Aplicaciones de la nanoTECNOLOGIA en pinturas y recubrimientos

Aplicaciones de la
nanoTECNOLOGIA
en pinturas y recubrimientos
Julián A. Restrepo R.
MSc. PhD. Química Sostenible
julianres@hotmail.com
https://co.linkedin.com/in/julianrestrepor

Trabajo de investigación presentado
como ponencia en el evento CUBRECOL
2011: “NANOTECNOLOGIA: Aplicaciones
de la nanotecnología en
recubrimientos”.
Evento organizado por Latinpress (visitar:
http://www.inpralatina.com/eventos/cubrecol/,
http://www.latinpressinc.com/).
Medellín (Colombia), septiembre 29 y 30 de 2011

Aplicaciones de la nanoTECNOLOGIA en Recubrimientos. CUBRECOL 2011
INTRODUCCION GENERAL
Total de páginas en Internet = 25.270.000.000
páginas, sex = 2.860.000.000 (11.3 %)
páginas, bio = 843.000.000 (3.3 %)
páginas, nano = 569.000.000 (2.2 %)
SCIENCE DIRECT (www.sciencedirect.com)
Nano + paint + coating:
Journal = 2244
Book = 267
Reference work = 41

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año
No.depublicaciones
SCIENCE DIRECT (www.sciencedirect.com)
Artículos publicados sobre nanotecnología
en los últimos 10 años:

nano
TECNOLOGIA

Nanotecnología: Campo de las ciencias aplicadas
dedicado al estudio, diseño, creación y aplicación de
materiales y sistemas funcionales mediante el control de
la materia a escala nanométrica (10-9 metros), así como
al análisis de fenómenos y propiedades de la materia a
dicha escala.
Algunos términos con el prefijo nano: nanomateriales,
nanociencia, nanotubos, nanocristales, nanoestructuras,
nanocomposites, nanopartículas, nanopolvos,
nanovarillas, nanoresortes, nanotermología, etc.
Todos estos términos se engloban en la
nanoTECNOLOGIA.

Nanómetro (nm): Unidad de longitud que equivale
a una milmillonésima parte de un metro (1 nm = 10-9
metros). Comúnmente se utiliza para medir la longitud
de onda de la radiación ultravioleta (UV), radiación
infrarroja (IR) y la luz.
Recientemente la unidad ha cobrado notoriedad en el
estudio de la nanotecnología, área que estudia
materiales que poseen dimensiones de unos pocos
nanómetros, siendo por tanto, las nanopartículas (NPs)
partículas del orden de 1-100 nm (10-1000 Å).
Ref: Una hoja de cuaderno estándar tiene un espesor
de aprox. 100.000 nanómetros (0.009906 cm).

Nanopartícula (NP): Término empleado para
describir estructuras en las cuales al menos una de sus
fases tiene una o más dimensiones (largo, ancho, alto)
en el rango nanométrico (1-100 nm). Las NPs incluyen
materiales policristalinos, materiales con relieves
superficiales separados espacialmente por distancias
del orden nanométrico, materiales porosos con tamaño
de partícula nanométrico o clústeres metálicos
nanométricos en una matriz porosa, etc.
Materiales nanoestructurados:
* Esferas: NP < 100 nm
* Nanotubos o nanohilos: NP < 200 nm

Los materiales a esta escala exhiben propiedades
diferentes a aquellas que presentan escala
macroscópica, a causa de fenómenos cuánticos y
superficiales, lo que permite aplicaciones únicas:
• Sustancias opacas llegan a ser transparentes, debido
a que las NPs son más pequeñas que la longitud de
onda de la luz visible
• Materiales inertes se vuelven catalíticos;
nanopartículas de oro y plata (AuNPs, AgNPs)
• Materiales biocompatibles adquieren propiedades
bactericidas; nanopartículas de plata (AgNPs)
• Materiales aislantes se vuelven conductores (siliconas)

λ (nm)
El desplazamiento hacia el
rojo se corresponde con
un incremento de tamaño
o con un aumento de la
relación de aspecto de las
AuNPs: Agregación o
cambio en la morfología
(diversidad geométrica)
que modifica las
propiedades ópticas y la
banda SPR.
AuNPs:

Investigadores de la Universidad de Toronto (Canadá),
propusieron una lista de las aplicaciones más
prometedoras de la nanotecnología para los próximos
años:
• Almacenamiento, Construcción e Informática
• Producción y conversión de energía
• Armamento y sistemas de defensa
• Producción agrícola
• Tratamiento y purificación de aguas residuales
• Diagnóstico y tratamiento de enfermedades
• Sistemas de administración de medicamentos
• Procesamiento de alimentos
• Remediación de la contaminación atmosférica
• Monitorización de la salud
• Detección y control de plagas
• Control de la desnutrición en países pobres
• Alimentos transgénicos
• Cambios térmicos moleculares (nanotermología)
Imagen de un “corral cuántico” en
forma de estadio, obtenida con el
microscopio de efecto túnel

Toxicidad: Los críticos de esta tecnología puntualizan
que hay una toxicidad potencial en las nuevas clases
de nanosustancias que podrían afectar de forma
adversa la estabilidad de las membranas celulares o el
sistema inmunológico si son inhaladas o ingeridas.
En la literatura se presentan estudios que indican que
hay posibilidades que las NPs en agua potable pudieran
ser perjudiciales para los seres humanos y animales.
La nanoTECNOLOGIA es una ciencia
emergente y en construcción.

INTRODUCCIÓN GENERAL
BREVE RESEÑA HISTORICA
NANOMATERIALES PARA PINTURAS
ALGUNOS EJEMPLOS COMERCIALES
INTERESANTES

Color cambiante de la Copa de Licurgo (verde con luz reflejada
y rojo con luz transmitida) y una de las nanopartículas de Au que
contiene el vidrio del que está hecha. Contiene AuNPs y AgNPs
de 50-70 nm.
Copa de Licurgo: (Roma, s. IV a.c., Museo Británico)
A pesar del boom actual de la Nanotecnología, el uso y
estudio de materiales nanoestructurados no es realmente
tan reciente…

Historia cronológica reciente de la Nanotecnología:
Años 40: John Von Neuman estudia la posibilidad de crear
sistemas que se auto-reproducen como una forma de reducir
costes.
Años 40: Fabricación de NPs de negro de humo (13-95 nm) y
obtención de dióxido de silicio pirogénico (sílica fume, < 100 nm).
1959: Richard Feynman en una conferencia hace referencia a las
posibilidades de la nanociencia en su célebre discurso: “Abajo
hay espacio de sobra”.
1966: Se realiza la película "Viaje alucinante" que cuenta la
travesía de unos científicos a través del cuerpo humano. Los
científicos reducen su tamaño al de una partícula y se introducen
en el interior del cuerpo de un investigador para destrozar el tumor
que le está matando. Por primera ve en la historia, se considera
esto como una verdadera posibilidad científica. La película es un
gran éxito.

1974: El ingeniero japonés Norio Taniguchi, acuñó el término
"nano-tecnología", en un trabajo suyo, publicado en el
Proceeding of the International Conference of Production and
Engineering.
1979: Los químicos Peter Wiles y John Abra de la Universidad de
Canterbury, Christchurch (Nueva Zelanda), descubren pequeños
rollos de átomos de carbón, que más tarde se llamaron nano-
tubos. Hoy día son importantes ladrillos de muchas nano-
tecnologías.
1981: Gerd Binning y Heinrich Roherer en la IBM, desarrollaron el
microscopio electrónico de túnel de barrido (STM), que hizo
posible ver átomos individuales y más tarde, moverlos.

INTRODUCCIÓN GENERAL

1990: Don Eigler y Erhard Schweiz en la IBM, usaron el microscopio
de túnel de barrido (STM) para escribir el nombre de la
compañía IBM, usando 35 átomos de Zenón.
1993: Nano-partículas semiconductoras emiten luz en paquetes
cuánticos, que se pueden unir a moléculas en el cuerpo para
ayudar a los médicos a ubicar enfermedades. Ellas fueron
preparadas por químicos del Massachusetts Institute of
Technology.
1996: Sir Harry Kroto gana el Premio Nobel por haber descubierto
fullerenos.
1997: Los ingenieros de la US Company Lucent Technologies en
New Jersey, construyen un transistor de silicón de 60 nano-metros
de ancho.

1997: Se fabrica la guitarra más pequeña el mundo. Tiene el
tamaño aproximadamente de una célula roja de sangre.
1998: Se logra convertir a un nanotubo de carbón en un
nanolápiz que se puede utilizar para escribir.
2000: Investigadores de la Universidad de Cornell, extraen de
una célula un motor bio-molecular de 80 nano-metros de ancho
y le agregan un rotor de metal para crear un motor nano-
mecánico.
2001: Investigadores de la IBM en Nueva York y de la Universidad
de Delft en Holanda construyen un circuito lógico usando nano-
tubos de carbón.
2001: James Gimzewski entra en el libro de récords Guinness por
haber inventado la calculadora más pequeña del mundo.

2003: El gobierno de Inglaterra encarga a una comisión que
prepare un informe acerca de las repercusiones sociales, éticas y
experimentales acerca de los efectos de la nano-tecnología.
2004: El jugador de tenis Roger Federer, gana el campeonato de
Wimbledon usando una raqueta reforzada por nano-tubos de
carbón.
2005: Estimaciones de la National Science Foundation de los
Estados Unidos cree que para este año el mercado de la nano-
tecnología alcanzaría a un trillón de dólares.

NANOMATERIALES PARA PINTURAS

APLICACIONES NANOMATERIALES EN PINTURAS

EL CRECIMIENTO DE LA NANOTECNOLOGIA
Investigación
básica
Investigación
aplicada
Primeros
adoptantes
Rápido
avance
Mercado
de masas
BAJOOPORTUNIDADALTO

Nanocompuesto = Material polimérico (termoestable,
termoplástico o elastomérico) o inorgánico a
nanoescala.
Los nanocompuestos les proveen a los recubrimientos
propiedades mejoradas, tales como:
* Más resistencia al desgaste (pisos), al rayado (autos) y
a la abrasión (pisos), al impacto y aumentan la
resistencia al craqueo
* Mejoran la resistencia a exteriores y aportan una
mayor resistencia a los rayos UV
* Mejoran la capacidad de barrera a gases y vapores
* Incrementan la adherencia, permiten regular el tiempo
de secado y mejorar la resistencia química
APLICACIONES DE LOS NANOCOMPUESTOS EN PINTURAS

* Aportan más estabilidad térmica, resistencia al fuego y
permiten la formulación de pinturas ignífugas
* Aportan efecto antimicrobiano, antiviral, fungicida,
algicida, antimoho, antihongos, antibacterial, acaricida
* Permiten la aplicación de nanocapas
* Proveen mejor calidad del aire, por su efecto
purificador de éste
* Formulación de recubrimientos que reducen las
enfermedades relacionadas con alergias y pinturas
ambientalmente amigables
* Permiten la formulación de pinturas fotocatalíticas y
pinturas anti-olor

* Mejoran las propiedades anticorrosivas
* Permiten la formulación de “pinturas estirables” y con
capacidad de absorber choques térmicos
* Mejoran resistencia al agua y al ensuciamiento,
permitiendo disminuir los ciclos de limpieza y de
mantenimiento
* Reducen la imprimación y “coating processing”
* Aplicaciones en bio-fouling
* Formulación de pinturas anti-grafiti, con resistencia al
polvo, grasa, aceites, suciedad
* Aditivos en catalizadores en pinturas de 2K

Óxido de Aluminio (Alúmina, Al2O3):
3,86 g/mL; dureza, escala Mohs = 9
Mejora propiedades mecánicas
NANOMATERIALES DISPONIBLES PARA PINTURAS

Óxido de Zinc (zinc blanco, ZnO):
5,61 g/mL; dureza, escala Mohs = 4.0 - 4.5
Mejora la estabilidad a los rayos UV/luz;
posee efecto anti-microbiano

Óxido de Indio (In2O3)/óxido de antimonio-estaño
(Sb2O3/SnO2):
5,61 g/mL / 5,20 g/mL
Proveen efecto-antiestático y de absorción de
radiación IR

Óxido de cobre (CuO):
6,31 g/mL
Provee efecto anti-microbiano

Dióxido de silicio (Sílice, SiO2):
2,63 g/mL; dureza, escala Mohs = 7
Mejora las propiedades mecánicas,
resistencia al rayado y dureza

Óxido de cerio (CeO2):
7,65 g/mL
Provee estabilidad a los rayos UV/luz;
mejora propiedades mecánicas

Sulfato de bario (Barita o baritina, BaSO4):
4,47 g/mL; dureza, escala Mohs = 3.0 – 3.5
Mejora la reología, permite obtener
recubrimientos de alto y bajo brillo

Sulfuro de Zinc (ZnS) + TiO2:
Mejora la resistencia al impacto; actúa
como sólido lubricante, mejorando la
extrusión sin afectar la resistencia
mecánica.

* Nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2):
Partículas de TiO2 absorben la radiación UV, pero dicho
efecto se mejora a escala nanométrica. Este aumento
considerable de absorbancia permite una fotoreacción
con la luz visible de una lámpara fluorescente, lo que
permite la eliminación de VOCs (acción purificadora del
aire), como desodorizante y con efecto anti-microbiano
y fungicida.
Permiten la formulación de
pinturas para hoteles,
restaurantes y hospitales, con una
garantía de unos 5 años.

* Nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2):
Al exponerse al radiación UV las NPs de TiO2
descomponen los contaminantes orgánicos e
inorgánicos que posteriormente se lavan con lluvia.
Otro ejemplo se tiene en
pinturas para madera, en
donde el nano-TiO2 actúa
como absorbedor UV,
proveyendo una mayor
resistencia a la pintura en
aplicaciones en exteriores
(pinturas con resistencia
UV para parquet).

* Cloruro de plata (AgCl) + TiO2 :
Agente anti-microbiano y bactericida, basado en una
composición patentada de cloruro de plata en dióxido
de titanio.
El Dióxido de Titanio tiene como principal función
brindarle soporte a la plata, facilitando su gradual
liberación al medio, en forma
de iones de plata, los cuales
destruyen los
microorganismos, por la
interrupción de la membrana
celular, inhibición de enzimas
e interrupción del ADN.
Dosis = 0.25-1.0%
Estructura del composite de Plata

* Cloruro de plata (AgCl) + TiO2 :
Permite la formulación de “pinturas sanitarias” o
“pinturas higiénicas” anti-bacteriales, de uso doméstico
o industrial, para: hoteles, restaurantes, hospitales, baños
y cocinas, etc., presentando tanto un efecto anti-
bacterial como antifúngico. Tiene como ventajas:
- Presenta baja toxicidad
- No es lixiviable
- No reacciona con agentes sanitizantes
- No es sensibilizante dérmico y no es irritante
- Posee un bajo impacto ambiental
- No es mutagénico
- Es termoestable (hasta 300ºC)
- Estable en un amplio rango de pH (4,0 a 12,0)

* Nanocompuestos conductores:
Los nanocompuestos conductores con CNT (nanotubos
de carbono), además de reforzar, tienen aplicaciones
en pintado electrostático, ya que aportan a la pieza a
pintar la carga necesaria para el proceso.

* “Quantum dots” :
Los “puntos cuánticos” (quantum dots, QD) son sistemas
que contienen una pequeña cantidad de electrones
libres y emiten fotones cuando se les somete a radiación
UV. Los QD pueden emitir en el IR, no visible al ojo
humano, pero la cual puede verse con equipos
adecuados. Aplicaciones militares (identificación en
combate antifraticida) y para detectar posibles fraudes
o falsificaciones de producto.

* Nanoceras:
Empleadas en la formulación de recubrimientos para
protección “top”, de fácil remoción sin dejar residuo y
ocultan mínimas rayaduras y marcas provenientes del
lustrado. Ofrecen una terminación más suave y
minimizan el proceso de lustrado luego del pulido.
El fundamento de la capacidad superior de la nanocera
es el aumento del área de contacto de las NPs que la
compone, lo que provee un cubrimiento más uniforme y
una mejor adhesión a la superficie del vehículo.

* Pintura con “efecto lotus” (Lotusan®):
Esta pintura es un ejemplo de la manipulación superficial
a escala nano que forma una superficie repelente a la
suciedad (pintura autolimpiable). La pintura se aplica
con una capa extremadamente fina otorgando la
hidrofobicidad de la hoja del lotus.
Resistencia al agua
mediante microtexturas que
forman una especie de
colchón de aire
(protuberancias con
propiedades hidrofóbicas ).

“La diferencia entonces entre el loto y la planta
carnívora es que en lugar de usar aire y nano
estructuras para repeler el agua, esta última
forma una capa de agua que se convierte en un
recubrimiento liso en la parte superior; es decir, el
propio líquido se vuelve agente repelente”.

* Nanopolvos reflectantes:
Existen diversas tecnologías,
basadas en NPs de TiO2 y
ZnO recubiertas; polvo de aluminio recubierto con
BaSO4 o nanopigmentos cerámicos. Aumentan la
reflectancia solar en un 90%.
Empleados para la formulación de “pinturas
termorreguladoras” (barrera térmica) y mejorar la
protección contra la humedad:
* La pintura llega a presentar una temperatura de unos
10ºC menos que una pintura convencional.
* Permiten el ahorro de energía y reducen el
Calentamiento Global (principio de la gestión de la
radiación solar)

LEED (Leadership in Energy & Environmental Design):
Sistema de normatividad en construcciones verdes
desarrollado por el Consejo de la Construcción Verde
de EEUU (US Green Building Council). Implantado en el
año 1998, utilizándose en varios países desde entonces.

LEED (Leadership in Energy & Environmental Design):
El ahorro de energía (eficiencia energética), eficiencia
en el consumo de agua, la reducción en la emisiones de
CO2 (empleo de energías alternativas), mejorar la
calidad del ambiente en el interior, el desarrollo
sostenible de los espacios libres, la selección de
materiales, el manejo de los recursos, así como la
sensibilidad a sus efectos.
Sistema de certificación internacional de
construcción de edificios sostenibles,
proporcionando verificación en que la
construcción fue diseñada y construida
usando estrategias enfocadas a mejorar:

Huella de carbono (carbon footprint ):
La huella de carbono es una
medida del impacto que las
actividades humanas tienen
en el medio ambiente en
términos de la cantidad de
gases de efecto invernadero
(GEI) producidas, calculada
en unidades de dióxido de
carbono.

ALGUNOS EJEMPLOS COMERCIALES
INTERESANTES

ALGUNOS EJEMPLOS COMERCIALES INTERESANTES
Innovation Center for
Applied Nanotechnology
(I-CanNano) 22A,
Hemchandra
Mukherjee Road,
Barisha, Kolkata - 700 008
T: +91 9321025697
I-CanNano: Compañía con sede
en India (Centro de innovación
de Nanotecnología aplicada),
quiere revolucionar los productos
de uso diario. Ha desarrollado
pinturas y recubrimientos
inteligentes:
* Pinturas autolimpiables y
antigrafiti, resistentes a las
ralladuras.
* Pinturas resistentes a algas,
hongos, mohos, bacterias.

Innovation Center for
Applied Nanotechnology
(I-CanNano) 22A,
Hemchandra
Mukherjee Road,
Barisha, Kolkata - 700 008
T: +91 9321025697
* Resistentes a altas
temperaturas.
* Resistentes a la corrosión
(capaces de resistir por 40 años).
* Reducen la contaminación
(absorben dióxido de carbono
del aire).
* Pinturas conductoras del calor,
resistentes al calor o aislantes
para diversos usos industriales.

Fachadas de la Expo 2010
(China): Pintadas con una pintura
experimental, basada en
nanotecnología, para purificar el
aire.
Gobierno chino desea utilizar la
pintura en edificios por toda la
ciudad de Shanghai, así como
en aceras y otras obras públicas
para mejorar la calidad del aire y
reducir los niveles de
contaminación.

La pintura contiene un
compuesto basado en óxido de
titano nanoparticulado y
cuando está expuesta al sol, la
pintura puede decomponer
algunos agentes contaminantes
del aire, como el formaldehído y
NOx.

Pinturas receptoras de energía
solar (“pinturas solares”): Primeros
desarrollos, a nivel laboratorio, de
"sprays" con pintura solar que
permiten obtener "paneles
fotovoltaicos“, con la que los
automóviles, las casas e incluso la
ropa podrían producir su propia
electricidad.
En Reino Unido están trabajando
en un producto que se pueda
rociar en los revestimientos de
acero de edificios para poder
capturar la energía solar.

Pintura electrónica y autoreparable: Empleada en el
prototipo del Audi A9, permite al usuario cambiar el
color del auto tocando un botón, incluso si se
encuentra desplazándose.
Además posee la capacidad de autorepararse, ya que
el Audi A9 es capaz de hacer pequeñas reparaciones
como abolladuras, roces y rayazos.

EasyJet ha probado en aviones de
su flota recubrimientos basados en
nanotecnología, buscando que
éstos consuman menor cantidad
del combustible queroseno (entre
1% y 2%).
El recubrimiento, ya usado en la flota militar de los EEUU,
reduce el peso de la capa aplicada lo que le agrega
poco peso a la aeronave y que limita la acumulación de
restos que se adhieren a la superficie, lo cual logra
mejorar la aerodinámica del aparato al disminuir el roce
con el aire en pleno vuelo.

Pintura resistente al rayado:
Mercedes-Benz ha aplicado
recubrimientos a base de nano-sílice
con excelentes resultados.
Es una pintura repelente al agua, al
polvo y resistente al rayado, y ofrece
colores más brillantes y mayor retención
de brillo.
El aditivo de nano-sílice puede,
dependiendo del fabricante,
polimerizar en la superficie o hacer
parte de la estructura de un sistema de
2K.

Pintura Regenerativa (autoreparable): Nissan
ha desarrollado una pintura de alta
elasticidad que, dependiendo de lo grave
del deterioro y de la temperatura, devolverá
el aspecto original al vehículo afectado, en
un periodo realmente corto que oscila entre
un 1 a 7 días.
La pintura “Stracht Guard Coat”® está compuesta por una
resina de alta elasticidad, capaz de recubrir el daño.
Lo interesante de esta aplicación es que forma una tupida
estructura en forma de red, mucho más resistente a los
arañazos producidos. La capa de nanopartículas, además de
multiplicar por tres la resistencia al rayado de la pintura,
prolonga, apreciablemente, la retención del brillo.

Pintura Inteligente (autolimpiable,
resistente al rayado): BMW trabaja en la
fabricación de autos que:
* Se limpian solos: Cuando el agua entra
en contacto con las nanoestructuras de la
pintura, resbala muy despacio arrastrando
la suciedad con ella.
* Resistentes al rayado: Gracias a un balance adecuado entre
dureza y acabado.
* Permiten recargar la batería, cuando están aparcados:
Gracias a una pintura construida como minúsculas células
solares.
* Permiten reducir la contaminación y el consumo de
combustible: Gracias a una superficie rica en nanoporos.

Encuentro "NanoMERCOSUR 2011: Nanotecnología
para la Industria y la Sociedad"

ALGUNOS SITIOS DE INTERES
http://www.nanoteclatina.com/productos.asp
http://icannanopaints.com/caseStudies.html
http://www.nanotechwire.com/news.asp?nid=2356
http://copublications.greenfacts.org/es/nanotecnologias
http://maeda-kougyou.com/
http://encuentronano.fan.org.ar/
http://www.tradinggreenltd.com/
http://www.nanomercado.com/
http://www.nanovations.com.au/Paint.htm
http://www.wired.com/science/discoveries/news/
http://www.prnewswire.com/
http://www.nanotech-now.com/news.cgi?story_id=33842
http://www.paintprotectionsystems.com/anti-corrosive-paint-
coatings.asp

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