PROGRAMA NACIONAL DE CIENCIA, TECNOLOGÍA E INNOVACIÓN EN MATERIALES PARA LA COMPETITIVIDAD INDUSTRIAL

Transcripción

1 Decenio de las personas con discapacidad en el Perú Año Internacional de la Quínua Año de la Inversión para el Desarrollo Rural y la Seguridad Alimentaria PROGRAMA NACIONAL DE CIENCIA, TECNOLOGÍA E INNOVACIÓN EN MATERIALES PARA LA COMPETITIVIDAD INDUSTRIAL LÍNEAS DE ACCIÓN PRIORITARIAS Lima, Mayo del

2 INDICE I. Introducción 3 II. Aspectos Generales 4 III. Diagnóstico e Identificación de Problemas 5 A. Materiales Poliméricos 5 B. Materiales Metálicos 6 C. Materiales Cerámicos y No Metálicos 7 D. Nanomateriales y Materiales Compuestos 7 IV. Objetivos 9 V. Líneas de Acción Prioritarias En polímeros naturales y artificiales En metales En materiales cerámicos y minerales no metálicos En nanomateriales y materiales compuestos 10 2

3 PROGRAMA NACIONAL DE CIENCIA, TECNOLOGÍA E INNOVACIÓN EN MATERIALES PARA LA COMPETITIVIDAD INDUSTRIAL LÍNEAS DE ACCIÓN PRIORITARIAS INTRODUCCIÓN Se puede decir que la historia de la humanidad está marcada por la historia de los materiales. Nuestros ancestros empezaron su aventura tecnológica aprendiendo a fabricar y usar herramientas de piedra, y después a dominar la cerámica y los metales. La revolución industrial del siglo XIX en Europa fue moldeada por los avances en la tecnología del acero. La evolución de las grandes ciudades del siglo XX no hubiera sido posible sin una maestría tecnológica en la utilización del concreto. La vida en el principio del siglo XXI seria muy diferente sin la utilización los plásticos o de los semiconductores. Estos han sido los materiales que han definido nuestro pasado y nuestro presente. Las preocupaciones de los investigadores actuales en la temática nos pueden dar una idea de los materiales que van a crear nuestro futuro. En los últimos años, la utilización de las técnicas de microscopia electrónica ha permitido entender mejor los mecanismos de transformación de los materiales en función de la temperatura y del tiempo. Al mismo tiempo, gracias a las técnicas de análisis de superficie, los investigadores han estudiado en detalle las interacciones del material con el ambiente. Combinando estas dos técnicas, ha sido posible crear películas delgadas con aplicaciones novedosas. En paralelo, los progresos en física del estado solido han permitido avances significativos en las aplicaciones de las nanopartículas. En el Perú, los materiales, o más precisamente los minerales, han tenido un papel capital en los últimos 15 años, ya que a través de su exportación hacia países con economías en desarrollo rápido (China, India), han contribuido apreciablemente a reforzar la economía del país. Pero este éxito rotundo en el plan económico nacional también atrae varias interrogantes: Por qué exportar minerales si la mayor parte del valor agregado es creado durante la transformación? Cual es exactamente la composición de estos minerales que exportamos? Podemos aprovechar también los elementos presentes como impureza en estos minerales? 3

4 Esto es solo una parte del contexto en el cual se desarrollan las actividades del Programa de Ciencia y Tecnología de Materiales para la Competitividad Industrial. El Programa impulsará el desarrollo de proyectos de investigación científica, tecnológica y de innovación, la generación de conocimiento estructurado y tecnología en los temas identificados como prioritarios a nivel nacional. De esa manera, se espera articular conocimiento y acción entre las distintas esferas de la sociedad, para lograr empresas más competitivas utilizando materiales modernos y eficientes. 2. ASPECTOS GENERALES Las personas nos vemos inmersas en un universo fabricado a partir de materiales de naturaleza metálica, polimérica, cerámica y todas sus posibles combinaciones. Estos materiales sustentan nuestro presente bienestar y hacen factibles nuestro progreso futuro. Por esta razón, en numerosos países del primer mundo el área de Materiales recibe una atención prioritaria, han desarrollado importantes capacidades científicotecnológicas y cuentan con programas formales de Investigación y Desarrollo (I+D) desde hace décadas. Los Programas de Materiales realizan más actividades y disponen de mayores recursos financieros. Los nuevos materiales representan aproximadamente 25 % de la contribución total de CTeI a diversos programas (aeroespaciales, nucleares, electrónicos, informáticos, entre otros), con una contribución apreciable en otros sectores (transporte, el hogar, los deportes y el ocio). El carácter eminentemente horizontal y la naturaleza multidisciplinaria de la aplicación de los materiales, ofrece un especial atractivo en numerosos sectores productivos del tejido empresarial. Son de particular importancia los materiales nuevos diseñados para una función específica, de fácil manufactura y bajo costo de fabricación, durables y confiables, y todo ello sin dañar el medio ambiente. Los materiales compuestos y los nanomateriales tienen un rol fundamental y un enorme potencial de aplicación, en particular en las industrias de alta tecnología (informática, biotecnología, óptica, aeroespacial y otras). El costo de los materiales constituye, en promedio, el 50% del valor de fabricación de un producto. Las industrias de materiales avanzados representan una parte importante de la economía de los países desarrollados, e.g. en Francia: 500,000 puestos de trabajo y una producción de 16,500 millones de euros. El avance en áreas de gran impacto social como la genética, la biotecnología, las tecnologías de información y comunicación no se hubiera dado sin el aporte de 4

5 materiales de estructura controlada a escalas atómicas, nano y microestructurales. Los nuevos materiales permiten atender las demandas sociales sobre la minimización del impacto sobre el medio ambiente, a través del óptimo aprovechamiento de recursos y materiales en el inicio, durante y al final del ciclo de la vida útil de los productos. El desarrollo de los materiales incide indirectamente en la mejora de la calidad de vida de los ciudadanos, pues permite mejorar la utilidad, la eficacia, la calidad, la confiabilidad y la vida útil de numerosos productos y servicios. Las exigencias del desarrollo sostenible favorecen el aprovechamiento de la biomasa y de los materiales renovables, así como el reciclaje de productos industriales (metálicos, poliméricos, cerámicos, electrónicos y otros). El fin del ciclo de vida de los productos impone desafíos a la tecnología de los materiales: eliminación, tratamiento, recuperación, reciclaje y otros. Mientras que los países desarrollados han logrado significativos avances en el diseño, síntesis y producción de nuevos materiales y nanomateriales (e.g., grafeno, nanocelulosa cristalina); economías primario-exportadoras como la nuestra siguen ancladas en la extracción y exportación, muchas veces acelerada y descontrolada, de sus recursos naturales. En particular esto ocurre con los materiales que se exportan con nulo o escaso valor agregado, tales como concentrados de minerales - ni siquiera como metales-, troncos de maderas tropicales, fosfatos, entre muchos otros. Consecuentemente, el Programa Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación de Materiales para la Competitividad Industrial es de carácter transversal, y responde a requerimientos específicos en líneas de acción científicas, tecnológicas y de innovación, propuestos por los agentes productivos o sociales ligados a cadenas productivas, emergentes y potenciales en materiales polímeros, metálicos, cerámicos y nanomateriales. 3. DIAGNÓSTICO E IDENTIFICACIÓN DE PROBLEMAS El marco del análisis que sigue está constituido por las cadenas productivas de valor vinculadas a las siguientes áreas básicas de los materiales: materiales poliméricos, metálicos y cerámicos, así como las áreas de los nanomateriales y de los materiales compuestos. A. Materiales Poliméricos Los polímeros pueden ser naturales o sintéticos. Los polímeros naturales forman parte de los seres vivos, y pueden ser de origen animal o vegetal, como la lana, seda, 5

6 algodón, madera, celulosa, almidón, proteínas, caucho natural, ácidos nucleicos como el ADN entre otros. Los polímeros sintéticos son aquellos polímeros sintetizados a través de procesos químicos en forma industrial a partir de monómeros derivados del carbón, gas natural e hidrocarburos. Los más conocidos en la vida diaria son el nylon, el polietileno, el poliestireno, el policloruro de vinilo (PVC) y. La gran variedad de propiedades físicas y químicas de estos compuestos permite aplicarlos en construcción, embalaje, industria automotriz, aeronáutica, electrónica, agricultura o medicina. En el Perú, la materia prima (monómeros) utilizados en la fabricación de polímeros es importada, sin embargo para algunos productos se utiliza el reciclaje. Los diversos tipos de polímeros suelen utilizarse en la industria automotriz y en la fabricación de resinas para diversos usos. Una potencial alternativa a la importación de este tipo de productos, sería la utilización del gas natural como insumo para la obtención de materia prima. Algunas necesidades de investigación y desarrollo tecnológico para la obtención de polímeros comerciales en nuestro país incluyen, entre otros, la polimerización de monómeros; la caracterización de refuerzos para plásticos reciclados; la síntesis y caracterización de fibras de refuerzo; el desarrollo de nuevos aditivos para pinturas utilizadas en la industria automotriz; y la utilización de gas natural como insumo para la obtención de materia prima para la industria del plástico y de otros polímeros comerciales. B. Materiales Metálicos Comprende la metalurgia de transformación en metales ferrosos y no ferrosos. La Metalurgia de Transformación en Metales Ferrosos se orienta principalmente al aumento del valor agregado del mineral de fierro como insumo en la industria del acero; al modelamiento de minerales de fierro en diversos procesos (e.g. obtención de arrabio); y al desarrollo de aleaciones especiales y más limpias para aplicaciones industriales (cobre, acero) y para metales disponibles en el país (oro, plata, plomo). Asimismo, al desarrollo de nuevos productos en la cadena productiva de la industria siderúrgica y en la cadenas industriales de metal mecánica, construcción y minería. Las necesidades de investigación se enfocan hacia la caracterización y clasificación. La Metalurgia de transformación en Metales No Ferrosos se orienta a la obtención de diversas aleaciones a base de cobre, según las exigencias del mercado, e.g. la fabricación de piezas de bronce y latón a partir de polvos metálicos por el método de 6

7 sinterización, en atmósferas controladas. Frente al método convencional de obtención de piezas por fundición y maquinado, en la sinterización la perdida de material es mínima y la variedad y complejidad de fabricación de piezas es mayor. C. Materiales Cerámicos y Minerales No Metálicos Sus aplicaciones son múltiples y cada una de ellas requiere de un tipo de materia prima específica. Se suelen clasificar en las siguientes tres áreas: En los Cerámicos Utilitarios se utiliza como materia prima diversas arcillas y feldespatos, de cuyo procesamiento se obtienen objetos de cerámica artesanal, ladrillos de construcción, cerámica utilitaria propiamente dicha: Azulejos, pisos etc. Los Materiales Cerámicos y Minerales no Metálicos de uso Industrial. Utilizan como materia prima a los minerales no metálicos en la producción de refractarios y otras aplicaciones industriales. Por ejemplo, las arcillas de uso industrial como las bentonitas se utilizan en para obtener arcillas activadas con elevada capacidad de adsorción y con poder floculante y tensoactivo (útiles en el tratamiento de agua y efluentes); las diatomitas, un material de origen orgánico con gran poder de adsorción en estado natural es útil como aislante térmico, adsorbente, filtros, etc. Actualmente, diversos insumos industriales de este tipo son importados. Los Materiales Cerámicos Avanzados. Comprenden materiales con propiedades conductoras especificas, así como materiales compuestos de partículas cerámicas y matríz metálica (CERMET) que reemplazan a determinadas aleaciones anti-desgaste debido a la versatilidad de su producción, bajo costo y escasas mermas durante su procesamiento. En particular, en Materiales Cerámicos es necesaria investigación básica (geológica, física, química) para caracterizar a profundidad y clasificar las propiedades de los materiales; así como para desarrollar nuevos productos. Así mismo es importante definir el tipo de proceso específico al que deben someterse determinadas arcillas a fin de obtener materiales cerámicos de calidad y competitivos en los mercados nacional e internacional. D. Nanomateriales y Materiales Compuestos y Semiconductores La nanotecnología es el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales funcionales, dispositivos y sistemas a través del control de la materia en la escala de los nanómetros (1-100 nanómetros, siendo un nanómetro igual a 1 x

8 m), esto es, en los niveles atómico y molecular, así como la explotación de propiedades y fenómenos nuevos de la materia en dicha escala. Los materiales de escala nano constituyen un área potencial de desarrollo en todos las áreas antes mencionados, y requieren una atención especial, debido a que la aplicación de nano-materiales en diversos sectores de la industria es amplia y puede generar oportunidades de competitividad industrial y crecimiento económico de alto impacto. Aún cuando no existen en el país cadenas productivas de nanomateriales, es importante apoyar las demandas de formación, implementación de laboratorios, y de proyectos de investigación básica y aplicada en el campo de la nanotecnología. Las necesidades y requerimientos de CTeI en Nanomateriales han sido clasificadas en: Desarrollo de Investigaciones aplicadas: Entre estas mencionamos: a) el desarrollo de nanomateriales metálicos, cerámicos, magnéticos, semiconductores, o superconductores; b) el crecimiento de monocapas moleculares; y c) el uso de métodos computacionales para el diseño de nanoestructuras. Desarrollo tecnológico y transferencia de tecnología Entre estos mencionamos: a) la adaptación de nanomateriales con potencial uso en el control ambiental; b) el desarrollo de nanomateriales con potencial uso en genética, biotecnología y farmacia; c) el desarrollo de aplicaciones de nanoescala en la industria de la construcción; y c) el desarrollo de nanomateriales aplicados a la espintrónica o magnetotrónica. Los Materiales Compuestos están formados por dos o más materiales distintos sin que se produzca reacción química entre ellos, y que presentan algunas propiedades físicas determinadas superiores a las de los materiales que lo constituyen. Están constituidos por dos componentes: la MATRIZ, que se presenta en fase continua, actuando como ligante, y el REFUERZO, en fase discontinua, que es el elemento resistente. Algunas necesidades de CTeI en Materiales Compuestos son, entre otras, el estudio de compatibilidad de fases e interfases en polímeros reforzados con fibra; el estudio de propiedades mecánicas de compuestos de matriz o refuerzo poliméricos; la aplicación de compuestos de matriz o refuerzo poliméricos en la industria automotriz. La comunidad científica en el Perú es reducida, empero se han identificado ocho universidades (PUCP, UPCH, UNALM, UNI, UNMSM, UNSA, UNT, UCSM y un instituto, el IPEN) cuyas actividades de investigación y desarrollo en Materiales están 8

9 vinculadas. Los grupos de investigación que abordan los materiales en el Perú están formalmente reconocidos en sus respectivas instituciones, cuentan con infraestructura y equipamiento básico y con un Jefe responsable, siendo integrados mayormente por Químicos, Físicos, Biólogos e Ingenieros de Materiales. El Perú es considerado como país primario exportador de recursos naturales, donde los materiales en sus diversas formas son considerados. El programa de Materiales se orienta a cambiar esta estructura productiva mediante la investigación sobre nuestras necesidades y la agregación de valor a nuestras futuras exportaciones. 4. OBJETIVO Impulsar, promover y articular la generación, desarrollo y aplicación de conocimiento científico y tecnológico para incrementar el valor agregado de los metales, minerales, cerámicos, polímeros y materiales compuestos y avanzados, obteniendo productos que el sistema productivo pueda adoptar y utilizar competitivamente. Asimismo, incentivar la transferencia y absorción tecnológica con participación de la empresa privada. 5. LÍNEAS DE ACCIÓN PRIORITARIAS 5.1 En polímeros naturales y artificiales. a) Generación y uso de polímeros naturales y artificiales para el reprocesamiento y remediación de pasivos ambientales. b) Desarrollo de polímeros que incrementen el valor agregado del gas natural y otras materias primas regionales de uso industrial y asegure su calidad. c) Reciclaje y valorización de residuos (plásticos, madera, y otros). 5.2 En metales. a) Incremento del valor agregado del cobre, oro, plata, hierro y zinc. b) Mantenimiento preventivo de metales y productos metálicos. c) Reprocesamiento de pasivos ambientales (relaves, escorias y polvos metalúrgicos como fuentes de metales valiosos, elementos raros y estratégicos). d) Diseño de materiales y procesos para la industria minera, petroquímica y metal mecánica. 9

10 5.3 En materiales cerámicos y minerales no metálicos. a) Caracterización e incremento del valor agregado de materiales cerámicos y minerales no metálicos regionales. 5.4 En nanomateriales, materiales compuestos y semiconductores. a) Nanomateriales y materiales compuestos para la agricultura, salud, construcción, energía, agua, para uso industrial y para protección del medio ambiente. b) Materiales compuestos (semiconductores, películas delgadas) y materiales sinterizados. 10