Categoría: Óxido de Grafeno

Innovación con Grafeno

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Innovación con Grafeno

Hacia una Industria del Cemento Más Sostenible y Eficiente

Parte 2

Para la industria del cemento la reducción en las emisiones de CO2 no es un tema nuevo, de hecho, a lo largo de los últimos 30 años los productores han logrado reducir aproximadamente el 40% del combustible necesario para el proceso de Clinkerización, disminuyendo con esto la misma proporción de CO2, esto se debe a que por cada kilogramo de cemento se producen alrededor de 900 g de CO2.

Por otro lado, hace poco más de 10 años la colaboración entre la Agencia Internacional de Energía, la Asociación Global del Cemento y el Concreto (GCCA) y la Federación Interamericana del Cemento (FICEM) fijaron la primera Hoja de Ruta para la reducción de emisiones, sentando con ello las bases para que, en 2021 la Cámara Nacional del Cemento (CANACEM), la FICEM y las cementeras CEMEX, Cruz Azul, Cementos Chihuahua, Cementos Fortaleza, Holcim México y Cementos Moctezuma hicieran lo propio para evaluar sus emisiones y determinar las estrategias durante la producción del cemento “Hacia una economía baja en carbono”.

De acuerdo con la Hoja de ruta de la industria del Cemento en México publicada por la CANACEM, los principales indicadores para la reducción de CO2 son: 1. el factor Clinker/Cemento, 2. el co- procesamiento, 3. la eficiencia energética y, 4. la exploración de nuevas tecnologías que permitan la captación de CO2, la reducción de Clinker y/o el reforzamiento del cemento.

En el artículo anterior que trata sobre las problemáticas medioambientales de la industria de la construcción y de la consecuente meta por cumplir del cero neto de emisiones de CO2 para el año 2050, se abordaron las más reconocidas áreas de oportunidad que la nanotecnología grafénica tiene para una construcción sostenible, como:

1. Reducción del cemento,

2. Aprovechamiento de residuos,

3. Reducción de costos y,

5. Eficiencia energética.

Asimismo, el pasado 4 de septiembre, el portal https://www.graphene-info.com/ publicó la nueva edición del Graphene-enhanced Construction Materials Market Report en el cual se habla con mayor profundidad sobre las ventajas del uso del grafeno en materiales de construcción, las empresas relacionadas con esta industria en todo el mundo, así como los proyectos actuales e investigaciones relacionadas.

El óxido de grafeno (GO) es un nanomaterial de la familia del carbono en forma de láminas con un tamaño menor a 100 nm o 0.1 micrones en extensión y con tan solo un átomo de espesor; a lo largo de su superficie contiene grupos funcionales del tipo hidroxilo (OH), epoxi (-O-), carboxilo (COOH) y carbonilo (C=O) que le permiten interactuar con los cristales de C-S-H del cemento mejorando el proceso de hidratación. Entre las características del GO que lo volvieron atractivo para su estudio como modificador químico del cemento, son su gran resistencia a la tracción (130 GPa), extensa superficie de área (2630 m2/g), alta conductividad térmica (5300 W/mK) y propiedades de barrera. De tal forma que dicha interacción ayuda a mejorar las características de las estructuras base cemento como el concreto, permitiendo lo siguiente:

1. Consumir menos cemento en las estructuras de concreto logrando propiedades mecánicas similares, a partir del incremento en la resistencia a la compresión desde un 5 hasta un 30%, mayor resistencia a la tensión entre un 8 y un 20%, aumento en el módulo elástico entre 4 y 12% e incremento en resistencia a la abrasión entre el 10 y 12%.

2. Fabricar estructuras de concreto de mejor calidad y mayor durabilidad, gracias a una menor porosidad e incrementando su impermeabilidad entre un 12 y 60%, mejorando su desempeño ante entornos agresivos.

3. Mejorar la difusividad térmica del concreto y, en consecuencia, tener un mayor control del agrietamiento térmico del concreto, mayor resistencia al fuego y capacidad de deshielo sobre pavimento.  

4. Favorece la trabajabilidad, mejora la apariencia de las estructuras, acelera el tiempo de fraguado y mejora el desmolde debido a que el GO actúa como catalizador en la reacción de hidratación del cemento.

5. Protege contra la corrosión microbiológicamente inducida, ya que la presencia del GO limita las condiciones necesarias para el anclaje y reproducción microbiana.

Energeia- Graphenemex® desde 2018 se ha dedicado a explorar los beneficios de la nanotecnología grafénica en distintos sectores industriales y, como expertos en la materia siempre recomienda que, para lograr a satisfacción los resultados mencionados y dadas las múltiples variables del sector de la construcción, sobre todo aquellas relacionadas con los nuevos ajustes en la composición del cemento, es importante realizar las pruebas de validación necesarias siempre asesorados por el personal capacitado para llegar al punto óptimo de dosificación.

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. M. Murali et al., Utilizing graphene oxide in cementitious composites: A systematic review. Case Studies in Construction Materials 17 (2022) e01359.
  2. Z. Pan, et al., Mechanical properties and microstructure of a graphene oxide–cement composite, Cem. Concr. Compos. vol. 58 (2015) 140–147, https://doi. org/10.1016/j.cemconcomp.2015.02.001
  3. E. Cuenca, L. D’Ambrosio, D. Lizunov, A. Tretjakov, O. Volobujeva, L. Ferrara, Mechanical properties and self-healing capacity of ultra high performance fibre reinforced concrete with alumina nano-fibres: tailoring ultra high durability concrete for aggressive exposure scenarios, Cem. Concr. Compos. vol. 118 (2021).
  4. N. Makul, Modern sustainable cement and concrete composites: review of current status, challenges and guidelines, Sustain. Mater. Technol. vol. 25 (2020); 5. L. Lu, P. Zhao, Z. Lu, A short discussion on how to effectively use graphene oxide to reinforce cementitious composites, Constr. Build. Mater. vol. 189 (2018) 33–41.
  5. Q. Wang, J. Wang, C.-x Lu, B.-w Liu, K. Zhang, C.-z Li, Influence of graphene oxide additions on the microstructure and mechanical strength of cement, N. Carbon Mater. vol. 30 (4) (2015) 349–356.
  6. https://canacem.org.mx/site/wp-content/uploads/2023/03/Hoja-de-Ruta-Mexico-FICEM.pdf.
  7. https://cdn.ymaws.com/www.thegraphenecouncil.org/resource/resmgr/case_studies/first_graphene__-_greening_c.pdf
  8. https://www.graphene-info.com

Innovación con Grafeno

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Innovación con Grafeno:

Hacia una Industria del Cemento Más Sostenible y Eficiente

Parte 1

El dióxido de carbono (CO2) es un gas incoloro, inodoro y no tóxico presente de manera natural en la atmósfera. En condiciones normales debería mantenerse en equilibrio para retener el calor que el ser humano necesita para sobrevivir y sin que se convierta en un gas de efecto invernadero. Sin embargo, la sobrepoblación, industrialización y explotación del medio ambiente se han encargado de romper dicho equilibrio logrando que los niveles de CO2 sean cada vez más difíciles de controlar y, por lo tanto, que aumenten, se concentren, absorban la radiación y eviten que el calor escape, repercutiendo en el calentamiento global.  

De acuerdo con las estadísticas, la producción de cemento y la industria de los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural), son los responsables de liberar alrededor del 90% del CO2 y probablemente el 70% de los gases de efecto invernadero. Aunque obviamente otras industrias también contribuyen como la agricultura, la moda y el transporte.  

“La sustentabilidad de nuestra civilización depende de si podemos suministrar fuentes de energía, alimentos y productos químicos a la creciente población sin comprometer la salud de nuestro planeta a largo plazo”. Doria- Serrano, 2009.

En lo que respecta al cemento, el principal compuesto del concreto, los reportes mencionan que por sí solo aporta entre el 7 y 8% de las emisiones globales de CO2. Como referencia tenemos que, para producir una tonelada del Clinker, que a su vez es el principal componente del cemento, se liberan alrededor de ~0,86 toneladas de CO2, de las cuales, alrededor del 60% provienen de la transformación de la piedra caliza en óxido de calcio o cal a una temperatura promedio de 1450 °C, proceso también conocido como quemado del cemento o clinkerización. Mientras que el otro 40% se atribuye a la quema del combustible fósil (carbón) necesario para la calcinación de la piedra caliza y formación del Clinker.   

“En 2021 las emisiones de carbono generadas por la producción de cemento alcanzaron casi 2, 900 millones de toneladas de dióxido de carbono. Mientras que en 2002 se registraron 1,400 millones de toneladas.” The Global Carbon Project.

Por lo tanto, y en vías de alcanzar el objetivo del cero neto de emisiones para el 2050 que exige el acuerdo de París, la industria del cemento se ha visto obligada a tomar medidas que reduzcan su impacto a partir del uso de combustibles alternativos (biomasa, llantas, residuos sólidos urbanos); de mejorar la eficiencia energética reduciendo la temperatura de clinkerización a través de fundentes y mineralizadores (como CaF2, BaO, SnO2, P2O5, Na2O, NiO, ZnO, etc.) o de la renovación de hornos; de modificar la química del cemento con materiales suplementarios para reducir el consumo de Clinker o para capturar CO22 y, recientemente con el uso de grafeno para mejorar la calidad del cemento y del concreto.  

“Se espera que para el 2050 el consumo mundial de concreto de 25 mil millones al año aumente entre un 12 y un 23 %”

De acuerdo con la Cámara Nacional del Cemento (CANACEM), la gran mayoría de los proyectos registrados en Latinoamérica trabajan en la sustitución de combustibles fósiles por combustibles alternativos; México es el único país que registra una mayor producción de cementos adicionados para reducir el contenido de Clinker.

El Grafeno es un nanomaterial que consiste en láminas atómicas de carbono separadas del grafito, con propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas, de barrera, etc. superiores a otros materiales base carbono, que le han permitido incursionar en un sinfín de aplicaciones e industrias, incluidas la de la construcción. De acuerdo con estimaciones del Graphene flagship, se espera que el uso de grafeno en la construcción reduzca las emisiones de CO2 en un 30%.

“La producción de 1 kg de grafeno produce 0,17 kg de CO2, en comparación con los 0,86 kg de CO2 del cemento Portland, reforzando las ventajas medioambientales del nanomaterial”.

Desde el aislamiento del Grafeno en 2004 y el posterior reconocimiento con el Premio Nobel de Física 2010 a sus descubridores, comenzó una carrera internacional para estudiar, comprender y obtener el nanomaterial en cantidades suficientes que pudiesen ser utilizadas en aplicaciones a gran escala a un costo asequible. En el ramo de la construcción no fue hasta el año 2018 en que las investigaciones e inversiones manifestaron sus primeros frutos en distintas partes del mundo, por ejemplo:

2018- Graphenemex® lanzó al mercado Nanocreto® el primer aditivo para concreto con óxido de grafeno en el mundo (México).

2019- Graphenenano desarrolló Smart aditives, aditivos con grafeno para concreto (España).

2019- GrapheneCA presentó su línea de productos OG concrete admix para la industria del concreto (E.U.A).

2021- Científicos de la Universidad de Manchester desarrollaron el aditivo para concreto Concretene (Reino Unido).

2022- Energeia Fusion- Graphenemex® lanzó al mercado la línea Graphenergy construcción, una versión mejorada de Nanocreto® (México).

2022- Versarien presentó ante el mercado CementeneTM la primera construcción por impresión 3D en el mundo con una mezcla reforzada con grafeno (Reino Unido).

Basquiroto de Souza y colaboradores en su artículo “Graphene opens pathways to a carbon-neutral cement industry” publicado en 2022 en la revista Science Bulletin resumieron las áreas de oportunidad que el grafeno tiene en pro de la sustentabilidad de los materiales de construcción:

1. Reducción del cemento portland gracias a las importantes mejoras en resistencia a la compresión y módulo elástico del concreto.

2. Aumentar el aprovechamiento de subproductos o materiales reciclados en el concreto para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero hasta en un 7%, así como la reducción de un 2% en cuanto a consumo energético durante la fabricación de mortero reforzado con óxido de grafeno.

3. Reducción de costos de construcción debido a mejora en la resistencia o a la mayor incorporación de subproductos o materiales de desecho. De acuerdo con un análisis de costos se concluyó si bien el uso de óxido de grafeno puede incrementar ligeramente el costo del concreto, el índice de economía (resistencia a la compresión/costo por m3) de las mezclas puede aumentar hasta un 40 %.

4. Reducción en costos de mantenimiento. Al mejorar la calidad de las estructuras de concreto se infieren disminuciones de las emisiones de CO2 a través de una reducción en la cantidad de materiales de construcción y energía asociados con el mantenimiento.

5. Construcciones energéticamente eficientes: las propiedades térmicas del grafeno pueden aplicarse también a las construcciones para lograr ahorros energéticos disminuyendo el uso de sistemas de refrigeración/ calefacción.

Para Energeia- Graphenemex® la empresa líder en América Latina en el diseño de aplicaciones con materiales grafénicos es un orgullo formar parte de la línea del tiempo del grafeno para una construcción sostenible. 

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. Ige, O.E.; Olanrewaju, O.A.; Duffy, K.J.; Collins, O.C. Environmental Impact Analysis of Portland Cement (CEM1) Using the Midpoint Method. Energies 2022, 15, 2708.
  2. International Energy Agency, World Business Council for Sustainable Development. Technology roadmap – low-carbon transition in the cement industry. April 2018
  3. Felipe Basquiroto de Souza, Xupei Yao, Wenchao Gao, Wenhui Duan, Graphene opens pathways to a carbon-neutral cement industry, Science Bulletin, 2022, 67, 1, 2022, 5
  4. Papanikolaou I, Arena N, Al-Tabbaa A. Graphene nanoplatelet reinforced concrete for self-sensing structures– a lifecycle assessment perspective. Journal of Cleaner Production, 2019, 240: 118202
  5. Devi S, Khan R. Effect of graphene oxide on mechanical and durability performance of concrete. Journal of Building Engineering, 2020, 27: 101007
  6. Doria- Serrano. Química verde: un nuevo enfoque para el cuidado del medio ambiente. Educación química. 2009. UNAM.
  7. https://theplanetapp.com/que-son-las-emisiones-de-co2/
  8. https://graphene-flagship.eu/materials/news/materials-of-the-future-graphene-and-concrete/#:~:text=Graphene%2Denhanced%20concrete%20is%202.5,CO2%20emissions%20by%2030%25.
  9. https://www.versarien.com/files/5716/3050/8952/White_Paper_-_Graphene_for_the_construction_sector_-_final_version.pdf

Innovación en Recubrimientos Antiadherentes

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Innovación en Recubrimientos Antiadherentes:

Integración de Materiales Grafénicos para Mejores Propiedades y Desempeño

Actualmente, cuando se habla de un recubrimiento antiadherente, se refiere a un recubrimiento que impide, en cierto grado la adhesión de sustancias ya sean en estado sólido o líquido sobre la superficie en el que está aplicado. La capacidad antiadherente de estos recubrimientos, esta basado en que presentan tasas muy bajas de tensión superficial, también llamada energía superficial y es representada por “γ”.

Para que los recubrimientos sean considerados como antiadherentes deben tener una energía superficial, γ menor de 26 mJ/m2 y ángulos de contacto con el agua superior a 90°. Una superficie en la cual la gota forma un ángulo de contacto mayor que 90°, es una superficie hidrofóbica. Esta condición implica que la mojabilidad, adhesividad y la energía superficial son bajas (Ver Fig 1.). En cambio, si la superficie es hidrofílica, se observará un ángulo de contacto menor a 90° y la mojabilidad, adhesividad como la energía superficial serán altas.

Fig.1 Esquema representando los ángulos de contacto de una superficie hidrofóbica e hidrofílica.

A nivel industrial existe múltiples recubrimientos antiadherentes a base de fluoropolímeros. Los usos y aplicaciones que abarca el uso de fluoropolímeros en los recubrimientos cubre una extensa gama de productos. El efecto de antiadherencia y fácil desmoldeo, permite su empleo en diversas industrias, como la textil, química, automotriz y la industria alimenticia, para la elaboración de utensilios, moldes, herramientas y equipos que requieran ser aislados de productos químicos o alimentos.

La mayoría de los recubrimientos antiadherentes poseen alta resistencia térmica, sin embargo, no poseen gran resistencia a la abrasión. Sin embargo, el tema de uso de fluoropolimeros en utensilios para la cocina, pone en duda que este tipo de material no sea de riesgo para la salud humana, dado que puede haber desprendimiento de sustancias dañinas durante su uso.

En años recientes, Energeia – Graphenemex®, una empresa mexicana líder en la producción de materiales grafeno, ha implementado el uso de estos nanomateriales a base de carbono. Los materiales grafénicos, como el óxido de grafeno y el grafeno, permiten mejorar las propiedades en los recubrimientos, como, por ejemplo, recubrimientos anticorrosivos, antibacterianos, con mayor resistencia a la abrasión y alta resistencia a la radiación UV.

Durante estas evaluaciones de propiedades, se observó, que los materiales grafénicos, también puede ser utilizados como nuevos aditivos para el desarrollo de recubrimientos antiadherentes. La incorporación de los materiales grafénicos a recubrimientos tipo epoxi, permitió mejora a la adherencia a los sustratos, sin embargo, también se observó que el acabado de estos recubrimientos era mas liso y brilloso. Al exponer la aplicación de estos recubrimientos, en un medio corrosivo, se observó que el recubrimiento mostró un comportamiento hidrofóbico, que mantenía mas limpia su superficie, en comparación al recubrimiento control (sin material grafenico) que poco a poco perdía su brillo y se podía observar la mojabilidad y la depositación de contaminantes sobre la superficie del recubrimiento (Ver Figura 2).

Fig.2 Efecto antiadherentes de recubrimientos con material grafénico.

Por otro lado, se evaluó el efecto antiadherente de un recubrimiento ecológico con y sin material grafenico. Este recubrimiento está elaborado a base de cal, mucilago de nopal y pigmentos minerales. Es bien conocido, que los materiales a base de cal y carbonatos, tiene absorber muy fácil la humedad, por lo que se estudió el efecto del material grafenico en la pintura base cal. Entre los resultados encontrados, es que la pintura mostro tener efecto antimicrobiano, mayor resistencia a la radiación UV y mayor impermeabilidad (efecto antiadherente).

En la Figura 3, se puede apreciar la respuesta de un recubrimiento base cal con y sin material grafenico, cuando es mojado por agua. Se puede apreciar que los recubrimientos con materiales grafénicos; Grafeno y óxido de grafeno (GO) a diferentes concentraciones, hay muy poca deformación en la gota pues su energía interna es superior a la energía superficial, mostrando un comportamiento hidrofóbico (repelencia al agua). En caso de el recubrimiento control (sin material grafenico), se puede observar que tiene muy poca capacidad antiadherente, es más fácil que absorba agua por la presencia de una elevada energía superficial. Ahora la gota se expande sobre la superficie inmediatamente que la gota de agua cae sobre la superficie, mostrando un comportamiento altamente hidrofílico. Estos resultados mostraron, que los materiales grafénicos, modificaron la naturaleza del recubrimiento, es decir, a nivel superficial modificaron la energía superficial de los recubrimientos.

Figura 3. Comportamiento de mojabilidad de un recubrimiento base cal, con y sin materiales grafénicos.

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 diferentes tipos de materiales grafénicos, para su uso en el desarrollo y producción de recubrimientos anticorrosivos, antibacterianos y con mejores propiedades antiadherentes,

Referencias

  1. Tong, Yao &Song, Mo. (2013). Graphene based materials and their composites as coatings.
  2. Zhen, Z. & Zhu, H. Graphene: Fabrication, Characterizations, Properties and Applications. Graphene (Academic Press, 2018).
  3. Sachin Sharma Ashok Kumar, Shahid Bashir, K. Ramesh, S. Ramesh, Progress in Organic Coatings, 154, (2021)

Óxido de Grafeno y su versatilidad en el desarrollo de aplicaciones

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Óxido de Grafeno y su versatilidad en el desarrollo de aplicaciones:

De Tecnologías de Detección a Soluciones Ambientales

El grafeno y sus derivados como el óxido de grafeno (GO) y óxido de grafeno reducido (rGO) son nanomateriales de carbono bidimensionales y en forma de lámina con una amplia gama de oportunidades para numerosas aplicaciones debido a su delgadez, transparencia, conductividad, flexibilidad, estabilidad química, impermeabilidad y resistencia mecánica. En el caso del GO y rGO, además de su gran superficie de área con zonas hidrófilas e hidrófobas propias del grafeno, permiten la adsorción de moléculas aromáticas orgánicas, iones y polímeros mediante apilamiento π-π, puentes de hidrógeno e interacciones electrostáticas; propiedades que los convirtieron en materiales adecuados para la construcción de sensores o de plataformas biocatalíticas y fotocatalíticas. De acuerdo con diversos reportes, la relación superficie-volumen de los materiales de grafeno mejora la carga superficial de las moléculas deseadas, mientras que su excelente conductividad eléctrica, sobre todo a temperatura ambiente, favorece el paso de los electrones hacia la superficie de los electrodos para análisis o fotocatálisis.

Por otro lado, las láminas de grafeno no son propiamente planas, es decir, presentan ondulaciones que se forman como resultado de la unión entre sus átomos de carbono o de fluctuaciones térmicas que, finalmente, pueden inducir campos magnéticos y cambiar sus propiedades electrónicas para el diseño de sensores, biosensores o dispositivos electrónicos en general. Es así como en el transcurso de más de diez años de investigación y de la exploración de su maravillosa multifuncionalidad, el estudio del grafeno ha trascendido para el desarrollo de dispositivos altamente sensibles para monitorear, por ejemplo, la presencia de gases nocivos, moléculas o proteínas de relevancia médica e incluso para la descontaminación del agua.

Sistemas de detección

Los metamateriales son un tipo de compuestos con la capacidad de producir respuestas electromagnéticas útiles para el diseño de sensores o dispositivos de detección no destructiva. Por lo general, este tipo de sensores están conformados por un material aislante y un material conductor, sensibles al índice de refracción de la capa superior del analito. En presencia del grafeno se ha observado que dicha interacción (sensor- analito) se ve mejorada por cambios en la intensidad de la resonancia y, por lo tanto, se pueden lograr cambios de amplitud que favorecen aún más la sensibilidad de detección.

En un estudio realizado en 2023 por la Escuela de Ingeniería Electrónica y de la Información de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Zhejiang, Hangzhou, China, se diseñó un sensor compuesto por una película de poliimida (PI) como capa aislante, una estructura de aluminio como capa conductora y una monocapa de grafeno como interfaz de detección. Los resultados de la simulación indicaron que el grafeno puede modular todo el campo eléctrico y producir un cambio de amplitud que incrementa los límites detección de manera importante.

En otro estudio realizado en el Laboratorio de materiales nanoestructurados del Instituto de Física de la UASLP., se utilizó óxido de grafeno funcionalizado con nanopartículas de oro como plataforma de biodetección por SERS (Surface Enhanced Raman spectroscopy), una importante técnica para la detección biológica gracias a su alta sensibilidad, bajos requerimientos de muestra, relativamente bajo costo y detección en tiempo real. Para la investigación se utilizó cristal violeta como molécula estándar y flavin adenin dinucleótido como coenzima experimental por su participación en numerosos procesos redox de reacciones metabólicas y transporte biológico de electrones. Los resultados arrojaron que los híbridos de óxido de grafeno con nanopartículas de oro mejoran sustancialmente las señales SERS en comparación con las nanopartículas individuales. Además, los resultados son consistentes con otras investigaciones sobre la identificación de una importante mejora para la estabilización de moléculas y reducción de la fluorescencia durante las mediciones, la cual suele ser una gran desventaja de este tipo de técnicas, respaldando su potencial como herramienta diagnóstica o de seguimiento.

Eliminación de gases tóxicos

Los avances en la nanoingeniería permiten que las láminas de grafeno y GO puedan manipularse para la detección y separación de ciertos gases. De acuerdo con los resultados de un estudio realizado por el Departamento de Ingeniería Energética de la Universidad de Hanyang, Seúl, Corea, la difusión selectiva se puede lograr controlando los canales y poros del flujo de gas mediante diferentes métodos de apilamiento, logrando demostrar que los grupos funcionales del GO proveen un comportamiento de adsorción único hacia el CO2. .

Conversión de CO2

Las propiedades fotocatalíticas del GO también pueden ser aprovechadas para la conversión de CO2 en hidrocarburos como el metanol para la captación de la energía solar y la reducción de CO2. En 2018, dentro del laboratorio de Tecnología Avanzada para Síntesis y Procesamiento de Materiales, de la Universidad Tecnológica de Wuhan, China, se utilizaron nanopartículas de cromato de plata (Ag2CrO4) como fotosensibilizador y GO como co- catalizador para la reducción fotocatalítica de CO2 en metanol y metano. El estudio concluyó que esta sinergia entre nanopartículas puede mejorar hasta 2,3 veces la actividad de conversión bajo irradiación solar gracias a una mejor absorción de luz, mayor adsorción de CO2 y mejor eficiencia en la separación de carga.

Descontaminación de agua

Las tecnologías del agua tienen diversas áreas de oportunidad, particularmente en el mejoramiento de los sistemas de filtración o de membranas. A este respecto se ha encontrado que el uso de nanoestructuras híbridas de grafeno, por ejemplo, con rutenio o magnetita puede permitir la eliminación de microorganismos y materia orgánica presentes en el agua. No obstante, se continúa el avance de las investigaciones para el perfeccionamiento de las metodologías basadas en grafeno para la eliminación y reducción de iones metálicos como el zinc, cobre, plomo, cadmio, cobalto, entre otros. 

En Energeia- Graphenemex® reconocemos y admiramos los avances que los centros de investigación han logrado en distintas áreas del conocimiento, partiendo de la ciencia básica hasta resultados en ciencia aplicada. Tenemos la firme convicción de que en el corto o mediano plazo este tipo de tecnologías las veremos materializadas en productos reales, útiles para la sociedad y el medio ambiente.

Redacción: EF/ DHS   

Referencias

  1. A. Fasolino, J.H. Los, M.I. Katsnelson, Intrinsic ripples in graphene, Nat. Mater. 6 (2007) 858;
  2. W. Bao, F. Miao, Z. Chen, H. Zhang, W. Jang, C. Dames, C.N. Lau, Controlled ripple texturing of suspended graphene and ultrathin graphite membranes, Nat. Nanotechnol. 4 (2009) 562;
  3. G. Yildiz, M. Bolton-Warberg and F. Awaja. Graphene and graphene oxide for bio-sensing: General properties and the effects of graphene ripples. Acta Biomaterialia 131 (2021) 62;
  4. Lang, T.; Xiao, M.; Cen,W. Graphene-Based Metamaterial Sensor for Pesticide Trace Detection. Biosensors 2023, 13, 560;
  5. D. Hernández- Sánchez, E. G. Villabona Leal, I. Saucedo-Orozco, V. Bracamonte, E. Pérez, C. Bittencourt and M. Quintana, Phys. Chem. Chem. Phys., 2017;
  6. Kim, H.W.; Yoon, H.W.; Yoon, S.-M.; Yoo, B.M.; Ahn, B.K.; Cho, Y.H.; Shin, H.J.; Yang, H.; Paik, U.; Kwon, S. Selective gas transport through few-layered graphene and graphene oxide membranes. Science 2013, 342, 91;
  7. Kim, D.; Kim, D.W.; Lim, H.-K.; Jeon, J.; Kim, H.; Jung, H.-T.; Lee, H. Intercalation of gas molecules in graphene oxide interlayer: The role of water. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 11142;
  8. Xu, D.; Cheng, B.; Wang, W.; Jiang, C.; Yu, J. Ag2CrO4/g-C3N4/graphene oxide ternary nanocomposite Z-scheme photocatalyst with enhanced CO2 reduction activity. Appl. Catal. B Environ. 2018, 231, 368;
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  10. M. Quintana, E. Vazquez & M. Prato, “Organic Functionalization of Graphene in Dispersions”, Acc. Chem. Res., vol. 46, n.o 1, pp. 138-148, 2013. DOI: 10.1021/ar300138e; 11. Roberto Urcuyo1,2,3, Diego González-Flores1,3, Karla Cordero-Solano, Rev. Colomb. Quim., vol. 50, no. 1, pp. 51-85, 2021;
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Avanzando en la Durabilidad del Asfalto

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Avanzando en la Durabilidad del Asfalto:

Aprovechando el Potencial del Grafeno para Carreteras Sostenibles

La mayor parte de la infraestructura vial en el mundo está conformada por pavimento compuesto por un sistema complejo de asfalto, agregados y aglutinantes que interactúan en una interfaz que mantiene su resistencia y estabilidad estructural. De acuerdo con el Asphalt Institute, anualmente se producen 87 millones de toneladas de asfalto en todo el mundo, de las cuales, alrededor del 85% se utiliza en la industria de pavimentación que, si bien ofrece una gran capacidad de carga y durabilidad, es inevitable que el asfalto se dañe por la exposición constante a radiación, temperatura, humedad y tráfico.

Por otro lado, el deterioro del asfalto no solo afecta a una infraestructura de transporte básica para el desarrollo socioeconómico de la población, sino que también involucra impactos ambientales en términos de agotamiento de recursos y altas emisiones de CO2 causadas por las obras viales. Estos factores se suman a las razones para la constante búsqueda de tecnologías de modificación que aumenten la durabilidad y mejoren las propiedades mecánicas de los pavimentos mediante el uso de fibras, caucho; aditivos como elastómeros termoplásticos, resinas plásticas y sintéticas, polvo de hierro, cal hidratada o desechos de vidrio. Sin embargo, en algunos casos, la aplicación de estos productos pueden presentar problemas prácticos como condiciones especiales de preparación, poca estabilidad de almacenamiento, dificultad para mezclar en construcción y complejidad para compatibilizar dichos componentes con el sistema asfáltico.

Afortunadamente, las nanoestructuras de carbono como el grafeno y óxido de grafeno (GO) vuelven a aparecer en escena como propuestas de soluciones para estas problemáticas a partir de interesantes aportaciones al asfalto en cuanto a rigidez, antienvejecimiento, resistencia a la deformación y penetración; reducción en la aparición de surcos, mejor consistencia y capacidad de transferencia de calor; resistencia al deslizamiento e incluso, reducción en el esfuerzo necesario para la compactación durante su preparación.

Además, entre las ventajas del grafeno está que puede mezclarse con otras tecnologías modificadoras de asfalto como el polietileno de baja densidad (LDPE), polietileno de alta densidad (HDPE), tereftalato de polietileno (PET), poliestireno (PS), caucho granulado, escoria de horno, resinas epóxicas y, sobre todo, con el estireno-butadieno-estireno (SBS), el cual es uno de los polímeros más aceptados en la industrial del asfalto y con el cual, el óxido de grafeno (GO) gracias a su contenido de oxígeno promueve la absorción de aromáticos y saturados del SBS con una importante mejora en la respuesta de temperatura, adherencia y rigidez en el ligante.

Algunos de los métodos identificados que prometen simplificar la incorporación del grafeno en las mezclas asfálticas son:  

  1. Método de adición directa: el grafeno es incorporado al ligante asfáltico previamente fundido.  
  2. Método de adición indirecta: el grafeno y el aglutinante asfáltico se disuelven simultáneamente en una solución media para posteriormente formar una solución uniforme.
  3. Método de adición auxiliar: el grafeno se modifica químicamente con grupos funcionales o se adiciona en conjunto con otros agentes modificadores para posteriormente fundirse en el aglutinante asfáltico.

Aunque hasta el momento son pocas las empresas que han explorado al grafeno como aditivo mejorador del asfalto, la amplia investigación realizada a lo largo de la última década está ayudando a sentar las bases para comprender y proyectar el potencial de esta tecnología en beneficio de la industria de la pavimentación. Incluso, el pasado mes de febrero de 2024, la revista Infraestructures publicó los resultados del proyecto ECOPAVE fundado por la Unión Europea, el cual consistió en una prueba en campo con 5 años de duración realizada a lo largo de 1 km de tráfico pesado al sur de Roma, Italia. Para el estudio se colocaron cuatro secciones de pavimento asfáltico con y sin adiciones de polímeros modificados con grafeno. Transcurridos los 5 años de evaluación los investigadores reafirmaron el potencial del asfalto modificado con el polímero de grafeno como tecnología innovadora y factible para la pavimentación de carreteras de alto tráfico, gracias a que demostró valores de rigidez más altos a diferentes temperaturas, mejor comportamiento a la fatiga y mayor resistencia a la deformación que, en conjunto prometen una mayor vida útil, con una reducción importante en los gastos de mantenimiento.

En Energeia- Graphenemex® como líderes en el desarrollo de aplicaciones con grafeno tenemos la firme convicción de que, aunque aún hay trabajo por realizar, falta muy poco para poder disfrutar de los beneficios económicos y ambientales que esta maravillosa tecnología puede aportar no solo a nuestras calles y carreteras, sino a la sociedad.

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. Mechanism and Performance of Graphene Modified Asphalt: An Experimental Approach Combined with Molecular Dynamic Simulations. Case Studies in Construction Materials. 2023, 18, e01749;
  2. Properties and Characterization Techniques of Graphene Modified Asphalt Binders. Nanomaterials 2023, 13, 955;
  3. Analysis on the road performance of graphene composite rubber asphalt and its mixture. Case Studies in Construction Materials. 2022, 17, e01664;
  4. A complete study on an asphalt concrete modified with Graphene and recycled hard-plastics: A case study. Case Studies in Construction Materials. 2022, 17, e01437;
  5. Effect of Graphene Oxide on Aging Properties of polyurethane-SBS Modified Asphalt and Asphalt Mixture. Polymers 2022, 14, 3496;
  6. Mechanical Characteristics of Graphene Nanoplatelets-Modified Asphalt Mixes: A Comparison with Polymer- and Not-Modified Asphalt Mixes. Materials 2021, 14, 2434;
  7. Impact of Graphene Oxide on Zero Shear Viscosity, Fatigue Life and Low-Temperature Properties of Asphalt Binder. Materials 2021, 14, 3073;
  8. Experimental Investigation into the Structural and Functional Performance of Graphene Nano-Platelet (GNP)-Doped Asphalt. Appl. Sci. 2019, 9, 686;
  9. Modified Asphalt with Graphene-Enhanced Polymeric Compound: A Case Study. Infrastructures 2024, 9, 39.

Optimización de Compuestos de Fibra de Vidrio y de Carbono

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Optimización de Compuestos de Fibra de Vidrio y de Carbono:

Mejorando Propiedades con Nanopartículas de Grafeno

Las fibras de vidrio y de carbono gracias a sus excelentes propiedades son ampliamente utilizados en industrias como la aeroespacial, marítima, automotriz, deportiva, construcción e incluso para la fabricación de componentes fundamentales de energías renovables como la eólica. Sin embargo, pese a su excelente desempeño, son compuestos que suelen presentar un fenómeno conocido como “delaminación interlaminar” derivada de una débil interacción interfacial fibra/resina que puede comprometer la vida útil y seguridad del producto debido a su importante participación en la transferencia de tensión entre ambos elementos. Al ser esta interacción clave para el éxito a largo plazo de las estructuras compuestas, se han explorado diversas alternativas de mejora como la fijación en Z, cosido y trenzado; aumento del área superficial y la reactividad de las fibras por medio de modificaciones superficiales como el tratamiento con plasma, modificación térmica o funcionalización química que, evidentemente son procesos complejos, costosos y no siempre eficientes que, además, tienden a reducir el rendimiento del laminado en el plano.

“Como estrategia adicional y de relativamente reciente aparición, se propuso la incorporación de nanopartículas al material compuesto por fibras buscando favorecer la interacción con la matriz en la que se embeben”.

El Grafeno, el nanomaterial conocido como la piedra angular de la familia del carbono y que desde su aislamiento ha resaltado calificativos como “el material del futuro” o “el material milagro”, es un atractivo candidato como nano refuerzo de incontables compuestos poliméricos gracias a su estructura plana grafitizada única, que da lugar a mejores propiedades mecánicas, térmicas, entre otras que, a diferencia de otras nanopartículas como los nanotubos de carbono (CNT, por sus siglas en inglés), no suele aumentar de manera relevante la viscosidad de las resinas y por lo tanto, permite incorporar concentraciones más altas favoreciendo la tan mencionada interacción fibra/matriz.

Las investigaciones sobre los efectos del grafeno para el diseño de materiales híbridos a base de fibras (vidrio/carbono) embebidas en una matriz polimérica comúnmente de naturaleza epóxica, han destacado mayor rigidez de los compuestos, mejoras en resistencia a la fractura, mejor lubricación e incluso mejor conductividad eléctrica. Esto se debe a que su gran superficie de área permite una transmisión de carga efectiva desde la matriz blanda del polímero a las láminas de grafeno que son relativamente más rígidas, lo cual es un requisito esencial para mejorar el rendimiento mecánico, ratificado por una mayor resistencia al corte interlaminar del material, mayor resistencia a la tracción y al impacto. Además, durante la manipulación y corte de las estructuras híbridas de fibra, la presencia del grafeno contribuye a generar menos calor durante el fresado, conduce a temperaturas de corte más bajas y menor rugosidad en la superficie; asimismo, otro de los beneficios es que el grafeno produce mayor efecto endurecedor y mejor resistencia a la flexión del material expuesto a distintas temperaturas con registros desde los 40 °C hasta los 200 °C.

En Energeia- Grapenemex la empresa líder en América latina en la producción de materiales grafénicos y en el desarrollo de aplicaciones, estamos convencidos de que las extraordinarias capacidades del grafeno como nanorefuerzo de incontables matrices tridimensionales continuarán alentando a investigadores y colegas industriales a explorar sus beneficios para la fabricación de componentes estructurales más resistentes y ligeros de aeronaves como fuselaje y alas; autopartes y carrocerías aerodinámicas de automóviles; aerogeneradores, equipos deportivos, materiales de construcción, entre otros. 

La imagen inferior evidencia la buena interacción fibra/matriz promovida por la presencia del grafeno 5.

Redacción: EF/DH

Referencias:

  1. Effect of dispersion of alumina nanoparticles and graphene nanoplatelets on microstructural and mechanical characteristics of hybrid carbon/glass fibers reinforced polymer composite. Journal of material research and technology. 2021, 14, 2624;
  2. Experimental investigation on the properties of glass fiber-reinforced polymer composites containing Graphene. AIP Conf. Proc. 2022, 2405, 050009;
  3. Reinforcement effect of graphene oxide in glass fibre/epoxy composites at in-situ elevated temperature environments: An emphasis on graphene oxide content. Composites part A: Applied science and manufacturing. 2017, 95, 40;
  4. Preparation and Mechanical Properties of Graphene/Carbon Fiber-Reinforced Hierarchical Polymer Composites. J. compos sci. 2019, 3, 30;
  5. Improving fiber/matrix interfacial strength through graphene and graphene-oxide nano platelets. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2016, 139, 012004;
  6. Effect of Graphene on Machinability of Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP). J. Manuf. Mater. Process. 2019, 3, 78;
  7. Size effect of graphene nanoplatelets on the morphology and mechanical behavior of glass fiber/epoxy composites. J Mater Sci. 2016, 51, 3337.

Explotando el potencial del grafeno:

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Explotando el potencial del grafeno:

mejorando recubrimientos con nanotecnología para incrementar su resistencia a la intemperie

Los recubrimientos están diseñados con fines decorativos y para la protección de superficies, especialmente para la protección contra la corrosión y humedad.  En un sistema de recubrimientos (multicapa), la capa superior o de acabado, desempeña un papel crucial, ya que debe proporcionar un buen aspecto y proteger las capas interiores y el sustrato contra factores ambientales como la luz solar, la humedad, corrosión y resistencia a productos químicos, ensuciamiento, etc. durante su vida útil.

Hoy en día, el Poliuretano (PU) se considera uno de los recubrimientos como mejores características físicas-químicas para aplicaciones de recubrimiento de acabado y por su resistencia a la intemperie. Sin embargo, su resistencia a la intemperie va disminuyendo con la exposición a la luz ultravioleta durante largos periodos de tiempo.

La luz solar es una de las principales causas de daño a recubrimientos. Los daños van desde la perdida de propiedades físicas, desintegración en polvo (caleo), resquebrajamiento, descascarillado, decoloración y cambio de color, como resultado de la fotodegradación química, migración, evaporación e interacción de otros componentes con el recubrimiento.

En los últimos años, se han implementado diversos materiales nanoestructurados, como el titanio, el óxido de zinc, cerio y el óxido de hierro, para mejorar la resistencia a la intemperie de los recubrimientos poliméricos. El mecanismo se basa en su efecto de proyección (tanto de absorción como de dispersión) de los rayos incidentes en la región UV. Estos materiales pueden estabilizar los recubrimientos frente a la exposición exterior, poseen una actividad fotocatalítica que pueden destruir el material aglutinante orgánico presente en los recubrimientos, lo que lleva a modificar la superficie de estos materiales nanoestructurados para eliminar o inhibir su actividad fotocatalítica, lo que requiere más procesos, tiempo y dinero.

Recientemente el grafeno ha atraído mucha atención, como nuevo aditivo y material para la producción de recubrimientos para la mejora de propiedades anticorrosivas, antimicrobianas y con mayor resistencia a la intemperie, debido a su estructura electrónica especial que le brinda propiedades eléctricas, mecánicas y químicas únicas. El grafeno, es un nanomaterial que está formado por una o varias capas de carbono (formadas por átomos de carbono enlazados de manera hexagonal y un espesor de un átomo de carbono). Esta estructura hace que los materiales basados en grafeno sean capaces de absorber fotones en la región UV. Esta capacidad de absorción en la región UV, así como la ausencia de actividad fotocatalítica de los materiales grafénicos, permite introducir estos materiales como nuevos aditivos para la fotoestabilización de los recubrimientos poliméricos, es decir con mayor.

Actualmente Energeia – Graphenemex®, está en constante desarrollado de recubrimientos nanotecnológicos con mejores propiedades. A realizado estudios sobre la influencia del óxido de grafeno en el comportamiento a la intemperie de los recubrimientos de PU. Para evaluar el desempeño del óxido de grafeno, se comparó un recubrimiento de PU con óxido de grafeno (PU/GO) con un recubrimiento PU que contenía un absorbente UV orgánico comercial (PU/control).

El cambio de color en un recubrimiento durante la exposición a la intemperie (luz solar) es el parámetro más importante y rápido para evaluar visualmente la degradación de un recubrimiento. Para evaluar, el cambio de color se introdujeron muestras recubiertas de Poliuretano con y sin material grafenico, a una cámara de intemperismo acelerado (basado en la ASTM G154). De acuerdo con la norma, se empleó una cámara de intemperismo QUV modelo QUV/se para acelerar las condiciones de intemperismo. Las muestras recubiertas se expusieron cíclicamente a radiación UVA (energía 0,89 W/m2) durante 8 h, seguidas de una condensación de humedad durante 4 h a 50 °C. Se evaluó el color de los recubrimientos antes de la exposición para comparar su color inicial, y posteriormente se fue evaluando a diferente tiempo de exposición, esta evaluación se realizó hasta un llegar a tiempo de exposición de 1200 h.

El principal componente del color que suele tenerse en cuenta en el comportamiento a la intemperie es el cambio de color total o Delta E (DE). La Fig. 1, muestra la ΔE, como criterio más exhaustivo de los cambios de color, que es la suma de los cambios en todos los componentes del color.

Como puede observarse, la mayor parte de las variaciones de color a lo largo de todo el tiempo de exposición pertenecen al recubrimiento de PU/control. La muestra que contiene óxido de grafeno (PU/GO) a las 251 h del tiempo de exposición presenta un menor cambio de color en comparación al PU/control. Con el incremento del tiempo de exposición en la cámara de intemperismo, se puede apreciar que hay variaciones de color, pero la muestra con oxido de grafeno, sigue mostrando menores cambios de color, lo que es un indicativo que la incorporación de GO en el Poliuretano brinda más resistencia y mantiene su estabilidad durante más tiempo de exposición a la intemperie.

Fig 1. Cambio de color total (ΔE) frente al tiempo de exposición para recubrimientos de Poliuretano con óxido de grafeno (PU/GO) y sin oxido de grafeno (PU/control) durante a la prueba de intemperismo acelerado.

Desde un punto de vista físico, el óxido de grafeno (GO) tiene una mayor transmitancia en la región visible en comparación al grafeno, lo que resulta más favorable para su uso como protector UV en los recubrimientos de acabado. Por otro lado, gracias a la elevada área superficial de los materiales grafénicos, estos también pueden proveer excelentes propiedades efecto-barrera y con ello desarrollo recubrimientos anticorrosivos y con mayor resistencia a la intemperie.

Energeia – Graphenemex®, a través de su línea Graphenergy, tiene a la venta una amplia gama de recubrimientos nanotecnológicos con grafeno. Estos recubrimientos ofrecen alta protección anticorrosiva y antimicrobiana. Además, de brindar alta resistencia al desgaste, resistencia a los rayos UV, impermeabilidad y una extraordinaria adherencia, con la finalidad de mejorar la vida de útil de cualquier superficie o instalación y reducir los costos de mantenimiento.

Referencias

  1. G. Wang, X. Shen, B. Wang, J. Yao, J. Park, Synthesis and characterisation of hydrophilic and organophilic graphene nanosheets, Carbon N. Y. 47 (no. 5) (2009) 1359–1364.
  2. B. Ramezanzadeh, M. Mohseni, H. Yari, S. Sabbaghian, A study of thermal-mechanical properties of an automotive coating exposed to natural and simulated bird droppings, J. Therm. Anal. Calorim. 102 (no. 1) (2010).
  3. N. Rajagopalan, A.S. Khanna, Effect of Methyltrimethoxy Silane Modification on Yellowing of Epoxy Coating on UV (B) Exposure vol. 2014, (2014).
  4. M. Hasani, M. Mahdavian, H. Yari⁎, B. Ramezanzadeh. Versatile protection of exterior coatings by the aid of graphene oxide nanosheets; comparison with conventional UV absorbers. 2017.
  5. S.M. Mirabedini, M. Sabzi, J. Zohuriaan-Mehr, M. Atai, M. Behzadnasab,
  6. Weathering performance of the polyurethane nanocomposite coatings containing silane treated TiO2 nanoparticles, Appl. Surf. Sci. 257 (no. 9) (2011) 4196–4203.
  7. N.S. Allen, M. Edge, A. Ortega, C.M. Liauw, J. Stratton, R.B. McIntyre, Behaviour of nanoparticle (ultrafine) titanium dioxide pigments and stabilisers on the photooxidative stability of water based acrylic and isocyanate based acrylic coatings, Polym. Degrad. Stab. 78 (no. 3) (2002) 467–478.
  8. Effect of Silane Modified Nano ZnO on UV Degradation of Polyurethane Coatings. vol. 79, (2015), pp. 68–74.
  9. M. Rashvand, Z. Ranjbar, S. Rastegar, Nano zinc oxide as a UV-stabilizer for aromatic polyurethane coatings, Prog. Org. Coatings 71 (4) (Aug. 2011) 362–368.

Desafiando las llamas

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Desafiando las llamas:

El triunfo del óxido de grafeno en la creación de recubrimientos contra fuego

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:

  • El GO posee una estructura de capas bidimensional única y puede promover la formación de una densa capa continua de carbón durante el proceso de combustión (ver Fig. 1). El carbón puede actuar como barrera física para impedir la transferencia de calor desde la fuente de calor y retrasar el escape de productos (pirolisis) del recubrimiento.
  • Debido a que el GO posee una gran área superficial, puede adsorber eficazmente compuestos orgánicos volátiles inflamables o dificultar su liberación y difusión durante la combustión.
  • La presencia de grupos oxigenados en la estructura del GO, genera que, durante la combustión del recubrimiento, los grupos que contienen oxígeno en GO pueden sufrir descomposición y deshidratación a baja temperatura, absorbiendo así calor y enfriando el sustrato polimérico durante la combustión. Mientras tanto, los gases generados por deshidratación pueden diluir la concentración de oxígeno alrededor de la periferia de ignición, disminuyendo el riesgo de propagación de fuego.

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.

Fig.1 Prueba de retardancia a la flama de recubrimientos (Método basado clasificación UL-94), donde;
a) recubrimiento sin GO y b) Recubrimiento con GO.

Referencias

  1. Sachin Sharma Ashok Kumar, Shahid Bashir, K. Ramesh, S. Ramesh, Progress in Organic Coatings, 154, (2021)
  2. Weil, Edward. D. Fire-Protective and Flame-Retardant Coatings – A State-of-the-Art Review. Journal of Fire Sciences, 29(3), 259–296.
  3. Lipiäinen, H., Chen, Q., Larismaa, J., & Hannula, S. P. (2016). The Effect of Fire Retardants on the Fire Resistance of Unsaturated Polyester Resin Coating. Key Engineering Materials, 674, 277–282.
  4. Md Julker Nine, Dusan Losic. Mahmood Aliofkhazraei, Nasar Ali, Mircea Chipara, Nadhira Bensaada Laidani, Jeff Th.M. De Hosson, Handbook of Modern Coating Technologies, Elsevier, 2021, Pages 453-492.

Concreto Reforzado

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Concreto Reforzado:

¿Por qué Elegir Fibras con Óxido de Grafeno?

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

  1. Fabrication of graphene oxide/fiber reinforced polymer cement mortar with remarkable repair and bonding properties.             J. Mater. Res. Technol. 2023; 24: 9413;
  2. The incorporation of graphene to enhance mechanical properties of polypropylene self-reinforced polymer composites J. Wang et al. / Materials and Design 195 (2020) 109073;
  3. Simultaneous enhancement on thermal and mechanical properties of polypropylene composites filled with graphite platelets and graphene sheets. Composites Part A 112 (2018);
  4. Experimental study on the properties improvement of hybrid Graphene oxide fiber-reinforced composite concrete. Diamond & Related Materials 124 (2022) 108883.
  5. Upcycling waste mask PP microfibers in portland cement paste: Surface treatment by graphene oxide. Materials Letters 318 (2022) 132238;
  6. An Experimental Study on the Effect of Nanomaterials and Fibers on the Mechanical Properties of Polymer Composites. Buildings 2022, 12,
  7. State-of-the-Art Review of Capabilities and Limitations of Polymer and Glass Fibers Used for Fiber-Reinforced Concrete. Materials 2021, 14, 409;
  8. Mecanismos de desprendimiento explosivo del hormigón bajo fuego y el efecto de las fibras de polipropileno. Estado del conocimiento. Asociación argentina de tecnología del hormigón. Revista Hormigón 62 (2022-2023) 25