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Retos actuales y futuros de
los nanopigmentos y sus
aplicaciones industrialesGrupo de Visión y Color
Dpto. Óptica, Farmacología y Anatomía
[email protected]://www.ua.es/area/vision_color
Alicante, 29 de Abril de 2010Alicante, 29 de Abril de 2010
IntroducciIntroducci óón a la Nanociencian a la NanocienciaCurso 2009Curso 2009 --1010Dpto. de FDpto. de F íísica Aplicadasica Aplicada
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
� Ciencia y Tecnología del Color:� Luz, Materia, Ojo y Cerebro� Medida, apariencia y reproducción del color
El Grupo de Visión y ColorGVC-UA
Descripción
� 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
Laboratorio del GVC-UAGVC-UA
Laboratorio
� 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
Escalado nano ↔↔↔↔ macrode las propiedades del color
Colorimetría
TeoríaKubelka-Munk
Interacciónentre partículas
Modeloscorpusculares
interacciónluz-materia
Parámetros decolorantes,diferencias-color,gamas-colores, etc Reflexión ρρρρ(λλλλ)
Transmisión ττττ(λλλλ)
Coeficientes:Absorción KScattering S
Seccioneseficaces:QA(D, λλλλ)QS(D, λλλλ)D tamaño
Propiedades físicaspartículas:tamaño (D), forma,índice refracción,coef. extinción,polarizabilidad, etc
EN
FO
QU
E T
EÓ
RIC
O
EN
FO
QU
E E
XP
ER
IME
NT
AL
EnfoqueArriba - Abajo
viceversaNano
materialesColor
Línea de investigación en:Nanopigm.Panorama
� Nano-pigmentos� Nano-pigmento = mezcla controlada de nano-
arcilla 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
� Síntesis de nanopigmentos:� Intercambio iónico
� Colorante orgánico� Nanoarcilla
Diseño y síntesisDiseñoSíntesis
VariablesControl
Esquema de síntesisDiseñoSíntesis
VariablesControl
Disolución del colorante
Agua desionizadaArcilla
Agitación
Dispersión de la arcilla
AgitaciónIntercambio
iónico
Filtrado
Lavado
Secado
CH3C H3
N
CH3
CH3 S
N
CH3
C H3
N
S
N C H3
N
C H3
CH 3
N
S
N CH3
N
CH3
CH3
N
N
C H3
C H3
C H3C H3 N
N
S
C H3CH3 N
S
N
CH3
N
C H3
N
CH3
CH3
N
S
N
C H3CH 3
N
C H3
C H3
N
S
N
C H3C H3
N
C H3
CH3
N
S
N
C H3CH
3
N
C H
CH
N
S
N
C H3CH
3 C H3
C H3
CH 3
N
S
N
C H3
CH3
N
CH3
CH3
N
S
N
C H3
CH3
N
N
C H3
CH3
N
CH3
CH3
N
S
N
C H3
CH3
� Colorantes: � Puedan presentarse en forma protonada H +
� Calculo de la masa: CEC/ meq/100mg
� Arcillas� Laminar: Esmectitas
� (100-120) CEC/meq100g� Naturales: Montmorillonita NANOFIL 116� Sintéticas: Laponita
� Acicular: Sepiolitas� (10-20) CEC/meq100g
Variables del proceso de síntesisDiseñoSíntesis
VariablesControl
ARCILLASDiseñoSíntesis
VariablesControl
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
� Periódico de largo alcance� Vítreo
� Composición química:� Superficial� Volumétrica
� Defectos� Maclas, dislocaciones, impurezas, vacancias, etc.
� Relaciones entre fases� Proporciones� Distribución
Caracterización:Intro
¿Cómo se comporta?� Medición de las propiedades:
� Mecánicas� Elasticidad, plasticidad, tenacidad, ductilidad, du reza,
fatiga, etc.� Térmicas
� Conductividad, capacidad calorífica, transformacion es de fase, expansibilidad, etc…
� Químicas� Reactividad (energía de activación), solubilidad,
potencial químico, etc…� Ópticas
� Absorción, refracción, reflexión, luminiscencia, co lor.� Eléctricas y magnéticas
� Conductividad, capacitancia, permitividad, susceptibilidad, magnetización, permeabilidad, etc…
� Biológicas� Toxicidad, modulación del sistema inmune, etc…
CaracterizaciónIntro
División de las técnicasde 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
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:Intro
Caracterizaciónde nanopigmentos
� Demostrar “ nano ”
� Interacción Colorante-Arcilla
� Efecto de los factores de síntesis
� Establecer variable respuesta
� Colorimetría y reproducibilidad
� Desempeño
Caracterización:Nanopigmentos
Espectroscopia UV-VISCaracterización:Nanopigmentos
Espectroscopia UV-VISCaracterización:Nanopigmentos
Espectroscopia UV-VISCaracterización:Nanopigmentos
Difracción de rayos XCaracterización:Nanopigmentos
DLS-FTIR-TA-PCaracterización:Nanopigmentos
Caracterización:Nanopigmentos Colorimetría
Producto terminado y Estándares internacionales
Caracterización:Nanopigmentos
Caracterización:Instrumentación
� 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
Aplicaciones industrialesAplic.
Industriales
Aplicaciones en Plásticos
� Materiales
� Polímero: polietileno de baja densidad LLDPE (LL)
� Nanoarcilla: montmorillonita Nanofil® 116 (N)
� Azul de Metileno (MB)
� Nanopigmento azul 100% CEC (NAN)
� Nanopigmento azul 1% CEC (NAN1)
� 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
PlásticosRetos
� Diseño de experimentos
Aplicaciones en Plásticos� Preparación de muestras
POLYMER linear low density polyethylene (LL)
CONCENTRATION (phr *) 0,1 1 5
ADDITIVE
None LL
N LLN-01 LLN-1 LLN-5
NAN LLNAN-01 LLNAN-1 --
NAN1 LLNAN1-01 LLNAN1-1 LLNAN1-5
MB LLMB-01 LLMB-1 --
*phr = parts hundred resin
Aplic.Industriales
PlásticosRetos
Aplicaciones en Plásticos
135,68
156,25
123,42
163,88
149,23
LL NAN1-01 NAN-01 N-01 MB-01
Young Moduli (MPa)
20,28
22,7122,29
21,78
12,45
LL NAN1-01 NAN-01 N-01 MB-01
Energy at Break point (J)
� Resultados preliminares en polímeros� Propiedades mecánicas: Tracción
Aplic.Industriales
PlásticosRetos
Aplicaciones en Plásticos
-60
-40
-20
0
20
40
60
-60 -40 -20 0 20 40 60
blue
-ye
llow
b*
green - red a*
30
120 60
150
210
240 300
330
LLMB-01
LLMB-1
LLNAN-1
LLNAN1-1
LLNAN1-01LL
LLN-1,LLN-01
LLNAN-01
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100Li
ghtn
ess
L*
Chroma C*
LLN-01, LLN-1
LLNAN1-01
LLNAN1-1
LL
LLMB-01
LLNAN-01
LLNAN-1
LLMB-1
LLNAN1-5
� Propiedades colorimétricas
Aplic.Industriales
PlásticosRetos
� Ventajas de los Nanopigmentos en:� Pinturas de exterior
� Resistentes a condiciones extremas� Pinturas biodegradables� Aislantes de superficies
� Tintas de impresión� Nanotintas (20-70 nm)� Impresión en distintos sustratos (papel, látex, etc)
� Cosmética� Nanoemulsiones� Nanopigmentos TiO 2, ZnO para barrera UV
Aplicaciones en RecubrimientosAplic.
IndustrialesCoatings
Retos
� 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
Aplicaciones en RecubrimientosAplic.
IndustrialesCoatings
Retos
� Demandas desde el sector textil� Nuevas tecnologías
� Acabados especiales� Tejidos funcionales: Textiles inteligentes� Métodos de coloración: Estampación digital
Aplicaciones en TextilesAplic.
IndustrialesTextilesRetos
NANOPIGMENTOS
NANOPIGMENTOS
� Certificados de calidad� Resistencia al lavado� Estabilidad UV� Resistencia al frote
Aplic.Industriales
TextilesRetos
Aplicaciones en Textiles
ESTAMPACIÓNACABADO TINTURA
� Requisitos del producto
� Estabilidad a los ciclos de lavado� Afinidad por las fibras� Dispersión/Solubilidad� Intensidad y gama de color� Tamaño de partícula max: 1 µµµµm� Estabilidad UV� Resistencia al frote
Nanopigmentos funcionales� Colorante funcional
� Sustancia química (colorante) que sufre un cambio de color cuando se aplica un estímulo externo
Aplic.IndustrialesNanopigm.funcionales
Retos
� 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 -)
Nanopigmentos funcionalesAplic.
IndustrialesNanopigm.funcionales
Retos
� 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
Nanopigmentos funcionalesAplic.
IndustrialesNanopigm.funcionales
Retos
� 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
Nanopigmentos naturalesAplic.
IndustrialesNanopigm.Naturales
Nanopigmentos naturalesAplic.
IndustrialesNanopigm.Naturales
Retos
� 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
Otros retos a superarCreación
EBTNanopigm.
Retos
� 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
ConclusionesFinal
+Debate
