NANOMATERIALES EN RECUBRIMIENTOS Estado del arte, nuevos materiales y sus aplicaciones PINTURAS ARQUITECTÓNICAS FOTOCATALÍTICAS PhD. Antonio Clemente Fernández Tornero R&D Director Factory Manager Fakolith Chemical Systems Jornadas Técnicas: PRÓXIMA GENERACIÓN DE PINTURAS FUNCIONALES Y SOSTENIBLES 22/01/2015
ÍNDICE 1. Estado del arte 2. Dimensión de una 3. Seguridad y salud 4. Efectos 5. Principales tipos de 6. Aplicaciones de las s 7. Cuestiones básicas en recubrimientos con s. 8. Pinturas 9. Conclusiones
NANOMATERIAL Recomendación comisión Europea 18/11/2011 ISO (ISO/TS 27687:2008; 80004-1:2010 y 12901-2) fullerenos, copos de grafeno nanotubos de carbono NO EXISTE todavía NORMATIVA en ESPAÑA ni en la UNIÓN EUROPEA Material natural, secundario o fabricado que contenga partículas, sueltas o formando un agregado o aglomerado con: 50% partículas tamaño 1-100nm Casos específicos (medio ambiente, salud, seguridad o competitividad): 1-50% <1 nm = Material con cualquier dimensión exterior en la nanoescala (nanoobjeto) o que tenga la estructura interna o estructura superficial en la nanoescala(material nanoestructurado). Comités: EASHW, ECHA, EU nanotechnology, JCR 2012
NANORECUBRIMIENTOS DECORATIVOS PROTECTORES Mejora de la resistencia a la abrasión y los arañazos SiO 2, Al 2 O 3, ZrO 2, etc. Inhibición de la corrosión CeO2, ZnO, etc. FUNCIONALES Self-cleaning y fotocatalíticos (TiO 2 anatasa, ZnO) Aislantes térmicos (Al(OH 3 )), huntita,etc.) Protectores UV (de CeO 2, ZnOo TiO 2 (rutilo)) Aislantes, conductores eléctricos, térmicos o aislantes electromagnéticos (NTC, grafeno, IL, etc.) Antimicrobianos(Ag, Cu, Zn y sus óxidos puros o mixtos, etc.)
BET método para determinar el área específica de una NP NANO 1nm = 10-9 m Descripción de un nanomaterial Propiedades físicas: Tamaño, forma, área específica y proporción entre anchura y altura Si se adhieren unas a otras Distribución según el tamaño Finura o rugosidad de su superficie Estructura, incluida la estructura de cristal y cualquier defecto del cristal Su capacidad para disolverse Creen que el tamaño es importante? Trudy E. Bell; gráficos cortesía de Nicolle Rager Fuller (Sayo Studio) Propiedades químicas: Estructura molecular Composición, incluida su pureza y cualquier aditivo o impureza conocidos Estado de agregación: sólido, liquido o gas Química de superficie Atracción de moléculas de agua y de aceites o grasas
Comité Científico de los Riesgos Sanitarios Emergentes y Recientemente Identificados (CCRSERI) Suponen las NPsun riesgo para la salud? Posibles efectos en: El sistema cardiovascular y los pulmones. El hígado, los riñones, el corazón, el cerebro, el esqueleto y diversos tejidos blandos. Regulaciones generales: La Directiva 89/391/CEE, la Directiva 98/24/CE, la Directiva 2004/37/CE, REACHyCLP. Evaluación del riesgo de las s artificiales (ERNA) Eliminar o sustituir RIESGO Reducir al mínimo Técnicas de control en origen; Medidas organizativas; EPIs
+ uso = + exposición medioambiental Cuál es el impacto de las NPs en el medio ambiente? Cuál es su comportamiento en el aire, agua o tierra? Acumulación en la cadena trófica? Hay pocas investigaciones hasta la fecha sobre sistemas y especies terrestres y no está claro si los resultados de laboratorio están relacionados con loquepodríaocurrirenel mundoreal Todavía quedan muchas preguntas por responder!!! Se sabe que por su naturaleza pueden tener una gran variedad de efectos: Matar bacterias, hongos,... Posibles efectos dañinos en invertebrados y peces, incluidos la reproducción y el desarrollo. NO existe regulación marco en Europa que limite o controle la liberación al medioambiente de las NPs, ni una metodología de referencia para evaluar su impacto. No obstante, NO todos los efectos sobre el medioambiente serán PERJUDICIALES. Recientes investigaciones, demuestran como NPs de hierro pueden descomponer el Lindano(TECNALIA).
Ag Proyecto APLICONS CeO 2 Nanopolímeros y dendrímeros Nanopolímerosen emulsión PICKERING. Pérez et al. R. Ibe. Ame. Pol. Vol.14(3) SiO 2 Al(OH) 3 NPs Nanoarcillas Fullerenos ZnO Negro de humo Al 2 O 3 Au TiO 2 Óxidos de hierro ZrO 2 LiSiO3 Nanotubos (CNT) Copos de grafeno Nanofibras de carbono (CNF)
Materiales refractarios Filtro UV Agente de refuerzo Anticorrosivos Catalizadores Aglutinantes Fungicida Anti-graffiti Aislante térmico Fotocatalizadores Aplicaciones en Recubrimientos Conductor eléctrico Hidrófugos Abrasivos Modificadores reológicos Pigmentos Bactericida Antiestático Agente anti-desgaste Retardantes a la llama Aislante eléctrico Antifouling Apantallamiento electromagnético
Proyecto financiado por:
Coste/Efectividad Funcionalidad del recubrimiento Utilidad práctica Elevado precio en comparación con sus homólogos micronizados. Optimizar las formulaciones con el fin de obtener la actividad deseada Sé realmente cómo? Tipo de NPs más adecuadas: método de síntesis, pureza química, formato de suministro (dispersión, polvo, etc.). Qué funcionalidad deseo del recubrimiento final? Conozco la química del nanomaterialy su idoneidad para la función a potenciar? Una mala elección mermade las propiedades del producto, empobrece su calidado las propiedades pretendidas. Realmenteel uso de un determinado nanomaterialmejora mi producto? Por ejemplo, incorporar NPs de Al 2 O 3 a un recubrimiento de fachadas, que no necesita una elevada resistencia a la fricción o al rallado está técnicamente justificado?
Estabilidad y dispersión Fisicoquímica de las NPs: interacciones cuánticas, fuerzas atractivas de Van der Waals, interacciones electrostáticas, fuertes grupos hidrofílicos/hidrofóbicos, reactividad química elevada, etc. Elevada área superficial mayor consumo de ligante para su anclaje, de disolvente para la correcta humectación, incrementos de viscosidad y del consumo de dispersantes. Esto dificulta formular con altas concentraciones de NPs (>3%). Pero no olvides: Son más reactivas!!! Posible floculaciónde las NPs y pérdida de eficiencia. Alternativas: anclaje sobre la superficie inerte de un material soporte, síntesis Core-Shell, emulsiones de Pickering. o encapsulación por medio de la síntesis denominada barco de botella. TEM de NPs de TiO 2 soportado sobre sepiolita, cortesía de TOLSA.
Centros Activos Las NPs cuanto dispersas en el recubrimiento eficientes. Las NPs cuanto pequeñas mejor!! evitar agregados( floculación!!) y ser estables químicamente con el recubrimiento(al ph, aditivos, etc.). El recubrimiento(en función de las prestaciones buscadas) debe poner en la superficie del mismo la mayor cantidad de NPs para que puedan interaccionar con el medio. Ejemplos: ParalaacciónbactericidadelasNPsdeAg. ParalaacciónfotocatalíticadelasNPsdeTiO 2. En estos casos, una matriz poco porosa y con alto contenido de ligante, recubrirá la mayor parte de las NPs de la película de pintura, reduciendo claramente la disponibilidad de las mismas para su acción. SEM de dos recubrimientos con NPs de TiO2 y distinto contenido de ligante, Proyecto TECNO-CAI, financiado por:
El TiO 2 (Anatasa) es el semiconductor usado en fotocatálisis heterogénea. Química y biológicamente inerte Noestóxico Estable a corrosión fotoquímica yquímica Abundante y económico Unfotón(hυ)TiO2 e - H2O / O2 Malato S. Solar Detoxification, chapter 4, Edition of UNESCO, 2002. Posee un gap de energía de 3.2eV que puede ser excitado con luz UV de λ<387 nm, la cual puede ser aportada por la luz solar. Combinado con un 20% de NPstiporutilo,generaunefectosinérgico, conungapdeenergíade3.0ev. Radical Superóxido (O 2 ) Peróxido de Hidrógeno (H 2 O 2 ) Radicales OH Con óxidos de nitrógeno las reacciones conducen a nitratos: NO + OH NO 2 + H + NO 2 + OH NO 3- + H + Con los compuestos orgánicos, el resultante final es agua y dióxido de carbono: C n H 2n+2 + OH / O 2 CO 2 + H 2 O
Ciertas pinturas cuidan más su imagen, que su contenido Actividad Catalítica Espectro Electromagnético Consolidación de la Matriz de Pintura Las reacciones no discriminan entre los materiales o compuestos susceptibles de verse afectados por las mismas, lo que incluye también a los polímeros (resinas, látex ), asfaltos Si es fotocatalítica, no podrá ser plástica(polimérica) y ofrecer a su vez, una funcionalidad, durabilidad y calidad aceptable. Las NPs de TiO2, tiene poca actividad en el espectro visible (400 y 750 nm). Son las radiaciones del UVA (320-400 nm) y UVB (290-320 nm) las más activas. Las áreas con iluminación artificial (lámparas fluorescentes) sólo reciben un 0,5% de radiación UV. El uso en interioresde recubrimientos fotocatalíticos basados en NPs de TiO2, no ofrecen actualmente la sensibilidad suficiente para ser realmente activos. La investigación realizada por TECNALIA, titulada Envejecimiento de recubrimientos fotocatalíticos bajo una corriente de agua: comportamiento a largo plazo y emisión de s de dióxido de titanio, revela que en todos los recubrimientos analizados se produjo una pérdida de y de las propiedades de los recubrimientos. Causas: Degradación del aglutinante (pinturas plásticas); uso insuficiente o incorrecto de los aglutinantes inorgánicos (pinturas de silicato o sol-silicato); uso de humectantes y dispersantes inadecuadosque sensibilizan la pintura frente a la acción del agua...
Las pinturas presentan actividad descontaminante, perono son la solución definitiva contra la polución. El rendimiento en aplicaciones urbanas puede verse afectado por: Factores : Intensidad de la radiación incidente, humedad relativa, temperatura y viento, Factores intrínsecos del fotocatalizadorcuando está asociado a un soporte (pintura o cemento): dispersión, porosidad, tipo y tamaño de los agregados, método de aplicación, cantidad aplicada y envejecimiento. La adsorción de contaminantes sobre los centros activos de la matriz TiO2-Pintura Factor determinante de la eficiencia fotocatalítica. Métodos ISO para materiales cerámicos avanzados fotocatalíticos: DECISIÓN DE LA COMISIÓN Europea 2014/312/UE, Los recubrimientos minerales como Silicatos y Sol-Silicatos son teóricamente más respetuosos con el medioambiente, por contener menos del 5% de materia orgánica (DIN 18363). Dibujar un árbol, usar una etiqueta de color verde, o indicar que el producto es sin olor, no garantiza que se cumpla con ningún criterio medioambiental. Son las Ecoetiquetas oficiales las que garantizan que la pintura es Ecológica.
Todos estos factores pueden hacer dudar de la verdadera funcionalidad de los recubrimientos fotocatalíticos, pero existen y nuevas tecnologías que permiten desarrollar pinturas eficientes, estables y duraderas, que puedan asociarse a estándares de calidad sin perder su verdadera funcionalidad. Todas estas tecnologías forman ya parte de los recubrimientos Nanotecnológicos desarrollados por FAKOLITH CHEMICAL SYSTEMS, y que persiguen la innovación continua como solución a los problemas constructivos del presente y del futuro.
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