Innovaciones Textiles:

Explorando las Tendencias del Grafeno en la Industria

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

Graphene Modified Multifunctional Personal Protective Clothing. Adv. Mater. Interfaces 2019, 6, 1900622;
Graphene-based fabrics and their applications: a review. RSC Advances. 2016, 6:68261;
Fabrication of a graphene coated nonwoven textile for industrial applications. Australian Institute for Innovative Materials – Papers. 2016, 2173;
New Perspectives on Graphene/ Polymer Fibers and Fabrics for Smart Textiles: The Relevance of the Polymer/Graphene Interphase. Front. Mater. 2018, 5:18;
Graphene applied textile materials for wearable e-textile. 5 th International Istanbul Textile Congress 2015: Innovative Technologies Inspire to Innovate‖ September 11th -12th 2015 Istanbul, Turkey;
The Effect of Graphene Oxide on Flame Retardancy of Polypropylene and Polystyrene. Materials Performance and Characterization 2020, 9, 1, 284;
Engineering Graphene Flakes for Wearable Textile Sensors via Highly Scalable and Ultrafast Yarn Dyeing Technique. ACS Nano 2019, 13, 4, 3847;
Highly Conductive, Scalable, and Machine Washable Graphene-Based E-Textiles for Multifunctional Wearable Electronic Applications. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2000293;
Moisture- Resilient graphene – dyed wool fabric for strain sensing. ACS App. Mater. Interfaces. 2020, 12, 11,13265;
Creating Smart and Functional Textile Materials with Graphene. Nanomaterials and Nanotechnology Biomedical, Environmental, and Industrial Applications. 2021, Chapter 13.;
Graphene oxide incorporated waste wool/PAN hybrid fibres. Sci Rep 2021, 11, 12068;
Moisture-Resilient Graphene-Dyed Wool Fabric for Strain Sensing. ACS Applied Materials & Interfaces 2020, 12, 11, 13265;
Thermal Degradation and Flame-Retardant Mechanism of the Rigid Polyurethane Foam Including Functionalized Graphene Oxide. Polymers 2019, 11, 78;
Tuning sound absorbing properties of open cell polyurethane foam by impregnating graphene oxide. App Acoustics. 151, 2019, 10;
Intumescent flame-retardant polyurethane/reduced graphene oxide composites with improved mechanical, thermal, and barrier properties. Journal of Materials Science. 2014, 49, 243;
Production and characterization of Graphene Nanoplatelet-based ink for smart textile strain sensors via screen printing technique. Materials & Design. 198, 15 2021, 109306;
Caracterización de un tejido mezcla poliéster/ algodón aplicando grafeno mediante el proceso de adsorción. Tesis 2020;
Síntesis y formulación de nuevas espumas de poliuretano flexibles con propiedades mejoradas. Tesis 2018.

Innovaciones Textiles:

Explorando las Tendencias del Grafeno en la Industria

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.

Redacción: EF/DHS

Referencias

Graphene Modified Multifunctional Personal Protective Clothing. Adv. Mater. Interfaces 2019, 6, 1900622;
Graphene-based fabrics and their applications: a review. RSC Advances. 2016, 6:68261;
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Tuning sound absorbing properties of open cell polyurethane foam by impregnating graphene oxide. App Acoustics. 151, 2019, 10;
Intumescent flame-retardant polyurethane/reduced graphene oxide composites with improved mechanical, thermal, and barrier properties. Journal of Materials Science. 2014, 49, 243;
Production and characterization of Graphene Nanoplatelet-based ink for smart textile strain sensors via screen printing technique. Materials & Design. 198, 15 2021, 109306;
Caracterización de un tejido mezcla poliéster/ algodón aplicando grafeno mediante el proceso de adsorción. Tesis 2020;
Síntesis y formulación de nuevas espumas de poliuretano flexibles con propiedades mejoradas. Tesis 2018.