Retos actuales y futuros de los nanopigmentos y sus aplicaciones industriales

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1 Alicante, 29 de Abril de 2010 Introducción n a la anociencia Curso Dpto. de Física F Aplicada Retos actuales y futuros de los nanopigmentos y sus aplicaciones industriales Grupo de Visión y Color Dpto. Óptica, Farmacología y Anatomía

2 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

3 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)

4 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

5 Enfoque Arriba - Abajo viceversa ano materiales Color EFOQUE TEÓRICO Escalado nano macro de las propiedades del color 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 Teoría Kubelka-Munk Interacción entre partículas Modelos corpusculares interacción luz-materia Reflexión ρ(λ) Transmisión τ(λ) Secciones eficaces: Q A (D, λ) Q S (D, λ) D tamaño EFOQUE EXPERIMETAL

6 anopigm. Panorama Línea de investigación en: ano-pigmentos ano-pigmento = mezcla controlada de nanoarcilla y colorante orgánico (ecológico) Patente Planocolor (TO - Holanda, 2001) Variación de tipo de nano-arcilla: atural o sintética (modificada) Laminar o acicular Variación de tipo de colorante ormal (sintético), o incluso de origen natural Especial: electrocrómico, luminiscente, etc

7 Diseño Síntesis Variables Control Diseño y síntesis Síntesis de nanopigmentos: Intercambio iónico Colorante orgánico anoarcilla

8 Diseño Síntesis Variables Control Esquema de síntesis Arcilla Agua desionizada Agitación Dispersión de la arcilla Disolución del colorante Agitación Intercambio iónico Lavado C H 3 S C C CH 3 C S C C S C 3 S C S H3 H3 CH H3 CH CH3 CH3 H3 H3 CH3 H3 H3 Filtrado C H3 CH 3 C H3 S CH3 C H3 CH 3 C H3 C H3 S CH3 CH 3 S C H3 CH 3 CH 3 CH 3 C H3 C H3 C H3 S S C H3 C H3 CH3 CH 3 CH 3 CH3 C H3 S C H S C H3 CH CH 3 C H3 CH3 C H3 CH 3 CH 3 CH 3 C H3 CH 3 CH 3 Secado

9 Diseño Síntesis Variables Control Variables del proceso de síntesis Colorantes: Puedan presentarse en forma protonada H + Calculo de la masa: CEC/ meq/100mg Arcillas Laminar: Esmectitas ( ) CEC/meq100g aturales: Montmorillonita AOFIL 116 Sintéticas: Laponita Acicular: Sepiolitas (10-20) CEC/meq100g

10 Diseño Síntesis Variables Control ARCILLAS

11 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?

12 Caracterización: Intro Cómo es el material? Tamaño Forma-Topografía Área superficial Ordenamiento atómico o molecular Periódico de largo alcance Vítreo Composición química: Superficial Volumétrica Defectos Maclas, dislocaciones, impurezas, vacancias, etc. Relaciones entre fases Proporciones Distribución

13 Caracterización Intro Cómo se comporta? Medición de las propiedades: Mecánicas Elasticidad, plasticidad, tenacidad, ductilidad, dureza, fatiga, etc. Térmicas Conductividad, capacidad calorífica, transformaciones de fase, expansibilidad, etc Químicas Reactividad (energía de activación), solubilidad, potencial químico, etc Ópticas Absorción, refracción, reflexión, luminiscencia, color. Eléctricas y magnéticas Conductividad, capacitancia, permitividad, susceptibilidad, magnetización, permeabilidad, etc Biológicas Toxicidad, modulación del sistema inmune, etc

14 Caracterización: Intro División de las técnicas de caracterización Imágenes Microscopia Espectros 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

15 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 / o Tóxica,

16 Caracterización: anopigmentos Caracterización de nanopigmentos Demostrar nano Interacción Colorante-Arcilla Efecto de los factores de síntesis Establecer variable respuesta Colorimetría y reproducibilidad Desempeño

17 Caracterización: anopigmentos Espectroscopia UV-VIS

18 Caracterización: anopigmentos Espectroscopia UV-VIS

19 Caracterización: anopigmentos Espectroscopia UV-VIS

20 Caracterización: anopigmentos Difracción de rayos X

21 Caracterización: anopigmentos DLS-FTIR-TA-P

22 Caracterización: anopigmentos Colorimetría

23 Caracterización: anopigmentos Producto terminado y Estándares internacionales

24 Caracterización: Instrumentación

25 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 anopigmentos funcionales anopigmentos naturales

26 Aplic. Industriales Plásticos Retos Aplicaciones en Plásticos Diseño de experimentos Materiales Polímero: polietileno de baja densidad LLDPE (LL) anoarcilla: montmorillonita anofil 116 () Azul de Metileno (MB) anopigmento azul 100% CEC (A) anopigmento azul 1% CEC (A1) 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

27 Aplic. Industriales Plásticos Retos Aplicaciones en Plásticos Preparación de muestras POLYMER linear low density polyethylene (LL) COCETRATIO (phr * ) 0,1 1 5 ADDITIVE one LL LL-01 LL-1 LL-5 A LLA-01 LLA-1 -- A1 LLA1-01 LLA1-1 LLA1-5 MB LLMB-01 LLMB-1 -- *phr = parts hundred resin

28 Aplic. Industriales Plásticos Retos Aplicaciones en Plásticos Resultados preliminares en polímeros Propiedades mecánicas: Tracción Young Moduli (MPa) Energy at Break point (J) 156,25 163,88 20,28 22,71 22,29 21,78 149,23 135,68 123,42 12,45 LL A1-01 A MB-01 LL A1-01 A MB-01

29 Aplic. Industriales Plásticos Retos Aplicaciones en Plásticos Propiedades colorimétricas blue - yellow b* LL-1,LL LLA-1 LLA LL 20 LLA1-1 LLMB-01 LLMB LLA green - red a* 30 Lightness L* LL-01, LL-1 LLA1-01 LLA1-1 LL LLMB-01 LLA1-5 LLA-01 LLA-1 LLMB Chroma C*

30 Aplic. Industriales Coatings Retos Aplicaciones en Recubrimientos Ventajas de los anopigmentos en: Pinturas de exterior Resistentes a condiciones extremas Pinturas biodegradables Aislantes de superficies Tintas de impresión anotintas (20-70 nm) Impresión en distintos sustratos (papel, látex, etc) Cosmética anoemulsiones anopigmentos TiO 2, ZnO para barrera UV

31 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

32 Aplic. Industriales Textiles Retos Aplicaciones en Textiles Demandas desde el sector textil uevas tecnologías Acabados especiales Tejidos funcionales: Textiles inteligentes Métodos de coloración: Estampación digital Certificados de calidad Resistencia al lavado Estabilidad UV Resistencia al frote AOPIGMETOS

33 Aplic. Industriales Textiles Retos Aplicaciones en Textiles Requisitos del producto ACABADO TITURA ESTAMPACIÓ Estabilidad 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

34 Aplic. Industriales anopigm. funcionales Retos anopigmentos funcionales Colorante funcional Sustancia química (colorante) que sufre un cambio de color cuando se aplica un estímulo externo

35 Aplic. Industriales anopigm. funcionales Retos anopigmentos funcionales Objetivos Colorear distintos materiales / sustratos Mejorar la estabilidad del color Darle al material funcionalidades especiales Electrocromía Termocromía Luminiscencia anopigmentos electrocrómicos anoarcillas (laminar acicular) Colorantes electrocrómicos (viologenos) Grupo intermedio (donor/aceptor e - )

36 Aplic. Industriales anopigm. funcionales Retos anopigmentos funcionales Resultados iniciales Proceso de síntesis efectivo anopigmento como WE Respuesta eléctrica o hay cambio de color visible Retos Mejorar el proceso de síntesis Estudio comparativo colorante convencional vs. nanopigmento Técnicas de caracterización específica

37 Aplic. Industriales anopigm. aturales anopigmentos naturales Colorante sintético de origen natural Vegetal: raíces, flores, hojas, etc Animal: insectos, etc Culturas indígenas: América India etc Idoneidad de esta innovación UESCO: desarrollo países emergentes Reciclabilidad con mismos ingredientes Mayor biocompatibilidad Medio ambiente: suelo, etc Cuerpo humano: propiedades medicinales extra

38 Aplic. Industriales anopigm. aturales Retos anopigmentos naturales

39 Creación EBT anopigm. Retos Otros retos a superar Creación de una EBT: A 2 COLOR 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

40 Final + Debate Conclusiones anopigmento = colorante + nano-arcilla Comportamiento como pigmento mejorando rendimiento de color y otras prestaciones físico-químicas Muchos retos pendientes por resolver anopigmentos y su potencial industrial Demandas sectoriales sobre su valor real de competitividad Colorantes Funcionales y aturales Progresos en marcha Plásticos. Pendiente: extender a otros plásticos Por desarrollar: pinturas, tintas, cosmética, textil, EBT, FP7-MP 2011, etc

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