Grafeno como Solución Sostenible a la Crisis de Litio
En la última década, el aumento global en la demanda de baterías de iones de litio ha sido impulsado por la creciente popularidad de dispositivos electrónicos, desde dispositivos portátiles como tabletas, consolas y teléfonos celulares, hasta vehículos eléctricos. Según el Fondo Monetario Internacional, se prevé que para 2050 la demanda de baterías supere la oferta en un 40%, lo que plantea una potencial crisis para las industrias que dependen de ellas si no se implementan alternativas viables.
Las problemáticas de las baterías de iones de litio no se limitan solo al equilibrio oferta-demanda. El litio es un recurso finito cuya extracción y desecho tienen impactos negativos en el medio ambiente y la salud humana. Además, las baterías presentan riesgos de seguridad significativos, como inestabilidad, sobrecarga, sobrecalentamiento e incendios.
El grafeno, un nanomaterial bidimensional de carbono con estructura de lámina extremadamente delgada, transparente y resistente, ha captado la atención de los expertos en baterías. Su arquitectura única permite una alta conductividad eléctrica y estabilidad química, características esenciales para mejorar el rendimiento de baterías de iones de litio (LIB), litio-azufre (LSB) y litio-oxígeno (LOB).
Beneficios del grafeno en las baterías:
Mayor capacidad de almacenamiento energético: El grafeno tiene una estructura con una extensa área superficial, lo que facilita una mayor cantidad de sitios de intercalación para los iones de litio. Esto se traduce en una mejora significativa en la capacidad de almacenamiento energético de las baterías.
Mejora en la conductividad eléctrica: Los enlaces π-π del grafeno permiten un transporte eficiente de electrones entre los materiales activos de los electrodos y los colectores de corriente. Esto reduce la resistencia interna de las baterías y mejora su potencia de salida, lo que es crucial para aplicaciones que requieren altas tasas de carga y descarga.
Estabilidad mejorada y mayor durabilidad: El grafeno promueve la estabilidad de los materiales de los electrodos al prevenir la degradación prematura durante los ciclos de carga y descarga. Esto no solo prolonga la vida útil de las baterías, sino que también asegura una mayor estabilidad cíclica, manteniendo un rendimiento constante a lo largo del tiempo.
Perspectivas futuras y alternativas:
A pesar del crecimiento continuo del mercado de baterías de iones de litio, sus riesgos ambientales y limitaciones técnicas están impulsando la investigación hacia alternativas más sostenibles y eficientes. Algunas de estas alternativas incluyen sistemas de baterías basados en sodio/azufre, quitina/zinc, silicio/carbono, y combinaciones de grafeno con otros materiales avanzados.
En Energeia-Graphenemex, nos enorgullece estar a la vanguardia de estas innovaciones, explorando cómo el grafeno y otros materiales nanotecnológicos pueden seguir transformando la industria de las baterías y contribuyendo a un futuro energético más limpio y sostenible.
Redacción: EF/ DHS
Referencias
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Óxido de Grafeno y su versatilidad en el desarrollo de aplicaciones:
De Tecnologías de Detección a Soluciones Ambientales
El grafeno y sus derivados como el óxido de grafeno (GO) y óxido de grafeno reducido (rGO) son nanomateriales de carbono bidimensionales y en forma de lámina con una amplia gama de oportunidades para numerosas aplicaciones debido a su delgadez, transparencia, conductividad, flexibilidad, estabilidad química, impermeabilidad y resistencia mecánica. En el caso del GO y rGO, además de su gran superficie de área con zonas hidrófilas e hidrófobas propias del grafeno, permiten la adsorción de moléculas aromáticas orgánicas, iones y polímeros mediante apilamiento π-π, puentes de hidrógeno e interacciones electrostáticas; propiedades que los convirtieron en materiales adecuados para la construcción de sensores o de plataformas biocatalíticas y fotocatalíticas. De acuerdo con diversos reportes, la relación superficie-volumen de los materiales de grafeno mejora la carga superficial de las moléculas deseadas, mientras que su excelente conductividad eléctrica, sobre todo a temperatura ambiente, favorece el paso de los electrones hacia la superficie de los electrodos para análisis o fotocatálisis.
Por otro lado, las láminas de grafeno no son propiamente planas, es decir, presentan ondulaciones que se forman como resultado de la unión entre sus átomos de carbono o de fluctuaciones térmicas que, finalmente, pueden inducir campos magnéticos y cambiar sus propiedades electrónicas para el diseño de sensores, biosensores o dispositivos electrónicos en general. Es así como en el transcurso de más de diez años de investigación y de la exploración de su maravillosa multifuncionalidad, el estudio del grafeno ha trascendido para el desarrollo de dispositivos altamente sensibles para monitorear, por ejemplo, la presencia de gases nocivos, moléculas o proteínas de relevancia médica e incluso para la descontaminación del agua.
Sistemas de detección
Los metamateriales son un tipo de compuestos con la capacidad de producir respuestas electromagnéticas útiles para el diseño de sensores o dispositivos de detección no destructiva. Por lo general, este tipo de sensores están conformados por un material aislante y un material conductor, sensibles al índice de refracción de la capa superior del analito. En presencia del grafeno se ha observado que dicha interacción (sensor- analito) se ve mejorada por cambios en la intensidad de la resonancia y, por lo tanto, se pueden lograr cambios de amplitud que favorecen aún más la sensibilidad de detección.
En un estudio realizado en 2023 por la Escuela de Ingeniería Electrónica y de la Información de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Zhejiang, Hangzhou, China, se diseñó un sensor compuesto por una película de poliimida (PI) como capa aislante, una estructura de aluminio como capa conductora y una monocapa de grafeno como interfaz de detección. Los resultados de la simulación indicaron que el grafeno puede modular todo el campo eléctrico y producir un cambio de amplitud que incrementa los límites detección de manera importante.
En otro estudio realizado en el Laboratorio de materiales nanoestructurados del Instituto de Física de la UASLP., se utilizó óxido de grafeno funcionalizado con nanopartículas de oro como plataforma de biodetección por SERS (Surface Enhanced Raman spectroscopy), una importante técnica para la detección biológica gracias a su alta sensibilidad, bajos requerimientos de muestra, relativamente bajo costo y detección en tiempo real. Para la investigación se utilizó cristal violeta como molécula estándar y flavin adenin dinucleótido como coenzima experimental por su participación en numerosos procesos redox de reacciones metabólicas y transporte biológico de electrones. Los resultados arrojaron que los híbridos de óxido de grafeno con nanopartículas de oro mejoran sustancialmente las señales SERS en comparación con las nanopartículas individuales. Además, los resultados son consistentes con otras investigaciones sobre la identificación de una importante mejora para la estabilización de moléculas y reducción de la fluorescencia durante las mediciones, la cual suele ser una gran desventaja de este tipo de técnicas, respaldando su potencial como herramienta diagnóstica o de seguimiento.
Eliminación de gases tóxicos
Los avances en la nanoingeniería permiten que las láminas de grafeno y GO puedan manipularse para la detección y separación de ciertos gases. De acuerdo con los resultados de un estudio realizado por el Departamento de Ingeniería Energética de la Universidad de Hanyang, Seúl, Corea, la difusión selectiva se puede lograr controlando los canales y poros del flujo de gas mediante diferentes métodos de apilamiento, logrando demostrar que los grupos funcionales del GO proveen un comportamiento de adsorción único hacia el CO2. .
Conversión de CO2
Las propiedades fotocatalíticas del GO también pueden ser aprovechadas para la conversión de CO2 en hidrocarburos como el metanol para la captación de la energía solar y la reducción de CO2. En 2018, dentro del laboratorio de Tecnología Avanzada para Síntesis y Procesamiento de Materiales, de la Universidad Tecnológica de Wuhan, China, se utilizaron nanopartículas de cromato de plata (Ag2CrO4) como fotosensibilizador y GO como co- catalizador para la reducción fotocatalítica de CO2 en metanol y metano. El estudio concluyó que esta sinergia entre nanopartículas puede mejorar hasta 2,3 veces la actividad de conversión bajo irradiación solar gracias a una mejor absorción de luz, mayor adsorción de CO2 y mejor eficiencia en la separación de carga.
Descontaminación de agua
Las tecnologías del agua tienen diversas áreas de oportunidad, particularmente en el mejoramiento de los sistemas de filtración o de membranas. A este respecto se ha encontrado que el uso de nanoestructuras híbridas de grafeno, por ejemplo, con rutenio o magnetita puede permitir la eliminación de microorganismos y materia orgánica presentes en el agua. No obstante, se continúa el avance de las investigaciones para el perfeccionamiento de las metodologías basadas en grafeno para la eliminación y reducción de iones metálicos como el zinc, cobre, plomo, cadmio, cobalto, entre otros.
En Energeia- Graphenemex® reconocemos y admiramos los avances que los centros de investigación han logrado en distintas áreas del conocimiento, partiendo de la ciencia básica hasta resultados en ciencia aplicada. Tenemos la firme convicción de que en el corto o mediano plazo este tipo de tecnologías las veremos materializadas en productos reales, útiles para la sociedad y el medio ambiente.
Redacción: EF/ DHS
Referencias
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El Grafeno como Motor de la Revolución Energética:
Avances en Eficiencia y Almacenamiento de Energía Renovable
En el ámbito actual, la preocupación por el medio ambiente y el cambio climático ha dejado de ser una moda para convertirse en una prioridad. Esto ha dado lugar a la creación de equipos multidisciplinarios a nivel global, enfocados en encontrar soluciones tecnológicas más sostenibles para los desafíos energéticos, como la generación y almacenamiento de energía, con el objetivo adicional de reducir al máximo las emisiones.
En este contexto, la gestión de la energía térmica mediante tecnologías pasivas, como la solar, ha adquirido una importancia significativa. Su aprovechamiento como una alternativa ecológica y energéticamente eficiente ha experimentado un crecimiento considerable, desde su aplicación en entornos domésticos hasta sistemas de generación eléctrica.
Sin embargo, la intermitencia natural de la energía solar debido a los ciclos diurnos y nocturnos plantea desafíos a largo plazo. Por esta razón, es necesario considerar tecnologías complementarias, como los materiales de cambio de fase (PCM por sus siglas en inglés). Estos materiales tienen la capacidad de absorber energía térmica del entorno para cambiar su estado, liberando esta energía almacenada para aplicaciones de calefacción o refrigeración en diversos sectores, incluyendo la construcción, dispositivos electrónicos y aplicaciones aeroespaciales, entre otros.
Dentro de los PCM más conocidos se encuentra la parafina, cuya capacidad de cambio de fase sólido-líquido le permite almacenar calor latente al absorber energía térmica hasta alcanzar su punto de fusión. Aunque las parafinas presentan ventajas como ser materiales seguros, confiables y económicos, así como tener una estabilidad aceptable para ciclos largos de cristalización-fusión, también enfrentan desafíos, como su baja conductividad térmica y su fuga en estado líquido.
Afortunadamente, los PCM, incluyendo la parafina, se benefician de los avances en nanotecnología, especialmente al ser modificados con nanopartículas como el Grafeno. La incorporación de Grafeno en PCM como la parafina mejora significativamente la conductividad térmica y la eficiencia energética, facilitando el almacenamiento y conversión de energía solar a térmica.
¿Qué hace tan especial al Grafeno?
El Grafeno gracias a sus excepcionales características fisicoquímicas es uno de los nanomateriales más prometedores como coadyuvante en la resolución de las problemáticas energéticas. A diferencia de otras nanoestructuras de carbono como el diamante, grafito, carbón activado, fullerenos o nanotubos, el Grafeno tiene mejores propiedades eléctricas y mecánicas, con la ventaja adicional de que se combina fácilmente con otros compuestos como los PCM para compartir sus características y mejorar su desempeño. Por ejemplo, comparado con los nanotubos, una de las nanoestructuras de carbono más conocidas y estudiadas, el Grafeno tiene una mayor movilidad de cargas (200.000 cm2 V 1 s 1 Vs. 150.000 cm2 V 1 s 1), mayor conductividad eléctrica (6,6 MS m -1 Vs. 0,35 MS m -1), y mayor transmitancia (97,0% Vs. 95,7%) que lo hacen sumamente atractivo para su uso en materia energética.
¿Cómo se relacionan el Grafeno con los PCM para el aprovechamiento de la energía solar?
Históricamente desde el punto de vista sostenible y como aplicación real, la arquitectura es uno de los claros ejemplos en el aprovechamiento de la energía solar. Partiendo en la antigüedad con la fabricación de paredes de adobe para atrapar el calor del día y liberarlo durante la noche, hasta la infraestructura moderna con el uso de calentadores o paneles solares hasta la implementación de muros Trombe como herramienta de calefacción pasiva. Por ejemplo, estos últimos constan de un sistema de materiales como el vidrio, madera, acero, aluminio, concreto y PCM como la parafina, dispuestos en configuraciones especiales que en conjunto permiten absorber el calor para conducirlo lentamente hacia la vivienda. A partir la identificación de las propiedades multifuncionales del Grafeno y de la exploración de sus beneficios en distintos sectores, pudo identificarse que su incorporación en la parafina utilizada para la fabricación de sistemas de calefacción pasiva puede mejorar la conductividad térmica o la fuerza impulsora hasta en un 164%, mostrando una evidente superioridad sobre las nanopartículas híbridas de alta eficiencia como el Cu-TiO2 o Al2O3-MWCNT, cuyos beneficios normales oscilan entre el 50 y 70%. Esto quiere decir que, en caso de lograr integrar estas tecnologías a los sistemas de calefacción pasiva además de mejorar el confort térmico durante todo el año también representaría ahorros energéticos importantes, además de reducir las emisiones de CO2.
Celdas solares
Otra conocida aplicación potencial de la nanotecnología en el sector energético, es el diseño de la cuarta generación de paneles solares, que incluye el uso de nanomateriales bidimensionales como el disulfuro de molibdeno (MoS2), Diseleniuro de wolframio (WSe2) y nuevamente, el Grafeno.
Entre las ventajas más representativas que el Grafeno ha demostrado sobre otros materiales está, además de su resistencia mecánica, su alta movilidad de cargas, gran transmitancia, ligereza, flexibilidad y estabilidad, que han logrado que en menos de 10 años su desempeño para el diseño de paneles solares haya tenido importantes avances al incrementar su eficiencia del 1.5% al 15%, casi comparable con la eficiencia de las celdas actuales que oscila entre el 20 y 22%. No obstante, y en vías de mejorar aún más estos porcentajes, los expertos en la materia continúan explorando metodologías a partir del dopaje del Grafeno con otras estructuras como el silicio, hexafluoruro de molibdeno, óxido de molibdeno, cloruro de tionilo, ácido trioxionítrico, cloruro de oro, boro, oxígeno, nitrógeno, fósforo o azufre, para reducir su resistencia y aprovechar mejor la energía de la luz solar.
En Energeia – Graphenemex,la empresa líder en Latinoamérica en el diseño y desarrollo de aplicaciones con materiales grafénicos somos sensibles de los retos que, como cualquier tecnología emergente, el Grafeno enfrenta, y nos es grato formar parte del selecto grupo de investigadores e industriales que a nivel mundial busca beneficiar a la sociedad, a la economía y al medio ambiente con las bondades que estos maravillosos materiales pueden ofrecer.
Gracias a nuestro equipo multidisciplinario en muy poco tiempo hemos logrado vencer los obstáculos que han limitado la llegada de este material al mercado en aplicaciones reales, comenzando con su producción a gran escala, con calidad controlada y a un costo asequible, así como con el desarrollo de nuevos productos con nanoingeniería grafénica sobre los cuales ha sido fundamental controlar su estabilidad y compatibilidad con los compuestos y procesos utilizados en cada aplicación o industria.
Probablemente el Grafeno como aliado de las energías renovables aún está en etapas incipientes y no propiamente por su manipulación, sino por la complejidad que este sector representa, sin embargo, no se deben desestimar los importantes avances logrados a lo largo de la última década, puesto que son las bases para las siguientes generaciones de equipos y/o tecnologías.
Redacción: EF/DHS
Referencias
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R. Bharathiraja, T. Ramkumar, M. Selvakumar. Studies on the thermal characteristics of nano-enhanced paraffin wax phase change material (PCM) for thermal storage applications. J. Energy Storage, 73, Part C, 2023, 109216;
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Top Khac Le., et al., Advances in solar energy harvesting integrated by van der Waals graphene heterojunctions. RSC Adv., 2023, 13, 31273
Aprovechando el Potencial del Grafeno para Carreteras Sostenibles
La mayor parte de la infraestructura vial en el mundo está conformada por pavimento compuesto por un sistema complejo de asfalto, agregados y aglutinantes que interactúan en una interfaz que mantiene su resistencia y estabilidad estructural. De acuerdo con el Asphalt Institute, anualmente se producen 87 millones de toneladas de asfalto en todo el mundo, de las cuales, alrededor del 85% se utiliza en la industria de pavimentación que, si bien ofrece una gran capacidad de carga y durabilidad, es inevitable que el asfalto se dañe por la exposición constante a radiación, temperatura, humedad y tráfico.
Por otro lado, el deterioro del asfalto no solo afecta a una infraestructura de transporte básica para el desarrollo socioeconómico de la población, sino que también involucra impactos ambientales en términos de agotamiento de recursos y altas emisiones de CO2 causadas por las obras viales. Estos factores se suman a las razones para la constante búsqueda de tecnologías de modificación que aumenten la durabilidad y mejoren las propiedades mecánicas de los pavimentos mediante el uso de fibras, caucho; aditivos como elastómeros termoplásticos, resinas plásticas y sintéticas, polvo de hierro, cal hidratada o desechos de vidrio. Sin embargo, en algunos casos, la aplicación de estos productos pueden presentar problemas prácticos como condiciones especiales de preparación, poca estabilidad de almacenamiento, dificultad para mezclar en construcción y complejidad para compatibilizar dichos componentes con el sistema asfáltico.
Afortunadamente, las nanoestructuras de carbono como el grafeno y óxido de grafeno (GO) vuelven a aparecer en escena como propuestas de soluciones para estas problemáticas a partir de interesantes aportaciones al asfalto en cuanto a rigidez, antienvejecimiento, resistencia a la deformación y penetración; reducción en la aparición de surcos, mejor consistencia y capacidad de transferencia de calor; resistencia al deslizamiento e incluso, reducción en el esfuerzo necesario para la compactación durante su preparación.
Además, entre las ventajas del grafeno está que puede mezclarse con otras tecnologías modificadoras de asfalto como el polietileno de baja densidad (LDPE), polietileno de alta densidad (HDPE), tereftalato de polietileno (PET), poliestireno (PS), caucho granulado, escoria de horno, resinas epóxicas y, sobre todo, con el estireno-butadieno-estireno (SBS), el cual es uno de los polímeros más aceptados en la industrial del asfalto y con el cual, el óxido de grafeno (GO) gracias a su contenido de oxígeno promueve la absorción de aromáticos y saturados del SBS con una importante mejora en la respuesta de temperatura, adherencia y rigidez en el ligante.
Algunos de los métodos identificados que prometen simplificar la incorporación del grafeno en las mezclas asfálticas son:
Método de adición directa: el grafeno es incorporado al ligante asfáltico previamente fundido.
Método de adición indirecta: el grafeno y el aglutinante asfáltico se disuelven simultáneamente en una solución media para posteriormente formar una solución uniforme.
Método de adición auxiliar: el grafeno se modifica químicamente con grupos funcionales o se adiciona en conjunto con otros agentes modificadores para posteriormente fundirse en el aglutinante asfáltico.
Aunque hasta el momento son pocas las empresas que han explorado al grafeno como aditivo mejorador del asfalto, la amplia investigación realizada a lo largo de la última década está ayudando a sentar las bases para comprender y proyectar el potencial de esta tecnología en beneficio de la industria de la pavimentación. Incluso, el pasado mes de febrero de 2024, la revista Infraestructures publicó los resultados del proyecto ECOPAVE fundado por la Unión Europea, el cual consistió en una prueba en campo con 5 años de duración realizada a lo largo de 1 km de tráfico pesado al sur de Roma, Italia. Para el estudio se colocaron cuatro secciones de pavimento asfáltico con y sin adiciones de polímeros modificados con grafeno. Transcurridos los 5 años de evaluación los investigadores reafirmaron el potencial del asfalto modificado con el polímero de grafeno como tecnología innovadora y factible para la pavimentación de carreteras de alto tráfico, gracias a que demostró valores de rigidez más altos a diferentes temperaturas, mejor comportamiento a la fatiga y mayor resistencia a la deformación que, en conjunto prometen una mayor vida útil, con una reducción importante en los gastos de mantenimiento.
En Energeia- Graphenemex® como líderes en el desarrollo de aplicaciones con grafeno tenemos la firme convicción de que, aunque aún hay trabajo por realizar, falta muy poco para poder disfrutar de los beneficios económicos y ambientales que esta maravillosa tecnología puede aportar no solo a nuestras calles y carreteras, sino a la sociedad.
Redacción: EF/DHS
Referencias
Mechanism and Performance of Graphene Modified Asphalt: An Experimental Approach Combined with Molecular Dynamic Simulations. Case Studies in Construction Materials. 2023, 18, e01749;
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A complete study on an asphalt concrete modified with Graphene and recycled hard-plastics: A case study. Case Studies in Construction Materials. 2022, 17, e01437;
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Mechanical Characteristics of Graphene Nanoplatelets-Modified Asphalt Mixes: A Comparison with Polymer- and Not-Modified Asphalt Mixes. Materials 2021, 14, 2434;
Impact of Graphene Oxide on Zero Shear Viscosity, Fatigue Life and Low-Temperature Properties of Asphalt Binder. Materials 2021, 14, 3073;
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Modified Asphalt with Graphene-Enhanced Polymeric Compound: A Case Study. Infrastructures 2024, 9, 39.
Optimización de Compuestos de Fibra de Vidrio y de Carbono:
Mejorando Propiedades con Nanopartículas de Grafeno
Las fibras de vidrio y de carbono gracias a sus excelentes propiedades son ampliamente utilizados en industrias como la aeroespacial, marítima, automotriz, deportiva, construcción e incluso para la fabricación de componentes fundamentales de energías renovables como la eólica. Sin embargo, pese a su excelente desempeño, son compuestos que suelen presentar un fenómeno conocido como “delaminación interlaminar” derivada de una débil interacción interfacial fibra/resina que puede comprometer la vida útil y seguridad del producto debido a su importante participación en la transferencia de tensión entre ambos elementos. Al ser esta interacción clave para el éxito a largo plazo de las estructuras compuestas, se han explorado diversas alternativas de mejora como la fijación en Z, cosido y trenzado; aumento del área superficial y la reactividad de las fibras por medio de modificaciones superficiales como el tratamiento con plasma, modificación térmica o funcionalización química que, evidentemente son procesos complejos, costosos y no siempre eficientes que, además, tienden a reducir el rendimiento del laminado en el plano.
“Como estrategia adicional y de relativamente reciente aparición, se propuso la incorporación de nanopartículas al material compuesto por fibras buscando favorecer la interacción con la matriz en la que se embeben”.
El Grafeno, el nanomaterial conocido como la piedra angular de la familia del carbono y que desde su aislamiento ha resaltado calificativos como “el material del futuro” o “el material milagro”, es un atractivo candidato como nano refuerzo de incontables compuestos poliméricos gracias a su estructura plana grafitizada única, que da lugar a mejores propiedades mecánicas, térmicas, entre otras que, a diferencia de otras nanopartículas como los nanotubos de carbono (CNT, por sus siglas en inglés), no suele aumentar de manera relevante la viscosidad de las resinas y por lo tanto, permite incorporar concentraciones más altas favoreciendo la tan mencionada interacción fibra/matriz.
Las investigaciones sobre los efectos del grafeno para el diseño de materiales híbridos a base de fibras (vidrio/carbono) embebidas en una matriz polimérica comúnmente de naturaleza epóxica, han destacado mayor rigidez de los compuestos, mejoras en resistencia a la fractura, mejor lubricación e incluso mejor conductividad eléctrica. Esto se debe a que su gran superficie de área permite una transmisión de carga efectiva desde la matriz blanda del polímero a las láminas de grafeno que son relativamente más rígidas, lo cual es un requisito esencial para mejorar el rendimiento mecánico, ratificado por una mayor resistencia al corte interlaminar del material, mayor resistencia a la tracción y al impacto. Además, durante la manipulación y corte de las estructuras híbridas de fibra, la presencia del grafeno contribuye a generar menos calor durante el fresado, conduce a temperaturas de corte más bajas y menor rugosidad en la superficie; asimismo, otro de los beneficios es que el grafeno produce mayor efecto endurecedor y mejor resistencia a la flexión del material expuesto a distintas temperaturas con registros desde los 40 °C hasta los 200 °C.
En Energeia- Grapenemex la empresa líder en América latina en la producción de materiales grafénicos y en el desarrollo de aplicaciones, estamos convencidos de que las extraordinarias capacidades del grafeno como nanorefuerzo de incontables matrices tridimensionales continuarán alentando a investigadores y colegas industriales a explorar sus beneficios para la fabricación de componentes estructurales más resistentes y ligeros de aeronaves como fuselaje y alas; autopartes y carrocerías aerodinámicas de automóviles; aerogeneradores, equipos deportivos, materiales de construcción, entre otros.
La imagen inferior evidencia la buena interacción fibra/matriz promovida por la presencia del grafeno 5.
Redacción: EF/DH
Referencias:
Effect of dispersion of alumina nanoparticles and graphene nanoplatelets on microstructural and mechanical characteristics of hybrid carbon/glass fibers reinforced polymer composite. Journal of material research and technology. 2021, 14, 2624;
Experimental investigation on the properties of glass fiber-reinforced polymer composites containing Graphene. AIP Conf. Proc. 2022, 2405, 050009;
Reinforcement effect of graphene oxide in glass fibre/epoxy composites at in-situ elevated temperature environments: An emphasis on graphene oxide content. Composites part A: Applied science and manufacturing. 2017, 95, 40;
Preparation and Mechanical Properties of Graphene/Carbon Fiber-Reinforced Hierarchical Polymer Composites. J. compos sci. 2019, 3, 30;
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Size effect of graphene nanoplatelets on the morphology and mechanical behavior of glass fiber/epoxy composites. J Mater Sci. 2016, 51, 3337.
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
G. Wang, X. Shen, B. Wang, J. Yao, J. Park, Synthesis and characterisation of hydrophilic and organophilic graphene nanosheets, Carbon N. Y. 47 (no. 5) (2009) 1359–1364.
B. Ramezanzadeh, M. Mohseni, H. Yari, S. Sabbaghian, A study of thermal-mechanical properties of an automotive coating exposed to natural and simulated bird droppings, J. Therm. Anal. Calorim. 102 (no. 1) (2010).
N. Rajagopalan, A.S. Khanna, Effect of Methyltrimethoxy Silane Modification on Yellowing of Epoxy Coating on UV (B) Exposure vol. 2014, (2014).
M. Hasani, M. Mahdavian, H. Yari⁎, B. Ramezanzadeh. Versatile protection of exterior coatings by the aid of graphene oxide nanosheets; comparison with conventional UV absorbers. 2017.
S.M. Mirabedini, M. Sabzi, J. Zohuriaan-Mehr, M. Atai, M. Behzadnasab,
Weathering performance of the polyurethane nanocomposite coatings containing silane treated TiO2 nanoparticles, Appl. Surf. Sci. 257 (no. 9) (2011) 4196–4203.
N.S. Allen, M. Edge, A. Ortega, C.M. Liauw, J. Stratton, R.B. McIntyre, Behaviour of nanoparticle (ultrafine) titanium dioxide pigments and stabilisers on the photooxidative stability of water based acrylic and isocyanate based acrylic coatings, Polym. Degrad. Stab. 78 (no. 3) (2002) 467–478.
Effect of Silane Modified Nano ZnO on UV Degradation of Polyurethane Coatings. vol. 79, (2015), pp. 68–74.
M. Rashvand, Z. Ranjbar, S. Rastegar, Nano zinc oxide as a UV-stabilizer for aromatic polyurethane coatings, Prog. Org. Coatings 71 (4) (Aug. 2011) 362–368.
Explorando las Tendencias del Grafeno en la Industria
Parte II
En el artículo anterior sobre Innovaciones textiles se abordaron las tendencias del grafeno en la industria enfocadas en aplicaciones prácticas aprovechando sus propiedades eléctricas, térmicas, resistencia al fuego y mecánicas sobre textiles; a continuación se describirán las ventajas del grafeno tomando en consideración el resto de sus beneficios multifuncionales como el efecto barrera con enfoque impermeable y antimicrobiano, así como sus aportaciones en cuanto a protección contra la radiación Uv y confort.
Resistencia mecánica.
La alta resistencia mecánica del grafeno es ampliamente conocida, con un módulo de Young de ~1100 Gpa y una tensión mecánica a la rotura de 42 N/m, por lo que una sola capa de grafeno es 200 veces más resistente que el acero en igualdad de espesor. Esta fuerza se puede utilizar en compuestos modificados con grafeno, de tal manera que puedan soportar grandes esfuerzos sin deformarse y obteniendo mayor resistencia con menor calibre.
En tejidos de lana se ha encontrado una excelente linealidad con más del 20% de alargamiento, resistencia a la humedad del 30 al 90% y buenas propiedades eléctricas y mecánicas. En fibras producidas con un 25% de contenido de lana, la modificación con un compuesto grafénico exhibió una mayor resistencia mecánica (~ 327 MPa) con reducciones en su diámetro de hasta ~ 70% (~ 30 a ~ 20 µm), en comparación con otras fibras como púas de plumas (~ 161 MPa), fibras de queratina (~ 138 MPa), fibras de lana (~ 173 MPa), fibras compuestas de alpaca / PAN (~ 297 MPa) y fibras de viscosa (~ 276 MPa), reportadas en la literatura. Estos cambios pueden explicarse por el efecto del compuesto grafénico sobre la reducción de los defectos en la superficie interna de la fibra y en su contribución para mejorar la orientación molecular de la cadena polimérica de la fibra.
Propiedades de barrera
La naturaleza hidrofóbica del grafeno, el tamaño de sus nanocanales y la elevada densidad de electrones sobre su superficie lo vuelve una estructura altamente impermeable a materia particulada, líquidos y gases. Por otro lado, la manera que tienen los compuestos grafénicos de interactuar con otros materiales y de organizar a nivel molecular la estructura tridimensional de los mismos, permite crear compuestos con arquitecturas más densas y organizadas a nivel molecular disminuyendo la porosidad de los materiales y creando compuestos además de impermeables, también más resistentes mecánicamente y con importantes índices de recuperación o de resistencia a la deformación.
Barrera antimicrobiana
Otra ventaja del uso del grafeno en la industria textil es su capacidad antimicrobiana, considerando la persistencia y aparición de nuevos retos como el riesgo que conlleva el anclaje, proliferación y propagación de microorganismos sobre las prendas utilizadas particularmente por el sector médico.
Mecanismos de barrera antimicrobiana
– Exclusión por tamaño. El tamaño de los microorganismos puede variar desde los 10 nm hasta 3 micrómetros, por lo tanto, no logran permear a través de la barrera que provee la distancia interatómica de átomos de carbono de las láminas del grafeno (0.142 nm- 0.9 nm).
– Estrés oxidativo. Las interacciones entre los extremos polares de los fosfolípidos de las membranas celulares con el grafeno generan estrés oxidativo irreversible y muerte microbiana. Además, su gran capacidad de anclaje a proteínas puede inhibir la capacidad enzimática de algunos microorganismos.
– Daño a la membrana. Los bordes cortantes de las láminas del grafeno dañan físicamente la estructura de los microorganismos, evitando la adherencia microbiana a las superficies, pero sin tener efectos adversos sobre la piel.
Protección UV.
El espectro de absorción del grafeno abarca todo el espectro electromagnético, con un pico de absorción alrededor de 281 nm, por lo que puede absorber radiación UV con una longitud de onda comprendida entre 100 y 281 nm. Para longitudes mayores a 281 nm, la reflexión que provee el grafeno juega un papel importante en cuanto a la resistencia a la radiación UV y por lo tanto a la mayor durabilidad de los materiales, sobre todo aquellos expuestos a la intemperie.
Confort
Textiles como el algodón, el lino o las telas de seda, son altamente hidrófilas, pero tienen poca capacidad de transporte de moléculas de agua, es decir, pueden absorber la humedad del vapor y la transpiración líquida, pero no pueden desorber el agua hacia la superficie exterior, por lo tanto, el agua retenida en la tela hará que las telas estén húmedas o pegajosas siendo incómodo para el usuario; la hidrofobicidad de los compuestos grafénicos repele o evita el transporte de agua hacia la capa interior y a la vez transporta el agua inversamente a su superficie exterior, además, su excelente capacidad de regulación térmica evita que el calor y la humedad se concentre, evitando que se genere un ambiente propicio para la proliferación de microorganismos como hongos, bacterias virus, ácaros, y por lo tanto infecciones, manchas y malos olores.
En Energeia- Graphenemex® como líderes en América latina en la producción y desarrollo de aplicaciones con grafeno, estamos convencidos del gran potencial de este maravilloso material para atender las necesidades de sectores industriales como la industria textil. Asimismo, estamos sensibilizados sobre las necesidades científicas, técnicas, económicas y éticas que cada proyecto involucra para su materialización en un producto diferenciado. Por esta razón, somos un aliado estratégico para otras compañías interesadas en innovar y mejorar sus productos y/o procesos a partir de la conformación de equipos multidisciplinarios que allanen el camino para la introducción de nuevas tecnologías como el grafeno en el mercado. Esperamos tener pronto los primeros textiles con grafeno en México.
Graphene-based fabrics and their applications: a review. RSC Advances. 2016, 6:68261;
Fabrication of a graphene coated nonwoven textile for industrial applications. Australian Institute for Innovative Materials – Papers. 2016, 2173;
New Perspectives on Graphene/ Polymer Fibers and Fabrics for Smart Textiles: The Relevance of the Polymer/Graphene Interphase. Front. Mater. 2018, 5:18;
Graphene applied textile materials for wearable e-textile. 5 th International Istanbul Textile Congress 2015: Innovative Technologies Inspire to Innovate‖ September 11th -12th 2015 Istanbul, Turkey;
The Effect of Graphene Oxide on Flame Retardancy of Polypropylene and Polystyrene. Materials Performance and Characterization 2020, 9, 1, 284;
Engineering Graphene Flakes for Wearable Textile Sensors via Highly Scalable and Ultrafast Yarn Dyeing Technique. ACS Nano 2019, 13, 4, 3847;
Highly Conductive, Scalable, and Machine Washable Graphene-Based E-Textiles for Multifunctional Wearable Electronic Applications. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2000293;
Creating Smart and Functional Textile Materials with Graphene. Nanomaterials and Nanotechnology Biomedical, Environmental, and Industrial Applications. 2021, Chapter 13.;
Thermal Degradation and Flame-Retardant Mechanism of the Rigid Polyurethane Foam Including Functionalized Graphene Oxide. Polymers 2019, 11, 78;
Tuning sound absorbing properties of open cell polyurethane foam by impregnating graphene oxide. App Acoustics. 151, 2019, 10;
Intumescent flame-retardant polyurethane/reduced graphene oxide composites with improved mechanical, thermal, and barrier properties. Journal of Materials Science. 2014, 49, 243;
Production and characterization of Graphene Nanoplatelet-based ink for smart textile strain sensors via screen printing technique. Materials & Design. 198, 15 2021, 109306;
Caracterización de un tejido mezcla poliéster/ algodón aplicando grafeno mediante el proceso de adsorción. Tesis 2020;
Síntesis y formulación de nuevas espumas de poliuretano flexibles con propiedades mejoradas. Tesis 2018.
Explorando las Tendencias del Grafeno en la Industria
Parte I
El grafeno es un nanomaterial bidimensional a base de átomos de carbono que está revolucionado la ciencia de los materiales y la nanotecnología, ya que es el único material conocido por el hombre en el convergen una gran cantidad de propiedades térmicas, eléctricas, mecánicas, ópticas, etc., y que además tiene la capacidad de combinarse con otras estructuras para compartir sus propiedades, modificando y mejorando sustancialmente sus características de origen. Desde su aislamiento en 2004, una gran cantidad de investigadores e industrias alrededor del mundo han intentado aprovechar sus extraordinarios beneficios explorando gradualmente cada una de sus propiedades, sin embargo, los altos costos de producción y la dificultad para obtener cantidades suficientes para su aplicación industrial, han limitado la llegada de productos al mercado.
Aún frente a estas dificultades, la industria textil no se ha quedado inmóvil ante las oportunidades que la nanotecnología grafénica representa y durante la última década ha estudiado no solo al grafeno y sus derivados, sino a otros nanomateriales como las nanopartículas de cobre (CuNp´s), plata (AgNp´s), oro (AuNp´s), óxido de zinc (ZnO), dióxido de (TiO2) y nanotubos de carbono por mencionar algunos, con la finalidad de proveer a los textiles de propiedades antimicrobianas, retardantes a la flama, resistencia mecánica, conductividad eléctrica, entre muchas otras. La diferencia principal es que, mientras que la mayoría de las nanopartículas suelen tener una propiedad específica, el grafeno ofrece capacidades multifuncionales, es decir, puede proveer o mejorar más de un beneficio.
¿Qué beneficios tiene el grafeno en la industria textil?
La lista de propiedades del grafeno es muy amplia y compleja, que parte de beneficios mecánicos hasta de barrera que son de gran interés para incontables usos. En cuanto a la industria textil se refiere, de todas las propiedades del grafeno, las primeras que despertaron interés fueron la conductividad eléctrica y térmica, pero gracias a su extensa investigación, el día de hoy se tiene identificada una amplia gama de beneficios que correlacionan su multifuncionalidad.
Es importante tener en mente que las extraordinarias características de los materiales grafénicos descritas en la literatura generalmente corresponden a mediciones realizadas sobre los nanomateriales en su forma pura, pero que para aprovechar realmente sus beneficios en aplicaciones tangibles, es necesario combinarlo con materiales tridimensionales sobre los cuales sea posible transferir sus propiedades. En este aspecto, las matrices poliméricas han demostrado ser altamente eficientes como soporte de los materiales grafénicos a través de procesos amigables para su integración y con interesantes mejoras en sus propiedades físico- químicas, donde, uno de los retos más importantes reside en la naturaleza de la interfase grafeno/polímero, siendo que, entre más fuerte y estable es la interfase, mejor será la transferencia de propiedades.
¿Cómo interactúa el grafeno con los materiales textiles?
En la escala nanométrica, los mecanismos de interacción dependen de múltiples factores, pero en general ocurren a través de interacciones electrostáticas, fuerzas de Van der Waals, puentes de hidrógeno, interacciones π-π o interacciones hidrofóbicas; en la escala macrométrica dicha interacción puede comprenderse mejor sobre con el tipo de grafeno, del material textil y del método o momento de integración. Este último punto es de suma importancia, porque no es suficiente tener el grafeno adecuado para proveer o mejorar determinada propiedad, sino que su anclaje y permanencia en toda la estructura de las fibras textiles naturales o sintéticas son variables que aumentan su complejidad. Es decir, en la mayoría de los casos son necesarias modificaciones químicas adicionales al grafeno, aunque también debe considerarse la implementación de otros aditivos para la modificación de cargas que favorezcan las interacciones y el autoensamblaje del nanomaterial con las fibras o incluso emplear otras herramientas o tecnologías para mejorar la interacción de todos los componentes como la infiltración al vacío, prensado o métodos de teñido.
Pero el tema no es tan simple, diversos estudios han identificado que si bien la presión y calor, en efecto ayudan a la penetración y homogeneidad del grafeno dentro de la fibra, reduce las escamas y mejoran la suavidad de la tela, estos métodos pueden ser superficiales y no proveer de beneficios mecánicos o de retardo al fuego. Para este tipo de modificaciones lo ideal es que el grafeno esté perfectamente integrado en toda la estructura de la fibra como ocurre en las telas no tejidas a base de polímeros termoplásticos, porque como es bien conocido, el éxito de la transferencia de las multifunciones del grafeno a otros materiales no solo depende de la presencia del grafeno sino de la identificación o creación de nuevas tecnologías que garanticen su distribución y permanencia en toda la estructura del material de soporte.
Por lo extenso del tema, el presente artículo ha sido dividido en dos secciones. En esta primera parte hablaremos sobre los usos de las propiedades eléctricas, térmicas (resistencia al fuego) y mecánicas del grafeno en textiles; en la siguiente publicación se concluirá la descripción sobre las propiedades de barrera, protección contra radiación Uv y confort.
Conductividad eléctrica
La gran conductividad eléctrica del grafeno es sumamente interesante para la fabricación de textiles inteligentes con la adaptación de sensores, microprocesadores, indicadores luminosos, fibra óptica, etc., textiles con protección electromagnética y antiestática en vías de ser implementados en la industria petrolera, minera, militar y médica, ya que, además de proveer alta eficiencia conductora, el grafeno, al ser láminas monoatómicas de carbono, es libre de corrosión, no agrega volumen, peso, ni disminuye su flexibilidad, como lo suelen hacer las fibras metálicas.
También se ha estudiado para la incorporación de componentes digitales o electrónicos a las prendas como sensores para monitoreo de glucosa, monitoreo cardiaco, sensores de gas, sensores para monitoreo de tensión, torsión, movimiento, acústico, pulso, etc., o incluso para captación de energía solar.
Conductividad térmica
Entre las propiedades más conocidas del grafeno es su conductividad térmica que en diversos materiales, incluyendo los textiles, favorece la rápida disipación del calor, por lo tanto, su incorporación en materiales viscoelásticos para colchones o en textiles utilizados para prendas de verano ayuda a mantener un equilibrio térmico asociado al confort y descanso. Aunque esta misma propiedad también está siendo estudiada con fines terapéuticos para estimular la circulación sanguínea y ayudar a recuperar los músculos de la fatiga.
Por otro lado, los textiles con grafeno también se han utilizado como elementos calefactores en componentes de calefacción industrial y residencial como alfombras, asientos de automóviles y deshielo de las vías de acceso de los aviones; de igual manera, al estar el grafeno libre de corrosión y permitir menor peso, ofrece ventajas adicionales sobre los elementos calefactores metálicos.
Resistencia al fuego
La estabilidad térmica de los materiales grafénicos va a depender de su estructura química y puede estar en el rango de los 500 °C hasta 3000 °C, sin embargo, estas condiciones pueden variar cuando han sido funcionalizados o combinados con otros materiales, en los cuales el grafeno puede aumentar la temperatura de descomposición y el tiempo de ignición. La participación del grafeno es actuar como una barrera de gas debido a la tortuosa estructura interna entre sus nanocanales, es decir, reduce la difusión del gas combustible a la fuente de la llama, reduce la difusión de oxígeno, retarda la combustión inicial y previene la reignición. Por lo tanto, el grafeno mejora la estabilidad térmica de los polímeros al disminuir la tasa de liberación de calor del polímero, evita la propagación del fuego y disminuye el tiempo de ignición.
En algunos polímeros, la presencia del material grafénico puede acelerar el tiempo de ignición, pero una vez que se forma la capa de carbón, este cubre la superficie del polímero y protege la subcapa de la propagación del fuego. Esto se puede explicar porque el material grafénico actúa como una barrera durante el período de ignición y dificulta el deterioro de la cadena de la estructura del polímero, además de que, al formar rápidamente carbón en la superficie externa del polímero, que actúa como una barrera térmica física y disuade los combustibles en la llama. Finalmente, la composición química del grafeno está libre de halógenos, por lo tanto, no se liberan furanos y dioxinas causantes de problemas ambientales.
En Energeia- Graphenemex® como líderes en América latina en la producción y desarrollo de aplicaciones con grafeno, estamos convencidos del gran potencial de este maravilloso material para atender las necesidades de sectores industriales como la industria textil. Asimismo, estamos sensibilizados sobre las necesidades científicas, técnicas, económicas y éticas que cada proyecto involucra para su materialización en un producto diferenciado. Por esta razón, somos un aliado estratégico para otras compañías interesadas en innovar y mejorar sus productos y/o procesos a partir de la conformación de equipos multidisciplinarios que allanen el camino para la introducción de nuevas tecnologías como el grafeno en el mercado. Esperamos tener pronto los primeros textiles con grafeno en México.
Graphene-based fabrics and their applications: a review. RSC Advances. 2016, 6:68261;
Fabrication of a graphene coated nonwoven textile for industrial applications. Australian Institute for Innovative Materials – Papers. 2016, 2173;
New Perspectives on Graphene/ Polymer Fibers and Fabrics for Smart Textiles: The Relevance of the Polymer/Graphene Interphase. Front. Mater. 2018, 5:18;
Graphene applied textile materials for wearable e-textile. 5 th International Istanbul Textile Congress 2015: Innovative Technologies Inspire to Innovate‖ September 11th -12th 2015 Istanbul, Turkey;
The Effect of Graphene Oxide on Flame Retardancy of Polypropylene and Polystyrene. Materials Performance and Characterization 2020, 9, 1, 284;
Engineering Graphene Flakes for Wearable Textile Sensors via Highly Scalable and Ultrafast Yarn Dyeing Technique. ACS Nano 2019, 13, 4, 3847;
Highly Conductive, Scalable, and Machine Washable Graphene-Based E-Textiles for Multifunctional Wearable Electronic Applications. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2000293;
Creating Smart and Functional Textile Materials with Graphene. Nanomaterials and Nanotechnology Biomedical, Environmental, and Industrial Applications. 2021, Chapter 13.;
Thermal Degradation and Flame-Retardant Mechanism of the Rigid Polyurethane Foam Including Functionalized Graphene Oxide. Polymers 2019, 11, 78;
Tuning sound absorbing properties of open cell polyurethane foam by impregnating graphene oxide. App Acoustics. 151, 2019, 10;
Intumescent flame-retardant polyurethane/reduced graphene oxide composites with improved mechanical, thermal, and barrier properties. Journal of Materials Science. 2014, 49, 243;
Production and characterization of Graphene Nanoplatelet-based ink for smart textile strain sensors via screen printing technique. Materials & Design. 198, 15 2021, 109306;
Caracterización de un tejido mezcla poliéster/ algodón aplicando grafeno mediante el proceso de adsorción. Tesis 2020;
Síntesis y formulación de nuevas espumas de poliuretano flexibles con propiedades mejoradas. Tesis 2018.
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)
Weil, Edward. D. Fire-Protective and Flame-Retardant Coatings – A State-of-the-Art Review. Journal of Fire Sciences, 29(3), 259–296.
Lipiäinen, H., Chen, Q., Larismaa, J., & Hannula, S. P. (2016). The Effect of Fire Retardants on the Fire Resistance of Unsaturated Polyester Resin Coating. Key Engineering Materials, 674, 277–282.
Md Julker Nine, Dusan Losic. Mahmood Aliofkhazraei, Nasar Ali, Mircea Chipara, Nadhira Bensaada Laidani, Jeff Th.M. De Hosson, Handbook of Modern Coating Technologies, Elsevier, 2021, Pages 453-492.
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