Innovaciones Textiles II

Innovaciones Textiles:

Explorando las Tendencias del Grafeno en la Industria

Parte II

En el artículo anterior sobre Innovaciones textiles se abordaron las tendencias del grafeno en la industria enfocadas en aplicaciones prácticas aprovechando sus propiedades eléctricas, térmicas, resistencia al fuego y mecánicas sobre textiles; a continuación se describirán las ventajas del grafeno tomando en consideración el resto de sus beneficios multifuncionales como el efecto barrera con enfoque impermeable y antimicrobiano, así como sus aportaciones en cuanto a protección contra la radiación Uv y confort.

Resistencia mecánica.

La alta resistencia mecánica del grafeno es ampliamente conocida, con un módulo de Young de ~1100 Gpa y una tensión mecánica a la rotura de 42 N/m, por lo que una sola capa de grafeno es 200 veces más resistente que el acero en igualdad de espesor. Esta fuerza se puede utilizar en compuestos modificados con grafeno, de tal manera que puedan soportar grandes esfuerzos sin deformarse y obteniendo mayor resistencia con menor calibre.

En tejidos de lana se ha encontrado una excelente linealidad con más del 20% de alargamiento, resistencia a la humedad del 30 al 90% y buenas propiedades eléctricas y mecánicas. En fibras producidas con un 25% de contenido de lana, la modificación con un compuesto grafénico exhibió una mayor resistencia mecánica (~ 327 MPa) con reducciones en su diámetro de hasta ~ 70% (~ 30 a ~ 20 µm), en comparación con otras fibras como púas de plumas (~ 161 MPa), fibras de queratina (~ 138 MPa), fibras de lana (~ 173 MPa), fibras compuestas de alpaca / PAN (~ 297 MPa) y fibras de viscosa (~ 276 MPa), reportadas en la literatura. Estos cambios pueden explicarse por el efecto del compuesto grafénico sobre la reducción de los defectos en la superficie interna de la fibra y en su contribución para mejorar la orientación molecular de la cadena polimérica de la fibra. 

Propiedades de barrera

La naturaleza hidrofóbica del grafeno, el tamaño de sus nanocanales y la elevada densidad de electrones sobre su superficie lo vuelve una estructura altamente impermeable a materia particulada, líquidos y gases. Por otro lado, la manera que tienen los compuestos grafénicos de interactuar con otros materiales y de organizar a nivel molecular la estructura tridimensional de los mismos, permite crear compuestos con arquitecturas más densas y organizadas a nivel molecular disminuyendo la porosidad de los materiales y creando compuestos además de impermeables, también más resistentes mecánicamente y con importantes índices de recuperación o de resistencia a la deformación.

Barrera antimicrobiana

Otra ventaja del uso del grafeno en la industria textil es su capacidad antimicrobiana, considerando la persistencia y aparición de nuevos retos como el riesgo que conlleva el anclaje, proliferación y propagación de microorganismos sobre las prendas utilizadas particularmente por el sector médico.

Mecanismos de barrera antimicrobiana

– Exclusión por tamaño. El tamaño de los microorganismos puede variar desde los 10 nm hasta 3 micrómetros, por lo tanto, no logran permear a través de la barrera que provee la distancia interatómica de átomos de carbono de las láminas del grafeno (0.142 nm- 0.9 nm).

– Estrés oxidativo. Las interacciones entre los extremos polares de los fosfolípidos de las membranas celulares con el grafeno generan estrés oxidativo irreversible y muerte microbiana. Además, su gran capacidad de anclaje a proteínas puede inhibir la capacidad enzimática de algunos microorganismos.

– Daño a la membrana. Los bordes cortantes de las láminas del grafeno dañan físicamente la estructura de los microorganismos, evitando la adherencia microbiana a las superficies, pero sin tener efectos adversos sobre la piel.

Protección UV.

El espectro de absorción del grafeno abarca todo el espectro electromagnético, con un pico de absorción alrededor de 281 nm, por lo que puede absorber radiación UV con una longitud de onda comprendida entre 100 y 281 nm. Para longitudes mayores a 281 nm, la reflexión que provee el grafeno juega un papel importante en cuanto a la resistencia a la radiación UV y por lo tanto a la mayor durabilidad de los materiales, sobre todo aquellos expuestos a la intemperie.

Confort

Textiles como el algodón, el lino o las telas de seda, son altamente hidrófilas, pero tienen poca capacidad de transporte de moléculas de agua, es decir, pueden absorber la humedad del vapor y la transpiración líquida, pero no pueden desorber el agua hacia la superficie exterior, por lo tanto, el agua retenida en la tela hará que las telas estén húmedas o pegajosas siendo incómodo para el usuario; la hidrofobicidad de los compuestos grafénicos repele o evita el transporte de agua hacia la capa interior y a la vez transporta el agua inversamente a su superficie exterior, además, su excelente capacidad de regulación térmica evita que el calor y la humedad se concentre, evitando que se genere un ambiente propicio para la proliferación de microorganismos como hongos, bacterias virus, ácaros, y por lo tanto infecciones, manchas y malos olores.    

En Energeia- Graphenemex® como líderes en América latina en la producción y desarrollo de aplicaciones con grafeno, estamos convencidos del gran potencial de este maravilloso material para atender las necesidades de sectores industriales como la industria textil. Asimismo, estamos sensibilizados sobre las necesidades científicas, técnicas, económicas y éticas que cada proyecto involucra para su materialización en un producto diferenciado. Por esta razón, somos un aliado estratégico para otras compañías interesadas en innovar y mejorar sus productos y/o procesos a partir de la conformación de equipos multidisciplinarios que allanen el camino para la introducción de nuevas tecnologías como el grafeno en el mercado. Esperamos tener pronto los primeros textiles con grafeno en México.

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. Graphene Modified Multifunctional Personal Protective Clothing. Adv. Mater. Interfaces 2019, 6, 1900622;
  2. Graphene-based fabrics and their applications: a review. RSC Advances. 2016, 6:68261;
  3. Fabrication of a graphene coated nonwoven textile for industrial applications. Australian Institute for Innovative Materials – Papers. 2016, 2173;
  4. New Perspectives on Graphene/ Polymer Fibers and Fabrics for Smart Textiles: The Relevance of the Polymer/Graphene Interphase. Front. Mater. 2018, 5:18;
  5. Graphene applied textile materials for wearable e-textile. 5 th International Istanbul Textile Congress 2015: Innovative Technologies Inspire to Innovate‖ September 11th -12th 2015 Istanbul, Turkey;
  6. The Effect of Graphene Oxide on Flame Retardancy of Polypropylene and Polystyrene. Materials Performance and Characterization 2020, 9, 1, 284;
  7. Engineering Graphene Flakes for Wearable Textile Sensors via Highly Scalable and Ultrafast Yarn Dyeing Technique. ACS Nano 2019, 13, 4, 3847;
  8. Highly Conductive, Scalable, and Machine Washable Graphene-Based E-Textiles for Multifunctional Wearable Electronic Applications. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2000293;
  9. Moisture- Resilient graphene – dyed wool fabric for strain sensing. ACS App. Mater. Interfaces. 2020, 12, 11,13265;
  10. Creating Smart and Functional Textile Materials with Graphene. Nanomaterials and Nanotechnology Biomedical, Environmental, and Industrial Applications. 2021, Chapter 13.;
  11. Graphene oxide incorporated waste wool/PAN hybrid fibres. Sci Rep 2021, 11, 12068;
  12. Moisture-Resilient Graphene-Dyed Wool Fabric for Strain Sensing. ACS Applied Materials & Interfaces 2020, 12, 11, 13265;
  13. Thermal Degradation and Flame-Retardant Mechanism of the Rigid Polyurethane Foam Including Functionalized Graphene Oxide. Polymers 2019, 11, 78;
  14. Tuning sound absorbing properties of open cell polyurethane foam by impregnating graphene oxide. App Acoustics. 151, 2019, 10;
  15. Intumescent flame-retardant polyurethane/reduced graphene oxide composites with improved mechanical, thermal, and barrier properties. Journal of Materials Science. 2014, 49, 243;
  16. Production and characterization of Graphene Nanoplatelet-based ink for smart textile strain sensors via screen printing technique. Materials & Design. 198, 15 2021, 109306;
  17. Caracterización de un tejido mezcla poliéster/ algodón aplicando grafeno mediante el proceso de adsorción. Tesis 2020;
  18. Síntesis y formulación de nuevas espumas de poliuretano flexibles con propiedades mejoradas. Tesis 2018.

Innovaciones Textiles

Innovaciones Textiles:

Explorando las Tendencias del Grafeno en la Industria

Parte I

El grafeno es un nanomaterial bidimensional a base de átomos de carbono que está revolucionado la ciencia de los materiales y la nanotecnología, ya que es el único material conocido por el hombre en el convergen una gran cantidad de propiedades térmicas, eléctricas, mecánicas, ópticas, etc., y que además tiene la capacidad de combinarse con otras estructuras para compartir sus propiedades, modificando y mejorando sustancialmente sus características de origen. Desde su aislamiento en 2004, una gran cantidad de investigadores e industrias alrededor del mundo han intentado aprovechar sus extraordinarios beneficios explorando gradualmente cada una de sus propiedades, sin embargo, los altos costos de producción y la dificultad para obtener cantidades suficientes para su aplicación industrial, han limitado la llegada de productos al mercado.

Aún frente a estas dificultades, la industria textil no se ha quedado inmóvil ante las oportunidades que la nanotecnología grafénica representa y durante la última década ha estudiado no solo al grafeno y sus derivados, sino a otros nanomateriales como las nanopartículas de cobre (CuNp´s), plata (AgNp´s), oro (AuNp´s), óxido de zinc (ZnO), dióxido de (TiO2) y nanotubos de carbono por mencionar algunos, con la finalidad de proveer a los textiles de propiedades antimicrobianas, retardantes a la flama, resistencia mecánica, conductividad eléctrica, entre muchas otras. La diferencia principal es que, mientras que la mayoría de las nanopartículas suelen tener una propiedad específica, el grafeno ofrece capacidades multifuncionales, es decir, puede proveer o mejorar más de un beneficio.  

¿Qué beneficios tiene el grafeno en la industria textil?

La lista de propiedades del grafeno es muy amplia y compleja, que parte de beneficios mecánicos hasta de barrera que son de gran interés para incontables usos. En cuanto a la industria textil se refiere, de todas las propiedades del grafeno, las primeras que despertaron interés fueron la conductividad eléctrica y térmica, pero gracias a su extensa investigación, el día de hoy se tiene identificada una amplia gama de beneficios que correlacionan su multifuncionalidad.

Es importante tener en mente que las extraordinarias características de los materiales grafénicos descritas en la literatura generalmente corresponden a mediciones realizadas sobre los nanomateriales en su forma pura, pero que para aprovechar realmente sus beneficios en aplicaciones tangibles, es necesario combinarlo con materiales tridimensionales sobre los cuales sea posible transferir sus propiedades. En este aspecto, las matrices poliméricas han demostrado ser altamente eficientes como soporte de los materiales grafénicos a través de procesos amigables para su integración y con interesantes mejoras en sus propiedades físico- químicas, donde, uno de los retos más importantes reside en la naturaleza de la interfase grafeno/polímero, siendo que, entre más fuerte y estable es la interfase, mejor será la transferencia de propiedades.

¿Cómo interactúa el grafeno con los materiales textiles?

En la escala nanométrica, los mecanismos de interacción dependen de múltiples factores, pero en general ocurren a través de interacciones electrostáticas, fuerzas de Van der Waals, puentes de hidrógeno, interacciones π-π o interacciones hidrofóbicas; en la escala macrométrica dicha interacción puede comprenderse mejor sobre con el tipo de grafeno, del material textil y del método o momento de integración. Este último punto es de suma importancia, porque no es suficiente tener el grafeno adecuado para proveer o mejorar determinada propiedad, sino que su anclaje y permanencia en toda la estructura de las fibras textiles naturales o sintéticas son variables que aumentan su complejidad. Es decir, en la mayoría de los casos son necesarias modificaciones químicas adicionales al grafeno, aunque también debe considerarse la implementación de otros aditivos para la modificación de cargas que favorezcan las interacciones y el autoensamblaje del nanomaterial con las fibras o incluso emplear otras herramientas o tecnologías para mejorar la interacción de todos los componentes como la infiltración al vacío, prensado o métodos de teñido.

Pero el tema no es tan simple, diversos estudios han identificado que si bien la presión y calor, en efecto ayudan a la penetración y homogeneidad del grafeno dentro de la fibra, reduce las escamas y mejoran la suavidad de la tela, estos métodos pueden ser superficiales y no proveer de beneficios mecánicos o de retardo al fuego. Para este tipo de modificaciones lo ideal es que el grafeno esté perfectamente integrado en toda la estructura de la fibra como ocurre en las telas no tejidas a base de polímeros termoplásticos, porque como es bien conocido, el éxito de la transferencia de las multifunciones del grafeno a otros materiales no solo depende de la presencia del grafeno sino de la identificación o creación de nuevas tecnologías que garanticen su distribución y permanencia en toda la estructura del material de soporte.

Por lo extenso del tema, el presente artículo ha sido dividido en dos secciones. En esta primera parte hablaremos sobre los usos de las propiedades eléctricas, térmicas (resistencia al fuego) y mecánicas del grafeno en textiles; en la siguiente publicación se concluirá la descripción sobre las propiedades de barrera, protección contra radiación Uv y confort.

Conductividad eléctrica

La gran conductividad eléctrica del grafeno es sumamente interesante para la fabricación de textiles inteligentes con la adaptación de sensores, microprocesadores, indicadores luminosos, fibra óptica, etc., textiles con protección electromagnética y antiestática en vías de ser implementados en la industria petrolera, minera, militar y médica, ya que, además de proveer alta eficiencia conductora, el grafeno, al ser láminas monoatómicas de carbono, es libre de corrosión, no agrega volumen, peso, ni disminuye su flexibilidad, como lo suelen hacer las fibras metálicas.

También se ha estudiado para la incorporación de componentes digitales o electrónicos a las prendas como sensores para monitoreo de glucosa, monitoreo cardiaco, sensores de gas, sensores para monitoreo de tensión, torsión, movimiento, acústico, pulso, etc., o incluso para captación de energía solar.

Conductividad térmica

Entre las propiedades más conocidas del grafeno es su conductividad térmica que en diversos materiales, incluyendo los textiles, favorece la rápida disipación del calor, por lo tanto, su incorporación en materiales viscoelásticos para colchones o en textiles utilizados para prendas de verano ayuda a mantener un equilibrio térmico asociado al confort y descanso. Aunque esta misma propiedad también está siendo estudiada con fines terapéuticos para estimular la circulación sanguínea y ayudar a recuperar los músculos de la fatiga.

Por otro lado, los textiles con grafeno también se han utilizado como elementos calefactores en componentes de calefacción industrial y residencial como alfombras, asientos de automóviles y deshielo de las vías de acceso de los aviones; de igual manera, al estar el grafeno libre de corrosión y permitir menor peso, ofrece ventajas adicionales sobre los elementos calefactores metálicos.

Resistencia al fuego

La estabilidad térmica de los materiales grafénicos va a depender de su estructura química y puede estar en el rango de los 500 °C hasta 3000 °C, sin embargo, estas condiciones pueden variar cuando han sido funcionalizados o combinados con otros materiales, en los cuales el grafeno puede aumentar la temperatura de descomposición y el tiempo de ignición. La participación del grafeno es actuar como una barrera de gas debido a la tortuosa estructura interna entre sus nanocanales, es decir, reduce la difusión del gas combustible a la fuente de la llama, reduce la difusión de oxígeno, retarda la combustión inicial y previene la reignición. Por lo tanto, el grafeno mejora la estabilidad térmica de los polímeros al disminuir la tasa de liberación de calor del polímero, evita la propagación del fuego y disminuye el tiempo de ignición.

En algunos polímeros, la presencia del material grafénico puede acelerar el tiempo de ignición, pero una vez que se forma la capa de carbón, este cubre la superficie del polímero y protege la subcapa de la propagación del fuego. Esto se puede explicar porque el material grafénico actúa como una barrera durante el período de ignición y dificulta el deterioro de la cadena de la estructura del polímero, además de que, al formar rápidamente carbón en la superficie externa del polímero, que actúa como una barrera térmica física y disuade los combustibles en la llama. Finalmente, la composición química del grafeno está libre de halógenos, por lo tanto, no se liberan furanos y dioxinas causantes de problemas ambientales.

En Energeia- Graphenemex® como líderes en América latina en la producción y desarrollo de aplicaciones con grafeno, estamos convencidos del gran potencial de este maravilloso material para atender las necesidades de sectores industriales como la industria textil. Asimismo, estamos sensibilizados sobre las necesidades científicas, técnicas, económicas y éticas que cada proyecto involucra para su materialización en un producto diferenciado. Por esta razón, somos un aliado estratégico para otras compañías interesadas en innovar y mejorar sus productos y/o procesos a partir de la conformación de equipos multidisciplinarios que allanen el camino para la introducción de nuevas tecnologías como el grafeno en el mercado. Esperamos tener pronto los primeros textiles con grafeno en México.

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. Graphene Modified Multifunctional Personal Protective Clothing. Adv. Mater. Interfaces 2019, 6, 1900622;
  2. Graphene-based fabrics and their applications: a review. RSC Advances. 2016, 6:68261;
  3. Fabrication of a graphene coated nonwoven textile for industrial applications. Australian Institute for Innovative Materials – Papers. 2016, 2173;
  4. New Perspectives on Graphene/ Polymer Fibers and Fabrics for Smart Textiles: The Relevance of the Polymer/Graphene Interphase. Front. Mater. 2018, 5:18;
  5. Graphene applied textile materials for wearable e-textile. 5 th International Istanbul Textile Congress 2015: Innovative Technologies Inspire to Innovate‖ September 11th -12th 2015 Istanbul, Turkey;
  6. The Effect of Graphene Oxide on Flame Retardancy of Polypropylene and Polystyrene. Materials Performance and Characterization 2020, 9, 1, 284;
  7. Engineering Graphene Flakes for Wearable Textile Sensors via Highly Scalable and Ultrafast Yarn Dyeing Technique. ACS Nano 2019, 13, 4, 3847;
  8. Highly Conductive, Scalable, and Machine Washable Graphene-Based E-Textiles for Multifunctional Wearable Electronic Applications. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2000293;
  9. Moisture- Resilient graphene – dyed wool fabric for strain sensing. ACS App. Mater. Interfaces. 2020, 12, 11,13265;
  10. Creating Smart and Functional Textile Materials with Graphene. Nanomaterials and Nanotechnology Biomedical, Environmental, and Industrial Applications. 2021, Chapter 13.;
  11. Graphene oxide incorporated waste wool/PAN hybrid fibres. Sci Rep 2021, 11, 12068;
  12. Moisture-Resilient Graphene-Dyed Wool Fabric for Strain Sensing. ACS Applied Materials & Interfaces 2020, 12, 11, 13265;
  13. Thermal Degradation and Flame-Retardant Mechanism of the Rigid Polyurethane Foam Including Functionalized Graphene Oxide. Polymers 2019, 11, 78;
  14. Tuning sound absorbing properties of open cell polyurethane foam by impregnating graphene oxide. App Acoustics. 151, 2019, 10;
  15. Intumescent flame-retardant polyurethane/reduced graphene oxide composites with improved mechanical, thermal, and barrier properties. Journal of Materials Science. 2014, 49, 243;
  16. Production and characterization of Graphene Nanoplatelet-based ink for smart textile strain sensors via screen printing technique. Materials & Design. 198, 15 2021, 109306;
  17. Caracterización de un tejido mezcla poliéster/ algodón aplicando grafeno mediante el proceso de adsorción. Tesis 2020;
  18. Síntesis y formulación de nuevas espumas de poliuretano flexibles con propiedades mejoradas. Tesis 2018.

Desafiando las llamas

Desafiando las llamas:

El triunfo del óxido de grafeno en la creación de recubrimientos contra fuego

La inclusión del Óxido de Grafeno (GO) en recubrimientos demuestra eficacia en la inhibición de la inflamabilidad, brindando una barrera resistente al fuego. Los beneficios incluyen protección anticorrosiva, propiedades antimicrobianas y mayor adherencia a sustratos. Este avance destaca la innovación de Energeia-Graphenemex en la producción de recubrimientos ignífugos, posicionándose como líder en la investigación y aplicación de materiales grafénicos de alta calidad.

Los recubrimientos son utilizados en varios sectores, a nivel industrial el uso de recubrimientos está enfocado a la protección contra la corrosión, mientras que a nivel comercial se utilizan para mantenimiento de infraestructuras y con fines decorativos. Hoy en día, la industria de los recubrimientos sigue en constante investigación para el desarrollo de recubrimientos mejorados, con propiedades antimicrobianas, antiadherentes, con mayor resistencia al ataque químico y al intemperismo. Sin embargo, a nivel comercial existen pocos desarrollos enfocados a recubrimientos ignífugos (retardantes a la flama) para la protección contra incendios en infraestructuras.

Los recubrimientos ignífugos tradicionales son revestimientos cementosos, a base de cemento Portland, cemento de oxicloruro de magnesio, vermiculita, yeso y otros minerales. Además, contienen cargas fibrosas, aglutinantes, suplementarios y aditivos que controlan la densidad y la reología, estos materiales generalmente se mezclan con agua en el sitio y se aplican mediante pulverización de alguna construcción o pueden aplicarse sobre un sustrato inflamable mediante el uso de rodillo, en espesores de media pulgada o más. Sin embargo, por su peso, espesor y mala estética, limitan el diseño arquitectónico.

En la industrial de recubrimientos y pintura, existe una amplia variedad de recubrimientos a base de diferentes tipos de resinas (polímeros) y aditivos. Debido a su naturaleza, la mayoría de estos recubrimientos son materiales inflamables y combustibles. Es decir, son materiales que se pueden incendiar cuando son expuestos al fuego, sufriendo degradación y la liberación calor para posteriormente iniciar la propagación de la flama, liberando humo y gases tóxicos, siendo un peligro para la seguridad de la vida humana y los bienes. Por otro lado, los recubrimientos ignífugos base polimérica, utilizan aditivos convencionales basados en halógenos (bromo y cloro), así como fósforo, compuestos de melamina e inorgánicos, para mejorar la resistencia al fuego de los recubrimientos, sin embargo, estos materiales son tóxicos para los seres humanos y el medio ambiente.

En los últimos años, Energeia-Graphenemex se ha enfocado en la producción de materiales grafénicos. El grafeno es el aditivo nanotecnológico más revolucionario para la industria de recubrimientos y pinturas, ya que permite el desarrollo de recubrimientos con extraordinaria protección anticorrosiva, recubrimientos con propiedades antimicrobianas, recubrimientos con mejor adherencia a los sustratos y mayor resistencia a la radiación UV. En este sentido, el óxido de grafeno (GO), ha mostrado ser un nuevo aditivo que ayuda a inhibir o reducir la inflamabilidad de los recubrimientos, para la producción de recubrimientos ignífugos (retardantes de flama) efectivos.

Su eficiencia está asociada a que el GO tiene un fuerte efecto barrera, alta estabilidad térmica y gran capacidad de absorción superficial que son favorables para reducir eficazmente la transferencia de calor y masa.

La incorporación de GO en recubrimientos pueden mejorar la resistencia a la flama, mediante la inhibición de los dos términos clave: calor y combustible. Es decir, puede funcionar como retardante de flama de las siguientes formas:

  • El GO posee una estructura de capas bidimensional única y puede promover la formación de una densa capa continua de carbón durante el proceso de combustión (ver Fig. 1). El carbón puede actuar como barrera física para impedir la transferencia de calor desde la fuente de calor y retrasar el escape de productos (pirolisis) del recubrimiento.
  • Debido a que el GO posee una gran área superficial, puede adsorber eficazmente compuestos orgánicos volátiles inflamables o dificultar su liberación y difusión durante la combustión.
  • La presencia de grupos oxigenados en la estructura del GO, genera que, durante la combustión del recubrimiento, los grupos que contienen oxígeno en GO pueden sufrir descomposición y deshidratación a baja temperatura, absorbiendo así calor y enfriando el sustrato polimérico durante la combustión. Mientras tanto, los gases generados por deshidratación pueden diluir la concentración de oxígeno alrededor de la periferia de ignición, disminuyendo el riesgo de propagación de fuego.

En resumen, la incorporación de GO en los recubrimientos pueden proporcionar protección contra incendios, debido a que pueden liberan agua y además proveer efectos de aislamiento térmico.

Los recubrimientos ignífugos a base de grafeno están diseñados para retardar la ignición y la velocidad de combustión, además deben proporcionar una barrera resistente al fuego.

EnergeiaGraphenemex®, empresa mexicana líder en América Latina en investigación y producción de materiales grafénicos para el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial. Tiene amplia experiencia en la producción de óxido de grafeno (GO) a gran escala, y tiene a la venta, materiales grafénicos de alta calidad para su uso en diferentes industrias.

Fig.1 Prueba de retardancia a la flama de recubrimientos (Método basado clasificación UL-94), donde;
a) recubrimiento sin GO y b) Recubrimiento con GO.

Referencias

  1. Sachin Sharma Ashok Kumar, Shahid Bashir, K. Ramesh, S. Ramesh, Progress in Organic Coatings, 154, (2021)
  2. Weil, Edward. D. Fire-Protective and Flame-Retardant Coatings – A State-of-the-Art Review. Journal of Fire Sciences, 29(3), 259–296.
  3. Lipiäinen, H., Chen, Q., Larismaa, J., & Hannula, S. P. (2016). The Effect of Fire Retardants on the Fire Resistance of Unsaturated Polyester Resin Coating. Key Engineering Materials, 674, 277–282.
  4. Md Julker Nine, Dusan Losic. Mahmood Aliofkhazraei, Nasar Ali, Mircea Chipara, Nadhira Bensaada Laidani, Jeff Th.M. De Hosson, Handbook of Modern Coating Technologies, Elsevier, 2021, Pages 453-492.

El Óxido de Grafeno, el nanomaterial que va a reducir el impacto de la corrosión

El Óxido de Grafeno

el nanomaterial que va a reducir el impacto de la corrosión

¿Qué es la corrosión?

El término corrosión se refiere a la destrucción de un material como resultado de sus interacciones químicas o electroquímicas con el medio circundante; la importancia de su prevención y/o control se debe a que al ser un fenómeno natural, una vez iniciado es prácticamente imposible de detener, es entonces que, una evolución descontrolada invariablemente comprometerá la integridad y vida útil de los materiales generando a la industria involucrada gastos directos e indirectos por pérdida de producto, paro de actividades por mantenimiento hasta el reemplazo de maquinaria o estructuras.

“Las pérdidas económicas causadas por corrosión superan el 3,4% del PIB mundial”

Corrosión influenciada microbiológicamente

La corrosión influenciada microbiológicamente o MIC (por sus siglas en inglés, Microbiologically Influenced Corrosion) puede definirse como el proceso electroquímico en el cual los microorganismos como algas, hongos y bacterias inician, facilitan o aceleran una reacción de corrosión, generalmente localizada en forma de grietas o picaduras sobre superficies tanto metálicas como de concreto. Aunque la corrosión involucra diversas variables, se estima que la MIC participa desde el 20 hasta el 40% de todas las fallas por corrosión, particularmente en la infraestructura hidráulica y petrolera, con costos cercanos a los 2 mil millones de dólares anuales.

¿Por qué inicia la MIC?

La presencia de humedad en cualquier entorno es el hábitat ideal para el crecimiento de numerosas comunidades de microorganismos que, aunada a condiciones óptimas de temperatura, pH, flujo de nutrientes, etc., promueve su adhesión y crecimiento sobre las superficies formando una biopelícula que si no es removida, crece hasta convertirse en una biomasa endurecida y obstructiva dentro de la cual las bacterias reductoras de sulfato, bacterias productoras de ácido, bacterias reductoras de hierro y bacterias formadoras de gel promueven la corrosión o MIC a través de reacciones electroquímicas destructivas de las superficies.

¿Cómo se combate?

Son tres los métodos más comunes para tratar de combatir la MIC, el primero es la limpieza mecánica de las superficies para remover las biopelículas idealmente en etapas incipientes, sin embargo, no siempre es posible acceder a todas las zonas expuestas dificultando su eficiencia; la segunda es el uso de agentes biocidas que, además de ser costosos, la mayoría pueden no ser amigables con la salud humana y con el medio ambiente; finalmente y, quizá el método más apto es la colocación barreras externas a manera de recubrimientos o películas poliméricas para evitar el contacto directo de las estructuras metálicas o de concreto con el medio agresivo.

Control de la corrosión en el concreto

Las opciones disponibles para proteger al concreto contra la corrosión desde su estado fresco son las adiciones de materiales puzolánicos, ceniza volante, escoria de alto horno, agregados sin sulfatos, fibras poliméricas, uso de cemento resistente a sulfatos o modificados con nanopartículas como los nanotubos y nanofibras de carbono, nanopartículas de sílice, alúmina o dióxido de titanio; para la protección en el estado endurecido es común la aplicación de barreras físicas como los recubrimientos anticorrosivos o películas poliméricas  y, para la protección de las estructuras metálicas, además de los recubrimientos anticorrosivos, se puede hacer uso de estructuras galvanizadas, estañadas o la colocación de ánodos de sacrificio de magnesio. Sin embargo, se considera que, por la porosidad natural del concreto, no existen métodos totalmente eficientes que ataquen el problema de la corrosión hacia el interior de las estructuras.

La corrosión en el concreto puede ocurrir por carbonatación, ingreso de cloruros y sulfatos o por ataque microbiológico; cuando el concreto tiene acero de refuerzo y es atacado por la corrosión, se puede llegar a formar un óxido con 2 a 4 veces mayor volumen que el acero original provocando pérdida de adherencia con el concreto y poniendo en riesgo la resistencia del material. Además, la porosidad del concreto además de permitir el paso de humedad para el ingreso de iones agresivos también ofrece millones de nichos ideales para la retención de microorganismos y para la subsecuente formación de las biopelículas iniciadoras de la MIC, no solo porque favorecen su anclaje, sino porque dificultan su eliminación y promueven el avance de la corrosión.

“Se espera que para 2032 el mercado de los inhibidores de corrosión ascienda a 12,5 billones, siendo que en 2022 esta cifra oscilaba en los 8,3 billones”.

El Grafeno y el óxido de grafeno son nanomateriales multifuncionales de carbono con extraordinarias propiedades que, al incorporarse como nanorelleno de otros compuestos como recubrimientos, plásticos o cemento, tienen la capacidad de organizar molecularmente su estructura de tal forma que mejoran su resistencia frente a ataques químicos, físicos y microbiológicos. Entre sus particularidades está que son nanoestructuras inertes, es decir, son estables, no reaccionan con otros materiales y no sufren oxidación ni corrosión; son sumamente delgados y ligeros, pero a la vez, muy resistentes y flexibles; son impermeables incluso a los gases y cuentan con mecanismos antimicrobianos sumamente eficientes.

A continuación, se resumen algunas de las investigaciones más destacadas sobre el uso del grafeno como alternativa contra la corrosión influenciada microbiológicamente (MIC):

2015- El Departamento de Ciencias e Ingeniería de Materiales del Instituto Politécnico Rensselaer, Nueva York, E.U.A., modificó recubrimientos de poliuretano con grafeno identificando una protección 10 veces mayor contra la MIC en comparación con los recubrimientos de poliuretano no modificados.  

2017– El laboratorio de Nanobiomateriales de la Universidad Técnica Federico Santa María, Valparaíso, Chile, evaluó el efecto directo del grafeno colocado sobre sustratos de níquel y su interacción con bacterias causantes de corrosión; los resultados evidenciaron una barrera impermeable generada por el grafeno que bloqueó la interacción entre las bacterias y el metal, pero sin efecto bactericida.

2021– El Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, de la Escuela de Minas y Tecnología de Dakota del Sur, E.U.A., reportó que múltiples capas de grafeno restringieron 10 veces más el ataque de la MIC sobre superficies de cobre y níquel.

2021– La Escuela de Ingeniería de la Universidad de Glasgow, Escocia, examinó el deterioro de pastas de cemento modificadas con óxido de grafeno (GO) expuestas a ambientes de ácidos. Los resultados demostraron que la presencia de GO disminuye la pérdida de masa en el concreto por dichos ataques, reconociéndolo como un aditivo potencial para modificar la microestructura y la vida útil del concreto frente a ambientes agresivos como los presentes en almacenes de productos químicos hasta los sistemas de aguas residuales.

Energeia Fusion (Graphenemex®), la empresa mexicana líder en América Latina en la producción de materiales grafénicos, después de un largo camino de investigación en 2018 lanzó al mercado la Línea Graphenergy que comprende una serie de recubrimientos anticorrosivos y antimicrobianos con nanotecnología grafénica y el primer aditivo para concreto con óxido de grafeno en el mundo, cuyo uso individual o combinado prometen grandes beneficios contra la corrosión.  

Graphenergy Construcción es un aditivo base agua con óxido de grafeno diseñado para mejorar la calidad de las estructuras de cemento en términos de resistencia mecánica y durabilidad. El valor agregado que el óxido de grafeno  ofrece al concreto en la lucha contra la MIC desde el exterior hacia su interior es resultado de una serie de eventos que comienzan favoreciendo la hidratación del cemento actuando como reservorios de agua y como plataforma para el crecimiento de cristales de C-S-H y para disipar el calor de hidratación; mejora las zonas de transición interfacial entre la pasta de cemento y los agregados ayudando a reducir el tamaño y volumen de los poros, esto a su vez favorece el  aumento de la resistencia mecánica, reduce la permeabilidad, aumenta su resistividad, es decir, reduce la transferencia de cargas eléctricas hacia el interior del concreto retrasando el inicio de corrosión y, finalmente,  modifica las cargas electrostáticas y la humectabilidad de las superficies dificultando la formación de biopelículas causantes de la MIC.

Los recubrimientos Graphenergy formulados con óxido de grafeno ofrecen gran resistencia contra la corrosión en zonas costeras y no costeras, así como una excelente protección antimicrobiana sin mecanismos biocidas, ya que su efecto consiste en evitar la adhesión de los microorganismos a las superficies. Además, su impermeabilidad, resistencia a la abrasión y resistencia contra los intensos efectos de la intemperie incrementan su vida útil y, por lo tanto, disminuyen sustancialmente los costos de mantenimiento tanto de estructuras metálicas como de concreto.

Redacción:  EF/DH

Referencias

  1. The Many Faces of Graphene as Protection Barrier. Performance under Microbial Corrosion and Ni Allergy Conditions. Materials 2017, 10, 1406;
  2. Effect of graphene oxide on the deterioration of cement pastes exposed to citric and sulfuric acids. Cement and Concrete Composites, 2021, 124, 104252;
  3. Superiority of Graphene over Polymer Coatings for Prevention of Microbially Induced Corrosion. Scientific Reports, 2015, 5:13858;
  4. Atomic Layers of Graphene for Microbial Corrosion PreventionACS Nano 2021, 15, 1, 447;
  5.  Microbiologically induced corrosion of concrete in sewer structures: A review of the mechanisms and phenomena. Construction and Building Materials. 2020, 239, 117813;
  6. Microbiologically Induced Corrosion of Concrete and Protective Coatings in Gravity Sewers. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2012, 20(3) 433;
  7. In situ Linkage of Fungal and Bacterial Proliferation to Microbiologically Influenced Corrosion in B20 Biodiesel Storage Tanks. Front. Microbiol. 2020, 11;
  8. Chapter 1 – Failure of the metallic structures due to microbiologically induced corrosion and the techniques for protection. Handbook of Materials Failure Analysis. With Case Studies from the Construction Industries. 2018, 1;
  9. Maleic anhydride-functionalized graphene nanofillers render epoxy coatings highly resistant to corrosion and microbial attack. Carbon, 2020, 159, 586;
  10. Gerhardus Koch, Cost of corrosion, In Woodhead Publishing Series in Energy, Trends in Oil and Gas Corrosion Research and Technologies, Woodhead Publishing, 2017;
  11. https://www.futuremarketinsights.com/reports/corrosion-inhibitors-market.
  12. http://www.imcyc.com/revistacyt/oct11/artingenieria.html

El grafeno en la protección contra la radiación electromagnética

El grafeno en la protección

contra la radiación electromagnética

El desarrollo de la tecnología en comunicación junto con los dispositivos electrónicos ha generado una gran preocupación en relación con la radiación electromagnética emitida por estas tecnologías.

La radiación electromagnética es un tipo de campo electromagnético, es decir, una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propaga a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. La radiación electromagnética puede manifestarse de diversas maneras, como ondas de radio, microondas, radiación infrarroja, luz visible, radiación ultravioleta, rayos X o rayos gamma y corresponden a diferentes longitudes de onda, que van del orden de kilómetros (ondas de radio) hasta el orden de picómetros (rayos gamma). El rango completo de longitudes de onda es lo que se denomina espectro electromagnético (Figura 1.).

Figura 1. Espectro Electromagnético.

Las radiaciones electromagnéticas pueden ser de alta frecuencia (radiaciones de telefonía móvil e inalámbrica, radiofrecuencias, ondas de TV, microondas, radares, señales de satélite, Wifi, Bluetooth) y de baja frecuencia (campos generados por cables o consumidores eléctricos).

El calor y la radiación electromagnética (radiación EM) son subproductos inevitables en los dispositivos electrónicos, especialmente los que funciona a altas frecuencias. A medida que los dispositivos electrónicos disminuyen de tamaño, estos funcionan a frecuencias cada vez más altas, generando incluso más calor y ondas electromagnéticas.

Las radiaciones electromagnéticas de alta frecuencias no solo degradan los dispositivos en sí mismos (produciendo calor), sino que también tienden a interferir con los aparatos electrónicos vecinos y lo más importante, es que tiene un efecto adverso sobre la salud humana ya que puede provocar muchas enfermedades, como leucemia, abortos espontáneos y cáncer cerebral.

Por lo que, el bloqueo o protección (blindaje) contra la radiación electromagnética podría ser una de las soluciones para minimizar riesgos a la salud y para la protección de equipos y/o aparatos electrónicos. Los metales son materiales de bloqueo electromagnético naturales, capaces de reflejar las ondas electromagnéticas debido a sus electrones libres, lo que explica su alta conductividad eléctrica y su escasa profundidad de penetración. Sin embargo, su elevado peso, el costo y la susceptibilidad de los metales a la corrosión, hacen que su uso sea limitado si no que imposible.

El uso de recubrimientos o pinturas conductoras para el bloqueo de radiación electromagnética es la opción más viable para dar solución a la problemática. Actualmente el grafeno es el aditivo nanotecnológico más revolucionario en la industria de recubrimientos. Debido a que el grafeno posee extraordinarias propiedades, las cuales incluyen alta conductividad eléctrica, elevada conductividad térmica y resistencia mecánica. Además, posee otras propiedades distintivas, incluida, la impermeabilidad a los gases, resistencia química, potencial antibacteriano y gran área superficial.

La capacidad de conducción eléctrica y la conductividad térmica del grafeno, puede ser aprovechada en la formulación de recubrimientos de blindaje contra la radiación EM, ya que el grafeno forma una red continua a lo largo de la superficie del recubrimiento, creando películas homogéneas que bloquean la radiación electromagnética mientras disipa el exceso de calor.

En estudios recientes, se ha reportado que la incorporación de nanoestructuras a base de carbono, como es el grafeno en recubrimientos o pinturas, permite el desarrollo de recubrimientos con alta conductividad eléctrica para el blindaje o protección contra las interferencias de electromagnéticas (EMI). La forma de actuar respecto a las ondas electromagnéticas de alta frecuencia es por refracción. Las ondas electromagnéticas rebotarán (reflexión) sobre la superficie tratada similar al efecto de un espejo respecto a la luz (Ver Fig. 2). El efecto-barrera en la propagación podría atribuirse a la contribución proveniente de la capacidad de reflexión, la absorción y múltiples reflexiones internas. La eficiencia de blindaje incrementa con la adición de mayor concentración de grafeno en la matriz polimérica del recubrimiento. Estos recubrimientos con grafeno pueden llegar a bloquear más del 99.98 % de la radiación electromagnética de alta frecuencia.

Figura 2. Porcentaje de Reflexión, absorción y transmisión de epóxico pristine (a) y epóxico con grafeno (b).
Tomado de Adv. Electron. Mater. 2019, 5. 1800558

Estos recubrimientos contra la radiación electromagnético pueden actuar tanto para la alta frecuencia como para baja frecuencia, con una excelente calidad de atenuación (disminución de intensidad de señales u ondas eléctricas) de hasta 38 dB, con una mano, y de 47 dB si se aplican dos manos.

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, está en constante investigación y desarrollo de nuevos recubrimientos multifuncionales y actualmente tiene a la venta una amplia gama de recubrimientos nanotecnológicos con grafeno.

Actualmente se están desarrollando y evaluando recubrimientos de blindaje contra la radiación electromagnética. Recubrimientos con alta conductividad eléctrica, para reducir los campos eléctricos de alta y baja frecuencia respectivamente. Estos recubrimientos, ofrecerán también protección anticorrosiva y antimicrobiana. Además, de brindar alta resistencia al desgaste, resistencia a los rayos UV, impermeabilidad y una extraordinaria adherencia.

Referencias

  1. Suneel Kumar Srivastava, Kunal Manna, Recent advancements in the electromagnetic interference shielding performance of nanostructured materials and their nanocomposites: a review, Journal of Materials Chemistry A, 10.1039/D1TA09522F, 10, 14, (7431-7496), (2022).
  2. Kargar, F., Barani, Z., Balinskiy, M., Magana, A. S., Lewis, J. S., Balandin, A. A., Adv. Electron. Mater. 2019, 5, 1800558.
  3. Seul Ki Hong et al 2012 Nanotechnology 23 455704.
  4. Lekshmi Omana, Anoop Chandran*, Reenu Elizabeth John, Runcy Wilson. Recent Advances in Polymer Nanocomposites for Electromagnetic Interference Shielding: A Review. Omega 2022, 7, 30, 25921–25947

Innovación en la protección contra la corrosión: la tecnología de óxido de grafeno

Innovación en la protección contra la corrosión:

la tecnología de óxido de grafeno

La corrosión es el mayor de los desafíos a la que deben de enfrentarse muchas industrias en el mundo. En la actualidad, existen en el mercado una gran diversidad de recubrimientos para la protección contra la corrosión. Sin embargo, la mayoría de estos recubrimientos aun no cuenta con las características fisicoquímicas necesarias para un buen desempeño, estos recubrimientos no son barreras perfectas y eventualmente fallan, su resistencia química depende de su capacidad de impermeabilidad de sustancias químicas, y con ello también depende su capacidad de adherencia y su resistencia a la abrasión.

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 una amplia gama de recubrimientos a través de su línea Graphenergy.

Graphenergy es la línea de recubrimientos nanotecnológicos con óxido de grafeno, que cuenta con un portafolio completo de recubrimientos anticorrosivos de alto desempeño para mantenimiento Industrial e Infraestructura.

Teniendo en cuenta que la infraestructura o equipo industrial pueden estar expuestos a ambientes con diferentes grados de corrosión (intermedia o extrema), se recomienda el uso de Sistemas de Recubrimientos para protección a la corrosión, Graphenergy ofrece las siguientes alternativas:

1. SISTEMA ALQUIDÁLICO

Recomendado para ambientes de corrosión intermedio o suaves (condiciones de corrosión o agresividad intermedia). Este sistema posee resistencia la intemperie y brinda protección anticorrosiva.

Este sistema, está formado por un primer y esmalte tipo alquidal, ideal para la protección de superficies metálicas e infraestructura industrial, tanto para interiores como exteriores. Proporciona alta protección anticorrosiva, resistencia a los rayos UV y brinda extraordinaria adherencia al sustrato. Se recomienda para zonas no costeras o que las condiciones de humedad no sean altos.

2. SISTEMA EPOXI-POLIURETANO

Diseñado para ambientes severos o críticos, en los cuales la infraestructura o equipos y/o algún otro elemento protegido estén expuestos a rayos UV y a una atmosfera industrial con alta contaminación (vapores altamente corrosivos).

Este sistema, está formado por un primer epóxico y Poliuretano (acabado). Recubrimientos diseñados para la protección de superficies metálicas expuestas a ambientes altamente corrosivos y químicos. Ambos recubrimientos ofrecen, alta adherencia, extraordinaria resistencia química, alta resistencia al desgaste, resistencia a los rayos UV, e impermeabilidad, con la finalidad de mejorar la vida de útil de cualquier superficie metálica o instalación y reducir los costos de mantenimiento.

Los sistemas de recubrimientos anticorrosivos Graphenergy, poseen grandes beneficios, que incluyen:

  • Mayor rendimiento al de las tecnologías de recubrimientos existentes en el mercado actual.
  • Se requieren menos capas de recubrimiento aplicadas y con mayor protección anticorrosiva.
  • Recubrimientos con mayor adherencia al sustrato.
  • Recubrimientos con mayor resistencia química y elevada resistencia térmica.
  • Recubrimientos con mayor impermeabilidad y efecto antiadherente.


Cuando se selecciona un sistema de recubrimiento debe tenerse en cuenta la influencia del ambiente a la que será expuesto y el aspecto final que se busca y algunas otras consideraciones que el sistema debe desempeñar y a su mantenimiento.


Por otro lado, otro factor decisivo que determina la selección del primer anticorrosivo a utilizar y en consecuencia el sistema de recubrimiento es el estado físico superficial de la superficie metálica a recubrir y/o el tratamiento o preparación de superficie que se le puede dar.


Referencias

  1. Fengjuan Xiao, Chen Qian, et al., et al., Progress in Organic Coatings, 125, 79-88 (2018); doi.org/10.1016/j.porgcoat.2018.08.027
  2. Karolina Ollik and Marek Lieder. Review of the application of graphene-based coatings as anticorrosion layers. Coatings 2020, 10(9), 883. 2020.
  3. Zhang J., Kong, G., Li S., Le Y., Che C., Zhang S., Lai D., Liao X. Graphene-reinforced epoxy powder coating to achieve high performance wear and corrosion resistance. 20:1448-4160, 2020.

El óxido de grafeno: el nuevo aliado de los recubrimientos primarios en la protección contra la corrosión

El óxido de grafeno:

el nuevo aliado de los recubrimientos primarios en la protección contra la corrosión

La corrosión es una reacción electroquímica que se produce cuando el metal reacciona con el medio ambiente circundante formando óxido férrico, haciéndole perder al metal sus principales características de dureza y resistencia. El oxígeno, la temperatura, la humedad, los contaminantes, gases y las características fisicoquímicas del agua son los factores principales que afectan la velocidad con la que se corroen los metales.

Uno de los métodos más ampliamente utilizados para controlar la corrosión, es la aplicación de recubrimientos protectores (primarios) a las superficies metálicas. El recubrimiento forma una barrera entre el sustrato (metal) y el medio que lo rodea, retardando el deterioro u oxidación del metal. Los recubrimientos son de sustancias a base de polímeros (pinturas), resistentes a la degradación, que se emplean para recubrir el material por proteger.

Hoy en día, se han desarrollado una amplia variedad de primers o primarios a base de diferentes tipos de resina, como son, el tipo alquidal y epóxico. La eficiencia va asociado generalmente a un aumento de costo. Desafortunadamente, la mayoría de estos recubrimientos o pinturas, no son barreras perfectas y eventualmente fallan, debido a agujeros o microporos existentes en el recubrimiento o la difusión de oxígeno y agua a través de este (no son completamente impermeables). Por otro parte, los recubrimientos siguen teniendo baja resistencia térmica y sobre todo una limitada resistencia química.

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 Graphenergy, ha lanzado una gama de primers y otros recubrimientos nanotecnológicos.

Los primarios anticorrosivos Graphenergy, son recubrimientos a base de óxido de grafeno (GO), un nuevo aditivo nanotecnológico que aporta múltiples propiedades a los recubrimientos, entre la que destacan, la extraordinaria protección a la corrosión y tecnología de barrera (efecto-barrera). El óxido de grafeno crea vías que son muy tortuosas, lo que evita la difusión de oxígeno y moléculas de agua a través del recubrimiento y finalmente no lleguen a la superficie metálica, brindando la protección contra la corrosión (Fig. 1). Estos primarios pueden actuar como se ha mencionado, mediante, (1) la formación de una barrera, que impide en gran medida la penetración de oxígeno y moléculas de agua, o (2) la inhibición del proceso de corrosión, al incrementar la resistividad eléctrica como la iónica, cortando el ciclo de corrosión.

Fig. 1 Mecanismo de protección anticorrosiva de recubrimientos a base de polímeros y grafeno.

Entre los primarios anticorrosivos que actualmente se encuentran en venta, por parte de Graphenergy, se encuentran dos: el primer alquidal y el primer epóxico, cada uno diseñado de acuerdo con diferentes necesidades y condiciones.

A. Primer alquidal anticorrosivo Graphenergy.

Proporciona alta protección anticorrosiva, resistencia a los rayos UV y brinda extraordinaria adherencia al sustrato. Ideal para la protección de infraestructura industrial, para la aplicación de superficies ferrosas, tanto para interiores como exteriores. Se recomienda para zonas no costeras o que las condiciones de humedad no sean altos.

B. Primer epóxico anticorrosivo Graphenergy.

Recubrimiento diseñado para la protección de superficies metálicas expuestas a ambientes altamente corrosivos y químicos. Este recubrimiento produce una barrera perfecta (extraordinaria adherencia al sustrato y espesor adecuado), por lo que ni el oxígeno ni el agua u otro producto químico van a poder alcanzar la superficie del metal y proveerá elevada protección a la corrosión.

Además, este recubrimiento ofrece extraordinaria resistencia química, con alta resistencia al desgaste, resistencia a los rayos UV, impermeabilidad y mayor adherencia, con la finalidad de mejorar la vida de útil de cualquier superficie metálica o instalación y reducir los costos de mantenimiento.

Los recubrimientos de grafeno brindan propiedades mejoradas y muchos más beneficios, que incluyen:

  • Mayor rendimiento al de las tecnologías de recubrimientos existentes en el mercado actual.
  • Se requieren menos capas de recubrimiento aplicadas y con mayor protección anticorrosiva.
  • Reducción de Zinc en las formulaciones, puede disminuir la cantidad hasta en un 50%.
  • Primarios con mayor resistencia química y elevada resistencia térmica.
  • Recubrimientos con mayor impermeabilidad y efecto antiadherente (no se le adhiere suciedad). El óxido de grafeno crea una red bidimensional en la superficie del recubrimiento, lo que no permite el anclaje o difusión de moléculas de agua o sustancias químicas, lo que permite desarrollar recubrimientos con efecto hidrofóbico, dando como resultado recubrimientos con mayor facilidad de limpieza (Ver Fig. 2).
Fig. 2. Comportamiento de recubrimientos sin y con óxido de grafeno, después de someterlos a un ataque químico (solución corrosiva) por más de dos horas.
  • Mejora la adherencia al sustrato. Los primarios con óxido de grafeno incrementan su adherencia hasta en un 50% con respecto al control (Fig. 3).
Fig. 3. Prueba de adherencia de primario sin y con óxido de grafeno.
  • Recubrimientos más flexibles. La incorporación de óxido de grafeno no solo mejora la adherencia, también permite brindar flexibilidad al recubrimiento, permitiendo que tenga alta resistencia a la flexión o mayor resistencia a la fractura (Fig. 4).
Fig.4. Prueba de Flexibilidad en primario sin y con óxido de grafeno.


Referencias

  1. Chang, C.-H. et al. Novel Anticorrosion Coatings Prepared from Polyaniline/Graphene Composites. Carbon N. Y. 50, 5044–5051 (2012).
  2. Fengjuan Xiao, Chen Qian, et al., et al., Progress in Organic Coatings, 125, 79-88 (2018); doi.org/10.1016/j.porgcoat.2018.08.027
  3. Karolina Ollik and Marek Lieder. Review of the application of graphene-based coatings as anticorrosion layers. Coatings 2020, 10(9), 883. 2020.
  4. Zhang J., Kong, G., Li S., Le Y., Che C., Zhang S., Lai D., Liao X. Graphene-reinforced epoxy powder coating to achieve high performance wear and corrosion resistance. 20:1448-4160, 2020.
  5. Ghosh Tuhin and Karak Niranjan. Mechanically robust hydrophobic interpenetrating polymer network-based nanocomposites of hyperbranched polyurethane and polystyrene as an effective anticorrosive coating. New J. Chem., 2020, 44, 5980-5994.

Nanotecnología y protección contra la corrosión: la era del óxido de grafeno

Nanotecnología y protección contra la corrosión:

la era del óxido de grafeno

La corrosión se define como el deterioro gradual de los materiales metálicos y sus propiedades, y se produce cuando el metal reacciona con el medio ambiente circundante formando óxido u otro compuesto químico.  En general, el aire atmosférico, la humedad, la lluvia, y las soluciones acuosas (productos químicos) son los ambientes que con mayor frecuencia se asocian a los problemas de corrosión.

En la actualidad, el daño por corrosión es una de las problemáticas más importantes a afrontar para muchas industrias en el mundo. Se estima, que la corrosión provoca pérdidas económicas del 3.4 % del PIB mundial (alrededor de 2.5 billones de dólares anuales). Sin embargo, existen tres industrias que cuyo impacto de corrosión es más frecuente y riesgoso para sus procesos: la industria química, industrial naval y la industria de la construcción.

En la industria química, el uso de productos químicos es primordial dentro de sus operaciones, por lo que los equipos y maquinaria están en contacto directo y constante con sustancias químicas, incrementando costos de mantenimiento y/o reparación, afectando el presupuesto de la industria y su producción. En el caso de la industria naval, la humedad y la sal, son el principal factor que contribuye al proceso de la corrosión y, por consiguiente, el deterioro y afectación de sus instalaciones, barcos, contenedores y hasta mercancías. Por otro lado, en la industria de la construcción, tanto la maquinaria y las mismas áreas de construcción pueden verse afectadas por la corrosión debido a su exposición al medio ambiente. La corrosión provoca que se debiliten los activos metálicos generando fallas mecánicas, poniendo en riesgo la obra.

Regularmente los recubrimientos anticorrosivos se usan para la protección contra la corrosión, humedad y ensuciamiento de instalaciones, maquinaria y equipos.  A nivel comercial, existe una amplia variedad de recubrimientos anticorrosivos a base de diferentes aditivos y resinas, su eficiencia está asociado generalmente a un aumento en el costo. Sin embargo, los recubrimientos siguen teniendo baja resistencia térmica y a la corrosión y sobre todo una limitada resistencia química.

Actualmente el grafeno es el aditivo nanotecnológico más revolucionario en la industria de recubrimientos y pinturas. La incorporación de grafeno como aditivo en recubrimientos, produce recubrimientos con extraordinaria 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 (Fig. 1).

Figura 1. Representación esquemática del camino tortuoso para moléculas de oxígeno y agua en recubrimientos poliméricos con arcilla y grafeno.

Los recubrimientos de grafeno brindan muchos beneficios anticorrosivos y de rendimiento, que incluyen:

  • Mayor rendimiento al de las tecnologías de recubrimientos existentes en el mercado actual.
  • Se requieren menos capas de recubrimiento aplicadas para obtener mayores beneficios
  • Reducción de Zinc en las formulaciones
  • Resistencia química


Los recubrimientos anticorrosivos mejorados con grafeno y óxido de grafeno reemplazaran los recubrimientos tradicionales a base de zinc, que tienen varios inconvenientes, como una vida corta, alto contenido de compuestos orgánicos volátiles (COV), curado lento, alto costo, sedimentación en el almacenamiento.


Actualmente Energeia – Graphenemex®, empresa mexicana líder 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, extraordinaria resistencia química, con alta resistencia al desgaste, resistencia a los rayos UV, impermeabilidad y con mayor adherencia, con la finalidad de mejorar la vida de útil de cualquier superficie o instalación y reducir los costos de mantenimiento.


Referencias

  1. Chang, C.-H. et al. Novel Anticorrosion Coatings Prepared from Polyaniline/Graphene Composites. Carbon N. Y. 50, 5044–5051 (2012).
  2. Fengjuan Xiao, Chen Qian, et al., et al., Progress in Organic Coatings, 125, 79-88 (2018); doi.org/10.1016/j.porgcoat.2018.08.027
  3. Chaudhry, A. U., Mittal, V. & Mishra, B. Inhibition and Promotion of Electrochemical Reactions by Graphene in Organic Coatings. RSC Adv. 5, 80365–80368 (2015).
  4. Zhen, Z. & Zhu, H. Graphene: Fabrication, Characterizations, Properties and Applications. Graphene (Academic Press, 2018).

Óxido de grafeno: una alternativa prometedora en la nanotecnología

OXIDO DE GRAFENO:

una alternativa prometedora en la nanotecnología

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.

Diagrama esquemático del proceso de obtención del GO, mediante la oxidación de 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.

Figura 1. Estructura del óxido de grafeno

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.
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