Autor: Energeia Graphenemex

Innovación en la industria de la construcción

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Innovación en la industria de la construcción:

el óxido de grafeno como coadyuvante para mejorar la resistencia y durabilidad del pavimento

El concreto, debido a su eficiencia de producción, abundantes fuentes de materia prima, trabajabilidad y versatilidad, es un material ampliamente utilizado en la industria de la construcción; entre sus numerosas aplicaciones están los pavimentos rígidos para carreteras, aeropuertos, pisos industriales y puentes, sin embargo, y pese a su excelente resistencia a la compresión, el concreto presenta limitantes como baja resistencia a la tracción y flexión que, aunado a factores como sobrecargas o condiciones ambientales, suele desarrollar fallas como agrietamiento, perforaciones, desprendimiento o erosiones que invariablemente requerirán reparación. Por lo tanto, mejorar su calidad además de aumentar su vida útil y de reducir riesgos, también permite disminuir o espaciar los trabajos de mantenimiento y, en consecuencia, evita el paro de operaciones o de cierres carreteros representando a su vez, ahorros económicos importantes.

Además de calidad y economía, otro de los objetivos de la industria de la construcción es disminuir la huella de carbono, teniendo como referencia que el principal aglomerante del concreto es el cemento y que, por cada tonelada de cemento fabricado, se libera 1 tonelada de CO2 a la atmósfera. Es por ello que constantemente se está en busca de tecnologías y/o materiales que mejoren o igualen el desempeño del concreto, en principio utilizando menor contenido de cemento mediante el uso de sustitutos de cemento como micropartículas minerales producto de desecho industrial p. ej., ceniza volante, escoria de alto horno o humo de sílice; refuerzos con fibras de acero, sintéticas o de vidrio; resinas y materiales reciclados como el hule de llanta, polipropileno, PET o el mismo concreto reciclado, así como una gran variedad de aditivos base lignosulfonato, naftaleno sulfonato, melamina o policarboxilatos para dar funciones plastificantes, reductoras de agua, acelerantes o retardantes de fraguado, entre otras. Una valiosa herramienta para agregar valor en la triada: calidad, economía y medioambiente, es la nanotecnología, partiendo de la premisa de que el cemento en su mayoría está constituido por nano cristales de C-S-H, responsables de las propiedades cohesivas, de endurecimiento y, en definitiva, de su resistencia mecánica. Esto significa que, manipular y modificar la estructura del cemento desde su nivel nano, conlleva beneficios en el nivel macro, es decir en el concreto como producto terminado.

A lo largo de los últimos diez años de investigación y aplicación de la nanotecnología en la construcción, apareció en escena el Óxido de grafeno (GO), una nanopartícula de carbono derivada del grafito con excelentes propiedades mecánicas, térmicas y de barrera; su buena dispersión en agua y gran afinidad por las nanopartículas del cemento ha demostrado atributos interesantes para acelerar la hidratación del cemento, aumentar la producción de nanocristales de C-S-H y reducir los poros del cemento que, en conjunto, representan beneficios importantes en resistencia, durabilidad y variedad de aplicaciones en infraestructura. Asimismo, se ha demostrado que la fabricación de fibras poliméricas para concreto modificadas con GO contribuye a mejorar significativamente su resistencia a la tensión, impacto, y abrasión, retrasa su deterioro por corrosión o radiación UV y lo vuelve más estable térmicamente, reduce los agrietamientos, entre otros beneficios. Derivado del gran potencial de este nanomaterial para la industria de la construcción, en 2022 la revista Sustainability utilizó la base de datos Web of Science (WoS) para realizar un análisis sobre las investigaciones generadas en el periodo 2010- 2022 respecto al uso de óxido de grafeno en compuestos de cemento. En dicho estudio se identificaron un total de 608 publicaciones relacionadas con resistencia mecánica, durabilidad, conductividad térmica, entre otras, pero solo menos de 10 revistas hicieron referencia a los beneficios integrales que el GO ofrece a los pavimentos rígidos, ya sea de manera individual o como refuerzo tridimensional mediante el uso de fibras poliméricas, lo cual representa una aplicación poco explorada, pero con grandes áreas de oportunidad.

Tomado de: Sustainability 2022, 14, 11282.

Energeia – Graphenemex®, la empresa mexicana líder en América Latina en investigación y producción de materiales grafénicos para el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial, a través de su línea de productos Graphenergy construcción® en 2018 colocó por primera vez en el mercado un aditivo para concreto con óxido de grafeno que contribuye a mejorar la microestructura de los conglomerados base cemento desde sus etapas iniciales; posteriormente, en 2020 y gracias a su amplia experiencia en el manejo de nanocompositos, desarrolló una nueva generación de macrofibras poliméricas con nanorelleno grafénico. Los beneficios que el GO ofrece a nivel nano y micrométrico han sido evaluados en laboratorio y en campo sobre macro diseños de concreto, obteniendo excelentes resultados en cuanto a trabajabilidad, densidad, impermeabilidad, disipación de calor, fraguado, apariencia y con equilibradas aportaciones mecánicas de resistencia a la compresión, tensión, flexibilidad y abrasión que en conjunto complementan las necesidades  económicas, ambientales y de calidad de los pavimentos rígidos, entre muchas otras estructuras base cemento. Su uso es muy sencillo y no requiere equipos ni procesos adicionales a los que regularmente se utilizan en la construcción, además de que permite ajustes en su manipulación, dosificación y uso en conjunto con otros aditivos para mejorar su desempeño.

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. Houxuan Li, et al., Recent progress of cement-based materials modified by graphene and its derivatives. Materials 2023, 16, 3783. 2. I. Fonseka, et al., Producing sustainable rigid pavements with the addition of graphene oxide. 2023; 3. Byoung Hooi Cho., Concrete composites reinforced with graphene oxide nanoflake (GONF) and steel fiber for application in rigid pavement. Case Stud. Constr. Mater. 2022; 17: e01346; 4. Kiran K. Khot, Experimental study on rigid pavement by using nano concrete. Int Res J Eng Techno, 2021; 08: 07,4865; 5. Jayasooriya, D. et al., Application of graphene-based nanomaterials as a reinforcement to concrete pavements. Sustainability 2022, 14, 11282; 6. Sen Du, et al., Effect of admixing graphene oxide on abrasión resistance of ordinary portland cement concrete. AIP Advances. 2019; 9: 105110; 7. D. Mohottia, et al., Abrasion and Strength of high percentage Graphene Oxide (GO) Incorporated Concrete. J. Struct. Eng. 2022; 21: 1; 8. Fayyad, T., Abdalqader, A., & Sonebi, M. An insight into graphene as an additive for the use in concrete. In Civil Engineering Research Association of Ireland Conference 2022 (CERAI 2022): Proceedings (CERAI Proceedings).

Superando Retos en Construcción 

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Superando Retos en Construcción:

Aditivo de Grafeno para Minimizar Agrietamiento Térmico 

En el concreto los agentes aglutinantes son principalmente una combinación de materiales puzolánicos y cemento que, durante el proceso de hidratación libera calor acompañado de cambios volumétricos. Este fenómeno en presencia de elementos con baja disipación térmica evita que el calor se difunda eficientemente dando como resultado un gradiente de temperatura entre la superficie exterior y el núcleo interior. Es decir, la temperatura en la superficie de la mezcla suele enfriarse con mayor velocidad, pero en su interior dicha temperatura aumenta gradualmente. Esta falta de uniformidad en la distribución del calor puede generar grandes tensiones de tracción responsables del conocido agrietamiento térmico del concreto.

Entre las estrategias actuales para reducir dichas tensiones térmicas están la colocación de tuberías de enfriamiento, uso de cemento Portland de bajo calor, materiales de cambio de fase, fibras poliméricas o el aislamiento de la superficie. Sin embargo, poco se atiende mejorar la propagación del calor en el propio cemento. En este sentido y al ser el cemento un material nanoestructurado por el contenido de nanopartículas de C-S-H, no es raro que la nanoescala sea una de las tendencias más innovadoras de la ingeniería civil moderna, pues está comprobado que la mayoría de las afectaciones del concreto como es el caso del agrietamiento térmico, tienen origen en distintos factores químicos y mecánicos de la estructura del cemento, el principal aglutinante del concreto.

El óxido de grafeno (GO) es una versión oxidada del Grafeno, el nanomaterial que, a lo largo de la última década, ha sido el centro de atención de numerosas industrias, incluida la industria de la construcción. Ambas nanoestructuras son una única lámina de átomos de carbono densamente organizados que  otorgan numerosas propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, entre otras.

El GO a diferencia del Grafeno, contiene una gran cantidad de grupos oxigenados del tipo epóxido (C-O-C), hidroxilo (-OH) y carboxilo (-COOH) que lo convierten, por un lado, en un material fácilmente dispersable en agua y por otro, le dan la capacidad de interactuar con las nanopartículas C-S-H del cemento para transferir sus propiedades y mejorar su desempeño y durabilidad desde la micro y nano escala.

Conductividad térmica

La conductividad térmica del GO dependiendo del grado de oxidación puede alcanzar los 670 W/ (m K), mientras que la conductividad del cobre y el aluminio es de aproximadamente 384 y 180 W/ (m K), respectivamente. Esto significa que, el GO puede conducir el calor de manera más eficiente que los metales; no obstante, transferir esta propiedad a otros materiales, no es tarea sencilla, para ello es importante vencer tres retos principales:

i) Tener amplio conocimiento científico de los materiales grafénicos, de ser posible, desde su síntesis o producción,

ii) Controlar la calidad en el diseño de la mezcla y,

iii) Tener una visión integral, tanto técnica como científica para el uso adecuado y distribución de las nanopartículas de GO con el cemento para lograr los objetivos planteados.

Graphenergy Construcción® es un aditivo multipropósito base agua con una fórmula especializada a partir de Óxido de grafeno que favorece el proceso de hidratación del cemento no solo actuando como promotor para la formación de una red de cristales de C-S-H responsables de la densificación y resistencia del concreto, sino que también mejora la conductividad térmica durante su hidratación y fraguado.

Durante la hidratación del cemento ocurre una reacción exotérmica, es decir, se libera calor que es también acompañado por cambios de volumen. Cuando este calor no se disipa eficientemente se pueden generar grandes tensiones de tracción responsables del conocido agrietamiento térmico del concreto.

La mencionada red cristalina de la estructura del GO le permite disipar con gran eficiencia la temperatura e incluso soportar intensas corrientes eléctricas sin calentarse.

En el caso particular de las mezclas de concreto en estado fresco, Graphenergy Construcción® promueve una distribución de calor más homogénea, minimizando el gradiente de temperatura y cambios volumétricos, por lo tanto, reduce la probabilidad de fisuración térmica.

En el caso del concreto endurecido y pese a que es un material aislante, cuando se expone a temperaturas cercanas a los 400°C se pone en riesgo significativamente su resistencia mecánica. El uso de Graphenergy Construcción® reduce este riesgo, ya que se ha probado que con su aplicación se genera una diferencia de temperatura 70% inferior al parámetro requerido por la prueba entre la superficie expuesta y la no expuesta al fuego.

Por lo tanto, la aportación de la nanored del GO presente en Graphenergy Construcción® ayuda a distribuir homogéneamente la temperatura de hidratación y fraguado, reduce el riesgo de agrietamiento térmico, aumenta la resistencia del concreto a altas temperaturas y, finalmente, ofrece una excelente opción sustentable para el ahorro energético particularmente para aquellas construcciones cuya localización geográfica obliga al uso de equipos de climatización, logrando reducciones de temperatura de hasta 3 °C en el interior de las edificaciones.

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. Tanvir S., et al. Nano reinforced cement paste composite with functionalized graphene and pristine graphene nanoplatelets. Compos. B. Eng. 2020; 197: 15, 108063,
  2. Dong Lu., et al. Nano-engineering the interfacial transition zone in cement composites with graphene oxide. Constr. Build. Mater. 2022; 356: 129284,
  3. Peng Zhang., et al. A review on properties of cement-based composites doped with Graphene. J. Build. Eng. 2023: 70, 106367,
  4. WANG Qin et al., Research progress on the effect of graphene oxide on the properties of cement-based composites. New Carbon Mater. 2021; 36: 4,
  5. Junjie Chen, Effect of oxidation degree on the thermal properties of graphene oxide. j mater rest technol. 2020; 9:13740,
  6. Karthik Chintalapudi. The effects of Graphene Oxide addition on hydration process, crystal shapes, and microstructural transformation of Ordinary Portland Cement. J. Build. Eng. 2020; 32, 101551,
  7. Guojian Jing et al., Introducing reduced graphene oxide to enhance the thermal properties of cement composites. Cem Concr Compos. 2020; 109, 103559,
  8. Jinwoo An et al., Edge-oxidized graphene oxide (EOGO) in cement composites: Cement hydration and microstructure. Compos. B. Eng. 2019; 173, 106795

Mejorando la protección y la productividad agrícola

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Mejorando la protección y la productividad agrícola

gracias a las películas plásticas con óxido de grafeno

Las aplicaciones de los materiales plásticos son muy diversas, para el uso en agricultura destaca la formulación y desarrollo de películas plásticas para cubiertas de invernaderos, macrotúneles y microtúneles y para el acolchado de suelos. Entre los materiales plásticos más utilizados se encuentran el Polietileno Lineal de Alta Densidad (HDPE), Etilvinilacetato (EVA), en el caso de cubiertas para estructuras, y el Polietileno Lineal de Baja Densidad (LLDPE) como polímero principal para la fabricación de películas para acolchado de suelos.

Las películas de plástico con capacidad para convertir y transmitir energía solar son materiales de gran interés para aplicaciones fototérmicas en agricultura. En este sentido, el desarrollo de películas de acolchado con buenas propiedades mecánicas y propiedades de conversión fototérmica adecuadas para el campo agrícola sigue siendo una demanda urgente.

En años recientes, el grafeno, ha atraído una considerable atención debido a su singular estructura en láminas, sus extraordinarias propiedades fototérmicas y sus propiedades mecánicas.

Para mejorar la eficiencia de la conversión solar de las películas plásticas, se puede incorporar nanomateriales a base de carbono como: el grafeno (GnP), óxido de grafeno (GO) y oxido de grafeno reducido (RGO), debido a que poseen una excelente capacidad de absorción de luz con un amplio rango espectral (desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano), y pueden convertir la energía luminosa en energía térmica (propiedad fototérmica).

Desarrollos recientes en la formulación de las películas, buscan el bloqueo de la radiación UV, el efecto de flourescencia, películas ultratérmicas y películas más impermeables. Otras propiedades claves deseadas en las películas plásticas son resistencia mecánica (mayor durabilidad), propiedades ópticas y efecto antigoteo.

Estudios recientes, han reportado los valores de permeabilidad al vapor de agua (WVP) en películas plásticas compuestas con grafeno a diferentes concentraciones (0, 2, 4, 6 y 8% en peso). Donde se encontró que la permeabilidad al vapor de agua en las películas disminuye continuamente (mejora la propiedad barrera) conforme se incrementa la concentración de grafeno en las películas. Esta evaluación se realizo a diferentes porcentajes de humedad relativa (RH), donde se pudo observar buen desempeño en la propiedad de barrera en diferentes porcentajes de humedad (32%, 55% y 76%), ver Fig. 1.

Cuando el contenido de grafeno aumenta hasta 8 % en peso, la WVP de las películas compuestas disminuye de 3.9 x10-10, 5.5 x10-10, y 7.6 x10-10g/m·h·Pa a 0.6 x10-10, 0.8 x10-10, y 1.2 x10-10g/m·h·Pa a 32%, 55% y 76% de humedad relativa, respectivamente. Esta disminución en la permeabilidad está asociada, a que el grafeno forma barreras a nivel molecular en las películas plásticas, dando origen a caminos más tortuosos para la difusión de las moléculas de vapor de agua o de moléculas de oxígeno, limitando su transportación a través de la película plástica. Esta disminución también puede evitar en gran medida la evaporación y perdida de agua, un recurso muy valioso en estos tiempos de escases.

En la Fig. 2, se muestra las curvas de tensión de las películas compuestas con grafeno. Se encontró que la resistencia a la tensión de las películas con grafeno (2-8 % en peso), incremento hasta 22.6 MPa en comparación con la película virgen o control (18.3 MPa). Mientras que el Modulo de Young incremento continuamente de 95.7 a 171.2 MPa con el contenido de grafeno de 0 a 8% en peso, estos resultados muestran una mejora en la resistencia mecánica.

Desde el punto de vista del horticultor, las propiedades mecánicas más relevantes son: la resistencia a la tracción, al rasgado y al impacto. La resistencia a la tensión valora la capacidad de la película para soportar esfuerzos de tensión y es muy importante durante el montaje de la película en el acolchado.

En cuanto a los avances en los compuestos poliméricos con grafeno y derivados en aplicaciones de conversión de energía solar. La Fig. 3 ilustra la eficiencia de conversión fototérmica de las películas en la superficie del suelo. Se observó que la eficiencia de conversión fototérmica de las películas compuestas con grafeno aumenta gradualmente con el contenido de grafeno.

Las películas compuestas a concentraciones de 2,4,6 y 8 % en peso de grafeno, mostraron una eficiencia en conversión fototérmica mayor (10.1, 19, 26 y 40.3%) que la película control (6.7%) para una temperatura de 27°C, lo que indica que las películas compuestas de grafeno pueden adsorber la luz de forma eficaz y pueden convertir la energía luminosa en suministro térmico que puede aumentar rápidamente la temperatura del suelo.

Curiosamente todas las películas compuestas con grafeno mostraron un mejor rendimiento de conversión fototérmica para aumentar la temperatura del suelo en comparación con el grupo de control. Estos resultados indican que las películas compuestas poseen buenas propiedades mecánicas y adecuadas propiedades de conversión fototérmica que pueden utilizarse potencialmente en películas de acolchado para mejorar la temperatura del suelo y mantener la humedad del suelo, lo que es beneficioso para el crecimiento y la producción de los cultivos agrícolas.

Actualmente Energeia – Graphenemex®, empresa mexicana lider en América Latina en investigación y producción de materiales grafénicos para el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial, a través de su línea de Graphenergy Masterbatch, ha desarrollado y tiene a la venta una amplia gama de masterbatches con grafeno (concentrado de grafeno), con polímeros de gran uso en la agricultura y/o horticultura, como LLDPE, LDPE, y HDPE. Nuestros Masterbatches son materiales granulados que actúan como refuerzos multifuncionales para la elaboración de películas plásticas más resistentes de menor permeabilidad y con alto grado de conversión fototérmica.

Referencias

  1. Melt processing and properties of linear low density polyethylene-graphene nanoplatelet composites. P. Khanam, M.A. AlMaadeed, M. Ouederni, E. HarkinJones, B. Mayoral, A. Hamilton, D. Sun. 2016, Vacuum , Vol. 130, págs. 63-71.
  2. Sun, Q., Geng, Z., Dong, J., Peng, P., Zhang, Q., Xiao, Y., & She, D. (2020). Graphene nanoplatelets/Eucommia rubber composite film with high photothermal conversion performance for soil mulching. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers.
  3. Effect of functionalized graphene on the physical properties of linear low density polyethylene nanocomposites. T. Kuila, S. Bose, A. K. Mishra, P. Khanra, N. H. Kim, J. H. Lee. 2012, Polymer Testing, Vol. 31, págs. 31-38.

El impacto del grafeno en el fraguado y la resistencia del concreto

Publicado el | por Energeia Graphenemex

El impacto del grafeno

en el fraguado y la resistencia del concreto

Los aditivos acelerantes de fraguado para las estructuras base cemento suelen utilizarse cuando se requiere alcanzar las resistencias deseadas en menor tiempo, ya sea para mantener una producción continua o bien, cuando el producto necesite entrar en funcionamiento de manera inmediata. Sin embargo, la gran cantidad de variables que interfieren en este proceso dificulta anticipar con precisión el aceleramiento que podrá obtenerse con cada nuevo aditivo; sin olvidar la importancia de controlar la reacción exotérmica o de liberación de calor que ocurre durante el fraguado o curado del cemento para evitar la aparición fisuras térmicas en el producto final.

Para comprender parte de las reacciones que ocurren durante el fraguado del cemento es importante conocer un poco sobre su composición, por ejemplo: alrededor del 75% está conformado por silicato tricálcico y silicato dicálcico que, al reaccionar con el agua forman hidróxido de calcio y silicato cálcico hidratado (C-S-H), siendo este último un componente nanométrico y a la vez, el elemento más importante, puesto que de él depende el fraguado, endurecimiento, resistencia y estabilidad dimensional del cemento.

En artículos anteriores se ha hablado de la interesante interacción de las nanopartículas de C-S-H con las nanopartículas de óxido de grafeno (GO), otra estructura nanométrica compuesta por átomos de carbono y grupos oxigenados que ha captado la atención de la industria de la construcción gracias a sus beneficios durante en la hidratación del cemento y en el impacto directo que tiene para mejorar su resistencia mecánica y durabilidad, pero también sobre su interesante participación como acelerante de fraguado principalmente para concretos aligerados poliméricos.

“El GO actúa como un agente catalizador durante la reacción de hidratación del cemento”

La presencia de grupos oxigenados en la superficie del GO le permiteabsorber moléculas de agua y cemento para estabilizar, por un lado, los átomos en el C-S-H al proporcionar sitios de oxígeno para las cadenas de silicato y por otro, para actuar como un depósito de agua y canales de transporte para mejorar la hidratación del cemento.

Además, la excelente compatibilidad del GO con distintos tipos de resinas lo ha vuelto el candidato perfecto para el reforzamiento de concretos del tipo polimérico que, si bien no contienen una fase importante de cemento hidratado, el cemento portland suele utilizarse como material de relleno y, por lo tanto, le da al GO una mayor matriz para transferir sus propiedades.

Graphenergy construcción® es un aditivo multipropósito base agua con una fórmula especializada a partir de Óxido de grafeno que contribuye a mejorar la microestructura de cualquier producto base cemento ofreciendo los siguientes beneficios durante el proceso de fraguado:

Fraguado: Aceleración del tiempo de fraguado de hasta el 30%.

Secado: Ayuda a un secado uniforme con menor presencia de marcas o lunares de humedad. 

Incremento de resistencia durante el desmolde de prefabricados: Mayor integridad de las estructuras, mejor definición de ángulos e importante reducción del 20 a 30% en merma por fractura de producto.

Resistencia a cambios térmicos: la buena conductividad térmica de su formulación promueve una distribución de calor más homogénea durante la hidratación del cemento y, por lo tanto, contribuye a reducir la aparición de grietas térmicas y reduce las fracturas del producto en climas fríos.

Buena integración con otros aditivos o componentes de las mezclas de concreto.  Favorece la trabajabilidad de las mezclas.

Redacción: EF/DHS

Fuentes

  1. Ultrahigh Performance Nanoengineered Graphene- Concrete Composites for Multifunctional Applications. Adv. Funct. Mater. 2018; 28: 1705183;
  2. The role of graphene/graphene oxide in cement hydration. Nanotechnology Reviews. 2021;10(1): 768;
  3. Experimental study of the effects of graphene nanoplatelets on microstructure and compressive properties of concrete under chloride ion corrosión. Construction and Building Materials, 2022; 360, 129564;
  4. Effect Of On Graphene Oxide the Concrete Resistance to Chloride Ion Permeability. IOP Conf. Ser. 2018: Mater. Sci. Eng. 394 032020;
  5. Effects of graphene oxide on early-age hydration and electrical resistivity of Portland cement paste. Constr Build Mater. 2017; 136, 506;
  6. Recent progress on graphene oxide for next-generation concrete: Characterizations, applications and challenges. “J. Build. Eng. 2023; 69, 106192;
  7. Graphene nanoplatelet reinforced concrete for self-sensing structures – A lifecycle assessment perspective. J. Clean. Prod. 2019; 240, 118202;
  8. Graphene opens pathways to a carbon-neutral cement industry. Science Bulletin. 2021; 67;
  9. Reinforcing Effects of Graphene Oxide on Portland Cement Paste. J. Mater. Civ. Eng. 2014; A4014010-1;
  10. A review on the properties, reinforcing effects, and commercialization of nanomaterials for cement-based materials. Nanotechnology Reviews, 2020; 9: 303–322, 10;
  11. Permeabilidad a los cloruros del hormigón armado situado en ambiente marino sumergido. Revista Ingeniería de Construcción. 2007; 22: 1, 15;
  12. Penetrabilidad del hormigón al agua y a los iones agresivos como factor determinante de su durabilidad. Materiales de Construcción, 1973; 23: 150;
  13. La resistividad eléctrica como parámetro de control del hormigón y de su durabilidad. Revista ALCONPAT, 2011; 1(2),90;
  14. Portland cement blended with nanoparticles. Dyna, 2007; 74:152, 277;
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  17. Review on Graphene oxide composites. Int. J nanomater nanostructures. 2016; 24.

El ingrediente que transformará la industria del plástico

Publicado el | por Energeia Graphenemex

El ingrediente que transformará la industria del plástico:

Descubre los beneficios de los masterbatches de grafeno de Graphenemex

La industria del plástico constantemente demanda nuevos refuerzos o aditivos, que permitan la mejora de los materiales plásticos, tanto de uso comercial como de Ingeniería. En años recientes, se ha impulsado el uso de grafeno y sus derivados (oxido de grafeno, GO) como nuevos refuerzos para diferentes matrices poliméricas.

El grafeno es un nanomaterial (partícula nanométrica) que posee extraordinarias propiedades eléctricas, ópticas, térmicas y una elevada resistencia mecánica. Las propiedades del grafeno son atribuidas a su estructura en forma de láminas bidimensionales (2D), formada por átomos de carbono enlazados de manera hexagonal y un espesor de un átomo de carbono.

La incorporación de materiales grafénicos en los polímeros, permite desarrollar compuestos poliméricos con mayor resistencia mecánica, mayor resistencia al impacto, resistencia a la radiación UV y con mayor estabilidad térmica, entre otras propiedades. Lo anterior, permite la obtención de mejores materiales, con gran potencial y una amplia gama de aplicaciones para diferentes sectores (automotriz, aeroespacial, electrónica o embalaje).

En general cuando hablamos de compuestos poliméricos tradicionales, son materiales que contienen una cantidad (~ 40 %) de refuerzo en la matriz polimérica. En contraste, los compuestos poliméricos con grafeno (nanocompositos), el grafeno logra mejora las propiedades del polímero con el uso de bajas concentraciones (< 2 % peso), como refuerzo. Diversas investigaciones han mostrado que los polímeros funcionalizados con materiales grafénicos proporcionan mejoras en las propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas. Por ejemplo en:

  • Compuestos de Polipropileno / Grafeno, mostraron un incremento en modulo de flexión (30%) y un incremento en la resistencia al impacto (40 %) con respecto a otros compositos comerciales.
  • Compuesto de Polietileno / Grafeno, mejora la resistencia a la tensión (17 %), resistencia a la flexión y resistencia a la ruptura (66%).
  • Compuestos de Poliestireno/grafeno, mostraron un incremento en la conductividad eléctrica a temperatura ambiente de 0.1 a 1 S/m.

Además de lo mencionado anteriormente, es importante indicar que los materiales grafénicos funcionan como agentes de nucleación en polímeros semicristalinos. Una de las características más importantes de los polímeros semicristalinos es el grado de cristalinidad. Muchas propiedades están influenciadas por el grado de cristalinidad de los polímeros.

Mientras la cristalinidad en los metales y cerámicos implica la disposición u ordenamiento de átomos e iones, en los polímeros implica la ordenación de moléculas y, por tanto, la complejidad es mayor. La cristalinidad polimérica puede considerarse como el empaquetamiento de cadenas moleculares para producir una disposición atómica ordenada. Debido a que las moléculas poliméricas son de gran tamaño y complejas, suelen ser parcialmente cristalinas (semicristalinas) con regiones cristalinas dispersas dentro de un material amorfo. En la región amorfa aparecen cadenas desordenadas, condición muy común debido a las torsiones, pliegues y dobleces de las cadenas que impiden la ordenación de cada segmento de cada cadena.

En general, son pocos los polímeros que poseen una estructura suficiente para cristalizar y aún en esos casos, nunca es posible lograr un 100% de estructura cristalina y se tiene que determinar el grado de cristalización (Xc), es decir, la fracción del polímero que presenta estructura cristalina con relación al polímero total, el resto será amorfa.

La tendencia general de la adición de agentes nucleantes en las matrices poliméricas es la aceleración o retardo de la cristalización, cambios en el tamaño de las esferulitas, cambios en la morfología y en algunos casos cambios en la estructura del cristal. Si nos enfocamos en el efecto de los materiales grafénicos sobre la cristalinidad de los polímeros, podemos resumir que; los materiales grafenicos permiten controlar el tamaño de las esferulitas (crecimiento de cristal) en los compuestos poliméricos, lo que con lleva a controlar las zonas cristalinas, que son las responsables de la resistencia mecánica, y las zonas amorfas (asociadas a la flexibilidad y elasticidad del material). Además de que mejoran la adhesión interfacial en matrices poliméricas con grupos polares, como el nylon 6,6.

Por otro lado, otra ventaja de los materiales grafénicos como agente nucleante en los compuestos poliméricos, es que la temperatura de cristalización (Tc) se incrementa conforme aumenta la cantidad de grafeno debido a que se promueve la cristalización de la masa fundida, es decir, se necesita menos energía para enfriar el polímero fundido, lo que ahorra tiempo y energía.

A.    Enlace intramolecular en Nanocompuestos de  Nylon 6,6/GO. B. Termogramas DSC. Enfriamiento: (a) PA66, (b) PA66/01RGO, (c) PA66/05RGO, (d) PA66/10RGO, (e) PA66/01GO,  (f) PA66/05GO, (g) PA66/10GO. Tomado de Materials 2013,6.2

Actualmente Energeia – Graphenemex®, empresa mexicana lider en América Latina en investigación y producción de materiales grafénicos para el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial, a través de su línea de Graphenergy Masterbatch, ha desarrollado y tiene a la venta una amplia gama de masterbatches con grafeno, basados en varios polímeros, como PP, HDPE, LDPE, PET y PA6. Nuestros Masterbatches son materiales granulados que actúan como refuerzos multifuncionales y agentes nucleantes efectivos.

Referencias

  1. Gong, L., Yin, B., Li, L., & Yang, M. (2015). Nylon-6/Graphene composites modified through polymeric modification of graphene. Composites Part B: Engineering, 73, 49–56.
  2. Fabiola Navarro-Pardo, Gonzalo Martínez-Barrera, Ana Laura Martínez-Hernández, Víctor M. Castaño. Effects on the Thermo-Mechanical and Crystallinity Properties of Nylon 6,6 Electrospun Fibres Reinforced with One Dimensional (1D) and Two Dimensional (2D) Carbon. Materials 2013, 6.
  3. Zhang, F.; Peng, X.; Yan, W.; Peng, Z.; Shen, Y. Nonisothermal crystallization kinetics of in-situ nylon 6/graphene composites by differential scanning calorimetry. J. Polym. Sci. Part B. Polym. Phys. 2011, 49, 1381–1388.
  4. Yun, Y.S.; Bae, Y.H.; Kim, D.H.; Lee, J.Y.; Chin, I.J.; Jin, HJ. Reinforcing effects of adding alkylated graphene oxide to polypropylene. Carbon 2011, 49, 3553–3559.
  5. Cheng, S.; Chen, X.; Hsuan, Y.G.; Li, C.Y. Reduced graphene oxide induced polyethylene crystallization in solution and composites. Macromolecules 2012, 45, 993–1000.

La revolución del grafeno en la construcción

Publicado el | por Energeia Graphenemex

La revolución del grafeno en la construcción:

hacia estructuras más resistentes y duraderas 

“La prueba de resistencia a la compresión suele ser el parámetro más utilizado como indicador de calidad del concreto; sin embargo, su valor no determina por sí solo su durabilidad, es decir, además de la resistencia mecánica, la permeabilidad y la resistencia química también influyen en su vida útil”

La permeabilidad del concreto se entiende como el paso de agua y de iones agresivos a través de los capilares existentes entre los áridos y la pasta de cemento; este es un fenómeno complejo y depende sobre todo de la estructura atómica de los iones que penetran. Una de las sustancias más dañinas para el concreto son los iones cloruro, estos pueden estar presentes desde el inicio en la mezcla fresca, es decir, disueltos en los agregados, aditivos o en el agua, o bien, permear desde el exterior, siendo este caso el que expone mayor riesgo de corrosión. Aunque en general se puede decir que, la durabilidad del concreto ante los agentes atmosféricos depende fundamentalmente de la permeabilidad al agua, mientras que la durabilidad respecto a las sales agresivas, tanto para el concreto como para las armaduras depende de su resistencia al ingreso de cloruros por distintas vías.

“La penetrabilidad de los cloruros se manifiesta principalmente por la difusión de los iones en el concreto, mejor que por la penetración de toda la disolución en las muestras. Es decir, la penetración de los cloruros no depende únicamente de la permeabilidad del agua”

Para proteger al concreto contra la corrosión existen dos tipos principales de productos, por un lado, están los aditivos para las mezclas en concreto fresco cuya función es actuar sobre la superficie metálica anulando la reacción anódica, catódica o ambas y por otro, están los recubrimientos para la protección del concreto endurecido. No obstante, cualquiera que sea el producto utilizado, la protección anticorrosiva suele ser temporal, sobre todo cuando las estructuras se encuentran sujetas a movimientos, cargas o temperaturas que pudiesen afectar el desempeño de la protección o barrera colocada.

En el artículo anterior titulado Hacia una construcción sostenible se habló sobre la importancia del componente nanométrico clave en la resistencia del cemento, conocido como silicatos cálcicos hidratados (C-S-H) o gel de tobermorita y de su interesante interacción con las nanopartículas de óxido de grafeno (GO), una estructura nanométrica derivada del grafito y de reciente interés para el desarrollo de estructuras más resistentes, durables y amigables con el medio ambiente.

El GO está formado por láminas nanométricas de átomos de carbono enlazados en un patrón hexagonal y por una serie de grupos oxigenados anclados a su superficie que le facilita su dispersión en agua y combinarse otros materiales, por ejemplo, con las nanopartículas presentes en el cemento (C-S-H).

A este respecto, estudios internacionales demuestran que la forma y química superficial del GO, le permite actuar como una plataforma para acelerar la hidratación del cemento y promover la creación de grandes cantidades de partículas C-S-H, a partir de la formación de un nuevo enlace GO/ C-S-H.  Esta fuerte interacción da lugar a una red más densa de cristales de cemento entrelazados que, además de favorecer las propiedades mecánicas de las estructuras, también actúa como una barrera contra la infiltración de agua a través de los poros capilares, pero con un efecto que proyecta tener mayor duración que los aditivos actualmente disponibles. Esta propiedad es extremadamente importante para la durabilidad del concreto y, en particular, para la prevención de la reacción álcali-sílice (ASR), una reacción de expansión que ocurre en presencia de humedad entre la pasta de cemento alcalina y la sílice amorfa reactiva causando agrietamientos.

Resistividad eléctrica y la velocidad de corrosión

Otra importante prueba para el concreto es la resistividad eléctrica y se define como la resistencia de un material al paso de cargas eléctricas; su medición en concreto es una prueba común para identificar la presencia de humedad, así como para predecir el periodo de iniciación de corrosión en el concreto armado basándose en la relación inversa entre la resistividad eléctrica y la difusividad de los iones. Esto es, a mayor resistividad menor movimiento de cargas eléctricas causada por una menor porosidad. La participación de las nanopartículas de óxido grafeno en esta propiedad también ha sido evaluada en distintos estudios que confirman que la interacción GO/C-S-H produce un concreto más compacto o menos poroso que, además de reducir la permeabilidad del agua y de iones, también limita el movimiento de cargas eléctricas brindando mayor protección anticorrosiva de las estructuras metálicas del concreto.

Energeia Fusion (Graphenemex®), la empresa mexicana líder en América Latina en la investigación y producción de materiales grafénicos, desde hace más de 10 años se dio la tarea de materializar con fundamento científico los beneficios del grafeno para convertirlo en aplicaciones reales. Fue así como después de un largo camino de investigación y con resultados equiparables a los reportados por diversos estudios internacionales respecto al uso del óxido de grafeno en distintos productos, entre ellos el concreto, en 2018 logró lanzar al mercado Graphenergy construcción®, el primer aditivo para concreto con óxido de grafeno en el mundo; un aditivo multifuncional base agua que contribuye a mejorar distintas propiedades de las estructuras base cemento con una sola aplicación, como:

  1. Remodelación de la microestructura de la pasta de cemento con mejor enlace interfacial GO/C-S-H,
  2. Mejor compacidad del cemento,
  3. Menor movimiento de cargas eléctricas;
  4. Disminución en el proceso de extensión de grietas,
  5. Reducciones significativas en el índice de dirección del hidróxido de calcio,
  6. Mayor resistencia mecánica al mejorar su microestructura,
  7. Mayor durabilidad de las estructuras por mejoras en impermeabilidad, resistencia a la penetración de cloruros y reducción de la profundidad de penetración.

Es importante recordar que, los efectos mencionados pueden variar ya que además del tipo de grafeno u óxido de grafeno utilizado, las propiedades finales de las estructuras base cemento también dependen de factores como la relación agua- cemento, grado de compactación de la mezcla; las características del cemento, agregados, aditivos, entre otros, pero que con un adecuado manejo y seguimiento de los aditivos grafénicos los resultados pueden llegar a ser muy interesantes.

Redacción: EF/DHS

Fuentes

  1. Ultrahigh Performance Nanoengineered Graphene- Concrete Composites for Multifunctional Applications. Adv. Funct. Mater. 2018; 28: 1705183;
  2. The role of graphene/graphene oxide in cement hydration. Nanotechnology Reviews. 2021;10(1): 768;
  3. Experimental study of the effects of graphene nanoplatelets on microstructure and compressive properties of concrete under chloride ion corrosión. Construction and Building Materials, 2022; 360, 129564;
  4. Effect Of On Graphene Oxide the Concrete Resistance to Chloride Ion Permeability. IOP Conf. Ser. 2018: Mater. Sci. Eng. 394 032020;
  5. Effects of graphene oxide on early-age hydration and electrical resistivity of Portland cement paste. Constr Build Mater. 2017; 136, 506;
  6. Recent progress on graphene oxide for next-generation concrete: Characterizations, applications and challenges. “J. Build. Eng. 2023; 69, 106192;
  7. Graphene nanoplatelet reinforced concrete for self-sensing structures – A lifecycle assessment perspective. J. Clean. Prod. 2019; 240, 118202;
  8. Graphene opens pathways to a carbon-neutral cement industry. Science Bulletin. 2021; 67;
  9. Reinforcing Effects of Graphene Oxide on Portland Cement Paste. J. Mater. Civ. Eng. 2014; A4014010-1;
  10. A review on the properties, reinforcing effects, and commercialization of nanomaterials for cement-based materials. Nanotechnology Reviews 2020; 9: 303–322, 10;
  11. Permeabilidad a los cloruros del hormigón armado situado en ambiente marino sumergido. Revista Ingeniería de Construcción. 2007; 22: 1, 15;
  12. Penetrabilidad del hormigón al agua y a los iones agresivos como factor determinante de su durabilidad. Materiales de Construcción, 1973; 23: 150;
  13. La resistividad eléctrica como parámetro de control del hormigón y de su durabilidad. Revista ALCONPAT, 2011; 1(2),90;
  14. Portland cement blended with nanoparticles. Dyna, 2007; 74:152, 277;
  15. Improvement in concrete resistance against water and chloride ingress by adding graphene nanoplatelet. Cem concr res, 2016; 83: 114

El aditivo grafénico para concreto

Publicado el | por Energeia Graphenemex

El aditivo grafénico para concreto:

un revolucionario aislante térmico en la construcción

En los últimos años, la industria de la construcción ha intentado mejorar las propiedades del mortero y el concreto, para incrementar su durabilidad, especialmente en estructuras expuestas a ambientes agresivos o extremos. Entre las propiedades que se buscan mejorar, es la resistencia a la compresión, la resistencia a la tensión por compresión, así como disminuir el agrietamiento. Con el aumento de volumen de concreto en los proyectos de ingeniería civil, se ha prestado mas atención a las grietas térmicas que se producen. La experimentación ha demostrado que durante el proceso de hidratación del mortero y/o concreto se genera calor, debido a las reacciones exotérmicas que se producen. Una mala disipación de calor provoca un gradiente entre el interior de la masa y su superficie, lo que genera tensiones internas y puede llegar a provocar un craqueó o agrietamiento térmico en el concreto.

Hoy en día, el óxido de grafeno (GO), un material precursor del grafeno ha atraído mucha atención debido a que es un material aislante, de baja propiedad térmica y posee extraordinarias propiedades mecánicas. El GO posee una gran área superficial (2600 m2/g) y la presencia de grupos oxigenados le confiere propiedades únicas que hace que se disperse fácilmente en agua, lo que lo convierte en un nanomaterial ideal para el desarrollo de aditivos para el concreto.

Aunque las propiedades mecánicas de los compuestos y estructuras a base de cemento son importantes en la infraestructura de los edificios, la propiedad de aislamiento térmico es muy importante para reducir el consumo de energía para la climatización y calefacción en los edificios. Por lo tanto, el GO es un buen candidato debido a sus propiedades de baja conductividad térmica. La conductividad térmica, se define como la capacidad de un material para transferir el calor. Es el fenómeno por el cual se propaga el calor de zonas de alta temperatura (más calientes) hacia zonas más frías dentro del material.  Para el caso del GO, la presencia de huecos y grupos funcionales en la superficie del GO provocan una tensión o inestabilidad local, lo que resulta en una reducción de la conductividad térmica de hasta de 2 a 3 órdenes de magnitud (<100 W/m-K). En el GO, la propagación de flujo de calor se produce en las regiones vacantes (huecos) y en los grupos funcionales oxigenados de la superficie del GO (Figura 1). Cuando un flujo de calor intenta atravesar el GO por algún defecto o vacante, el flujo de calor no solo se propaga fuera del plano, sino que también perturba el flujo de calor alrededor del hueco del plano basal.

Figura 1. Imagen esquemática de lámina óxido de grafeno (GO) con defectos de vacantes o defectos
y grupos funcionales oxigenados distribuidos aleatoriamente.

Recientes investigaciones han reportado, la mejora de las propiedades de aislamiento térmico de materiales compuestos a base de cemento mediante la adición de diferentes concentraciones de GO, así como el efecto de esté en el incremento de la resistencia a la compresión y mayor impermeabilidad de iones cloruro y agua en el concreto. La incorporación de GO disminuyó la microfisuración, la porosidad del material (disminuye el volumen de poros) y mejora la compactación. Las láminas de GO se convierten en una barrera para la propagación de las grietas, lo que mejora las propiedades mecánicas. La resistencia a la compresión de los especímenes de los compuestos con concentraciones de GO de 0,05 % en peso aumentó hasta en un 18,7% y un 13,7% a una edad de curado de 7 y 28 días, respectivamente.   En el caso de las evaluaciones de las propiedades térmicas de los compuestos, la conductividad térmica fue de 0.578 W/m K para el espécimen sin GO (control) y 0.490 W/m K para el compuesto con 0.1 % en peso de GO, mientras que los valores de difusividad térmica oscilan entre 0.38× 10-6 y 0.33× 10-6 m2/s (Figura 2). La conductividad térmica disminuye con el aumento del contenido de GO debido a la baja conductividad o el excelente efecto aislante de las láminas de GO y buenas interacciones entre mortero y las láminas de GO. Generalmente, el material con valores de conductividad térmica inferiores a 0.250 W/m K se conoce como un aislante térmico. Por lo tanto, el aislante térmico del mortero es mejorado en los compuestos con la incorporación de GO.

Figura 2. a) Gráficos comparativos de las resistencias a la compresión de los compuestos a diferentes concentraciones de GO a la edad de curado de 3, 7, 21, 28 y 77 días. b) Conductividad y difusividad térmicas de los compuestos, a la edad de curado de 7 días.

Energeia -Graphenemex® desarrolló y tiene a la venta, un aditivo para concreto con óxido de grafeno (Graphenergy). Un aditivo nanotecnológico que permite mejorar la resistencia mecánica, la impermeabilidad y provee un efecto antimicrobiano a cualquier material a base de cemento. El aditivo también puede conseguir reducir el número final de poros del producto fraguado, lo que se traduce en un producto más compacto y de mayor impermeabilidad al paso de agua, mejorando la protección contra la corrosión de las almas de acero en el concreto.

La propiedad de aislamiento térmico del aditivo puede lograr una reducción de la temperatura de estructuras, infraestructura o edificios a base de concretos en una temperatura más agradable en el interior (hasta de 3 °C), reduciendo el consumo de energía para la climatización y/o calefacción en los edificios.

Referencias

  1. Janjaroen, Khammahong. The Mechanical and Thermal Properties of Cement CAST Mortar/Graphene Oxide Composites MaterialsInt J Concr Struct Mater (2022).
  2. Yi Yang, Jing Cao y col.Thermal Conductivity of Defective Graphene Oxide: A Molecular Dynamic Study. Molecules 2019, 24, 1103.
  3. Guojian Jing, Zhengmao Ye y col. Introducing reduced graphene oxide to enhance the thermal properties of cement composites. Cement and Concrete Composites 109 (2020) 103559.

Grafeno y nanomedicina: la combinación perfecta para una salud mejorada

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Grafeno y nanomedicina:

la combinación perfecta para una salud mejorada

Parte lll. Odontología- Implantología

La aplicación de la nanotecnología en la nanomedicina se fundamenta en que la mayoría de las moléculas biológicas desde el ADN, aminoácidos y proteínas hasta constituyentes como la hidroxiapatita y las fibrillas de colágeno, entre otros, existen y funcionan en la escala nanométrica.

Nanómetro (nm): millonésima parte de 1 milímetro.

Los materiales grafénicos son nanopartículas de carbono en forma de láminas de dos dimensiones (2D) que han ganado popularidad en el campo de las ciencias biomédicas no sólo por sus increíbles propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, ópticas y biológicas, sino también por su capacidad de transferir estas propiedades a otros materiales permitiendo la posibilidad de crear nuevos compuestos con características avanzadas. En Odontología y en particular en lo relacionado con la implantología, esta transferencia de propiedades ha permitido abrir numerosas líneas de investigación con grandes expectativas debido al interesante efecto sinérgico entre el control de infecciones y su capacidad regenerativa.1

Nanopartícula: partícula que mide entre 1 y 100 nm.

El grafeno como nueva estrategia para el diseño y manipulación de implantes dentales y regeneración tisular. Tomado de Tissue Eng Regen Med. 2017; 14(5): 481

¿Cuáles son los problemas que el grafeno podría resolver?

Osteointegración

Una de las principales preocupaciones después de la colocación de un implante es el fracaso en su osteointegración. Esto puede ocurrir porque en la interfase hueso- implante en lugar de crecer células óseas, crece un tejido fibroso que no permite la estabilización del implante. Una alternativa para favorecer las condiciones del sitio donde ocurrirán las interacciones celulares es la modificación de la superficie del implante por medio de métodos físicos o químicos para crear nanoporosidades que aumenten la superficie de área y favorezcan la actividad celular. 2

Oseointegración: conexión firme, estable y duradera entre un implante y el hueso que lo rodea. Su éxito depende de factores biológicos y sistémicos del paciente, además de las características del implante.

En el caso de los materiales grafénicos, además de su extensa y extremadamente fina superficie de área de un átomo de espesor, otro de sus valores agregados es la nube de electrones que los rodea y la presencia de algunos grupos oxigenados les permite interactuar con las proteínas séricas para formar una adhesión focal. Es decir, el carácter hidrofóbico/hidrofílico de estos nanomateriales en combinación con la rugosidad de la superficie coadyuva en la interacción con las proteínas y posteriormente con las células, actuando como andamio para promover el crecimiento, diferenciación y anclaje de las células óseas en el implante, favoreciendo el camino para una osteointegración estable y predecible con una mejor proyección de la vida útil.3,4 

El Impacto regenerativo de los materiales grafénicos reside en su gran habilidad para adsorber proteínas creando una capa entre las células y las superficies de los materiales para promover la adhesión y proliferación celular.1

Control de infecciones

Otra causa para el fallo de un implante es la aparición de infecciones peri- protésicas o peri- implantares; para evitarlas es común utilizar técnicas como impregnación con antibióticos, sistemas locales de administración de fármacos y el recubrimiento de implantes con nanotubos de titanio, nanopartículas de plata o con nano- películas polipeptídicas para la liberación controlada de antibióticos.5 No obstante, el preocupante aumento de la resistencia a antibióticos ha desencadenado que estas estrategias sean cada vez menos efectivas.

Los materiales grafénicos además de su biocompatibilidad, cuentan con propiedades antimicrobianas intrínsecas con ventajas sobre los antibióticos tradicionales al tener menos posibilidades de desarrollo de resistencia microbiana. Estos efectos desde hace varios años son explorados por la odontología sobre materiales biocerámicos como la alúmina y el zirconio, metales como el titanio, materiales de restauración como el ionómero de vidrio y materiales poliméricos como el polimetilmetacrilato (PMMA), por mencionar algunos. En general, los mecanismos antimicrobianos aceptados para estas nanoestructuras son: 1) daño físico a la membrana, 2) estrés oxidativo, 3) inactivación por extracción de electrones, 4) aislamiento contra el paso de nutrientes y finalmente, 5) en el caso de los recubrimientos, el control de la hidrofobicidad y la energía de superficie también puede impedir la unión de células con baja afinidad y prevenir la formación de biopelículas.6,7

Biopelícula: Capa de microorganismos que crecen y se adhieren a la superficie de una estructura natural como los dientes (placa dentobacteriana) o artificial como un dispositivo médico (catéteres intravasculares).

En 2021 un grupo de científicos de la universidad de Gwangju, Corea, publicó un estudio en el cual recubrieron implantes de zirconio con óxido de grafeno por el método de plasma de argón. Sus resultados reportaron que esta modificación redujo en un 58.5% la presencia del Streptococcus mutans, la bacteria de mayor influencia en la formación de la placa dentobacteriana y de la caries dental, concordando con una importante reducción en el espesor de la biopelícula del 43.4%. Además del efecto antimicrobiano también evidenciaron un aumento estadísticamente significativo del 3.2% y 15.7% en la proliferación y diferenciación de las células óseas.8 Estos resultados son consistentes con lo reportado por la  Universidad Jiao Tong, Shanghái, sobre un material híbrido de titanio con grafeno sintetizado por la técnica de sinterización por plasma de chispa (SPS). De igual manera, la investigación demostró una interesante disminución de la formación de biopelículas multibacterianas compuestas por Streptococcus mutans, Fusobacterium nucleatum y Porphyromonas gingivalis, acompañada poruna mejora en la actividad de los fibroblastos gingivales humanos, uno de los grupos celulares más importantes que participan en la cicatrización.9 Además de la sinergia entre el control de infecciones y su capacidad regenerativa, otros estudios relacionados con la implantología dental, también están enfocando su atención en las propiedades mecánicas para el diseño de nuevos implantes o materiales de restauración. 10- 12

Energeia- Graphenemex, la empresa mexicana pionera en América Latina en la investigación y desarrollo de aplicaciones con materiales grafénicos, a lo largo de 10 años de carrera ha superado numerosos retos científicos y comerciales para llegar al mercado con productos para distintas industrias. Y siendo consiente que para llegar al sector salud es fundamental realizar  exhaustivas evaluaciones, hace una atenta invitación a todas aquellas empresas y/o centros de investigación que estén interesados en seguir explorando los beneficios de los materiales grafénicos y sentar bases cada vez más sólidas sobre su uso seguro para aplicaciones biomédicas. 

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. ¿Can Graphene Oxide Help to Prevent Peri-Implantitis in the Case of Metallic Implants? Coatings 2022, 12, 1202.
  2. New design of a cementless glenoid component in unconstrained shoulder arthroplasty: a prospective medium term analysis of 143 cases. Eur J Orthop Surg Traumatol 2013. 23(1):27–34 7. European Journal of Orthopaedic Surgery & Traumatology (2018) 28:1257
  3. Graphene-Based Biomaterials for Bone Regenerative Engineering: A Comprehensive Review of the Field and Considerations Regarding Biocompatibility and Biodegradation. Adv. Healthc. Mater. 2021, 2001414.
  4. Nanotechnology and bone regeneration: a mini review. 2014 Int Orthop 38(9):1877–1884 /1. European Journal of Orthopaedic Surgery & Traumatology (2018) 28:1257
  5. Graphene: ¿An Antibacterial Agent or a Promoter of Bacterial Proliferation? iSciencie. 2020.  23, 101787
  6. Graphene: The game changer in dentistry. IP Annals of Prosthodontics and Restorative Dentistry 2022;8(1):10
  7. Antibacterial Activity of Graphene Depends on Its Surface Oxygen Content.
  8. Direct-Deposited Graphene Oxide on Dental Implants for Antimicrobial Activities and OsteogenesisInt. J. Nanomedicine 2021 :16 5745
  9. Graphene-Reinforced Titanium Enhances Soft Tissue Seal. Front. Bioeng. Biotechnol. 2021. 9:665305.
  10. Graphene-Doped Polymethyl Methacrylate (PMMA) as a New Restorative Material in Implant-Prosthetics: In Vitro Analysis of Resistance to Mechanical Fatigue. J. Clin. Med. 2023, 12, 1269.
  11. Mechanical Characterization of Dental Prostheses Manufactured with PMMA–Graphene Composites. Materials 2022, 15, 5391
  12. Fabrication and properties of in situ reduced graphene oxide-toughened zirconia composite ceramics. J. Am. Ceram. Soc. 2018, 101, 8

Innovación en la producción de materiales compuestos: el uso del grafeno en la pultrusión

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Innovación en la producción de materiales compuestos:

el uso del grafeno en la pultrusión

Los compuestos poliméricos reforzados con fibra son utilizados ampliamente en los sectores aeroespacial, automovilístico, naval y de generación de energía eólica debido a sus propiedades de ligereza y alta resistencia mecánica. Estos materiales son una alternativa en auge para sustituir a otros materiales como los metales.

En la actualidad existen diferentes métodos para la fabricación de compuestos reforzados con fibras, entre los que destaca el método de pultrusión. Un método altamente eficiente y automatizado que permite el control de los parámetros del proceso (mayor precisión y exactitud), reduciendo la variabilidad en la producción de las piezas.

La pultrusión es un proceso de producción de materiales reforzados donde se pueden distinguir dos componentes, la matriz o fase continua y el refuerzo o fase discontinua. La matriz actúa como un agente de adhesión, en la que el refuerzo queda embebido. Las funciones de la matriz, es transferir la carga a las fibras, mantener las fibras en su posición, evitar la propagación de fisuras, proveer propiedades físicas y químicas del compuesto y también delimita el rango de temperatura que podra soportar el material compuesto. La matriz es termoestable o termofija (poliéster insaturado, resinas epoxi o resinas vinil-ester). Por otro lado, el refuerzo tiene como propósito agregar alguna propiedad que la matriz no posea, como incrementar la resistencia mecánica, la rigidez, la resistencia a la abrasión o mejorar su desempeño cuando es expuesto a temperaturas elevadas. La eficiencia del refuerzo es mayor, cuanto menor sea el tamaño de las partículas o el diámetro de la fibra y más homogéneamente estén distribuidas en la matriz. Las fibras más utilizadas son de vidrio, carbono y aramida debido a su alta resistencia de tracción.

El proceso de pultrusión (Figura 1), es continuo y se utiliza para la fabricación de piezas con un perfil transversal constante, como postes, varillas, molduras automotrices, etc. En la primera etapa de alimentación las fibras de refuerzo pasan por una placa perforada para su alineación, después pasan por un pre-moldeo donde se agrega un tejido para reforzar la fibra. Después en la segunda etapa, las fibras se impregnan de resina liquida y pasan a una etapa de pre-formado donde se orientan las fibras antes de entra al molde. En la tercera etapa (moldeado), se da forma a la sección transversal de la pieza y mediante la aplicación de calor se endurece la resina. Durante la aplicación de calor en el molde, hay tres fases: pre-calentamiento de la matriz y del refuerzo, activación del catalizador de polimerización y curado del material. Después, el perfil sale del molde como material termofijo y pasa hacia un mecanismo de tracción continuo que tira o jala el material a una velocidad constante (cuarta etapa)). Finalmente, en la quinta etapa, una sierra de disco corta el perfil con la longitud deseada. El perfil del compuesto reforzado obtenido es un material completamente rígido, que no se reblandece e insoluble con capacidad de soportar temperaturas elevadas.

Figura 1. Esquema General del proceso de pultrusión: (1) Alimentación, (2) Impregnación, (3) Moldeo, (4) Dispositivo de tracción y (5) Sierra (Corte).

Actualmente las principales aplicaciones de este proceso se centran en la fabricación de materiales para la construcción, transporte y consumibles, por ejemplo: construcción de vehículos, aislante térmico, conductos para cable, cubiertas y rejillas para plantas de tratamiento de aguas, perfiles para vigar, fachadas de edificios, ventanas, puentes, escaleras, entre otros.

Sin embargo, aún existen limitantes en esta tecnología, la baja interacción química de la fibra con la matriz (resina) conduce a una fuerza de unión de interfaz débil entre ambas fases (baja adhesión química), lo que hace que hace que el comportamiento de cizallamiento interlaminar y desempeño de los materiales compuestos no sea del todo satisfactorio. Es decir, si la matriz es frágil se puede generar una rotura espontánea, este comportamiento permite medir la resistencia a la cizalladura interlaminar. Dependiendo del tipo de rotura, se puede caracterizar la resistencia del material de la matriz o la calidad de la unión fibra-matriz.

En años reciente, se ha reportado que la introducción de óxido de grafeno (GO) funcionalizado sobre la superficie de las fibras es un método eficaz para mejorar las propiedades interfaciales de los materiales compuestos, ya que la gran área superficial del óxido de grafeno permite cubrir la superficie de las fibras, incrementando la fuerza de unión química entre la fibra y la matriz, mejorando con ello la resistencia mecánica de los compuestos reforzados. Además, el óxido de grafeno ayuda a mejorar la resistencia a la fractura interlaminar del material compuesto, inhibiendo la iniciación y propagación de grietas.

La adición de óxido de grafeno a los compuestos poliméricos reforzados ofrece numerosas ventajas para el desarrollo de materiales avanzados en una gran variedad de aplicaciones debido a su gran área superficie, la cual tiene un fuerte impacto sobre las propiedades de resistencia mecánica, mejorar en gran medida propiedades tales como módulo, tenacidad y fatiga. Por otro lado, el óxido de grafeno puede proveer a los compuestos mayor resistencia al fuego. Su eficiencia está asociada que el óxido de grafeno 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.

Actualmente Energeia – Graphenemex®, empresa mexicana lider en América Latina en investigación y producción de materiales grafénicos para el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial, tiene a la venta grafeno y óxido de grafeno que puede incorporar o dispersar en cualquier matriz (resina) durante el proceso de pultrusión y con ellos mejorar las propiedades mecánicas de los perfiles o productos.

La incorporación de materiales grafénicos (grafeno, óxido de grafeno) en el proceso de pultrusión, brindan mejoras en las características del producto final, que incluyen:

  • Mayor resistencia a la tracción. La resistencia a la tensión puede incrementar hasta en un 30% con respecto a un perfil estándar sin grafeno.
  • Producción de perfiles de menor peso, ya que el grafeno permite reducir el peso del producto sin afectar sus propiedades mecánicas.
  • Perfiles con mayor módulo de elasticidad.
  • Mayor resistencia a la corrosión y propiedades ignifugas.
  • Mayor resistencia a fracturas o fisuras.

Referencias

  1. Yuxin He, Qiuyu Chen. Effect of multiscale reinforcement by fiber surface treatment with polyvinyl alcohol/graphene oxide/oxidized carbon nanotubes on the mechanical properties of reinforced hybrid fiber composites. Composites Science and Technology 204 (2021).108634.
  2. Jonas H. M. Stiller, Kristina Roder, David Lopitz. Combining Pultrusion with carbonization: Process Analysis and materials properties of CFRP. Ceramics 2023, 6. 330-341.
  3. Dittrich B, Wartig K-A, Hofmann D, Mu¨lhaupt R, Schartel B. Flame retardancy through carbon nanomaterials: carbon black, multiwall nanotubes, expanded graphite, multi-layer graphene and graphene in polypropylene. Polym Degrad Stab 98:1495.