La Promesa del Óxido de Grafeno en Recubrimientos Intumescentes
Los recubrimientos intumescentes son pinturas especializadas que se aplican en las estructuras de concreto y acero de todo tipo de edificios industriales y/o residenciales para brindar protección ante un incendio, no solo en materia de infraestructura, sino en cuanto a seguridad, dando el tiempo necesario para la asistencia y evacuación de las instalaciones.
Ante un incendio, este tipo de recubrimientos se expande y forma una espuma carbonizada que aísla del fuego y limita su propagación, al mismo tiempo que libera gases no combustibles que reducen la concentración de oxígeno alrededor de las estructuras protegiéndolas de daños mayores durante 1 y 3 h aproximadamente.
Los componentes principales de los recubrimientos intumescentes son: un aglutinante polimérico, una fuente de ácido (p. ej. polifosfato de amonio – APP), un aditivo de expansión (p.ej. melamina – MEL), una fuente de carbono (p.ej. pentaeritritol – PER) y otros elementos de relleno (p.ej. grafito expandible) que también suelen influir en el factor de expansión y en el retardo de fuego.
Pese a su gran eficiencia, la espuma carbonizada formada por el sistema APP-MEL-PER- puede tener poca resistencia a la oxidación a altas temperaturas conduciendo a una baja eficiencia de retardo y fácil destrucción durante la combustión. Por tal motivo, también se han explorado otros aditivos como el carbonato de calcio, hidróxido de aluminio, sílice y algunos materiales de carbono para mejorar su protección. Por ejemplo, el grafito expandible en recubrimientos epóxicos mejora la degradación térmica y la resistencia al fuego; los nanotubos de carbono reducen la tasa de liberación de calor en polímeros y el GO, gracias a su nanoestructura reticular ha sido identificado como una barrera térmica eficaz para prevenir la difusión de la llama y reducir la propagación del calor. Esto sucede porque el GO al dispersarse homogéneamente dentro de la matriz del recubrimiento forma un “camino tortuoso” para reducir la velocidad de difusión térmica y de descomposición de la matriz, por lo tanto, puede mejorar la propiedad ignífuga y la resistencia mecánica del recubrimiento.
Pese a que hasta el momento no existen recubrimientos intumescentes con óxido de grafeno en el mercado, las investigaciones han concluido que el GO puede mejorar el sistema APP-MEL-PER, puesto que se ha identificado que promueve la reacción de descomposición del APP que a su vez acelera la formación del ácido fosfórico que reacciona con el PER para formar carbono. Y, aunque se ha observado que, por un lado, el GO puede llegar a disminuir la estabilidad térmica de los recubrimientos, su presencia favorece la producción de gases y los coeficientes intumescentes reduciendo la conductividad térmica.
Energeia- Graphenemex, en colaboración con una reconocida compañía mexicana de recubrimientos especializados, están trabajando en un nuevo desarrollo para lanzar al mercado el primer recubrimiento intumescente con óxido de grafeno para continuar colocando a México a la vanguardia de nuevas tecnologías.
Redacción: EF/DHS
Referencias
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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
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Sachin Sharma Ashok Kumar, Shahid Bashir, K. Ramesh, S. Ramesh, Progress in Organic Coatings, 154, (2021)
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
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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
Sachin Sharma Ashok Kumar, Shahid Bashir, K. Ramesh, S. Ramesh, Progress in Organic Coatings, 154, (2021)
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el nanomaterial que va a reducir el impacto de la corrosión
¿Qué es la corrosión?
El término corrosión se refiere a la destrucción de un material como resultado de sus interacciones químicas o electroquímicas con el medio circundante; la importancia de su prevención y/o control se debe a que al ser un fenómeno natural, una vez iniciado es prácticamente imposible de detener, es entonces que, una evolución descontrolada invariablemente comprometerá la integridad y vida útil de los materiales generando a la industria involucrada gastos directos e indirectos por pérdida de producto, paro de actividades por mantenimiento hasta el reemplazo de maquinaria o estructuras.
“Las pérdidas económicas causadas por corrosión superan el 3,4% del PIB mundial”
Corrosión influenciada microbiológicamente
La corrosión influenciada microbiológicamente o MIC(por sus siglas en inglés, Microbiologically Influenced Corrosion) puede definirse como el proceso electroquímico en el cual los microorganismos como algas, hongos y bacterias inician, facilitan o aceleran una reacción de corrosión, generalmente localizada en forma de grietas o picaduras sobre superficies tanto metálicas como de concreto. Aunque la corrosión involucra diversas variables, se estima que la MIC participa desde el 20 hasta el 40% de todas las fallas por corrosión, particularmente en la infraestructura hidráulica y petrolera, con costos cercanos a los 2 mil millones de dólares anuales.
¿Por qué inicia la MIC?
La presencia de humedad en cualquier entorno es el hábitat ideal para el crecimiento de numerosas comunidades de microorganismos que, aunada a condiciones óptimas de temperatura, pH, flujo de nutrientes, etc., promueve su adhesión y crecimiento sobre las superficies formando una biopelícula que si no es removida, crece hasta convertirse en una biomasa endurecida y obstructiva dentro de la cual las bacterias reductoras de sulfato, bacterias productoras de ácido, bacterias reductoras de hierro y bacterias formadoras de gel promueven la corrosión o MIC a través de reacciones electroquímicas destructivas de las superficies.
¿Cómo se combate?
Son tres los métodos más comunes para tratar de combatir la MIC, el primero es la limpieza mecánica de las superficies para remover las biopelículas idealmente en etapas incipientes, sin embargo, no siempre es posible acceder a todas las zonas expuestas dificultando su eficiencia; la segunda es el uso de agentes biocidas que, además de ser costosos, la mayoría pueden no ser amigables con la salud humana y con el medio ambiente; finalmente y, quizá el método más apto es la colocación barreras externas a manera de recubrimientos o películas poliméricas para evitar el contacto directo de las estructuras metálicas o de concreto con el medio agresivo.
Control de la corrosión en el concreto
Las opciones disponibles para proteger al concreto contra la corrosión desde su estado fresco son las adiciones de materiales puzolánicos, ceniza volante, escoria de alto horno, agregados sin sulfatos, fibras poliméricas, uso de cemento resistente a sulfatos o modificados con nanopartículas como los nanotubos y nanofibras de carbono, nanopartículas de sílice, alúmina o dióxido de titanio; para la protección en el estado endurecido es común la aplicación de barreras físicas como los recubrimientos anticorrosivos o películas poliméricas y, para la protección de las estructuras metálicas, además de los recubrimientos anticorrosivos, se puede hacer uso de estructuras galvanizadas, estañadas o la colocación de ánodos de sacrificio de magnesio. Sin embargo, se considera que, por la porosidad natural del concreto, no existen métodos totalmente eficientes que ataquen el problema de la corrosión hacia el interior de las estructuras.
La corrosión en el concreto puede ocurrir por carbonatación, ingreso de cloruros y sulfatos o por ataque microbiológico; cuando el concreto tiene acero de refuerzo y es atacado por la corrosión, se puede llegar a formar un óxido con 2 a 4 veces mayor volumen que el acero original provocando pérdida de adherencia con el concreto y poniendo en riesgo la resistencia del material. Además, la porosidad del concreto además de permitir el paso de humedad para el ingreso de iones agresivos también ofrece millones de nichos ideales para la retención de microorganismos y para la subsecuente formación de las biopelículas iniciadoras de la MIC, no solo porque favorecen su anclaje, sino porque dificultan su eliminación y promueven el avance de la corrosión.
“Se espera que para 2032 el mercado de los inhibidores de corrosión ascienda a 12,5 billones, siendo que en 2022 esta cifra oscilaba en los 8,3 billones”.
El Grafeno y el óxido de grafeno son nanomateriales multifuncionales de carbono con extraordinarias propiedades que, al incorporarse como nanorelleno de otros compuestos como recubrimientos, plásticos o cemento, tienen la capacidad de organizar molecularmente su estructura de tal forma que mejoran su resistencia frente a ataques químicos, físicos y microbiológicos. Entre sus particularidades está que son nanoestructuras inertes, es decir, son estables, no reaccionan con otros materiales y no sufren oxidación ni corrosión; son sumamente delgados y ligeros, pero a la vez, muy resistentes y flexibles; son impermeables incluso a los gases y cuentan con mecanismos antimicrobianos sumamente eficientes.
A continuación, se resumen algunas de las investigaciones más destacadas sobre el uso del grafeno como alternativa contra la corrosión influenciada microbiológicamente (MIC):
2015- El Departamento de Ciencias e Ingeniería de Materiales del Instituto Politécnico Rensselaer, Nueva York, E.U.A., modificó recubrimientos de poliuretano con grafeno identificando una protección 10 veces mayor contra la MIC en comparación con los recubrimientos de poliuretano no modificados.
2017– El laboratorio de Nanobiomateriales de la Universidad Técnica Federico Santa María, Valparaíso, Chile, evaluó el efecto directo del grafeno colocado sobre sustratos de níquel y su interacción con bacterias causantes de corrosión; los resultados evidenciaron una barrera impermeable generada por el grafeno que bloqueó la interacción entre las bacterias y el metal, pero sin efecto bactericida.
2021– El Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, de la Escuela de Minas y Tecnología de Dakota del Sur, E.U.A., reportó que múltiples capas de grafeno restringieron 10 veces más el ataque de la MIC sobre superficies de cobre y níquel.
2021– La Escuela de Ingeniería de la Universidad de Glasgow, Escocia, examinó el deterioro de pastas de cemento modificadas con óxido de grafeno (GO) expuestas a ambientes de ácidos. Los resultados demostraron que la presencia de GO disminuye la pérdida de masa en el concreto por dichos ataques, reconociéndolo como un aditivo potencial para modificar la microestructura y la vida útil del concreto frente a ambientes agresivos como los presentes en almacenes de productos químicos hasta los sistemas de aguas residuales.
Energeia Fusion (Graphenemex®), la empresa mexicana líder en América Latina en la producción de materiales grafénicos, después de un largo camino de investigación en 2018 lanzó al mercado la Línea Graphenergy que comprende una serie de recubrimientos anticorrosivos y antimicrobianos con nanotecnología grafénica y el primer aditivo para concreto con óxido de grafeno en el mundo, cuyo uso individual o combinado prometen grandes beneficios contra la corrosión.
Graphenergy Construcción es un aditivo base agua con óxido de grafeno diseñado para mejorar la calidad de las estructuras de cemento en términos de resistencia mecánica y durabilidad. El valor agregado que el óxido de grafeno ofrece al concreto en la lucha contra la MIC desde el exterior hacia su interior es resultado de una serie de eventos que comienzan favoreciendo la hidratación del cemento actuando como reservorios de agua y como plataforma para el crecimiento de cristales de C-S-H y para disipar el calor de hidratación; mejora las zonas de transición interfacial entre la pasta de cemento y los agregados ayudando a reducir el tamaño y volumen de los poros, esto a su vez favorece el aumento de la resistencia mecánica, reduce la permeabilidad, aumenta su resistividad, es decir, reduce la transferencia de cargas eléctricas hacia el interior del concreto retrasando el inicio de corrosión y, finalmente, modifica las cargas electrostáticas y la humectabilidad de las superficies dificultando la formación de biopelículas causantes de la MIC.
Los recubrimientos Graphenergy formulados con óxido de grafeno ofrecen gran resistencia contra la corrosión en zonas costeras y no costeras, así como una excelente protección antimicrobiana sin mecanismos biocidas, ya que su efecto consiste en evitar la adhesión de los microorganismos a las superficies. Además, su impermeabilidad, resistencia a la abrasión y resistencia contra los intensos efectos de la intemperie incrementan su vida útil y, por lo tanto, disminuyen sustancialmente los costos de mantenimiento tanto de estructuras metálicas como de concreto.
Redacción: EF/DH
Referencias
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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.).
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
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).
Kargar, F., Barani, Z., Balinskiy, M., Magana, A. S., Lewis, J. S., Balandin, A. A., Adv. Electron. Mater. 2019, 5, 1800558.
Seul Ki Hong et al 2012 Nanotechnology 23 455704.
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
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
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
Karolina Ollik and Marek Lieder. Review of the application of graphene-based coatings as anticorrosion layers. Coatings 2020, 10(9), 883. 2020.
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 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 anticorrosivoGraphenergy.
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
Chang, C.-H. et al. Novel Anticorrosion Coatings Prepared from Polyaniline/Graphene Composites. Carbon N. Y. 50, 5044–5051 (2012).
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
Karolina Ollik and Marek Lieder. Review of the application of graphene-based coatings as anticorrosion layers. Coatings 2020, 10(9), 883. 2020.
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.
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.
La corrosión se define como el deterioro gradual de los materiales metálicos y sus propiedades, y se produce cuando el metal reacciona con el medio ambiente circundante formando óxido u otro compuesto químico. En general, el aire atmosférico, la humedad, la lluvia, y las soluciones acuosas (productos químicos) son los ambientes que con mayor frecuencia se asocian a los problemas de corrosión.
En la actualidad, el daño por corrosión es una de las problemáticas más importantes a afrontar para muchas industrias en el mundo. Se estima, que la corrosión provoca pérdidas económicas del 3.4 % del PIB mundial (alrededor de 2.5 billones de dólares anuales). Sin embargo, existen tres industrias que cuyo impacto de corrosión es más frecuente y riesgoso para sus procesos: la industria química, industrial naval y la industria de la construcción.
En la industria química, el uso de productos químicos es primordial dentro de sus operaciones, por lo que los equipos y maquinaria están en contacto directo y constante con sustancias químicas, incrementando costos de mantenimiento y/o reparación, afectando el presupuesto de la industria y su producción. En el caso de la industria naval, la humedad y la sal, son el principal factor que contribuye al proceso de la corrosión y, por consiguiente, el deterioro y afectación de sus instalaciones, barcos, contenedores y hasta mercancías. Por otro lado, en la industria de la construcción, tanto la maquinaria y las mismas áreas de construcción pueden verse afectadas por la corrosión debido a su exposición al medio ambiente. La corrosión provoca que se debiliten los activos metálicos generando fallas mecánicas, poniendo en riesgo la obra.
Regularmente los recubrimientos anticorrosivos se usan para la protección contra la corrosión, humedad y ensuciamiento de instalaciones, maquinaria y equipos. A nivel comercial, existe una amplia variedad de recubrimientos anticorrosivos a base de diferentes aditivos y resinas, su eficiencia está asociado generalmente a un aumento en el costo. Sin embargo, los recubrimientos siguen teniendo baja resistencia térmica y a la corrosión y sobre todo una limitada resistencia química.
Actualmente el grafeno es el aditivo nanotecnológico más revolucionario en la industria de recubrimientos y pinturas. La incorporación de grafeno como aditivo en recubrimientos, produce recubrimientos con extraordinaria protección contra la corrosión. El grafeno crea vías que son muy tortuosas, lo que evita que las moléculas de agua y oxígeno y/o agentes químicos se difundan a la superficie de los materiales con base metálica, lo que da como resultado la protección del metal contra la oxidación y la corrosión (Fig. 1).
Figura 1. Representación esquemática del camino tortuoso para moléculas de oxígeno y agua en recubrimientos poliméricos con arcilla y grafeno.
Los recubrimientos de grafeno brindan muchos beneficios anticorrosivos y de rendimiento, que incluyen:
Mayor rendimiento al de las tecnologías de recubrimientos existentes en el mercado actual.
Se requieren menos capas de recubrimiento aplicadas para obtener mayores beneficios
Reducción de Zinc en las formulaciones
Resistencia química
Los recubrimientos anticorrosivos mejorados con grafeno y óxido de grafeno reemplazaran los recubrimientos tradicionales a base de zinc, que tienen varios inconvenientes, como una vida corta, alto contenido de compuestos orgánicos volátiles (COV), curado lento, alto costo, sedimentación en el almacenamiento.
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Referencias
Chang, C.-H. et al. Novel Anticorrosion Coatings Prepared from Polyaniline/Graphene Composites. Carbon N. Y. 50, 5044–5051 (2012).
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
Chaudhry, A. U., Mittal, V. & Mishra, B. Inhibition and Promotion of Electrochemical Reactions by Graphene in Organic Coatings. RSC Adv. 5, 80365–80368 (2015).
Zhen, Z. & Zhu, H. Graphene: Fabrication, Characterizations, Properties and Applications. Graphene (Academic Press, 2018).
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