nanomateriales en recubrimientos - … · comportamiento a largo plazo y emisión de...

NANOMATERIALES EN RECUBRIMIENTOSEstado del arte, nuevos materiales y sus aplicaciones

PINTURAS ARQUITECTÓNICAS FOTOCATALÍTICAS

PhD. Antonio Clemente Fernández TorneroR&D Director – Factory Manager

Fakolith Chemical Systems

Jornadas Técnicas: PRÓXIMA GENERACIÓN DE PINTURAS FUNCIONALES Y SOSTENIBLES – 22/01/2015

1. Estado del arte2. Dimensión de una nanopartícula3. Seguridad y salud4. Efectos medioambientales5. Principales tipos de nanomateriales6. Aplicaciones de las nanopartículas7. Cuestiones básicas en recubrimientos con

nanopartículas.8. Pinturas arquitectónicas fotocatalíticas9. Conclusiones

ÍNDICE

• Estado del arte

• Dimensión de una nanopartícula

• Seguridad y salud

• Efectos medioambientales

• Principales tipos de nanomateriales

• Aplicaciones de las NPs

• Cuestiones básicas

• Pinturas arquitectónicas fotocatalíticas

• Conclusiones

Material con cualquier dimensión exterior en lananoescala (nanoobjeto) o que tenga laestructura interna o estructura superficial en lananoescala (material nanoestructurado).

Recomendación comisión Europea

18/11/2011

NANOMATERIAL

fullerenos, copos de grafenonanotubos de carbono

Material natural, secundario o fabricado quecontenga partículas, sueltas o formando un agregadoo aglomerado con:

≥50% partículas � tamaño 1-100nmCasos específicos (medio ambiente, salud, seguridad o

competitividad): 1-50%

<1 nm = nanomateriales

ISO (ISO/TS 27687:2008; 80004-

1:2010 y 12901-2)

NO EXISTE todavía NORMATIVA en

ESPAÑA ni en la UNIÓN EUROPEA

Comités: EASHW, ECHA, EU nanotechnology, JCR 2012

• Estado del arte








• Conclusiones

Inhibición de la corrosión

CeO2, ZnO, etc.

Mejora de la resistencia a la abrasión y los

arañazosSiO2, Al2O3, ZrO2, etc.

Self-cleaning y fotocatalíticos(TiO2 anatasa, ZnO )

Aislantes térmicos (Al(OH3)), huntita, etc.)

Antimicrobianos (Ag, Cu, Zn y sus óxidos puros o mixtos, etc.)

Aislantes, conductores eléctricos, térmicos o aislantes

electromagnéticos (NTC, grafeno, IL, etc.)

Protectores UV (de CeO2, ZnO o TiO2 (rutilo))

PROTECTORES

NANORECUBRIMIENTOS

FUNCIONALES

DECORATIVOS

• Estado del arte

• Dimensión de una

nanopartícula







• Conclusiones

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

NANO 1nm = 10-9 m

¿Creen que el tamaño es importante?

BET método para

determinar el área específica

de una NP

Descripción de un nanomaterialPropiedades 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

Trudy E. Bell; gráficos cortesía de Nicolle Rager Fuller (Sayo Studio)

• Estado del arte








• Conclusiones

� Técnicas de control enorigen;

� Medidas organizativas;� EPIs

Evaluación del riesgo de las nanopartículas artificiales (ERNA)

� La Directiva 89/391/CEE,� la Directiva 98/24/CE,� la Directiva 2004/37/CE,� REACH y CLP.

Comité Científico de los Riesgos Sanitarios

Emergentes y Recientemente

Identificados (CCRSERI)

Posibles efectos en:�El sistema cardiovascular y los pulmones.�El hígado, los riñones, el corazón, el

cerebro, el esqueleto y diversos tejidosblandos.

¿Suponen las NPs un riesgo para la salud?

Eliminar o sustituir

RIESGO Reducir al mínimo

Regulaciones generales:

• Estado del arte



• Efectos

medioambientales





• Conclusiones

¿Cuál es su comportamiento en el aire, agua o tierra?¿Acumulación en la cadenatrófica? Hay pocas investigaciones hasta la fecha sobre sistemas y especiesterrestres y no está claro si los resultados de laboratorio están relacionados conlo que podría ocurrir en el mundo real…

¡¡¡Todavía quedan muchas preguntas por responder!!!

+ uso nanomateriales = + exposición medioambiental

¿Cuál es el impacto de las NPs en el medio ambiente?

No obstante, NO todos los efectos sobre el medioambiente seránPERJUDICIALES. Recientes investigaciones, demuestran como NPs de hierropueden descomponer el Lindano (TECNALIA).

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.

Se sabe que por su naturaleza pueden tener unagran variedad de efectos:• Matar bacterias, hongos,...• Posibles efectos dañinos en invertebrados y

peces, incluidos la reproducción y el desarrollo.

• Estado del arte




• Principales tipos de

nanomateriales




• Conclusiones

ZnOSiO2

TiO2

Al2O3

Al(OH)3

Óxidos de hierro

CeO2

Ag

ZrO2

Au

Fullerenos

Nanotubos (CNT)

Nanofibras de carbono (CNF)

Negro de humo

Copos de grafeno

Nanopolímeros y dendrímeros

Nanoarcillas

NPs

LiSiO3

Proyecto APLICONS

Nanopolímeros en emulsión PICKERING. Pérez et al. R. Ibe. Ame. Pol. Vol.14(3)

• Estado del arte








• Conclusiones

Aplicaciones en Recubrimientos

�Materiales refractarios

�Abrasivos

�Retardantes a la llama

�Catalizadores

�Fotocatalizadores

� Agente de refuerzo

� Modificadores reológicos

� Aglutinantes

� Aislante térmico

� Aislante eléctrico

� Antiestático

� Conductor eléctrico

� Apantallamiento electromagnético

� Bactericida� Fungicida

� Antifouling

� Hidrófugos

� Filtro UV

� Agente anti-desgaste

� Pigmentos

� Anti-graffiti

� Anticorrosivos

• Estado del arte








• Conclusiones

Proyecto financiado por:

• Estado del arte








• Conclusiones

Coste/Efectividad

• 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.).

Funcionalidad del recubrimiento

• ¿Qué funcionalidad deseo del recubrimiento final?

• ¿Conozco la química del nanomaterial y su idoneidad para la función a potenciar?

• Una mala elección � merma de las propiedades del producto, empobrece su calidad o las propiedades pretendidas.

Utilidad práctica

• ¿Realmente el uso de un determinado nanomaterial mejora mi producto?

• Por ejemplo, incorporar NPs de Al2O3 a un recubrimiento de fachadas, que no necesita una elevada resistencia a la fricción o al rallado ¿está técnicamente justificado?

• Estado del arte








• Conclusiones

�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 floculación de 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”.

Estabilidad y dispersión

TEM de NPs de TiO2 soportado sobre sepiolita, cortesía de TOLSA.

• Estado del arte








• Conclusiones

• 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 quepuedan interaccionar con el medio.

Ejemplos:

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, reduciendoclaramente la disponibilidad de las mismas para su acción.

Centros Activos

SEM de dos recubrimientos con NPs de TiO2 y distinto contenido de ligante, “Proyecto TECNO-CAI”, financiado por:

�Para la acción bactericida de las NPs de Ag.�Para la acción fotocatalítica de las NPs de TiO2.

• Estado del arte







• Pinturas

arquitectónicas

fotocatalíticas

• Conclusiones

El TiO2 (Anatasa) es elsemiconductor � usado enfotocatálisis heterogénea.

Con óxidos de nitrógeno las reacciones conducen a nitratos:NO + OH• � NO2 + H+

NO2 + OH• � NO3- + H+

Con los compuestos orgánicos, el resultante final es agua y dióxido de carbono:CnH2n+2 + OH• / O2

• � CO2 + H2O

Un fotón (hυ) � TiO2 � e- � H2O / O2 �

Radical Superóxido (O2•)

Peróxido de Hidrógeno (H2O2) Radicales OH•

Posee un gap de energía de 3.2eV que puede ser excitado con luz UV de λ<387nm, la cual puede ser aportada por la luz solar. Combinado con un 20% deNPs tipo rutilo, genera un efecto sinérgico, con un gap de energía de 3.0eV.

� Química y biológicamenteinerte

� No es tóxico� Estable a corrosión fotoquímica

y química� Abundante y económico

Malato S. Solar Detoxification, chapter 4, Edition of UNESCO, 2002.

• Estado del arte







• Pinturas

arquitectónicas

fotocatalíticas

• Conclusiones

Actividad Catalítica

• Las reacciones fotocatalíticas no discriminan entre los materiales ocompuestos susceptibles de verse afectados por las mismas, lo queincluye también a los polímeros (resinas, látex…), asfaltos…

• Si es “fotocatalítica”, no podrá ser plástica (polimérica) y ofrecer asu vez, una funcionalidad, durabilidad y calidad aceptable.

Espectro Electromagnético

• 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 interiores de recubrimientos fotocatalíticos basados en NPs de TiO2, no ofrecen actualmente la sensibilidad suficiente para ser realmente activos.

Consolidación de la Matriz de

Pintura

• La investigación realizada por TECNALIA, titulada “Envejecimiento de recubrimientos fotocatalíticos bajo una corriente de agua: comportamiento a largo plazo y emisión de nanopartículas de dióxido de titanio”, revela que en todos los recubrimientos analizados se produjo una pérdida de nanomateriales 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 inadecuados que sensibilizan la pintura frente a la acción del agua...

“Ciertas pinturas cuidan más su imagen, que su contenido”

• Estado del arte







• Pinturas

arquitectónicas

fotocatalíticas

• Conclusiones

�Las pinturas arquitectónicas fotocatalíticas presentan actividad descontaminante, pero no son la solución definitiva contra la polución.

�El rendimiento en aplicaciones urbanas puede verse afectado por:� Factores medioambientales: Intensidad de la radiación

incidente, humedad relativa, temperatura y viento,� Factores intrínsecos del fotocatalizador cuando 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 DECISIÓN DE LA COMISIÓN

Europea 2014/312/UE,

Los recubrimientos minerales como Silicatos y Sol-Silicatos son teóricamente másrespetuosos 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 elproducto es “sin olor”, no garantiza que se cumpla con ningún criteriomedioambiental. Son las Ecoetiquetas oficiales las que garantizan que lapintura es Ecológica.

• Estado del arte








• Conclusiones

Todos estos factores pueden hacer dudar de la verdadera funcionalidad delos recubrimientos fotocatalíticos, pero existen nanomateriales y nuevastecnologías que permiten desarrollar pinturas fotocatalíticaseficientes, estables y duraderas, que puedan asociarse a estándares decalidad sin perder su verdadera funcionalidad.

Todas estas tecnologías forman ya parte de los recubrimientosNanotecnológicos desarrollados por FAKOLITH CHEMICAL SYSTEMS, y quepersiguen la innovación continua como solución a los problemasconstructivos del presente y del futuro.

Todos estos factores pueden hacer dudar de la verdadera funcionalidad delos recubrimientos fotocatalíticos, pero existen nanomateriales y nuevastecnologías que permiten desarrollar pinturas fotocatalíticaseficientes, estables y duraderas, que puedan asociarse a estándares decalidad sin perder su verdadera funcionalidad.

Todas estas tecnologías forman ya parte de los recubrimientosNanotecnológicos desarrollados por FAKOLITH CHEMICAL SYSTEMS, y quepersiguen la innovación continua como solución a los problemasconstructivos del presente y del futuro.

A

G

R

A

D

E

C

I

M

I

E

N

T

O

S

No se puede mostrar la imagen en este momento.

“El tamaño sí que importa”

nanomateriales en recubrimientos - … · comportamiento a largo plazo y emisión de...

Documents