataques, reconociéndolo como un aditivo potencial para modificar la microestructura y la vida útil del concreto frente a ambientes agresivos como los presentes en almacenes de productos químicos hasta los sistemas de aguas residuales.
Energeia Fusion (Graphenemex®), la empresa mexicana líder en América Latina en la producción de materiales grafénicos, después de un largo camino de investigación en 2018 lanzó al mercado la Línea Graphenergy que comprende una serie de recubrimientos anticorrosivos y antimicrobianos con nanotecnología grafénica y el primer aditivo para concreto con óxido de grafeno en el mundo, cuyo uso individual o combinado prometen grandes beneficios contra la corrosión.
Graphenergy Construcción es un aditivo base agua con óxido de grafeno diseñado para mejorar la calidad de las estructuras de cemento en términos de resistencia mecánica y durabilidad. El valor agregado que el óxido de grafeno ofrece al concreto en la lucha contra la MIC desde el exterior hacia su interior es resultado de una serie de eventos que comienzan favoreciendo la hidratación del cemento actuando como reservorios de agua y como plataforma para el crecimiento de cristales de C-S-H y para disipar el calor de hidratación; mejora las zonas de transición interfacial entre la pasta de cemento y los agregados ayudando a reducir el tamaño y volumen de los poros, esto a su vez favorece el aumento de la resistencia mecánica, reduce la permeabilidad, aumenta su resistividad, es decir, reduce la transferencia de cargas eléctricas hacia el interior del concreto retrasando el inicio de corrosión y, finalmente, modifica las cargas electrostáticas y la humectabilidad de las superficies dificultando la formación de biopelículas causantes de la MIC.
Los recubrimientos Graphenergy formulados con óxido de grafeno ofrecen gran resistencia contra la corrosión en zonas costeras y no costeras, así como una excelente protección antimicrobiana sin mecanismos biocidas, ya que su efecto consiste en evitar la adhesión de los microorganismos a las superficies. Además, su impermeabilidad, resistencia a la abrasión y resistencia contra los intensos efectos de la intemperie incrementan su vida útil y, por lo tanto, disminuyen sustancialmente los costos de mantenimiento tanto de estructuras metálicas como de concreto.
Redacción: EF/DH
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