Categoría: Óxido de Grafeno

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

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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

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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.

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

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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.

El grafeno en la protección contra la radiación electromagnética

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El grafeno en la protección

contra la radiación electromagnética

El desarrollo de la tecnología en comunicación junto con los dispositivos electrónicos ha generado una gran preocupación en relación con la radiación electromagnética emitida por estas tecnologías.

La radiación electromagnética es un tipo de campo electromagnético, es decir, una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propaga a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. La radiación electromagnética puede manifestarse de diversas maneras, como ondas de radio, microondas, radiación infrarroja, luz visible, radiación ultravioleta, rayos X o rayos gamma y corresponden a diferentes longitudes de onda, que van del orden de kilómetros (ondas de radio) hasta el orden de picómetros (rayos gamma). El rango completo de longitudes de onda es lo que se denomina espectro electromagnético (Figura 1.).

Figura 1. Espectro Electromagnético.

Las radiaciones electromagnéticas pueden ser de alta frecuencia (radiaciones de telefonía móvil e inalámbrica, radiofrecuencias, ondas de TV, microondas, radares, señales de satélite, Wifi, Bluetooth) y de baja frecuencia (campos generados por cables o consumidores eléctricos).

El calor y la radiación electromagnética (radiación EM) son subproductos inevitables en los dispositivos electrónicos, especialmente los que funciona a altas frecuencias. A medida que los dispositivos electrónicos disminuyen de tamaño, estos funcionan a frecuencias cada vez más altas, generando incluso más calor y ondas electromagnéticas.

Las radiaciones electromagnéticas de alta frecuencias no solo degradan los dispositivos en sí mismos (produciendo calor), sino que también tienden a interferir con los aparatos electrónicos vecinos y lo más importante, es que tiene un efecto adverso sobre la salud humana ya que puede provocar muchas enfermedades, como leucemia, abortos espontáneos y cáncer cerebral.

Por lo que, el bloqueo o protección (blindaje) contra la radiación electromagnética podría ser una de las soluciones para minimizar riesgos a la salud y para la protección de equipos y/o aparatos electrónicos. Los metales son materiales de bloqueo electromagnético naturales, capaces de reflejar las ondas electromagnéticas debido a sus electrones libres, lo que explica su alta conductividad eléctrica y su escasa profundidad de penetración. Sin embargo, su elevado peso, el costo y la susceptibilidad de los metales a la corrosión, hacen que su uso sea limitado si no que imposible.

El uso de recubrimientos o pinturas conductoras para el bloqueo de radiación electromagnética es la opción más viable para dar solución a la problemática. Actualmente el grafeno es el aditivo nanotecnológico más revolucionario en la industria de recubrimientos. Debido a que el grafeno posee extraordinarias propiedades, las cuales incluyen alta conductividad eléctrica, elevada conductividad térmica y resistencia mecánica. Además, posee otras propiedades distintivas, incluida, la impermeabilidad a los gases, resistencia química, potencial antibacteriano y gran área superficial.

La capacidad de conducción eléctrica y la conductividad térmica del grafeno, puede ser aprovechada en la formulación de recubrimientos de blindaje contra la radiación EM, ya que el grafeno forma una red continua a lo largo de la superficie del recubrimiento, creando películas homogéneas que bloquean la radiación electromagnética mientras disipa el exceso de calor.

En estudios recientes, se ha reportado que la incorporación de nanoestructuras a base de carbono, como es el grafeno en recubrimientos o pinturas, permite el desarrollo de recubrimientos con alta conductividad eléctrica para el blindaje o protección contra las interferencias de electromagnéticas (EMI). La forma de actuar respecto a las ondas electromagnéticas de alta frecuencia es por refracción. Las ondas electromagnéticas rebotarán (reflexión) sobre la superficie tratada similar al efecto de un espejo respecto a la luz (Ver Fig. 2). El efecto-barrera en la propagación podría atribuirse a la contribución proveniente de la capacidad de reflexión, la absorción y múltiples reflexiones internas. La eficiencia de blindaje incrementa con la adición de mayor concentración de grafeno en la matriz polimérica del recubrimiento. Estos recubrimientos con grafeno pueden llegar a bloquear más del 99.98 % de la radiación electromagnética de alta frecuencia.

Figura 2. Porcentaje de Reflexión, absorción y transmisión de epóxico pristine (a) y epóxico con grafeno (b).
Tomado de Adv. Electron. Mater. 2019, 5. 1800558

Estos recubrimientos contra la radiación electromagnético pueden actuar tanto para la alta frecuencia como para baja frecuencia, con una excelente calidad de atenuación (disminución de intensidad de señales u ondas eléctricas) de hasta 38 dB, con una mano, y de 47 dB si se aplican dos manos.

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 Graphenergy, está en constante investigación y desarrollo de nuevos recubrimientos multifuncionales y actualmente tiene a la venta una amplia gama de recubrimientos nanotecnológicos con grafeno.

Actualmente se están desarrollando y evaluando recubrimientos de blindaje contra la radiación electromagnética. Recubrimientos con alta conductividad eléctrica, para reducir los campos eléctricos de alta y baja frecuencia respectivamente. Estos recubrimientos, ofrecerán también protección anticorrosiva y antimicrobiana. Además, de brindar alta resistencia al desgaste, resistencia a los rayos UV, impermeabilidad y una extraordinaria adherencia.

Referencias

  1. Suneel Kumar Srivastava, Kunal Manna, Recent advancements in the electromagnetic interference shielding performance of nanostructured materials and their nanocomposites: a review, Journal of Materials Chemistry A, 10.1039/D1TA09522F, 10, 14, (7431-7496), (2022).
  2. Kargar, F., Barani, Z., Balinskiy, M., Magana, A. S., Lewis, J. S., Balandin, A. A., Adv. Electron. Mater. 2019, 5, 1800558.
  3. Seul Ki Hong et al 2012 Nanotechnology 23 455704.
  4. Lekshmi Omana, Anoop Chandran*, Reenu Elizabeth John, Runcy Wilson. Recent Advances in Polymer Nanocomposites for Electromagnetic Interference Shielding: A Review. Omega 2022, 7, 30, 25921–25947

Mejora la seguridad con compuestos poliméricos retardantes a la llama con óxido de grafeno

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Mejora la seguridad con compuestos poliméricos

retardantes a la llama con óxido de grafeno

Los compuestos poliméricos (plásticos de ingeniería) son utilizados ampliamente en la industria automotriz, la construcción, la industria alimenticia, la aeroespacial y otros sectores. Su uso esta basado en la relación peso/resistencia, estabilidad física, resistencia química y resistencia a la corrosión.

Sin embargo, la mayoría de los polímeros, debido a su naturaleza, son inflamables y combustibles. Es decir, son materiales que se incendian rápidamente cuando son expuestos al fuego, sufriendo degradación y liberación calor para posteriormente iniciar la propagación de las llamas. Durante la combustión de los polímeros, liberan humo (hollín) y gases tóxicos que son un peligro para la seguridad de la vida humana y los bienes materiales.


Durante la combustión de materiales poliméricos intervienen cuatro componentes clave: calor, oxígeno, combustible y reacción de radiales libres. La retardancia a la flama de los materiales compuestos poliméricos puede conseguirse inhibiendo o perturbando uno o varios de estos componentes.


En los últimos años, se han realizado múltiples investigaciones para desarrollar aditivos que ayuden a inhibir o reducir la inflamabilidad de los polímeros, estos aditivos son conocidos como retardantes a la flama.

Los retardantes a la flama convencionales pueden clasificarse en dos principales categorías, en función de sus componentes: retardantes de flama inorgánicos y retardante de flama orgánicos. Los primeros incluyen hidróxido, óxido metálico, fosfato, silicato entre otros. Tiene excelente estabilidad térmica, no son tóxicos, son de bajo costo y no producen contaminación. Sin embargo, los retardantes de flama inorgánicos están limitados por elevada carga, baja compatibilidad y agregación. Por otro lado, los retardantes de flama orgánicos incluyen retardantes de flama que contienen halógenos, fósforo, fósforo-nitrógeno, etc. Estos últimos presentan alta eficacia y buena compatibilidad con los polímeros. Su principal desventaja es que tienen restricción porque pueden liberar gases tóxicos y ser nocivos durante la combustión, poniendo en peligro la salud de las personas y el medio ambiente.

Actualmente el óxido de grafeno (GO), es el nanomaterial más novedoso para su uso como retardante de flama, debido a que exhibe alta eficacia como retardante con bajas cargas y no es tóxico. Su eficiencia está asociado 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.

Los retardantes de flama a base de grafeno pueden mejorar la resistencia a la flama de los polímeros mediante la inhibición de los dos términos clave: calor y combustible. Más concretamente, el óxido de grafeno puede funcionar como retardante de flama de diferentes formas sinérgicas.

  1. En primer lugar, 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. 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 sustrato polimérico.
  2. En segundo lugar, el GO tienen una gran área superficial específica y puede adsorber eficazmente compuestos orgánicos volátiles inflamables o dificultar su liberación y difusión durante la combustión.
  3. En tercer lugar, el GO contienen abundantes grupos reactivos que contienen oxígeno (grupo carboxilo en los bordes, así como grupos epoxi e hidroxilo en los planos basales en las láminas). Por ejemplo, los grupos que contienen oxígeno 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.
  4. También puede modificar el comportamiento reológico del polímero e impedir su goteo, dificultando así la liberación y difusión de productos volátiles de descomposición a través del ”efecto laberinto” y afectando a la retardancia a la flama de los compuestos (por ejemplo, modificando la clasificación UL-94, el índice de oxígeno (OI) y el tiempo de ignición (TTI).

En estudios realizados, se ha encontrado que la incorporación de óxido de grafeno funcionalizado (5 % en peso) en Polipropileno (PP), incremento el módulo de Young y el límite elástico del PP en un 53 % y un 11 %, respectivamente. Mientras que en los resultados de la prueba de flamabilidad (UL-94), indica que la presencia de GO produce un cambio en el comportamiento de la masa fundida y evita que el material gotee.

Por otro lado, se han reportado la preparación de compuestos poliméricos en mezclado en fundido (extrusión), de Poliestireno/GO, donde se encontró que el GO (5 %) puede promover la carbonización en la superficie del polímero (capa de material carbonizado) y en el interior la presencia de un carga o relleno que presenta alta resistencia al calor y contribuye a la formación de residuos de carbón, mejorando la resistencia a la flama de los compuestos a base de poliestireno.

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 óxido de grafeno, basados en varios polímeros, como PP, HDPE, LDPE, PET y PA6.

La incorporación de grafeno y derivados de grafeno (GO) a matrices poliméricas, ha permitido el desarrollo de compuestos poliméricos con mejores propiedades mecánicas, con mayor estabilidad térmica, capacidad de barrera contra gases y reducir la flamabilidad de los compuestos poliméricos.


Referencias

  1. Han Y, Wu Y, Shen M, Huang X, Zhu J, Zhang X. Preparation and properties of polystyrene nanocomposites with graphite oxide and graphene as flame retardants. J Mater Sci 48:4214.
  2. Hofmann D, Wartig K-A, Thomann R, Dittrich B, Schartel B, Mu¨lhaupt R. Functionalized graphene and carbon materials as additives for melt-extruded flame retardant polypropylene. Macromol Mater Eng 298:1322.
  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.

Innovación en la industria plástica: cómo los masterbatches de grafeno están cambiando el juego

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Innovación en la industria plástica:

cómo los masterbatches de grafeno están cambiando el juego


El grafeno 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.


Hoy en día, el grafeno es el aditivo nanotecnológico más prometedor en la industria del plástico.  La incorporación de grafeno y sus derivados (oxido de grafeno, GO) en diferentes matrices poliméricas (masterbatches), poseen un gran potencial para una amplia gama de aplicaciones. El masterbatch con grafeno, puede actuar como refuerzo mecánico o aditivo conductor tanto para materiales termoplásticos como termoestables. Pueden utilizarse en el sector automotriz, aeroespacial, electrónica o embalaje.


Los compuestos poliméricos a base de grafeno han mostrado mejoras significativas en propiedades como el módulo elástico, resistencia a la tensión, resistencia al impacto, conductividad eléctrica, resistencia a la radiación UV, estabilidad térmica, propiedad antimicrobiana, impermeabilidad o efecto barrera (no permite la difusión de humedad u otras moléculas).


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 aditivos multifuncionales. La incorporación de grafeno en diferentes matrices poliméricas ha mostrado efectos importantes sobre las propiedades y condiciones de procesamiento de los plásticos, entre las que destacan:


  • Incremento en la resistencia a la tensión, deformación e impacto
  • Incremento en la resistencia a rayos ultravioleta
  • Excelente dispersión
  • Mejora las condiciones de procesamiento (estabilidad térmica)
  • Actúa como agente nucleante (modificación de la temperatura de cristalización del polímero)


En este sentido, se ha encontrado que la incorporación de grafeno y sus derivados, asi como la concentración, puede modificar las propiedades fisicomecánicas del polímero a procesar.  La adición de masterbatch a diferentes polímeros, ha mejorado en menor o mayor proporción las características finales del material, por ejemplo:


  • Aditivación de Polipropileno (PP) con masterbatch de polipropileno -grafeno (MB-PP/GO), aumenta la resistencia a la tensión (8 %) y porcentaje de ruptura (29 %).
  • Aditivación de Polietileno (PE) con masterbatch de polietileno -grafeno (MB-PE/GO), mejora la resistencia a la tensión (17 %), resistencia a la flexión y resistencia a la ruptura (66%).
  • Aditivación de Polietilen tereftalato (PET) con masterbatch de Polietilen tereftalato -grafeno (MB-PET/GO), mejora la resistencia a la humedad, incrementa la resistencia a la tensión (72.2 %) y mejora la resistencia al impacto.
  • Aditivación de Policarbonato (PC) con masterbatch de policarbonato -grafeno (MB-PC/GO), mejora la resistencia a la humedad y mejora la resistencia a la ruptura (276 %).


Por otro lado, los masterbatches con grafeno también pueden ser incorporados a polímeros reciclados. En la actualidad, la reutilización y el reciclado de materiales plásticos son de vital importancia en el camino de transición hacia una economía circular. En este aspecto, el constante lavado, peletizado y reprocesamiento pueden producir la pérdida de propiedades fisicomecánicas de los plásticos reciclados, por lo que, al añadir grafeno, se puede restaurar o mejorar dichas propiedades. En aplicaciones agrícolas, se puede producir películas para acolchados con mayor resistencia a la radiación ultravioleta.


Referencias

  • Fang, M., et al., Covalent polymer functionalization of graphene nanosheets and mechanical properties of composites. Journal of Materials Chemistry. 19(38): p. 7098-7105.
  • Kim, H., A.A. Abdala, and C.W. Macosko, Graphene/Polymer Nanocomposites. Macromolecules. 43(16): p. 6515-6530.
  • Balandin, A.A., et al., Superior Thermal Conductivity of Sin gle-Layer Graphene. Nano Letters, 8(3): p. 902-907.
  • Nabira Fatima, Umair Yaqub Qazi, Asim Mansha., Recent developments for antimicrobial applications of graphene-based polymeric composites: A review, https://doi.org/10.1016/j.jiec.2021.04.050

Innovación en la protección contra la corrosión: la tecnología de óxido de grafeno

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Innovación en la protección contra la corrosión:

la tecnología de óxido de grafeno

La corrosión es el mayor de los desafíos a la que deben de enfrentarse muchas industrias en el mundo. En la actualidad, existen en el mercado una gran diversidad de recubrimientos para la protección contra la corrosión. Sin embargo, la mayoría de estos recubrimientos aun no cuenta con las características fisicoquímicas necesarias para un buen desempeño, estos recubrimientos no son barreras perfectas y eventualmente fallan, su resistencia química depende de su capacidad de impermeabilidad de sustancias químicas, y con ello también depende su capacidad de adherencia y su resistencia a la abrasión.

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 una amplia gama de recubrimientos a través de su línea Graphenergy.

Graphenergy es la línea de recubrimientos nanotecnológicos con óxido de grafeno, que cuenta con un portafolio completo de recubrimientos anticorrosivos de alto desempeño para mantenimiento Industrial e Infraestructura.

Teniendo en cuenta que la infraestructura o equipo industrial pueden estar expuestos a ambientes con diferentes grados de corrosión (intermedia o extrema), se recomienda el uso de Sistemas de Recubrimientos para protección a la corrosión, Graphenergy ofrece las siguientes alternativas:

1. SISTEMA ALQUIDÁLICO

Recomendado para ambientes de corrosión intermedio o suaves (condiciones de corrosión o agresividad intermedia). Este sistema posee resistencia la intemperie y brinda protección anticorrosiva.

Este sistema, está formado por un primer y esmalte tipo alquidal, ideal para la protección de superficies metálicas e infraestructura industrial, tanto para interiores como exteriores. Proporciona alta protección anticorrosiva, resistencia a los rayos UV y brinda extraordinaria adherencia al sustrato. Se recomienda para zonas no costeras o que las condiciones de humedad no sean altos.

2. SISTEMA EPOXI-POLIURETANO

Diseñado para ambientes severos o críticos, en los cuales la infraestructura o equipos y/o algún otro elemento protegido estén expuestos a rayos UV y a una atmosfera industrial con alta contaminación (vapores altamente corrosivos).

Este sistema, está formado por un primer epóxico y Poliuretano (acabado). Recubrimientos diseñados para la protección de superficies metálicas expuestas a ambientes altamente corrosivos y químicos. Ambos recubrimientos ofrecen, alta adherencia, extraordinaria resistencia química, alta resistencia al desgaste, resistencia a los rayos UV, e impermeabilidad, con la finalidad de mejorar la vida de útil de cualquier superficie metálica o instalación y reducir los costos de mantenimiento.

Los sistemas de recubrimientos anticorrosivos Graphenergy, poseen grandes beneficios, que incluyen:

  • Mayor rendimiento al de las tecnologías de recubrimientos existentes en el mercado actual.
  • Se requieren menos capas de recubrimiento aplicadas y con mayor protección anticorrosiva.
  • Recubrimientos con mayor adherencia al sustrato.
  • Recubrimientos con mayor resistencia química y elevada resistencia térmica.
  • Recubrimientos con mayor impermeabilidad y efecto antiadherente.


Cuando se selecciona un sistema de recubrimiento debe tenerse en cuenta la influencia del ambiente a la que será expuesto y el aspecto final que se busca y algunas otras consideraciones que el sistema debe desempeñar y a su mantenimiento.


Por otro lado, otro factor decisivo que determina la selección del primer anticorrosivo a utilizar y en consecuencia el sistema de recubrimiento es el estado físico superficial de la superficie metálica a recubrir y/o el tratamiento o preparación de superficie que se le puede dar.


Referencias

  1. Fengjuan Xiao, Chen Qian, et al., et al., Progress in Organic Coatings, 125, 79-88 (2018); doi.org/10.1016/j.porgcoat.2018.08.027
  2. Karolina Ollik and Marek Lieder. Review of the application of graphene-based coatings as anticorrosion layers. Coatings 2020, 10(9), 883. 2020.
  3. Zhang J., Kong, G., Li S., Le Y., Che C., Zhang S., Lai D., Liao X. Graphene-reinforced epoxy powder coating to achieve high performance wear and corrosion resistance. 20:1448-4160, 2020.

El óxido de grafeno: el nuevo aliado de los recubrimientos primarios en la protección contra la corrosión

Publicado el | por Energeia Graphenemex

El óxido de grafeno:

el nuevo aliado de los recubrimientos primarios en la protección contra la corrosión

La corrosión es una reacción electroquímica que se produce cuando el metal reacciona con el medio ambiente circundante formando óxido férrico, haciéndole perder al metal sus principales características de dureza y resistencia. El oxígeno, la temperatura, la humedad, los contaminantes, gases y las características fisicoquímicas del agua son los factores principales que afectan la velocidad con la que se corroen los metales.

Uno de los métodos más ampliamente utilizados para controlar la corrosión, es la aplicación de recubrimientos protectores (primarios) a las superficies metálicas. El recubrimiento forma una barrera entre el sustrato (metal) y el medio que lo rodea, retardando el deterioro u oxidación del metal. Los recubrimientos son de sustancias a base de polímeros (pinturas), resistentes a la degradación, que se emplean para recubrir el material por proteger.

Hoy en día, se han desarrollado una amplia variedad de primers o primarios a base de diferentes tipos de resina, como son, el tipo alquidal y epóxico. La eficiencia va asociado generalmente a un aumento de costo. Desafortunadamente, la mayoría de estos recubrimientos o pinturas, no son barreras perfectas y eventualmente fallan, debido a agujeros o microporos existentes en el recubrimiento o la difusión de oxígeno y agua a través de este (no son completamente impermeables). Por otro parte, los recubrimientos siguen teniendo baja resistencia térmica y sobre todo una limitada resistencia química.

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 Graphenergy, ha lanzado una gama de primers y otros recubrimientos nanotecnológicos.

Los primarios anticorrosivos Graphenergy, son recubrimientos a base de óxido de grafeno (GO), un nuevo aditivo nanotecnológico que aporta múltiples propiedades a los recubrimientos, entre la que destacan, la extraordinaria protección a la corrosión y tecnología de barrera (efecto-barrera). El óxido de grafeno crea vías que son muy tortuosas, lo que evita la difusión de oxígeno y moléculas de agua a través del recubrimiento y finalmente no lleguen a la superficie metálica, brindando la protección contra la corrosión (Fig. 1). Estos primarios pueden actuar como se ha mencionado, mediante, (1) la formación de una barrera, que impide en gran medida la penetración de oxígeno y moléculas de agua, o (2) la inhibición del proceso de corrosión, al incrementar la resistividad eléctrica como la iónica, cortando el ciclo de corrosión.

Fig. 1 Mecanismo de protección anticorrosiva de recubrimientos a base de polímeros y grafeno.

Entre los primarios anticorrosivos que actualmente se encuentran en venta, por parte de Graphenergy, se encuentran dos: el primer alquidal y el primer epóxico, cada uno diseñado de acuerdo con diferentes necesidades y condiciones.

A. Primer alquidal anticorrosivo Graphenergy.

Proporciona alta protección anticorrosiva, resistencia a los rayos UV y brinda extraordinaria adherencia al sustrato. Ideal para la protección de infraestructura industrial, para la aplicación de superficies ferrosas, tanto para interiores como exteriores. Se recomienda para zonas no costeras o que las condiciones de humedad no sean altos.

B. Primer epóxico anticorrosivo Graphenergy.

Recubrimiento diseñado para la protección de superficies metálicas expuestas a ambientes altamente corrosivos y químicos. Este recubrimiento produce una barrera perfecta (extraordinaria adherencia al sustrato y espesor adecuado), por lo que ni el oxígeno ni el agua u otro producto químico van a poder alcanzar la superficie del metal y proveerá elevada protección a la corrosión.

Además, este recubrimiento ofrece extraordinaria resistencia química, con alta resistencia al desgaste, resistencia a los rayos UV, impermeabilidad y mayor adherencia, con la finalidad de mejorar la vida de útil de cualquier superficie metálica o instalación y reducir los costos de mantenimiento.

Los recubrimientos de grafeno brindan propiedades mejoradas y muchos más beneficios, que incluyen:

  • Mayor rendimiento al de las tecnologías de recubrimientos existentes en el mercado actual.
  • Se requieren menos capas de recubrimiento aplicadas y con mayor protección anticorrosiva.
  • Reducción de Zinc en las formulaciones, puede disminuir la cantidad hasta en un 50%.
  • Primarios con mayor resistencia química y elevada resistencia térmica.
  • Recubrimientos con mayor impermeabilidad y efecto antiadherente (no se le adhiere suciedad). El óxido de grafeno crea una red bidimensional en la superficie del recubrimiento, lo que no permite el anclaje o difusión de moléculas de agua o sustancias químicas, lo que permite desarrollar recubrimientos con efecto hidrofóbico, dando como resultado recubrimientos con mayor facilidad de limpieza (Ver Fig. 2).
Fig. 2. Comportamiento de recubrimientos sin y con óxido de grafeno, después de someterlos a un ataque químico (solución corrosiva) por más de dos horas.
  • Mejora la adherencia al sustrato. Los primarios con óxido de grafeno incrementan su adherencia hasta en un 50% con respecto al control (Fig. 3).
Fig. 3. Prueba de adherencia de primario sin y con óxido de grafeno.
  • Recubrimientos más flexibles. La incorporación de óxido de grafeno no solo mejora la adherencia, también permite brindar flexibilidad al recubrimiento, permitiendo que tenga alta resistencia a la flexión o mayor resistencia a la fractura (Fig. 4).
Fig.4. Prueba de Flexibilidad en primario sin y con óxido de grafeno.


Referencias

  1. Chang, C.-H. et al. Novel Anticorrosion Coatings Prepared from Polyaniline/Graphene Composites. Carbon N. Y. 50, 5044–5051 (2012).
  2. Fengjuan Xiao, Chen Qian, et al., et al., Progress in Organic Coatings, 125, 79-88 (2018); doi.org/10.1016/j.porgcoat.2018.08.027
  3. Karolina Ollik and Marek Lieder. Review of the application of graphene-based coatings as anticorrosion layers. Coatings 2020, 10(9), 883. 2020.
  4. Zhang J., Kong, G., Li S., Le Y., Che C., Zhang S., Lai D., Liao X. Graphene-reinforced epoxy powder coating to achieve high performance wear and corrosion resistance. 20:1448-4160, 2020.
  5. Ghosh Tuhin and Karak Niranjan. Mechanically robust hydrophobic interpenetrating polymer network-based nanocomposites of hyperbranched polyurethane and polystyrene as an effective anticorrosive coating. New J. Chem., 2020, 44, 5980-5994.