El Grafeno:

una revolución en la industria papelera

La industria papelera representa un mercado muy amplio y versátil, de hecho y pese a los retos que afronta por el impacto de los medios digitales y por su competencia con el plástico, su producción mundial sigue siendo considerable superando los 400 millones de toneladas distribuidas en productos para envase y embalaje, de uso higiénico y sanitario, así como papel para impresión, escritura y prensa.

“Se estima que para fines del 2022 el cartón represente dos tercios de la producción mundial de papel”

Por otro lado, la continua necesidad de innovación así como la búsqueda de soluciones para las problemáticas inherentes a estos productos como su fácil contaminación y permeabilidad, han logrado que la nanotecnología se mantenga como una herramienta importante con el uso de distintos nanomateriales como los nano- cristales y nano- fibras de celulosa, nanopartículas de óxido de silicio (SiO₂), dioxido de titanio (TiO₂), dioxido de zinc (ZrO₂) y recientemente los materiales grafénicos como el grafeno y óxido de grafeno (GO) ¹ con el objetivo de diseñar bloques de construcción a nano- escala para obtener redes más densas y menos porosas que, además de mejorar la calidad del producto final también diversifiquen su uso.

“La celulosa, además de ser uno de los polímeros naturales más abundantes en la tierra, también es la materia prima principal de la industria papelera. El grafeno se obtiene del grafito, un mineral de carbono muy abundante en México”

¿Cómo benefician los materiales grafénicos a la industria papelera?

Cuando se habla del grafeno los principales puntos de referencia son su resistencia, impermeabilidad, flexibilidad, conductividad, ligereza, biocompatibilidad, etc., todo en un solo material. Ante esto es importante comprender que el comportamiento de los materiales grafénicos dependerá entre otras cosas, del tipo de grafeno, funcionalización y concentración, pero también de los procesos involucrados en cada industria y de la naturaleza de los materiales con los que se combinará para transferir sus propiedades y, por lo tanto, no hay una fórmula exacta para cada objetivo de uso, por ejemplo:

Resistencia mecánica- En el caso de las películas de celulosa la presencia de tan solo 0.5% de GO puede mejorar significativamente la resistencia a la tracción, el alargamiento a la rotura y la energía de fractura en un 78%, 172% y 397%, respectivamente; útil para su aplicación en películas bioplásticas de alto desempeño².

Protección antimicrobiana- Entre los beneficios de interés para la industria papelera están su biocompatibilidad, sus propiedades de barrera física y su actividad antimicrobiana. P. ej., un estudio que preparò un recubrimiento para papel con 0.05% de GO redujo en un 73% y 53% la tasa de crecimiento de bacterias como E. coli y S. aureus, respectivamente^3,4. Esto gracias a que el GO ayuda a limitar la adhesión, replicación y penetración microbiana.

Protección contra la radiación UV- De acuerdo con otro reporte, el uso de 2% de GO en películas de celulosa bloquea la radiación UVA y UBV en un 66,7% y 54,2% respectivamente, sin afectar la transmisión de la luz visible, propiedad interesante para el diseño de materiales de protección y embalaje.⁵

Propiedades de barrera- Los materiales grafénicos presentan nano- canales entre sus láminas que representan un camino tortuoso para el paso de moléculas de gran tamaño y, por lo tanto, es ampliamente investigado tanto por su gran impermeabilidad contra líquidos y gases, pero también por sus potenciales beneficios para la descontaminación, purificación e incluso desalinización de agua de mar. Investigaciones realizadas sobre membranas de acetato de celulosa (CA) para desalinización describieron que, el uso de 1% de GO mejora la morfología, hidrofilia, porosidad, rugosidad, resistencia mecánica, estabilidad térmica y, por ende, su eficiencia de funcionamiento, así como ha ocurrido con otro tipo de membranas como las de polisulfona, en las que una concentración de 0.2% de GO puede ser suficiente para mejorar hasta en un 72% su desempeño, en términos de flujo de agua y rechazo de sal en pruebas con sulfato de sodio^6,7. Lo anterior no solo se ve reflejado en la eficiencia de filtración y/o desalinización, sino también la optimización recursos de mantenimiento y consumo energético de dichos sistemas.

Energeia- Graphenemex®, la empresa líder en Latinoamérica en el diseño y desarrollo de aplicaciones con materiales grafénicos, trabaja continuamente para resolver los obstáculos que el grafeno enfrenta para llegar al mercado y, mediante alianzas estratégicas con otras industrias busca lograr que esta tecnología se convierta en la solución de distintas problemáticas.

Referencias

1. Trache, D., Thakur, V. K., & Boukherroub, R. 2020., Cellulose nanocrystals/graphene hybrids—a promising new class of materials for advanced applications. Nanomaterials, 10(8), 1523.
2. M. Akhtari, M. Dehghani-Firouzabadi, M. Aliabadi, M. Arefkhani. Effect of graphene oxide nanoparticle coatings on the strength of packaging paper and its barrier and antibacterial properties. 2019., Bois et Forêts des Tropiques. 342, 69.
3. W. Hu, Ch. Peng, W. Luo, M. Lv, X. Li, D. Li, Q. Huang, and Ch. Fan. Graphene-Based Antibacterial Paper. 2010. ACS Nano, 4, 7, 4317–4323
4. X. Liu, T. Zhang, K. Pang, Y. Duan and J. Zhang. Graphene oxide/cellulose composite films with enhanced UV-shielding and mechanical properties prepared in NaOH/urea aqueous solution. 2016., RSC Adv., 6, 73358
5. Zhang, X. F., Song, L., Wang, Z., Wang, Y., Wan, L., & Yao, J. 2020., Highly transparent graphene oxide/cellulose composite film bearing ultraviolet shielding property. International journal of biological macromolecules, 145, 663.
6. S. M. Ghaseminezhad, M. Barikani, M. Salehirad.  Development of graphene oxide-cellulose acetate nanocomposite reverse osmosis membrane for seawater desalination. Composites Part B: Engineering. 2019., 161, 15, 320.
7. B.M. Ganesh, Arun M. Isloor, A.F.Ismail., Enhanced hydrophilicity and salt rejection study of graphene oxide-polysulfone mixed matrix membrane. 2013., Desalination., 313, 199.