Retos actuales y futuros de los nanopigmentos y sus aplicaciones

Introducción a la Nanociencia
Curso 2009-10
Dpto. de Física Aplicada
Alicante, 29 de Abril de 2010
Retos actuales y futuros de
los nanopigmentos y sus
aplicaciones industriales
Grupo de Visión y Color
Dpto. Óptica, Farmacología y Anatomía
[email protected]
http://www.ua.es/area/vision_color
Sumario
El Grupo de Visión y Color (GVC-UA)
Línea de investigación: nanopigmentos
Diseño
y síntesis: variables a controlar
Caracterización físico-química y colorimétrica
Aplicaciones industriales y sus retos:
Plásticos
Recubrimientos
Textil
Con colorantes funcionales
Con colorantes naturales
Otras aplicaciones potenciales y retos futuros
Conclusiones y debates
GVC-UA
Descripción
El Grupo de Visión y Color
Ciencia y Tecnología del Color:
Luz,
Materia, Ojo y Cerebro
Medida, apariencia y reproducción del color
4 doctores
3 Física
1 Ing. Industrial
4 doctorandos
1 Lic. Física (UV)
2 Ing. Quím. (UA)
1 Ing. Textil (UPV)
1 Ing. Materiales
(UdA-Colombia)
GVC-UA
Laboratorio
Laboratorio del GVC-UA
Caracterización espectral y colorimétrica
de (nano) materiales:
Opacos,
transparentes y translúcidos
Con y sin contacto sobre la muestra
Irradiación direccional o difusa
Gonio-cromáticos:
metalizados y perlados
Fluorescentes
4
Escalado nano ↔ macro
de las propiedades del color
ENFOQUE TEÓRICO
Parámetros de
colorantes,
diferencias-color,
gamas-colores, etc
Coeficientes:
Absorción K
Scattering S
Propiedades físicas
partículas:
tamaño (D), forma,
índice refracción,
coef. extinción,
polarizabilidad, etc
Colorimetría
Reflexión ρ(λ
λ)
Transmisión τ(λ
λ)
Teoría
Kubelka-Munk
Interacción
entre partículas
Modelos
corpusculares
interacción
luz-materia
Secciones
eficaces:
QA(D, λ)
QS(D, λ)
D tamaño
ENFOQUE EXPERIMENTAL
Enfoque
Arriba - Abajo
viceversa
Nano
materiales
Color
Nanopigm.
Panorama
Línea de investigación en:
Nano-pigmentos
Nano-pigmento
= mezcla controlada de nanoarcilla y colorante orgánico (ecológico)
Patente Planocolor® (TNO - Holanda, 2001)
Variación de tipo de nano-arcilla:
Natural
o sintética (modificada)
Laminar o acicular
Variación de tipo de colorante
Normal
(sintético), o incluso de origen natural
Especial: electrocrómico, luminiscente, etc
Diseño
Síntesis
Variables
Control
Diseño y síntesis
Síntesis de nanopigmentos:
Intercambio
iónico
Colorante orgánico
Nanoarcilla
Diseño
Síntesis
Variables
Control
Esquema de síntesis
Arcilla
Agua desionizada
Agitación
Dispersión de la
arcilla
Disolución del
colorante
Agitación
Intercambio
iónico
Lavado
3
CH
C H3
N
N
S
C H3
N
N
3
CH
S
3
CH
CH3
3
C H3
3
CH
N
3
CH
N CH N
CH3
N
3
CH
S
C H3
N
N
3
CH
3
CH
N
N
N
CH
3
3
CH
3
H
C
N
3 N
CH
C H3 S
3
CH
N
N
N
CH
3
Secado
N
3
CH
3
CH
3
CH
N
N
3
CH
C H3
N
N
C H3
S C H3
Filtrado
3
CH S
3
CH
C H3
N
N
S C H3
3
CH
3
CH
S
CH3
N
N
CH3
S C H3
N
CH
N
N
N
3
CH
3
CH
N
N
C H3
C H3S
CH3
CH
3
SC H
3
3
CH
C H3S
CH
N
N
CH3
N
N
CH
3
Diseño
Síntesis
Variables
Control
Variables del proceso de síntesis
Colorantes:
presentarse en forma protonada H+
Calculo de la masa: CEC/meq/100mg
Puedan
Arcillas
Laminar:
(100-120) CEC/meq100g
Naturales: Montmorillonita NANOFIL 116
Sintéticas: Laponita
Acicular:
Esmectitas
Sepiolitas
(10-20) CEC/meq100g
Diseño
Síntesis
Variables
Control
ARCILLAS
Caracterización:
Intro
Caracterización
Caracterizar:
Determinar los atributos peculiares de
alguien o de algo, de modo que
claramente se distinga de los demás
(DRAE).
Dos tipos fundamentales de enfoque:
¿Cómo es el material?
¿Cómo se comporta el material?
Caracterización:
Intro
¿Cómo es el material?
Tamaño
Forma-Topografía
Área superficial
Ordenamiento atómico o molecular
Composición química:
Superficial
Volumétrica
Defectos
Periódico de largo alcance
Vítreo
Maclas, dislocaciones, impurezas, vacancias, etc.
Relaciones entre fases
Proporciones
Distribución
Caracterización
Intro
¿Cómo se comporta?
Medición de las propiedades:
Mecánicas
Térmicas
Absorción, refracción, reflexión, luminiscencia, color.
Eléctricas y magnéticas
Reactividad (energía de activación), solubilidad,
potencial químico, etc…
Ópticas
Conductividad, capacidad calorífica, transformaciones
de fase, expansibilidad, etc…
Químicas
Elasticidad, plasticidad, tenacidad, ductilidad, dureza,
fatiga, etc.
Conductividad, capacitancia, permitividad,
susceptibilidad, magnetización, permeabilidad, etc…
Biológicas
Toxicidad, modulación del sistema inmune, etc…
Caracterización:
Intro
División de las técnicas
de caracterización
Imágenes
Espectros
Microscopia
Análisis de la energía irradiada después de su
interacción con la materia: electromagnética,
mecánica, partículas.
Desempeño
Cambio de identidad estructural o de propiedad
intensiva
Estándares internacionales
Caracterización:
Intro
Recomendaciones generales
Siempre se debe tener información
general de:
¿Qué
se va a analizar?
¿Cuál
es el objetivo del análisis?
¿Cuáles
son las características generales de
la muestra?
Orgánica / Inorgánica,
Sólido / Líquido,
Tóxica / No Tóxica,
Caracterización
de nanopigmentos
Caracterización:
Nanopigmentos
Demostrar “nano”
Interacción Colorante-Arcilla
Efecto de los factores de síntesis
Establecer
variable respuesta
Colorimetría y reproducibilidad
Desempeño
Caracterización:
Nanopigmentos
Espectroscopia UV-VIS
Caracterización:
Nanopigmentos
Espectroscopia UV-VIS
Caracterización:
Nanopigmentos
Espectroscopia UV-VIS
Caracterización:
Nanopigmentos
Difracción de rayos X
Caracterización:
Nanopigmentos
DLS-FTIR-TA-P
Caracterización:
Nanopigmentos
Colorimetría
Caracterización:
Nanopigmentos
Producto terminado y
Estándares internacionales
Caracterización:
Instrumentación
Aplic.
Industriales
Aplicaciones industriales
Ventajas competitivas iniciales
Amplia
gama de colores – colores intensos
Biodegradables
Estabilidad (UV, oxígeno y Tª)
Coloración homogénea de distintos sustratos
Aplicaciones
Plásticos
Recubrimientos
(cosmética, etc)
Textiles
Nanopigmentos
funcionales
Nanopigmentos naturales
Aplic.
Industriales
Plásticos
Retos
Aplicaciones en Plásticos
Diseño de experimentos
Materiales
Polímero: polietileno de baja
densidad LLDPE (LL)
Nanoarcilla: montmorillonita
Nanofil® 116 (N)
Azul de Metileno (MB)
Nanopigmento
CEC (NAN)
Nanopigmento azul 1% CEC
(NAN1)
azul
100%
Procedimiento
Pre-mezclado de polímero y
aditivo, ambos en estado
sólido (polvo)
Mezclado
en amasadora
Brabender Platicorder PL
2000 Kneader (180º C, 40
rpm, 10 min)
Placas (espesor 1mm) en
una
prensa
de
platos
calientes a 180º C
Aplic.
Industriales
Plásticos
Retos
Aplicaciones en Plásticos
Preparación de muestras
POLYMER
CONCENTRATION (phr*)
ADDITIVE
linear low density polyethylene (LL)
0,1
None
1
5
LL
N
LLN-01
LLN-1
LLN-5
NAN
LLNAN-01
LLNAN-1
--
NAN1
LLNAN1-01 LLNAN1-1
MB
*phr = parts hundred resin
LLMB-01
LLMB-1
LLNAN1-5
--
Aplic.
Industriales
Plásticos
Retos
Aplicaciones en Plásticos
Resultados preliminares en polímeros
Propiedades mecánicas: Tracción
Energy at Break point (J)
Young Moduli (MPa)
22,71
163,88
156,25
22,29
21,78
20,28
149,23
135,68
12,45
123,42
LL
NAN1-01
NAN-01
N-01
MB-01
LL
NAN1-01
NAN-01
N-01
MB-01
Aplicaciones en Plásticos
Aplic.
Industriales
Plásticos
Retos
Propiedades colorimétricas
60
100
120
LLN-01, LLN-1
60
40
LLNAN1-01
80
150
LLNAN1-1
30
20
LLNAN-1
-60
-40
LLNAN1-010
-20
0LL
20
LLMB-01
LLNAN1-1
LLMB-1
-20
40
60
330
210
Lightness L*
blue - yellow b*
LL
LLN-1,LLN-01
60
LLMB-01
40
LLNAN1-5
LLNAN-01
20
LLNAN-1
-40
LLNAN-01
300
240
-60
green - red a*
LLMB-1
0
0
20
40
60
Chroma C*
80
100
Aplic.
Industriales
Coatings
Retos
Aplicaciones en Recubrimientos
Ventajas de los Nanopigmentos en:
Pinturas
Resistentes a condiciones extremas
Pinturas biodegradables
Aislantes de superficies
Tintas
de exterior
de impresión
Nanotintas (20-70 nm)
Impresión en distintos sustratos (papel, látex, etc)
Cosmética
Nanoemulsiones
Nanopigmentos TiO2, ZnO para barrera UV
Aplic.
Industriales
Coatings
Retos
Aplicaciones en Recubrimientos
Exigencias del mercado
Tamaño
y forma de la partícula
Impurezas
Toxicología (REACH, COVs):
En monocitos y granulocitos
Estudio de modulación de sistema inmune
Estudio de inflamación
Densidad
Dispersión
uniforme
Resistencia a procesos de molienda
Aplic.
Industriales
Textiles
Retos
Aplicaciones en Textiles
Demandas desde el sector textil
Nuevas
tecnologías
Acabados especiales
Tejidos funcionales: Textiles inteligentes
Métodos de coloración: Estampación digital
Certificados
de calidad
Resistencia al lavado
Estabilidad UV
Resistencia al frote
NANO
PIGME
NTOS
Aplic.
Industriales
Textiles
Retos
Aplicaciones en Textiles
Requisitos del producto
ACABADO
Estabilidad
TINTURA
ESTAMPACIÓN
a los ciclos de lavado
Afinidad por las fibras
Dispersión/Solubilidad
Intensidad y gama de color
Tamaño de partícula max: 1 µm
Estabilidad UV
Resistencia al frote
Aplic.
Industriales
Nanopigm.
funcionales
Retos
Nanopigmentos funcionales
Colorante funcional
Sustancia
química (colorante) que sufre un
cambio de color cuando se aplica un
estímulo externo
Aplic.
Industriales
Nanopigm.
funcionales
Retos
Nanopigmentos funcionales
Objetivos
Colorear
distintos materiales / sustratos
Mejorar la estabilidad del color
Darle al material funcionalidades especiales
Electrocromía
Termocromía
Luminiscencia
Nanopigmentos electrocrómicos
Nanoarcillas
(laminar – acicular)
Colorantes electrocrómicos (viologenos)
Grupo intermedio (donor/aceptor e-)
Aplic.
Industriales
Nanopigm.
funcionales
Retos
Nanopigmentos funcionales
Resultados iniciales
Proceso
de síntesis efectivo
Nanopigmento como WE
Respuesta eléctrica
No hay cambio de color visible
Retos
Mejorar
el proceso de síntesis
Estudio comparativo colorante
convencional vs. nanopigmento
Técnicas de caracterización específica
Aplic.
Industriales
Nanopigm.
Naturales
Nanopigmentos naturales
Colorante sintético ⇒ de origen natural
Vegetal:
raíces, flores, hojas, etc
Animal: insectos, etc
Culturas indígenas:
América
India
etc
Idoneidad de esta innovación
UNESCO:
desarrollo países emergentes
Reciclabilidad con mismos ingredientes
Mayor biocompatibilidad
Medio ambiente: suelo, etc
Cuerpo humano: propiedades medicinales extra
Aplic.
Industriales
Nanopigm.
Naturales
Retos
Nanopigmentos naturales
Creación
EBT
Nanopigm.
Retos
Otros retos a superar
Creación de una EBT: NA2COLOR
Gestión
I+D+i integral de nanopigmentos
naturales y sus aplicaciones industriales
Clientes/socios: fabricantes y aplicadores finales
Servicios: inteligencia competitiva, estudios de
viabilidad, apertura de mercados, IP, etc
Fabricación a escala industrial??
Retos a superar
Plan
de empresa
Misión y objetivos, nichos de mercados a cubrir
Recursos humanos, técnicos y financieros
Promotores
Accesibilidad
al mercado
Demostrar la viabilidad técnica y económica
Competidores: Mayan Pigments Inc., etc
Final
+
Debate
Conclusiones
Nanopigmento = colorante + nano-arcilla
Comportamiento
como pigmento mejorando
rendimiento de color y otras prestaciones
físico-químicas
Muchos retos pendientes por resolver
Nanopigmentos
y su potencial industrial
Demandas sectoriales sobre su valor real de
competitividad
Colorantes Funcionales y Naturales
Progresos en marcha
Plásticos. Pendiente: extender a otros plásticos
Por desarrollar: pinturas, tintas, cosmética, textil,
EBT, FP7-NMP 2011, etc
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