Mejorando la protección y la productividad agrícola

Mejorando la protección y la productividad agrícola

gracias a las películas plásticas con óxido de grafeno

Las aplicaciones de los materiales plásticos son muy diversas, para el uso en agricultura destaca la formulación y desarrollo de películas plásticas para cubiertas de invernaderos, macrotúneles y microtúneles y para el acolchado de suelos. Entre los materiales plásticos más utilizados se encuentran el Polietileno Lineal de Alta Densidad (HDPE), Etilvinilacetato (EVA), en el caso de cubiertas para estructuras, y el Polietileno Lineal de Baja Densidad (LLDPE) como polímero principal para la fabricación de películas para acolchado de suelos.

Las películas de plástico con capacidad para convertir y transmitir energía solar son materiales de gran interés para aplicaciones fototérmicas en agricultura. En este sentido, el desarrollo de películas de acolchado con buenas propiedades mecánicas y propiedades de conversión fototérmica adecuadas para el campo agrícola sigue siendo una demanda urgente.

En años recientes, el grafeno, ha atraído una considerable atención debido a su singular estructura en láminas, sus extraordinarias propiedades fototérmicas y sus propiedades mecánicas.

Para mejorar la eficiencia de la conversión solar de las películas plásticas, se puede incorporar nanomateriales a base de carbono como: el grafeno (GnP), óxido de grafeno (GO) y oxido de grafeno reducido (RGO), debido a que poseen una excelente capacidad de absorción de luz con un amplio rango espectral (desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano), y pueden convertir la energía luminosa en energía térmica (propiedad fototérmica).

Desarrollos recientes en la formulación de las películas, buscan el bloqueo de la radiación UV, el efecto de flourescencia, películas ultratérmicas y películas más impermeables. Otras propiedades claves deseadas en las películas plásticas son resistencia mecánica (mayor durabilidad), propiedades ópticas y efecto antigoteo.

Estudios recientes, han reportado los valores de permeabilidad al vapor de agua (WVP) en películas plásticas compuestas con grafeno a diferentes concentraciones (0, 2, 4, 6 y 8% en peso). Donde se encontró que la permeabilidad al vapor de agua en las películas disminuye continuamente (mejora la propiedad barrera) conforme se incrementa la concentración de grafeno en las películas. Esta evaluación se realizo a diferentes porcentajes de humedad relativa (RH), donde se pudo observar buen desempeño en la propiedad de barrera en diferentes porcentajes de humedad (32%, 55% y 76%), ver Fig. 1.

Cuando el contenido de grafeno aumenta hasta 8 % en peso, la WVP de las películas compuestas disminuye de 3.9 x10-10, 5.5 x10-10, y 7.6 x10-10g/m·h·Pa a 0.6 x10-10, 0.8 x10-10, y 1.2 x10-10g/m·h·Pa a 32%, 55% y 76% de humedad relativa, respectivamente. Esta disminución en la permeabilidad está asociada, a que el grafeno forma barreras a nivel molecular en las películas plásticas, dando origen a caminos más tortuosos para la difusión de las moléculas de vapor de agua o de moléculas de oxígeno, limitando su transportación a través de la película plástica. Esta disminución también puede evitar en gran medida la evaporación y perdida de agua, un recurso muy valioso en estos tiempos de escases.

En la Fig. 2, se muestra las curvas de tensión de las películas compuestas con grafeno. Se encontró que la resistencia a la tensión de las películas con grafeno (2-8 % en peso), incremento hasta 22.6 MPa en comparación con la película virgen o control (18.3 MPa). Mientras que el Modulo de Young incremento continuamente de 95.7 a 171.2 MPa con el contenido de grafeno de 0 a 8% en peso, estos resultados muestran una mejora en la resistencia mecánica.

Desde el punto de vista del horticultor, las propiedades mecánicas más relevantes son: la resistencia a la tracción, al rasgado y al impacto. La resistencia a la tensión valora la capacidad de la película para soportar esfuerzos de tensión y es muy importante durante el montaje de la película en el acolchado.

En cuanto a los avances en los compuestos poliméricos con grafeno y derivados en aplicaciones de conversión de energía solar. La Fig. 3 ilustra la eficiencia de conversión fototérmica de las películas en la superficie del suelo. Se observó que la eficiencia de conversión fototérmica de las películas compuestas con grafeno aumenta gradualmente con el contenido de grafeno.

Las películas compuestas a concentraciones de 2,4,6 y 8 % en peso de grafeno, mostraron una eficiencia en conversión fototérmica mayor (10.1, 19, 26 y 40.3%) que la película control (6.7%) para una temperatura de 27°C, lo que indica que las películas compuestas de grafeno pueden adsorber la luz de forma eficaz y pueden convertir la energía luminosa en suministro térmico que puede aumentar rápidamente la temperatura del suelo.

Curiosamente todas las películas compuestas con grafeno mostraron un mejor rendimiento de conversión fototérmica para aumentar la temperatura del suelo en comparación con el grupo de control. Estos resultados indican que las películas compuestas poseen buenas propiedades mecánicas y adecuadas propiedades de conversión fototérmica que pueden utilizarse potencialmente en películas de acolchado para mejorar la temperatura del suelo y mantener la humedad del suelo, lo que es beneficioso para el crecimiento y la producción de los cultivos agrícolas.

Actualmente Energeia – Graphenemex®, empresa mexicana lider en América Latina en investigación y producción de materiales grafénicos para el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial, a través de su línea de Graphenergy Masterbatch, ha desarrollado y tiene a la venta una amplia gama de masterbatches con grafeno (concentrado de grafeno), con polímeros de gran uso en la agricultura y/o horticultura, como LLDPE, LDPE, y HDPE. Nuestros Masterbatches son materiales granulados que actúan como refuerzos multifuncionales para la elaboración de películas plásticas más resistentes de menor permeabilidad y con alto grado de conversión fototérmica.

Referencias

  1. Melt processing and properties of linear low density polyethylene-graphene nanoplatelet composites. P. Khanam, M.A. AlMaadeed, M. Ouederni, E. HarkinJones, B. Mayoral, A. Hamilton, D. Sun. 2016, Vacuum , Vol. 130, págs. 63-71.
  2. Sun, Q., Geng, Z., Dong, J., Peng, P., Zhang, Q., Xiao, Y., & She, D. (2020). Graphene nanoplatelets/Eucommia rubber composite film with high photothermal conversion performance for soil mulching. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers.
  3. Effect of functionalized graphene on the physical properties of linear low density polyethylene nanocomposites. T. Kuila, S. Bose, A. K. Mishra, P. Khanra, N. H. Kim, J. H. Lee. 2012, Polymer Testing, Vol. 31, págs. 31-38.

El impacto del grafeno en el fraguado y la resistencia del concreto

El impacto del grafeno

en el fraguado y la resistencia del concreto

Los aditivos acelerantes de fraguado para las estructuras base cemento suelen utilizarse cuando se requiere alcanzar las resistencias deseadas en menor tiempo, ya sea para mantener una producción continua o bien, cuando el producto necesite entrar en funcionamiento de manera inmediata. Sin embargo, la gran cantidad de variables que interfieren en este proceso dificulta anticipar con precisión el aceleramiento que podrá obtenerse con cada nuevo aditivo; sin olvidar la importancia de controlar la reacción exotérmica o de liberación de calor que ocurre durante el fraguado o curado del cemento para evitar la aparición fisuras térmicas en el producto final.

Para comprender parte de las reacciones que ocurren durante el fraguado del cemento es importante conocer un poco sobre su composición, por ejemplo: alrededor del 75% está conformado por silicato tricálcico y silicato dicálcico que, al reaccionar con el agua forman hidróxido de calcio y silicato cálcico hidratado (C-S-H), siendo este último un componente nanométrico y a la vez, el elemento más importante, puesto que de él depende el fraguado, endurecimiento, resistencia y estabilidad dimensional del cemento.

En artículos anteriores se ha hablado de la interesante interacción de las nanopartículas de C-S-H con las nanopartículas de óxido de grafeno (GO), otra estructura nanométrica compuesta por átomos de carbono y grupos oxigenados que ha captado la atención de la industria de la construcción gracias a sus beneficios durante en la hidratación del cemento y en el impacto directo que tiene para mejorar su resistencia mecánica y durabilidad, pero también sobre su interesante participación como acelerante de fraguado principalmente para concretos aligerados poliméricos.

“El GO actúa como un agente catalizador durante la reacción de hidratación del cemento”

La presencia de grupos oxigenados en la superficie del GO le permiteabsorber moléculas de agua y cemento para estabilizar, por un lado, los átomos en el C-S-H al proporcionar sitios de oxígeno para las cadenas de silicato y por otro, para actuar como un depósito de agua y canales de transporte para mejorar la hidratación del cemento.

Además, la excelente compatibilidad del GO con distintos tipos de resinas lo ha vuelto el candidato perfecto para el reforzamiento de concretos del tipo polimérico que, si bien no contienen una fase importante de cemento hidratado, el cemento portland suele utilizarse como material de relleno y, por lo tanto, le da al GO una mayor matriz para transferir sus propiedades.

Graphenergy construcción® es un aditivo multipropósito base agua con una fórmula especializada a partir de Óxido de grafeno que contribuye a mejorar la microestructura de cualquier producto base cemento ofreciendo los siguientes beneficios durante el proceso de fraguado:

Fraguado: Aceleración del tiempo de fraguado de hasta el 30%.

Secado: Ayuda a un secado uniforme con menor presencia de marcas o lunares de humedad. 

Incremento de resistencia durante el desmolde de prefabricados: Mayor integridad de las estructuras, mejor definición de ángulos e importante reducción del 20 a 30% en merma por fractura de producto.

Resistencia a cambios térmicos: la buena conductividad térmica de su formulación promueve una distribución de calor más homogénea durante la hidratación del cemento y, por lo tanto, contribuye a reducir la aparición de grietas térmicas y reduce las fracturas del producto en climas fríos.

Buena integración con otros aditivos o componentes de las mezclas de concreto.  Favorece la trabajabilidad de las mezclas.

Redacción: EF/DHS

Fuentes

  1. Ultrahigh Performance Nanoengineered Graphene- Concrete Composites for Multifunctional Applications. Adv. Funct. Mater. 2018; 28: 1705183;
  2. The role of graphene/graphene oxide in cement hydration. Nanotechnology Reviews. 2021;10(1): 768;
  3. Experimental study of the effects of graphene nanoplatelets on microstructure and compressive properties of concrete under chloride ion corrosión. Construction and Building Materials, 2022; 360, 129564;
  4. Effect Of On Graphene Oxide the Concrete Resistance to Chloride Ion Permeability. IOP Conf. Ser. 2018: Mater. Sci. Eng. 394 032020;
  5. Effects of graphene oxide on early-age hydration and electrical resistivity of Portland cement paste. Constr Build Mater. 2017; 136, 506;
  6. Recent progress on graphene oxide for next-generation concrete: Characterizations, applications and challenges. “J. Build. Eng. 2023; 69, 106192;
  7. Graphene nanoplatelet reinforced concrete for self-sensing structures – A lifecycle assessment perspective. J. Clean. Prod. 2019; 240, 118202;
  8. Graphene opens pathways to a carbon-neutral cement industry. Science Bulletin. 2021; 67;
  9. Reinforcing Effects of Graphene Oxide on Portland Cement Paste. J. Mater. Civ. Eng. 2014; A4014010-1;
  10. A review on the properties, reinforcing effects, and commercialization of nanomaterials for cement-based materials. Nanotechnology Reviews, 2020; 9: 303–322, 10;
  11. Permeabilidad a los cloruros del hormigón armado situado en ambiente marino sumergido. Revista Ingeniería de Construcción. 2007; 22: 1, 15;
  12. Penetrabilidad del hormigón al agua y a los iones agresivos como factor determinante de su durabilidad. Materiales de Construcción, 1973; 23: 150;
  13. La resistividad eléctrica como parámetro de control del hormigón y de su durabilidad. Revista ALCONPAT, 2011; 1(2),90;
  14. Portland cement blended with nanoparticles. Dyna, 2007; 74:152, 277;
  15. Improvement in concrete resistance against water and chloride ingress by adding graphene nanoplatelet. Cem concr res, 2016; 83: 114;
  16. Catalytic behavior of graphene oxide for cement hydration process. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2016; 89: 128.
  17. Review on Graphene oxide composites. Int. J nanomater nanostructures. 2016; 24.

El ingrediente que transformará la industria del plástico

El ingrediente que transformará la industria del plástico:

Descubre los beneficios de los masterbatches de grafeno de Graphenemex

La industria del plástico constantemente demanda nuevos refuerzos o aditivos, que permitan la mejora de los materiales plásticos, tanto de uso comercial como de Ingeniería. En años recientes, se ha impulsado el uso de grafeno y sus derivados (oxido de grafeno, GO) como nuevos refuerzos para diferentes matrices poliméricas.

El grafeno es un nanomaterial (partícula nanométrica) que 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.

La incorporación de materiales grafénicos en los polímeros, permite desarrollar compuestos poliméricos con mayor resistencia mecánica, mayor resistencia al impacto, resistencia a la radiación UV y con mayor estabilidad térmica, entre otras propiedades. Lo anterior, permite la obtención de mejores materiales, con gran potencial y una amplia gama de aplicaciones para diferentes sectores (automotriz, aeroespacial, electrónica o embalaje).

En general cuando hablamos de compuestos poliméricos tradicionales, son materiales que contienen una cantidad (~ 40 %) de refuerzo en la matriz polimérica. En contraste, los compuestos poliméricos con grafeno (nanocompositos), el grafeno logra mejora las propiedades del polímero con el uso de bajas concentraciones (< 2 % peso), como refuerzo. Diversas investigaciones han mostrado que los polímeros funcionalizados con materiales grafénicos proporcionan mejoras en las propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas. Por ejemplo en:

  • Compuestos de Polipropileno / Grafeno, mostraron un incremento en modulo de flexión (30%) y un incremento en la resistencia al impacto (40 %) con respecto a otros compositos comerciales.
  • Compuesto de Polietileno / Grafeno, mejora la resistencia a la tensión (17 %), resistencia a la flexión y resistencia a la ruptura (66%).
  • Compuestos de Poliestireno/grafeno, mostraron un incremento en la conductividad eléctrica a temperatura ambiente de 0.1 a 1 S/m.

Además de lo mencionado anteriormente, es importante indicar que los materiales grafénicos funcionan como agentes de nucleación en polímeros semicristalinos. Una de las características más importantes de los polímeros semicristalinos es el grado de cristalinidad. Muchas propiedades están influenciadas por el grado de cristalinidad de los polímeros.

Mientras la cristalinidad en los metales y cerámicos implica la disposición u ordenamiento de átomos e iones, en los polímeros implica la ordenación de moléculas y, por tanto, la complejidad es mayor. La cristalinidad polimérica puede considerarse como el empaquetamiento de cadenas moleculares para producir una disposición atómica ordenada. Debido a que las moléculas poliméricas son de gran tamaño y complejas, suelen ser parcialmente cristalinas (semicristalinas) con regiones cristalinas dispersas dentro de un material amorfo. En la región amorfa aparecen cadenas desordenadas, condición muy común debido a las torsiones, pliegues y dobleces de las cadenas que impiden la ordenación de cada segmento de cada cadena.

En general, son pocos los polímeros que poseen una estructura suficiente para cristalizar y aún en esos casos, nunca es posible lograr un 100% de estructura cristalina y se tiene que determinar el grado de cristalización (Xc), es decir, la fracción del polímero que presenta estructura cristalina con relación al polímero total, el resto será amorfa.

La tendencia general de la adición de agentes nucleantes en las matrices poliméricas es la aceleración o retardo de la cristalización, cambios en el tamaño de las esferulitas, cambios en la morfología y en algunos casos cambios en la estructura del cristal. Si nos enfocamos en el efecto de los materiales grafénicos sobre la cristalinidad de los polímeros, podemos resumir que; los materiales grafenicos permiten controlar el tamaño de las esferulitas (crecimiento de cristal) en los compuestos poliméricos, lo que con lleva a controlar las zonas cristalinas, que son las responsables de la resistencia mecánica, y las zonas amorfas (asociadas a la flexibilidad y elasticidad del material). Además de que mejoran la adhesión interfacial en matrices poliméricas con grupos polares, como el nylon 6,6.

Por otro lado, otra ventaja de los materiales grafénicos como agente nucleante en los compuestos poliméricos, es que la temperatura de cristalización (Tc) se incrementa conforme aumenta la cantidad de grafeno debido a que se promueve la cristalización de la masa fundida, es decir, se necesita menos energía para enfriar el polímero fundido, lo que ahorra tiempo y energía.

A.    Enlace intramolecular en Nanocompuestos de  Nylon 6,6/GO. B. Termogramas DSC. Enfriamiento: (a) PA66, (b) PA66/01RGO, (c) PA66/05RGO, (d) PA66/10RGO, (e) PA66/01GO,  (f) PA66/05GO, (g) PA66/10GO. Tomado de Materials 2013,6.2

Actualmente Energeia – Graphenemex®, empresa mexicana lider en América Latina en investigación y producción de materiales grafénicos para el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial, a través de su línea de Graphenergy Masterbatch, ha desarrollado y tiene a la venta una amplia gama de masterbatches con grafeno, basados en varios polímeros, como PP, HDPE, LDPE, PET y PA6. Nuestros Masterbatches son materiales granulados que actúan como refuerzos multifuncionales y agentes nucleantes efectivos.

Referencias

  1. Gong, L., Yin, B., Li, L., & Yang, M. (2015). Nylon-6/Graphene composites modified through polymeric modification of graphene. Composites Part B: Engineering, 73, 49–56.
  2. Fabiola Navarro-Pardo, Gonzalo Martínez-Barrera, Ana Laura Martínez-Hernández, Víctor M. Castaño. Effects on the Thermo-Mechanical and Crystallinity Properties of Nylon 6,6 Electrospun Fibres Reinforced with One Dimensional (1D) and Two Dimensional (2D) Carbon. Materials 2013, 6.
  3. Zhang, F.; Peng, X.; Yan, W.; Peng, Z.; Shen, Y. Nonisothermal crystallization kinetics of in-situ nylon 6/graphene composites by differential scanning calorimetry. J. Polym. Sci. Part B. Polym. Phys. 2011, 49, 1381–1388.
  4. Yun, Y.S.; Bae, Y.H.; Kim, D.H.; Lee, J.Y.; Chin, I.J.; Jin, HJ. Reinforcing effects of adding alkylated graphene oxide to polypropylene. Carbon 2011, 49, 3553–3559.
  5. Cheng, S.; Chen, X.; Hsuan, Y.G.; Li, C.Y. Reduced graphene oxide induced polyethylene crystallization in solution and composites. Macromolecules 2012, 45, 993–1000.

La revolución del grafeno en la construcción

La revolución del grafeno en la construcción:

hacia estructuras más resistentes y duraderas 

“La prueba de resistencia a la compresión suele ser el parámetro más utilizado como indicador de calidad del concreto; sin embargo, su valor no determina por sí solo su durabilidad, es decir, además de la resistencia mecánica, la permeabilidad y la resistencia química también influyen en su vida útil”

La permeabilidad del concreto se entiende como el paso de agua y de iones agresivos a través de los capilares existentes entre los áridos y la pasta de cemento; este es un fenómeno complejo y depende sobre todo de la estructura atómica de los iones que penetran. Una de las sustancias más dañinas para el concreto son los iones cloruro, estos pueden estar presentes desde el inicio en la mezcla fresca, es decir, disueltos en los agregados, aditivos o en el agua, o bien, permear desde el exterior, siendo este caso el que expone mayor riesgo de corrosión. Aunque en general se puede decir que, la durabilidad del concreto ante los agentes atmosféricos depende fundamentalmente de la permeabilidad al agua, mientras que la durabilidad respecto a las sales agresivas, tanto para el concreto como para las armaduras depende de su resistencia al ingreso de cloruros por distintas vías.

“La penetrabilidad de los cloruros se manifiesta principalmente por la difusión de los iones en el concreto, mejor que por la penetración de toda la disolución en las muestras. Es decir, la penetración de los cloruros no depende únicamente de la permeabilidad del agua”

Para proteger al concreto contra la corrosión existen dos tipos principales de productos, por un lado, están los aditivos para las mezclas en concreto fresco cuya función es actuar sobre la superficie metálica anulando la reacción anódica, catódica o ambas y por otro, están los recubrimientos para la protección del concreto endurecido. No obstante, cualquiera que sea el producto utilizado, la protección anticorrosiva suele ser temporal, sobre todo cuando las estructuras se encuentran sujetas a movimientos, cargas o temperaturas que pudiesen afectar el desempeño de la protección o barrera colocada.

En el artículo anterior titulado Hacia una construcción sostenible se habló sobre la importancia del componente nanométrico clave en la resistencia del cemento, conocido como silicatos cálcicos hidratados (C-S-H) o gel de tobermorita y de su interesante interacción con las nanopartículas de óxido de grafeno (GO), una estructura nanométrica derivada del grafito y de reciente interés para el desarrollo de estructuras más resistentes, durables y amigables con el medio ambiente.

El GO está formado por láminas nanométricas de átomos de carbono enlazados en un patrón hexagonal y por una serie de grupos oxigenados anclados a su superficie que le facilita su dispersión en agua y combinarse otros materiales, por ejemplo, con las nanopartículas presentes en el cemento (C-S-H).

A este respecto, estudios internacionales demuestran que la forma y química superficial del GO, le permite actuar como una plataforma para acelerar la hidratación del cemento y promover la creación de grandes cantidades de partículas C-S-H, a partir de la formación de un nuevo enlace GO/ C-S-H.  Esta fuerte interacción da lugar a una red más densa de cristales de cemento entrelazados que, además de favorecer las propiedades mecánicas de las estructuras, también actúa como una barrera contra la infiltración de agua a través de los poros capilares, pero con un efecto que proyecta tener mayor duración que los aditivos actualmente disponibles. Esta propiedad es extremadamente importante para la durabilidad del concreto y, en particular, para la prevención de la reacción álcali-sílice (ASR), una reacción de expansión que ocurre en presencia de humedad entre la pasta de cemento alcalina y la sílice amorfa reactiva causando agrietamientos.

Resistividad eléctrica y la velocidad de corrosión

Otra importante prueba para el concreto es la resistividad eléctrica y se define como la resistencia de un material al paso de cargas eléctricas; su medición en concreto es una prueba común para identificar la presencia de humedad, así como para predecir el periodo de iniciación de corrosión en el concreto armado basándose en la relación inversa entre la resistividad eléctrica y la difusividad de los iones. Esto es, a mayor resistividad menor movimiento de cargas eléctricas causada por una menor porosidad. La participación de las nanopartículas de óxido grafeno en esta propiedad también ha sido evaluada en distintos estudios que confirman que la interacción GO/C-S-H produce un concreto más compacto o menos poroso que, además de reducir la permeabilidad del agua y de iones, también limita el movimiento de cargas eléctricas brindando mayor protección anticorrosiva de las estructuras metálicas del concreto.

Energeia Fusion (Graphenemex®), la empresa mexicana líder en América Latina en la investigación y producción de materiales grafénicos, desde hace más de 10 años se dio la tarea de materializar con fundamento científico los beneficios del grafeno para convertirlo en aplicaciones reales. Fue así como después de un largo camino de investigación y con resultados equiparables a los reportados por diversos estudios internacionales respecto al uso del óxido de grafeno en distintos productos, entre ellos el concreto, en 2018 logró lanzar al mercado Graphenergy construcción®, el primer aditivo para concreto con óxido de grafeno en el mundo; un aditivo multifuncional base agua que contribuye a mejorar distintas propiedades de las estructuras base cemento con una sola aplicación, como:

  1. Remodelación de la microestructura de la pasta de cemento con mejor enlace interfacial GO/C-S-H,
  2. Mejor compacidad del cemento,
  3. Menor movimiento de cargas eléctricas;
  4. Disminución en el proceso de extensión de grietas,
  5. Reducciones significativas en el índice de dirección del hidróxido de calcio,
  6. Mayor resistencia mecánica al mejorar su microestructura,
  7. Mayor durabilidad de las estructuras por mejoras en impermeabilidad, resistencia a la penetración de cloruros y reducción de la profundidad de penetración.

Es importante recordar que, los efectos mencionados pueden variar ya que además del tipo de grafeno u óxido de grafeno utilizado, las propiedades finales de las estructuras base cemento también dependen de factores como la relación agua- cemento, grado de compactación de la mezcla; las características del cemento, agregados, aditivos, entre otros, pero que con un adecuado manejo y seguimiento de los aditivos grafénicos los resultados pueden llegar a ser muy interesantes.

Redacción: EF/DHS

Fuentes

  1. Ultrahigh Performance Nanoengineered Graphene- Concrete Composites for Multifunctional Applications. Adv. Funct. Mater. 2018; 28: 1705183;
  2. The role of graphene/graphene oxide in cement hydration. Nanotechnology Reviews. 2021;10(1): 768;
  3. Experimental study of the effects of graphene nanoplatelets on microstructure and compressive properties of concrete under chloride ion corrosión. Construction and Building Materials, 2022; 360, 129564;
  4. Effect Of On Graphene Oxide the Concrete Resistance to Chloride Ion Permeability. IOP Conf. Ser. 2018: Mater. Sci. Eng. 394 032020;
  5. Effects of graphene oxide on early-age hydration and electrical resistivity of Portland cement paste. Constr Build Mater. 2017; 136, 506;
  6. Recent progress on graphene oxide for next-generation concrete: Characterizations, applications and challenges. “J. Build. Eng. 2023; 69, 106192;
  7. Graphene nanoplatelet reinforced concrete for self-sensing structures – A lifecycle assessment perspective. J. Clean. Prod. 2019; 240, 118202;
  8. Graphene opens pathways to a carbon-neutral cement industry. Science Bulletin. 2021; 67;
  9. Reinforcing Effects of Graphene Oxide on Portland Cement Paste. J. Mater. Civ. Eng. 2014; A4014010-1;
  10. A review on the properties, reinforcing effects, and commercialization of nanomaterials for cement-based materials. Nanotechnology Reviews 2020; 9: 303–322, 10;
  11. Permeabilidad a los cloruros del hormigón armado situado en ambiente marino sumergido. Revista Ingeniería de Construcción. 2007; 22: 1, 15;
  12. Penetrabilidad del hormigón al agua y a los iones agresivos como factor determinante de su durabilidad. Materiales de Construcción, 1973; 23: 150;
  13. La resistividad eléctrica como parámetro de control del hormigón y de su durabilidad. Revista ALCONPAT, 2011; 1(2),90;
  14. Portland cement blended with nanoparticles. Dyna, 2007; 74:152, 277;
  15. Improvement in concrete resistance against water and chloride ingress by adding graphene nanoplatelet. Cem concr res, 2016; 83: 114

Hacia una construcción sostenible

Hacia una construcción sostenible:

cómo el óxido del grafeno incrementa la resistencia del concreto y favorece la reducción de las emisiones de CO2

La investigación de nuevas tecnologías para la industria del cemento y del concreto no solo se limita a mejorar su durabilidad, sino también a buscar estrategias para controlar su influencia en el cambio climático, teniendo como antecedente que esta industria es la tercera fuente más grande de emisiones de dióxido de carbono (CO2) y que el reto global para el 2030 es reducir dichas emisiones en al menos el 16%.

Nanotecnología

La nanotecnología para la industria del cemento no es un concepto nuevo, de hecho, el cemento es considerado un material nanoestructurado debido a que, el 50 a 60% de su composición consta de nanopartículas de aproximadamente 10 nm conocidas como silicatos cálcicos hidratados (C-S-H) o gel de tobermorita. Este importante componente nanométrico es el fundamento para el desarrollo de nuevas formulaciones aplicando otras nanopartículas como el Nano Sílice (n. SiO2), Nano Óxido de Titanio (n. TiO2), Nano Óxido Férrico (n. Fe2O3), Nano Óxido de Aluminio o alúmina (n. Al2O3), Nanopartículas de arcilla y Nanopartículas de carbono, como los nanotubos de carbono, nanopartículas de grafeno u óxido de grafeno.

“El C-S-H llena los espacios vacíos en el cemento, mejora la densidad, la cohesión, la impermeabilidad y la resistencia del cemento”

El óxido de grafeno (GO) es una nanopartícula de carbono que se obtiene a partir de la oxidación y exfoliación del gafito. Sus conocidas propiedades mecánicas y de impermeabilidad, combinadas con un efecto nucleante y de densificación en la microestructura del cemento captaron la atención de científicos e industriales al descubrir que el uso de bajas concentraciones de este nanomaterial permite el desarrollo de estructuras más resistentes, durables y amigables con el medio ambiente.  

“El GO promueve la formación de C-S-H para mejorar y acelerar la hidratación del cemento a través de un nuevo enlace químico”

¿Cómo interactúa el GO con el cemento?

Si bien está perfectamente documentado que el C-S-H es el responsable del 60 al 80% de la resistencia del cemento, las recientes investigaciones han demostrado que el GO favorece aún más estos resultados y que no es exclusivo para mejorar la resistencia mecánica, sino que también contribuye con otras propiedades como impermeabilidad, anticorrosividad y/o aislamiento térmico. Los beneficios que el GO aporta al cemento propiamente dicho o bien, a los materiales base cemento, se atribuyen a la interacción entre los grupos carboxilo (COOH) del GO con el C-S-H del cemento para formar fuertes enlaces químicos GO/C-S-H. Esto ocurre de la siguiente manera, cuando el cemento entra en contacto con el agua, este se disuelve y libera grandes cantidades de iones; por su parte, el GO al presentar una extensa superficie de área y buena capacidad para aumentar la movilidad de los iones Ca2+ en la pasta de cemento, el GO permite que estos se adsorban en él. En otras palabras, el GO actúa como plataforma para potenciar el efecto de nucleación o de promoción para formar una gran cantidad de partículas C-S-H (fig. 1.), fenómeno que finalmente facilita el proceso de hidratación a edad temprana y que a su vez conduce a la formación de microestructuras más densas, más resistentes y menos permeables. 

“La hidratación es el proceso mediante el cual el cemento en presencia del agua reacciona químicamente, desarrolla propiedades aglutinantes y se transforma en un agente de enlace”

Fig. 1. Representación esquemática sobre la interacción de la pasta de cemento en presencia de grafeno y óxido de grafeno. 
Tomado de: Nanotechnology Reviews (2021), vol. 10, no. 1, 768

Resistencia mecánica Vs. menores emisiones de CO2

La prueba de resistencia a la compresión es la medida más común para controlar la calidad del concreto y, por lo tanto, es también la técnica más utilizada para evaluar el efecto del GO en estas estructuras. De acuerdo con pruebas realizadas en laboratorio, la presencia del GO en el concreto puede superar el 50% de la resistencia esperada, mientras que las evaluaciones en campo reportan fluctuaciones de mejora en el rango del 5% hasta el 50%. Esta variación se debe a que, además del tipo de GO y dosificación estudiada, como toda estructura de concreto, la resistencia también depende de factores como la relación agua- cemento, el grado de compactación de la mezcla; las características del cemento, agregados y aditivos; la edad del concreto; la temperatura e higrometría del ambiente de curado. No obstante, estos valores son lo suficientemente atractivos para aprovecharse no solo en el diseño de estructuras más resistentes, sino también con menor contenido de cemento para contribuir con la reducción de las emisiones de CO2. De hecho, en 2019 un estudio realizado por investigadores de la Universidad de Cambridge reveló que, si la adición de nanopartículas de grafeno lograse reducir tan solo el 5 % del cemento en la mezcla de concreto, su efecto en el calentamiento global se reduciría en un 21%”.

Por lo anterior y, a partir de la 21ª Conferencia de las Partes de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (COP 21) celebrada en 2015, que concluyó con la adopción de la Decisión y del Acuerdo de París que, desde 2020 promueve un desarrollo con bajas emisiones de carbono para mantener el aumento de la temperatura global por debajo de los 2°C, empresas de países como Inglaterra, España, Estados Unidos, Vietnam y México, han acelerado sus esfuerzos para promover los beneficios de la nanotecnología grafénica en favor del medio ambiente.  

Energeia Fusion, la empresa mexicana líder en América Latina en la producción de materiales grafénicos y el desarrollo de aplicaciones, en 2018 lanzó al mercado Graphenergy construcción®, el primer aditivo para concreto con óxido de grafeno en el mundo; un aditivo multifuncional base agua que contribuye a mejorar distintas propiedades de las estructuras base cemento con una sola aplicación. Asimismo, en el corto plazo espera tener disponible un cemento reforzado con grafeno y contribuir a lograr los compromisos medioambientales.  

Fuentes

  1. Ultrahigh Performance Nanoengineered Graphene- Concrete Composites for Multifunctional Applications. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1705183;
  2. The role of graphene/graphene oxide in cement hydration. Nanotechnology Reviews. 2021;10(1): 768;
  3. Experimental study of the effects of graphene nanoplatelets on microstructure and compressive properties of concrete under chloride ion corrosión. Construction and Building Materials, 2022, 360, 129564;
  4. Effect Of On Graphene Oxide the Concrete Resistance to Chloride Ion Permeability. IOP Conf. Ser. 2018: Mater. Sci. Eng. 394 032020;
  5. Effects of graphene oxide on early-age hydration and electrical resistivity of Portland cement paste. Constr Build Mater. 2017, 136, 506;
  6. Recent progress on graphene oxide for next-generation concrete: Characterizations, applications and challenges. “J. Build. Eng. 2023, 69, 106192;
  7. Graphene nanoplatelet reinforced concrete for self-sensing structures – A lifecycle assessment perspective. J. Clean. Prod. 2019, 240, 118202;
  8. Graphene opens pathways to a carbon-neutral cement industry. 2021, Science Bulletin 67;
  9. Reinforcing Effects of Graphene Oxide on Portland Cement Paste. J. Mater. Civ. Eng. 2014. A4014010-1;
  10. A review on the properties, reinforcing effects, and commercialization of nanomaterials for cement-based materials. Nanotechnology Reviews 2020; 9: 303–322, 10;
  11. Permeabilidad a los cloruros del hormigón armado situado en ambiente marino sumergido. Revista Ingeniería de Construcción. 2007, 22, 1, 15;
  12. Penetrabilidad del hormigón al agua y a los iones agresivos como factor determinante de su durabilidad. Materiales de Construcción, 1973, 23, 150;
  13. La resistividad eléctrica como parámetro de control del hormigón y de su durabilidad. Revista ALCONPAT, 2011, 1(2),90;
  14. Portland cement blended with nanoparticles. Dyna, 2007, 74, 152, 277

El aditivo grafénico para concreto

El aditivo grafénico para concreto:

un revolucionario aislante térmico en la construcción

En los últimos años, la industria de la construcción ha intentado mejorar las propiedades del mortero y el concreto, para incrementar su durabilidad, especialmente en estructuras expuestas a ambientes agresivos o extremos. Entre las propiedades que se buscan mejorar, es la resistencia a la compresión, la resistencia a la tensión por compresión, así como disminuir el agrietamiento. Con el aumento de volumen de concreto en los proyectos de ingeniería civil, se ha prestado mas atención a las grietas térmicas que se producen. La experimentación ha demostrado que durante el proceso de hidratación del mortero y/o concreto se genera calor, debido a las reacciones exotérmicas que se producen. Una mala disipación de calor provoca un gradiente entre el interior de la masa y su superficie, lo que genera tensiones internas y puede llegar a provocar un craqueó o agrietamiento térmico en el concreto.

Hoy en día, el óxido de grafeno (GO), un material precursor del grafeno ha atraído mucha atención debido a que es un material aislante, de baja propiedad térmica y posee extraordinarias propiedades mecánicas. El GO posee una gran área superficial (2600 m2/g) y la presencia de grupos oxigenados le confiere propiedades únicas que hace que se disperse fácilmente en agua, lo que lo convierte en un nanomaterial ideal para el desarrollo de aditivos para el concreto.

Aunque las propiedades mecánicas de los compuestos y estructuras a base de cemento son importantes en la infraestructura de los edificios, la propiedad de aislamiento térmico es muy importante para reducir el consumo de energía para la climatización y calefacción en los edificios. Por lo tanto, el GO es un buen candidato debido a sus propiedades de baja conductividad térmica. La conductividad térmica, se define como la capacidad de un material para transferir el calor. Es el fenómeno por el cual se propaga el calor de zonas de alta temperatura (más calientes) hacia zonas más frías dentro del material.  Para el caso del GO, la presencia de huecos y grupos funcionales en la superficie del GO provocan una tensión o inestabilidad local, lo que resulta en una reducción de la conductividad térmica de hasta de 2 a 3 órdenes de magnitud (<100 W/m-K). En el GO, la propagación de flujo de calor se produce en las regiones vacantes (huecos) y en los grupos funcionales oxigenados de la superficie del GO (Figura 1). Cuando un flujo de calor intenta atravesar el GO por algún defecto o vacante, el flujo de calor no solo se propaga fuera del plano, sino que también perturba el flujo de calor alrededor del hueco del plano basal.

Figura 1. Imagen esquemática de lámina óxido de grafeno (GO) con defectos de vacantes o defectos
y grupos funcionales oxigenados distribuidos aleatoriamente.

Recientes investigaciones han reportado, la mejora de las propiedades de aislamiento térmico de materiales compuestos a base de cemento mediante la adición de diferentes concentraciones de GO, así como el efecto de esté en el incremento de la resistencia a la compresión y mayor impermeabilidad de iones cloruro y agua en el concreto. La incorporación de GO disminuyó la microfisuración, la porosidad del material (disminuye el volumen de poros) y mejora la compactación. Las láminas de GO se convierten en una barrera para la propagación de las grietas, lo que mejora las propiedades mecánicas. La resistencia a la compresión de los especímenes de los compuestos con concentraciones de GO de 0,05 % en peso aumentó hasta en un 18,7% y un 13,7% a una edad de curado de 7 y 28 días, respectivamente.   En el caso de las evaluaciones de las propiedades térmicas de los compuestos, la conductividad térmica fue de 0.578 W/m K para el espécimen sin GO (control) y 0.490 W/m K para el compuesto con 0.1 % en peso de GO, mientras que los valores de difusividad térmica oscilan entre 0.38× 10-6 y 0.33× 10-6 m2/s (Figura 2). La conductividad térmica disminuye con el aumento del contenido de GO debido a la baja conductividad o el excelente efecto aislante de las láminas de GO y buenas interacciones entre mortero y las láminas de GO. Generalmente, el material con valores de conductividad térmica inferiores a 0.250 W/m K se conoce como un aislante térmico. Por lo tanto, el aislante térmico del mortero es mejorado en los compuestos con la incorporación de GO.

Figura 2. a) Gráficos comparativos de las resistencias a la compresión de los compuestos a diferentes concentraciones de GO a la edad de curado de 3, 7, 21, 28 y 77 días. b) Conductividad y difusividad térmicas de los compuestos, a la edad de curado de 7 días.

Energeia -Graphenemex® desarrolló y tiene a la venta, un aditivo para concreto con óxido de grafeno (Graphenergy). Un aditivo nanotecnológico que permite mejorar la resistencia mecánica, la impermeabilidad y provee un efecto antimicrobiano a cualquier material a base de cemento. El aditivo también puede conseguir reducir el número final de poros del producto fraguado, lo que se traduce en un producto más compacto y de mayor impermeabilidad al paso de agua, mejorando la protección contra la corrosión de las almas de acero en el concreto.

La propiedad de aislamiento térmico del aditivo puede lograr una reducción de la temperatura de estructuras, infraestructura o edificios a base de concretos en una temperatura más agradable en el interior (hasta de 3 °C), reduciendo el consumo de energía para la climatización y/o calefacción en los edificios.

Referencias

  1. Janjaroen, Khammahong. The Mechanical and Thermal Properties of Cement CAST Mortar/Graphene Oxide Composites MaterialsInt J Concr Struct Mater (2022).
  2. Yi Yang, Jing Cao y col.Thermal Conductivity of Defective Graphene Oxide: A Molecular Dynamic Study. Molecules 2019, 24, 1103.
  3. Guojian Jing, Zhengmao Ye y col. Introducing reduced graphene oxide to enhance the thermal properties of cement composites. Cement and Concrete Composites 109 (2020) 103559.

Grafeno y nanomedicina: la combinación perfecta para una salud mejorada

Grafeno y nanomedicina:

la combinación perfecta para una salud mejorada

Parte lll. Odontología- Implantología

La aplicación de la nanotecnología en la nanomedicina se fundamenta en que la mayoría de las moléculas biológicas desde el ADN, aminoácidos y proteínas hasta constituyentes como la hidroxiapatita y las fibrillas de colágeno, entre otros, existen y funcionan en la escala nanométrica.

Nanómetro (nm): millonésima parte de 1 milímetro.

Los materiales grafénicos son nanopartículas de carbono en forma de láminas de dos dimensiones (2D) que han ganado popularidad en el campo de las ciencias biomédicas no sólo por sus increíbles propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, ópticas y biológicas, sino también por su capacidad de transferir estas propiedades a otros materiales permitiendo la posibilidad de crear nuevos compuestos con características avanzadas. En Odontología y en particular en lo relacionado con la implantología, esta transferencia de propiedades ha permitido abrir numerosas líneas de investigación con grandes expectativas debido al interesante efecto sinérgico entre el control de infecciones y su capacidad regenerativa.1

Nanopartícula: partícula que mide entre 1 y 100 nm.

El grafeno como nueva estrategia para el diseño y manipulación de implantes dentales y regeneración tisular. Tomado de Tissue Eng Regen Med. 2017; 14(5): 481

¿Cuáles son los problemas que el grafeno podría resolver?

Osteointegración

Una de las principales preocupaciones después de la colocación de un implante es el fracaso en su osteointegración. Esto puede ocurrir porque en la interfase hueso- implante en lugar de crecer células óseas, crece un tejido fibroso que no permite la estabilización del implante. Una alternativa para favorecer las condiciones del sitio donde ocurrirán las interacciones celulares es la modificación de la superficie del implante por medio de métodos físicos o químicos para crear nanoporosidades que aumenten la superficie de área y favorezcan la actividad celular. 2

Oseointegración: conexión firme, estable y duradera entre un implante y el hueso que lo rodea. Su éxito depende de factores biológicos y sistémicos del paciente, además de las características del implante.

En el caso de los materiales grafénicos, además de su extensa y extremadamente fina superficie de área de un átomo de espesor, otro de sus valores agregados es la nube de electrones que los rodea y la presencia de algunos grupos oxigenados les permite interactuar con las proteínas séricas para formar una adhesión focal. Es decir, el carácter hidrofóbico/hidrofílico de estos nanomateriales en combinación con la rugosidad de la superficie coadyuva en la interacción con las proteínas y posteriormente con las células, actuando como andamio para promover el crecimiento, diferenciación y anclaje de las células óseas en el implante, favoreciendo el camino para una osteointegración estable y predecible con una mejor proyección de la vida útil.3,4 

El Impacto regenerativo de los materiales grafénicos reside en su gran habilidad para adsorber proteínas creando una capa entre las células y las superficies de los materiales para promover la adhesión y proliferación celular.1

Control de infecciones

Otra causa para el fallo de un implante es la aparición de infecciones peri- protésicas o peri- implantares; para evitarlas es común utilizar técnicas como impregnación con antibióticos, sistemas locales de administración de fármacos y el recubrimiento de implantes con nanotubos de titanio, nanopartículas de plata o con nano- películas polipeptídicas para la liberación controlada de antibióticos.5 No obstante, el preocupante aumento de la resistencia a antibióticos ha desencadenado que estas estrategias sean cada vez menos efectivas.

Los materiales grafénicos además de su biocompatibilidad, cuentan con propiedades antimicrobianas intrínsecas con ventajas sobre los antibióticos tradicionales al tener menos posibilidades de desarrollo de resistencia microbiana. Estos efectos desde hace varios años son explorados por la odontología sobre materiales biocerámicos como la alúmina y el zirconio, metales como el titanio, materiales de restauración como el ionómero de vidrio y materiales poliméricos como el polimetilmetacrilato (PMMA), por mencionar algunos. En general, los mecanismos antimicrobianos aceptados para estas nanoestructuras son: 1) daño físico a la membrana, 2) estrés oxidativo, 3) inactivación por extracción de electrones, 4) aislamiento contra el paso de nutrientes y finalmente, 5) en el caso de los recubrimientos, el control de la hidrofobicidad y la energía de superficie también puede impedir la unión de células con baja afinidad y prevenir la formación de biopelículas.6,7

Biopelícula: Capa de microorganismos que crecen y se adhieren a la superficie de una estructura natural como los dientes (placa dentobacteriana) o artificial como un dispositivo médico (catéteres intravasculares).

En 2021 un grupo de científicos de la universidad de Gwangju, Corea, publicó un estudio en el cual recubrieron implantes de zirconio con óxido de grafeno por el método de plasma de argón. Sus resultados reportaron que esta modificación redujo en un 58.5% la presencia del Streptococcus mutans, la bacteria de mayor influencia en la formación de la placa dentobacteriana y de la caries dental, concordando con una importante reducción en el espesor de la biopelícula del 43.4%. Además del efecto antimicrobiano también evidenciaron un aumento estadísticamente significativo del 3.2% y 15.7% en la proliferación y diferenciación de las células óseas.8 Estos resultados son consistentes con lo reportado por la  Universidad Jiao Tong, Shanghái, sobre un material híbrido de titanio con grafeno sintetizado por la técnica de sinterización por plasma de chispa (SPS). De igual manera, la investigación demostró una interesante disminución de la formación de biopelículas multibacterianas compuestas por Streptococcus mutans, Fusobacterium nucleatum y Porphyromonas gingivalis, acompañada poruna mejora en la actividad de los fibroblastos gingivales humanos, uno de los grupos celulares más importantes que participan en la cicatrización.9 Además de la sinergia entre el control de infecciones y su capacidad regenerativa, otros estudios relacionados con la implantología dental, también están enfocando su atención en las propiedades mecánicas para el diseño de nuevos implantes o materiales de restauración. 10- 12

Energeia- Graphenemex, la empresa mexicana pionera en América Latina en la investigación y desarrollo de aplicaciones con materiales grafénicos, a lo largo de 10 años de carrera ha superado numerosos retos científicos y comerciales para llegar al mercado con productos para distintas industrias. Y siendo consiente que para llegar al sector salud es fundamental realizar  exhaustivas evaluaciones, hace una atenta invitación a todas aquellas empresas y/o centros de investigación que estén interesados en seguir explorando los beneficios de los materiales grafénicos y sentar bases cada vez más sólidas sobre su uso seguro para aplicaciones biomédicas. 

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. ¿Can Graphene Oxide Help to Prevent Peri-Implantitis in the Case of Metallic Implants? Coatings 2022, 12, 1202.
  2. New design of a cementless glenoid component in unconstrained shoulder arthroplasty: a prospective medium term analysis of 143 cases. Eur J Orthop Surg Traumatol 2013. 23(1):27–34 7. European Journal of Orthopaedic Surgery & Traumatology (2018) 28:1257
  3. Graphene-Based Biomaterials for Bone Regenerative Engineering: A Comprehensive Review of the Field and Considerations Regarding Biocompatibility and Biodegradation. Adv. Healthc. Mater. 2021, 2001414.
  4. Nanotechnology and bone regeneration: a mini review. 2014 Int Orthop 38(9):1877–1884 /1. European Journal of Orthopaedic Surgery & Traumatology (2018) 28:1257
  5. Graphene: ¿An Antibacterial Agent or a Promoter of Bacterial Proliferation? iSciencie. 2020.  23, 101787
  6. Graphene: The game changer in dentistry. IP Annals of Prosthodontics and Restorative Dentistry 2022;8(1):10
  7. Antibacterial Activity of Graphene Depends on Its Surface Oxygen Content.
  8. Direct-Deposited Graphene Oxide on Dental Implants for Antimicrobial Activities and OsteogenesisInt. J. Nanomedicine 2021 :16 5745
  9. Graphene-Reinforced Titanium Enhances Soft Tissue Seal. Front. Bioeng. Biotechnol. 2021. 9:665305.
  10. Graphene-Doped Polymethyl Methacrylate (PMMA) as a New Restorative Material in Implant-Prosthetics: In Vitro Analysis of Resistance to Mechanical Fatigue. J. Clin. Med. 2023, 12, 1269.
  11. Mechanical Characterization of Dental Prostheses Manufactured with PMMA–Graphene Composites. Materials 2022, 15, 5391
  12. Fabrication and properties of in situ reduced graphene oxide-toughened zirconia composite ceramics. J. Am. Ceram. Soc. 2018, 101, 8

Innovación en la producción de materiales compuestos: el uso del grafeno en la pultrusión

Innovación en la producción de materiales compuestos:

el uso del grafeno en la pultrusión

Los compuestos poliméricos reforzados con fibra son utilizados ampliamente en los sectores aeroespacial, automovilístico, naval y de generación de energía eólica debido a sus propiedades de ligereza y alta resistencia mecánica. Estos materiales son una alternativa en auge para sustituir a otros materiales como los metales.

En la actualidad existen diferentes métodos para la fabricación de compuestos reforzados con fibras, entre los que destaca el método de pultrusión. Un método altamente eficiente y automatizado que permite el control de los parámetros del proceso (mayor precisión y exactitud), reduciendo la variabilidad en la producción de las piezas.

La pultrusión es un proceso de producción de materiales reforzados donde se pueden distinguir dos componentes, la matriz o fase continua y el refuerzo o fase discontinua. La matriz actúa como un agente de adhesión, en la que el refuerzo queda embebido. Las funciones de la matriz, es transferir la carga a las fibras, mantener las fibras en su posición, evitar la propagación de fisuras, proveer propiedades físicas y químicas del compuesto y también delimita el rango de temperatura que podra soportar el material compuesto. La matriz es termoestable o termofija (poliéster insaturado, resinas epoxi o resinas vinil-ester). Por otro lado, el refuerzo tiene como propósito agregar alguna propiedad que la matriz no posea, como incrementar la resistencia mecánica, la rigidez, la resistencia a la abrasión o mejorar su desempeño cuando es expuesto a temperaturas elevadas. La eficiencia del refuerzo es mayor, cuanto menor sea el tamaño de las partículas o el diámetro de la fibra y más homogéneamente estén distribuidas en la matriz. Las fibras más utilizadas son de vidrio, carbono y aramida debido a su alta resistencia de tracción.

El proceso de pultrusión (Figura 1), es continuo y se utiliza para la fabricación de piezas con un perfil transversal constante, como postes, varillas, molduras automotrices, etc. En la primera etapa de alimentación las fibras de refuerzo pasan por una placa perforada para su alineación, después pasan por un pre-moldeo donde se agrega un tejido para reforzar la fibra. Después en la segunda etapa, las fibras se impregnan de resina liquida y pasan a una etapa de pre-formado donde se orientan las fibras antes de entra al molde. En la tercera etapa (moldeado), se da forma a la sección transversal de la pieza y mediante la aplicación de calor se endurece la resina. Durante la aplicación de calor en el molde, hay tres fases: pre-calentamiento de la matriz y del refuerzo, activación del catalizador de polimerización y curado del material. Después, el perfil sale del molde como material termofijo y pasa hacia un mecanismo de tracción continuo que tira o jala el material a una velocidad constante (cuarta etapa)). Finalmente, en la quinta etapa, una sierra de disco corta el perfil con la longitud deseada. El perfil del compuesto reforzado obtenido es un material completamente rígido, que no se reblandece e insoluble con capacidad de soportar temperaturas elevadas.

Figura 1. Esquema General del proceso de pultrusión: (1) Alimentación, (2) Impregnación, (3) Moldeo, (4) Dispositivo de tracción y (5) Sierra (Corte).

Actualmente las principales aplicaciones de este proceso se centran en la fabricación de materiales para la construcción, transporte y consumibles, por ejemplo: construcción de vehículos, aislante térmico, conductos para cable, cubiertas y rejillas para plantas de tratamiento de aguas, perfiles para vigar, fachadas de edificios, ventanas, puentes, escaleras, entre otros.

Sin embargo, aún existen limitantes en esta tecnología, la baja interacción química de la fibra con la matriz (resina) conduce a una fuerza de unión de interfaz débil entre ambas fases (baja adhesión química), lo que hace que hace que el comportamiento de cizallamiento interlaminar y desempeño de los materiales compuestos no sea del todo satisfactorio. Es decir, si la matriz es frágil se puede generar una rotura espontánea, este comportamiento permite medir la resistencia a la cizalladura interlaminar. Dependiendo del tipo de rotura, se puede caracterizar la resistencia del material de la matriz o la calidad de la unión fibra-matriz.

En años reciente, se ha reportado que la introducción de óxido de grafeno (GO) funcionalizado sobre la superficie de las fibras es un método eficaz para mejorar las propiedades interfaciales de los materiales compuestos, ya que la gran área superficial del óxido de grafeno permite cubrir la superficie de las fibras, incrementando la fuerza de unión química entre la fibra y la matriz, mejorando con ello la resistencia mecánica de los compuestos reforzados. Además, el óxido de grafeno ayuda a mejorar la resistencia a la fractura interlaminar del material compuesto, inhibiendo la iniciación y propagación de grietas.

La adición de óxido de grafeno a los compuestos poliméricos reforzados ofrece numerosas ventajas para el desarrollo de materiales avanzados en una gran variedad de aplicaciones debido a su gran área superficie, la cual tiene un fuerte impacto sobre las propiedades de resistencia mecánica, mejorar en gran medida propiedades tales como módulo, tenacidad y fatiga. Por otro lado, el óxido de grafeno puede proveer a los compuestos mayor resistencia al fuego. Su eficiencia está asociada que el óxido de grafeno 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.

Actualmente Energeia – Graphenemex®, empresa mexicana lider en América Latina en investigación y producción de materiales grafénicos para el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial, tiene a la venta grafeno y óxido de grafeno que puede incorporar o dispersar en cualquier matriz (resina) durante el proceso de pultrusión y con ellos mejorar las propiedades mecánicas de los perfiles o productos.

La incorporación de materiales grafénicos (grafeno, óxido de grafeno) en el proceso de pultrusión, brindan mejoras en las características del producto final, que incluyen:

  • Mayor resistencia a la tracción. La resistencia a la tensión puede incrementar hasta en un 30% con respecto a un perfil estándar sin grafeno.
  • Producción de perfiles de menor peso, ya que el grafeno permite reducir el peso del producto sin afectar sus propiedades mecánicas.
  • Perfiles con mayor módulo de elasticidad.
  • Mayor resistencia a la corrosión y propiedades ignifugas.
  • Mayor resistencia a fracturas o fisuras.

Referencias

  1. Yuxin He, Qiuyu Chen. Effect of multiscale reinforcement by fiber surface treatment with polyvinyl alcohol/graphene oxide/oxidized carbon nanotubes on the mechanical properties of reinforced hybrid fiber composites. Composites Science and Technology 204 (2021).108634.
  2. Jonas H. M. Stiller, Kristina Roder, David Lopitz. Combining Pultrusion with carbonization: Process Analysis and materials properties of CFRP. Ceramics 2023, 6. 330-341.
  3. Dittrich B, Wartig K-A, Hofmann D, Mu¨lhaupt R, Schartel B. Flame retardancy through carbon nanomaterials: carbon black, multiwall nanotubes, expanded graphite, multi-layer graphene and graphene in polypropylene. Polym Degrad Stab 98:1495.

La seguridad del grafeno en la salud humana: lo que la ciencia dice al respecto

La seguridad del grafeno en la salud humana:

lo que la ciencia dice al respecto

Parte ll. ¿Son seguros los materiales grafénicos para los seres humanos?

La familia de los materiales grafénicos comprende una amplia gama de nanoestructuras de carbono de dos dimensiones (2D) en forma de láminas que se diferencian entre sí por las particularidades derivadas del método de producción o bien, por las innumerables funcionalizaciones que se pueden realizar después de su obtención. En 2022 la revista Nature, una de las revistas científicas más importantes a nivel mundial publicó un estudio en el cual se analizaron 36 productos de proveedores de grafeno de países como Estados unidos, Noruega, Italia, Canadá, India, China, Malaysia e Inglaterra, concluyendo que los grafenos representan una clase heterogénea de materiales con características y propiedades variables1 ya sea mecánicas, térmicas, eléctricas, ópticas, biológicas, etc., que se pueden transferir a una gran cantidad de compuestos tridimensionales (3D) para modificar o crear nuevos productos.

“Indudablemente el grafeno y la nanotecnología en general siguen siendo temas controversiales pues nos enfrentan a un mundo difícil de ver y comprender, pero con efectos simplemente sorprendentes”

¿Son seguros los materiales grafénicos?

Los materiales grafénicos prometen ser una importante herramienta dentro de las tecnologías biomédicas; en principio sus beneficios se pueden aprovechar para el diseño de elementos diagnóstico como sensores y dispositivos para imagenología hasta interfases neuronales, terapia génica, entrega de medicamentos, ingeniería de tejidos, control de infecciones, fototerapia para el tratamiento del cáncer, medicina bioelectrónica y estomatológica, entre otras. Pero para que puedan ser realmente utilizados en este tipo de tecnologías primero se deben comprender sus interacciones con el medio biológico o en su defecto, asegurar que su presencia no altere el entorno natural de las células. En este sentido, se han realizado numerosos estudios con las diferentes formas, presentaciones y concentraciones disponibles de grafeno cuyos hallazgos gradualmente han ido allanando el camino para un uso seguro en las tecnologías biomédicas:   

i) Materiales grafénicos en su forma libre. En pruebas in vitro, la exposición de células epiteliales de pulmón humano a láminas de grafeno a concentraciones menores de 0.005 mg/ml no provocó cambios importantes en su morfología o adhesión,2,3 tampoco se identificó actividad citotóxica en células madre derivadas de tejido adiposo humano, ligamento periodontal y pulpa dental expuestas a 0.5 mg /ml de GO,4 incluso y comprendiéndose un posible efecto dosis- tamaño dependiente, otras investigaciones reportan concentraciones seguras por debajo de los 40 mg/ml o bien, que no excedan el 1,5 % p/v. 5-8  

Finalmente, uno de los estudios in vivo más recientes publicado por la Universidad de Manchester, Reino Unido, sobre la respuesta pulmonar de ratones expuestos al óxido de grafeno (GO) en vías respiratorias, no identificó daños significativos o fibrosis pulmonar a 90 días de seguimiento. Estos resultados dan bases sólidas sobre la seguridad de estas nanoestructuras sin desestimar las medidas de seguridad básicas, como el hecho de evitar su inhalación.9 Asimismo, científicos de la Universidad de Trieste, Italia, analizaron el impacto de los materiales grafénicos en la piel, reportando baja toxicidad sobre las células.10

“Es poco probable que los materiales grafénicos en su forma libre se utilicen para estar en contacto con el medio biológico, generalmente se funcionalizan o inmovilizan en otros materiales para desarrollar una aplicación”

ii) Materiales grafénicos funcionalizados. Funcionalización es el término que hace referencia a la modificación química de un nanomaterial para otorgarle una “función”, es decir, para facilitar su incorporación con otros compuestos o para beneficiar su biocompatibilidad y dirigir mejor su uso mediante el anclaje de grupos funcionales, moléculas o nanopartículas. Un estudio publicado por la revista Nature Communications sobre las bioapliaciones del grafeno, remarca la importancia de su funcionalización con grupos amino para que sean más compatibles con las células inmunitarias humanas.11,12

“La funcionalización más común del grafeno es el anclaje de grupos oxigenados en su superficie, a este material se le conoce como óxido de grafeno”

iii) Inmovilización en polímeros. El uso de los materiales grafénicos como nano- relleno de plásticos, resinas, recubrimientos, etc., es la forma más común en la que estas nanoestructuras son utilizadas. Para el sector biomédico su inmovilización en polímeros ha demostrado buena biocompatibilidad y estimulación de la proliferación celular; actividad antimicrobiana y mejora de las propiedades mecánicas de los polímeros, siendo clasificados como excelentes candidatos para la fabricación de dispositivos de fijación ósea, andamios moleculares, implantes en ortopedia o materiales dentales.13- 15

Ante el gran potencial de los materiales grafénicos en las ciencias de las salud, pero también debido a las numerosas interrogantes sobre su seguridad, un equipo internacional de investigación del proyecto europeo Graphene Flagship, dirigido por el EMPA (acrónimo alemán del Instituto Federal de Pruebas e Investigación de Materiales), realizó un estudio para evaluar los posibles efectos sobre la salud de los materiales grafénicos inmovilizados dentro de un polímero; los resultados demostraron que las partículas de grafeno liberadas de dichos compuestos poliméricos después de la abrasión inducen efectos poco significativos.16

“Es tranquilizador ver que este estudio muestra efectos insignificantes, lo que confirma la viabilidad del grafeno para aplicaciones masivas. Andrea C. Ferrari, Oficial de Ciencia y Tecnología del Graphene Flagship”.17,18

Energeia- Graphenemex, la empresa mexicana pionera en América Latina en la investigación y desarrollo de aplicaciones con materiales grafénicos, a lo largo de 10 años de carrera ha superado numerosos retos científicos e industriales para llegar al mercado con productos de uso industrial.  En 2018 comenzó a explorar las capacidades antimicrobianas de sus productos con excelentes resultados in vitro y en ambiente relevante; actualmente y en conjunto con otros centros de investigación se encuentra realizando evaluaciones para explorar el potencial de sus materiales como nano- refuerzo de biopolímeros.

Redacción: EF/DHS

Referencias

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  2. Biocompatibility of Pristine Graphene Monolayers, Nanosheets and Thin Films. 2014, 1406.2497.
  3. Preliminary In Vitro Cytotoxicity, Mutagenicity and Antitumoral Activity Evaluation of Graphene Flake and Aqueous Graphene Paste. Life 2022, 12, 242
  4. Biological and physico-mechanical properties of poly (methyl methacrylate) enriched with graphene oxide as a potential biomaterial. J Oral Res 2021; 10(2):1
  5.  Graphene substrates promote adherence of human osteoblasts and mesenchymal stromal cells. Carbon. 2010; 48: 4323–9
  6. Multi-layer Graphene oxide in human keratinocytes: time-dependent cytotoxicity. Prolifer Gene Express Coat 2021; 11:1
  7. Cytotoxicity assessment of graphene-based nanomaterials on human dental follicle stem cells. Colloids Surf B Biointerfaces. 2015; 136:791
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