Óxido de Grafeno y su versatilidad en el desarrollo de aplicaciones

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

De Tecnologías de Detección a Soluciones Ambientales

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

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

Sistemas de detección

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

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

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

Eliminación de gases tóxicos

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

Conversión de CO2

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

Descontaminación de agua

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

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

Redacción: EF/ DHS   

Referencias

  1. A. Fasolino, J.H. Los, M.I. Katsnelson, Intrinsic ripples in graphene, Nat. Mater. 6 (2007) 858;
  2. W. Bao, F. Miao, Z. Chen, H. Zhang, W. Jang, C. Dames, C.N. Lau, Controlled ripple texturing of suspended graphene and ultrathin graphite membranes, Nat. Nanotechnol. 4 (2009) 562;
  3. G. Yildiz, M. Bolton-Warberg and F. Awaja. Graphene and graphene oxide for bio-sensing: General properties and the effects of graphene ripples. Acta Biomaterialia 131 (2021) 62;
  4. Lang, T.; Xiao, M.; Cen,W. Graphene-Based Metamaterial Sensor for Pesticide Trace Detection. Biosensors 2023, 13, 560;
  5. D. Hernández- Sánchez, E. G. Villabona Leal, I. Saucedo-Orozco, V. Bracamonte, E. Pérez, C. Bittencourt and M. Quintana, Phys. Chem. Chem. Phys., 2017;
  6. Kim, H.W.; Yoon, H.W.; Yoon, S.-M.; Yoo, B.M.; Ahn, B.K.; Cho, Y.H.; Shin, H.J.; Yang, H.; Paik, U.; Kwon, S. Selective gas transport through few-layered graphene and graphene oxide membranes. Science 2013, 342, 91;
  7. Kim, D.; Kim, D.W.; Lim, H.-K.; Jeon, J.; Kim, H.; Jung, H.-T.; Lee, H. Intercalation of gas molecules in graphene oxide interlayer: The role of water. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 11142;
  8. Xu, D.; Cheng, B.; Wang, W.; Jiang, C.; Yu, J. Ag2CrO4/g-C3N4/graphene oxide ternary nanocomposite Z-scheme photocatalyst with enhanced CO2 reduction activity. Appl. Catal. B Environ. 2018, 231, 368;
  9. Jiˇríˇcková, A.; Jankovský, O.; Sofer, Z.; Sedmidubský, D. Synthesis and Applications of Graphene Oxide. Materials 2022, 15, 920;
  10. M. Quintana, E. Vazquez & M. Prato, “Organic Functionalization of Graphene in Dispersions”, Acc. Chem. Res., vol. 46, n.o 1, pp. 138-148, 2013. DOI: 10.1021/ar300138e; 11. Roberto Urcuyo1,2,3, Diego González-Flores1,3, Karla Cordero-Solano, Rev. Colomb. Quim., vol. 50, no. 1, pp. 51-85, 2021;
  11. B. Xue, M. Qin, J. Wu et al., “Electroresponsive Supramolecular Graphene Oxide Hydrogels for Active Bacteria Adsorption and Removal”, ACS Appl. Mater. Interfaces, 8, 24, 15120;
  12. C. Wang, C. Feng, Y. Gao, X. Ma, Q. Wu & Z. Wang, “Preparation of a graphene-based magnetic nanocomposite for the removal of an organic dye from aqueous solution”, Chem. Eng. J.,173, 1, 92.

El Grafeno como Motor de la Revolución Energética

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

  1. Jafaryar M, Sheikholeslami M. Simulation of melting paraffin with graphene nanoparticles within a solar thermal energy storage system. Sci Rep. 2023, 26;13(1):8604;
  2. 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;
  3. Li-Wu Fan, Xin Fang, Xiao Wang, Yi Zeng, Yu-Qi Xiao, Zi-Tao Yu, Xu Xu, Ya-Cai Hu, Ke-Fa Cen, Effects of various carbon nanofillers on the thermal conductivity and energy storage properties of paraffin-based nanocomposite phase change materials, Applied Energy, 110, 2013, 163;
  4. Top Khac Le., et al., Advances in solar energy harvesting integrated by van der Waals graphene heterojunctions. RSC Adv., 2023, 13, 31273

Avanzando en la Durabilidad del Asfalto

Avanzando en la Durabilidad del Asfalto:

Aprovechando el Potencial del Grafeno para Carreteras Sostenibles

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

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

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

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

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

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

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

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

Redacción: EF/DHS

Referencias

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

Optimización de Compuestos de Fibra de Vidrio y de Carbono

Optimización de Compuestos de Fibra de Vidrio y de Carbono:

Mejorando Propiedades con Nanopartículas de Grafeno

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

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

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

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

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

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

Redacción: EF/DH

Referencias:

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

Explotando el potencial del grafeno:

mejorando recubrimientos con nanotecnología para incrementar su resistencia a la intemperie

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Referencias

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

Graphenemex: Impulsando la Innovación Global en Grafeno

La invitación a participar en la convención llegó a Graphenemex gracias a la Universidad Americana de Sharjah y su colaborador comercial, World Direct Tech, patrocinador del evento. La convención se centró en intercambiar los últimos avances en ciencia e ingeniería de materiales, promoviendo colaboraciones regionales e internacionales entre académicos, el gobierno y la industria.

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Graphenemex y World Direct Tech brillan en una conferencia sobre ciencia de materiales

La alianza entre Graphenemex, representada por su CEO Eduardo Priego Mondragón, y World Direct Tech, encabezada por su CEO Paulo Armas, fue el centro de atención en el Congreso Internacional sobre Fronteras en Ciencia e Ingeniería de Materiales (FMSE), organizado por la Universidad Americana de Sharjah (AUS) en Emiratos Árabes Unidos los días 14 y 15 de febrero de 2024. Graphenemex fue la única empresa latinoamericana invitada a este evento, siendo líder en el campo de la Nanotecnología.

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¡Orgullo mexicano! Graphenemex y World Direct Tech destacan en conferencia sobre ciencia de materiales

Durante el evento, Eduardo Priego Mondragón presentó dos ponencias tituladas «Innovación en la Construcción: Óxido de grafeno, el nano aditivo diferenciador para el concreto» y «Revolución en Recubrimientos: Potenciando la Industria de la Construcción mediante el uso de Recubrimientos con Grafeno».

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