OXIDO DE GRAFENO:

GENERALIDADES, USOS Y APLICACIONES

Desde que el grafeno fue aislado por primera vez en 2004 por el grupo de Manchester, este nanomaterial ha mostrado ser el más revolucionario para el desarrollo de nuevas aplicaciones a nivel industrial.

El grafeno posee extraordinarias propiedades eléctricas, ópticas, térmicas y una elevada resistencia mecánica. Las propiedades del grafeno son atribuidas a su estructura en forma de láminas bidimensionales (2D), formada por átomos de carbono enlazados de manera hexagonal y un espesor de un átomo de carbono.

En la actualidad existen diferentes métodos de producción de grafeno, estos se pueden clasificar en dos métodos, de acuerdo con su procedencia, el método “bottom-up” y el método “top down”. El método “bottom-Up”, consiste en la creación de estructuras de grafeno a través de bloques de construcción (átomos, moléculas), por ejemplo, mediante Deposición Química de Vapor (CVD); y el método de “top down”, involucra la producción del grafeno, a partir de la oxidación del grafito. El grafito está formado de láminas de grafeno que se encuentran apiladas unas con otras. En el siguiente diagrama, se representa el proceso de obtención del grafeno a partir de la oxidación del grafito.

El proceso de oxidación del grafito, inicia con la adición de grafito en ácido sulfúrico (H₂SO₄), con agitación mecánica constante. Posteriormente, se añade lentamente permanganato de potasio (KMnO₄), produciendo una reacción química que permite que el grafito (láminas de grafeno apiladas unas sobre otras) sea modificado químicamente en su estructura. Cuando el KMnO₄ reacciona con el H₂SO₄, forma óxido de manganeso VII (Mn₂O₇), el cual es un agente oxidante muy selectivo sobre compuestos aromáticos doble enlace, como es el grafito. El agente oxidante ataca molecularmente la estructura de cada lámina de grafeno en el grafito, injertando grupos funcionales oxigenados (con oxigeno), como grupos epóxidos (C-O-C) e hidroxilos (-OH), sobre cada lámina, y grupos carboxilos (-COOH, CO₂H) en las orillas de cada lámina, obteniendo óxido de grafito y óxido de grafeno (GO), ver Figura 1.

La incorporación de grupos funcionales oxigenados permite que un material como el grafito, altamente hidrofóbico (que repele el agua) y buen conductor eléctrico, pase hacer óxido de grafito y óxido de grafeno (GO), materiales altamente hidrofílicos, esto es se mezcan y dispersan facilmente con el agua (Ver Figura 2). El GO es químicamente similar al óxido de grafito, pero estructuralmente se diferencia por el arreglo y número láminas apiladas.

El GO se puede definir como una sola lámina de grafeno exfoliada o pila de pocas láminas (3-4) que esta funcionalizada con distintos grupos oxigenados. Entre sus principales características se encuentra que es hidrofílico, aislante e higroscópico (absorbe humedad). Por otra parte, las láminas de óxido de grafeno poseen una gran área superficial y exhiben alta resistencia mecánica y flexibilidad.

Aplicaciones

El óxido de grafeno ha atraído un gran interés en varios campos de la ciencia y la tecnología, debido a sus notables propiedades mecánicas, químicas, térmicas, entre otras. Por lo que numerosas investigaciones comenzaron, para aprovechar las propiedades del óxido de grafeno.

En el 2011, surgieron las primeras investigaciones del uso del GO como precursor en la producción a gran escala de grafeno, para uso como material de carga/refuerzo/ en matrices poliméricas, como el polietileno de alta densidad (HDPE) y el polietileno de baja densidad ( LDPE).

Para el 2014, el GO fue considerado factible para su uso como agente retardante a la flama. Actualmente aun siguen las investigaciones para funcionalizarlo con diferentes materiales poliméricos.

En el 2017, iniciaron los primeros reportes, de la fabricación de membranas a base de GO, ya que es impermeable a gases y líquidos, mostrando su capacidad para filtrar partículas pequeñas, moléculas orgánicas e incluso su uso para la desalinización del agua de mar.

En 2018, Energeia-Graphenemex inicio investigaciones sobre el óxido de grafeno como nuevo aditivo para la producción de recubrimientos anticorrosivos y antimicrobianos. Para el 2019, incrementaron estudios del óxido de grafeno en recubrimientos con comportamiento antibacteriano, asociado a que el GO, es capaz de penetrar la membrana celular de las bacterias produciendo estrés oxidativo e inhibiendo su reproducción.

En particular la funcionalización del GO, permite que sea aplicable en sistemas biológicos, desarrollo de biosensores para la identificación de moléculas específicas, sistemas de liberación de fármacos, entre otros.

Energeia – Graphenemex®, empresa mexicana lider 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, con diferentes grados de oxidación y alta calidad para su uso en diferentes  aplicaciones e industrias. Actualemente, utiliza el óxido de grafeno en la producción de aditivos para concreto y recubrimientos anticorrosivos y antimicrobianos que se comercializan bajo la marca Graphenergy.

Referencias

1. M. Fang, K. Wang, H. Lu, Y. Yang y S. Nutt, «Covalent polymer functionalization of graphene nanosheets and mechanical properties of composites,» Journal of Materials Chemistry, vol. 19, pp. 7098-7105, 2009.
2. B. Dittrich, K.-a. Wartig, R. Mülhaupt y B. Schartel, «Flame-Retardancy Properties of Intumescent Ammonium Poly(Phosphate) and Mineral Filler Magnesium Hydroxide in Combination with Graphene,» Polymers, vol. 6, pp. 2875-2895, 2014.
3. Y.-j. Wan, L.-x. Gong, L.-c. Tang, L.-b. Wu y J.-x. Jiang, «Mechanical properties of epoxy composites filled with silane-functionalized graphene oxide,» COMPOSITES PART A, vol. 64, pp. 79-89, 2014.
4. J. Wang, C. Xu, H. Hu, L. Wan, R. Chen, H. Zheng, F. Liu, M. Zhang, X. Shang y X. Wang, «Synthesis , mechanical , and barrier properties of LDPE / Graphene nanocomposites using vinyl triethoxysilane as a coupling agent,» J. Nanopart Res, vol. 13, pp. 869-878, 2011.

GRAFENO EN LA INDUSTRIA

DE RECUBRIMIENTOS Y PINTURAS

Actualmente el grafeno es el aditivo nanotecnológico más revolucionario en la industria de recubrimientos y pinturas.

Regularmente los recubrimientos se usan con fines decorativos y para la protección de superficies, especialmente para la protección contra la corrosión, humedad, ensuciamiento, desgaste mecánico, entre otros.  A nivel comercial, existe una amplia variedad de recubrimientos a base de diferentes tipos de resinas y aditivos, su eficiencia está asociado generalmente a un aumento en el costo. Sin embargo, los recubrimientos siguen teniendo baja resistencia a la corrosión, a la abrasión y una limitada resistencia química y térmica.

Por lo que la industria de los recubrimientos, como muchas otras industrias, siguen en constante investigación y desarrollo de nuevas tecnologías, para la formulación y aplicación de nuevos y mejores recubrimientos.

Desde el año 2004, cuando fue aislado por primera vez el nanomaterial de grafeno, los científicos de la industria de recubrimientos han estado en la búsqueda de formas para utilizar el grafeno como aditivo, para con ello mejorar el desempeño y la tecnología de los recubrimientos en diferentes áreas de aplicación.

El grafeno tiene propiedades únicas, atribuidas principalmente a su estructura en forma de láminas bidimensionales (2D), formada por átomos de carbono enlazados de manera hexagonal y un espesor de un átomo de carbono. Este nanomaterial posee extraordinarias propiedades, las cuales incluyen alta conductividad eléctrica y térmica, y elevada resistencia mecánica. Además, posee otras propiedades distintivas, incluida, la impermeabilidad a los gases, resistencia química, potencial antibacteriano y gran área superficial.

La composición a base de carbono del grafeno y su compatibilidad lo convierte en un aditivo viable para recubrimientos poliméricos orgánicos. 

Entre las ventajas que brinda el uso de grafeno, esta su capacidad de incorporar características nuevas o mejoradas en los recubrimientos. Se pueden desarrollar diferentes tipos de recubrimientos multifuncionales, como:

• Recubrimientos anticorrosivos

Uno de los principales usos de los recubrimientos con grafeno es la protección contra la corrosión. El grafeno crea vías que son muy tortuosas, lo que evita que las moléculas de agua y oxígeno y/o agentes químicos se difundan a la superficie de los materiales con base metálica, lo que da como resultado la protección del metal contra la oxidación y la corrosión.

• Recubrimientos ignífugos

Aditivos convencionales basados en halógenos (bromo y cloro), así como fósforo, compuestos de melamina e inorgánicos, son utilizados para mejorar la resistencia al fuego de los recubrimientos, sin embargo, estos materiales son tóxicos para los seres humanos y el medio ambiente. Por otra parte, el alto contenido de estos materiales ignífugos puede causar el deterioro de otras propiedades en los recubrimientos.

Por lo que, la aplicación de grafeno como nuevo aditivo en recubrimientos, puede reducir o eliminar el uso de aditivos convencionales ignífugos, además puede proveer al recubrimiento de un mejor desempeño frente a temperaturas extremas durante un tiempo más prolongado y con mejor estabilidad mecánica.

• Recubrimientos resistentes al desgaste o abrasión

El grafeno ha demostrado ser un candidato potencial para recubrimientos resistentes al desgaste, abrasión y a rayones. El grafeno es el material más ligero y doscientas veces más resistentes que el acero, además el grafeno tiene una alta capacidad para soportar grandes diferencias de presión y una alta resistencia mecánica.

• Recubrimientos antiincrustantes

El grafeno es un buen candidato para uso como agente antiadherente. Su aplicación, reduce el problema de ensuciamiento y la deposición de materiales orgánicos e inorgánicos en cascos de barcos, buques o embarcaciones marinas, plataformas petrolíferas, entre otros.  Este tipo de aplicación se atribuye principalmente a la propiedad hidrofóbica (repelente al agua) y propiedades de barrera del grafeno.

• Recubrimientos antimicrobianos

Resulta innovador el uso de láminas de grafeno u óxido de grafeno como agente antimicrobiano, debido a que existen estudios que han demostrado una fuerte actividad antimicrobiana contra una amplia variedad de microorganismos, incluyendo bacterias Gram +,  Gram – y hongos. Asociado a que los materiales grafenicos son capaces de penetrar la membrana celular de los microorganismos produciendo estrés oxidativo en inhibiendo su reproducción.

A nivel mundial, continúa la investigación y desarrollo de recubrimientos a base de grafeno. Actualmente son varias las empresas e Instituciones que han realizado formulaciones mejoradas con grafeno para recubrimientos, entre las que destacan:

• Applied Graphene Materials, con sede en el Reino Unido,en colaboración con la empresa estadounidense Sherwin-Williams, se encuentran en el desarrollo de pinturas anticorrosivas a base de grafeno. Su objetivo, es incorporar grafeno en diferentes formulaciones, especialmente en pintura marítima para uso en cascos de barcos para protegerlos de la corrosión.

• The Sixth Element Materials, empresa china, que se centra en la investigación, desarrollo y venta de materiales grafenicos, ha lanzado un imprimante anticorrosivo base grafeno-zinc para torres de energía eólica marítimas.

• Graphenstone, empresa española, ha desarrollado pintura ecológica que combina tecnología de grafeno y cal. Obteniendo pinturas con mayor resistencia, flexibilidad, calidad y un periodo de vida mas largo en comparación con pinturas base cal convencionales.

Energeia – Graphenemex®, empresa mexicana lider en América Latina en investigación y producción de materiales grafénicos para el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial, a través de su línea Graphenergy, ha lanzado una amplia gama de recubrimientos nanotecnológicos con grafeno. Estos recubrimientos ofrecen alta protección anticorrosiva y antimicrobriana. 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.

Los recubrimientos con grafeno, además de poseer protección anticorrosiva, pueden brindar mayor resistencia química, resistencia a los rayos UV, mayor rendimiento térmico en un amplio rango de temperaturas, además de recubrimientos más flexibles y resistentes al agrietamiento.

Referencias

1. DuMée, L.F., et al., Carbon, 87, 395–408 (2015); doi:10.1016/j.carbon.2015.02.042.
2. Wang, E.N., et al., Nano Lett., 15 (5), 2902–2909 (2015).
3. J. Chen, H. Peng y X. Wang, Nanoscale, vol.6, pp. 1879-1889, 2014
4. Md J. Nine, Martin A. Cole, Diana N.H. Tran, and Dusan Losic, J. Mat. Chem. A, 2015.
5. Sachin Sharma Ashok Kumar, Shahid Bashir, K. Ramesh, S. Ramesh, Progress in Organic Coatings, 154, (2021)

Uso del Grafeno

para el cuidado automotríz

Así como la exposición continua a la radiación solar es nociva para nuestra piel, también afecta la apariencia de los autos, en particular causa daños en la pintura, molduras, gomas y otras autopartes. De hecho, el sol, la lluvia ácida y los cambios de temperatura son tres de sus principales enemigos, por esa razón existen en el mercado innumerables opciones de productos para su cuidado.

El Grafeno es la forma más interesante en la que el Carbono puede presentarse y, consiste en láminas de átomos de carbono extraídas principalmente del Grafito o bien, de algunos gases. La gran relevancia científíca y tecnológica de este material se debe a la particular organización de sus átomos, que le confiere sorprendentes y numerosas propiedades que han captado la atención de una gran cantidad de industrias, entre ellas la automotríz.

Los potenciales usos que se le atribuyen al Grafeno para esta industria está la fabricación de recubrimientos para chasis y carrocerías,  plásticos para autopartes ya sea para mejorar su calidad o para sustituir total o parcialmente piezas metálicas, neumáticos, textiles, grasas, lubricantes y productos para el cuidado automotríz.

La empresa mexicana Energeia- Graphenemex® dedicada a la investigación y producción de materiales grafénicos así como al desarrollo de aplicaciones, en 2018 bajo la marca Nanocar® colocó en el mercado la primera línea de productos con Grafeno para el cuidado automotríz.

Beneficios:

Los productos Nanocar® forman una película protectora y de nano- relleno de defectos que permite que las láminas atómicas de Grafeno se adhieran a las superficies de la carrocería protegiendo contra el polvo y la humedad, retrasando los efectos de la corrosión, así como también actuando como barrera contra la radiacion UV y como discipador de temperatura para limitar el deterioro a largo plazo de la pintura. Además, el uso continuo de los productos Nanocar® facilita las limpiezas posteriores, sin dejar huella de secado, incluso cuando el lavado se realiza aún con la superficie caliente.

Relación de las propiedades del Grafeno y sus efectos en los productos Nanocar®

Redacción: EF/DHS

Graphenergy

Evolución de la Industria del Grafeno en los últimos años en el mundo

El Grafeno es el nanomaterial más revolucionario del siglo XXI y es considerado como el pilar básico para la nanoquímica del carbono, es decir, del elemento principal de todos los compuestos orgánicos.

Su versatilidad deriva de su estructura en forma de láminas bidimensionales (2D), compuestas por átomos de carbono enlazados de manera hexagonal y su importancia radica en las extraordinarias propiedades que se le atribuyen y que se han concebido como la solución de innumerables necesidades sociales, ambientales, científicas, tecnológicas y por supuesto, económicas.

El Grafeno permite modificar la materia para diseñar compuestos con características nuevas o mejoradas, ya que trasfiere sus propiedades a los materiales a los que se incorpora. Esto ha permito que se utilice en el desarrollo de aplicaciones que buscan potencializar dichas propiedades como se muestra en la imagen siguiente.

Evolución- El Grafeno fue aislado por primera vez en 2004 por los investigadores rusos Andre Geim y Konstantin Novoselov de la Universidad de Manchester; posteriormente y gracias a sus experimentos, en 2010 fueron distinguidos con el premio Nobel de Física, al ser considerado como uno de los descubrimientos más importantes del siglo.

Tan importante fue el hallazgo que, en 2013 la Unión Europea (UE) otorgó un presupuesto de mil millones de euros para crear el Graphene Flagship, un ambicioso proyecto con vigencia de diez años con el objetivo de vincular a la academia con la industria, no solo para comprender sus propiedades de manera teórica, sino para explotar al máximo sus beneficios en aplicaciones o productos reales.

A partir de ese momento fue tan rápido el avance de las investigaciones y cada vez más altas las expectativas que, en 2017 surgió la primera edición de la norma ISO/TS 80004-13:2017 (Ratificada por la Asociación Española de Normalización en octubre de 2020) para la normalización y estandarización de la Nanotecnología en nuevos materiales, incluido el Grafeno.

En el mismo 2020, un grupo de 70 investigadores miembros del Graphene Flagship, publicó el primer manual con más de 500 páginas sobre inumerables tipos de  Grafeno.  Para 2021 dentro del organismo se registraron alrededor de 50 “spin- offs” y “startups” con distintas visiones, logrando que en 2022 la posibilidad de tener un mayor número de aplicaciones con Grafeno o materiales grafénicos a costos más asequibles sea una realidad.

En 2021 nuevamente la UE a través del Instituto Federal de Investigación y Ensayo de Materiales (BAM) con el nuevo proyecto ISO-G-SCoPe, se puso como objetivo normalizar los métodos para trasladar el Grafeno a la industria, esto como resultado de la inexistencia de estándares de producción y de calidad, a la vez que, mediante el Proyecto Versalles sobre Materiales Avanzados y Normas, bajo la dirección de BAM busca validar los procesos en una prueba mundial para convertirlos en normas.

Energeia Graphenemex® es la empresa mexicana pionera en América Latina enfocada en la investigación y producción de materiales grafénicos para el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial. Entre sus fortalezas está la creación de métodos y procesos patentados para la producción replicable y a gran escala que asegura la disponibilidad de los materiales grafénicos adecuados en conformidad con los requerimientos de las aplicaciones que desarrolla, ya sea para productos propios o, como aliado estratégico de otras compañías interesadas en innovar y mejorar sus productos con estos materiales.