NANOMATERIALES EN RECUBRIMIENTOS PINTURAS

NANOMATERIALES EN RECUBRIMIENTOS PINTURAS

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
Estado del arte
Dimensión de una nanopartícula
Seguridad y salud
Efectos medioambientales
Principales tipos de nanomateriales
Aplicaciones de las nanopartículas
Cuestiones básicas en recubrimientos con
nanopartículas.
8. Pinturas arquitectónicas fotocatalíticas
9. Conclusiones
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
NANOMATERIAL
Recomendación
comisión Europea
18/11/2011
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%
fullerenos,
copos de grafeno
<1 nm = nanomateriales
nanotubos de carbono
ISO (ISO/TS
27687:2008; 800041:2010 y 12901-2)
Material con cualquier dimensión exterior en la
nanoescala (nanoobjeto) o que tenga la
estructura interna o estructura superficial en la
nanoescala (material nanoestructurado).
•
•
•
•
•
•
•
•
•
NO EXISTE todavía
NORMATIVA en
ESPAÑA ni en la UNIÓN
EUROPEA
Comités: EASHW, ECHA, EU
nanotechnology, JCR 2012
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
NANORECUBRIMIENTOS
DECORATIVOS
•
•
PROTECTORES
FUNCIONALES
•
•
Self-cleaning y fotocatalíticos
(TiO2 anatasa, ZnO )
•
•
Mejora de la resistencia a
la abrasión y los
arañazos
SiO2, Al2O3, ZrO2, etc.
Inhibición de la
corrosión
CeO2, ZnO, etc.
Aislantes térmicos (Al(OH3)), huntita, etc.)
•
•
Protectores UV (de CeO2, ZnO o TiO2 (rutilo))
Aislantes, conductores eléctricos,
térmicos o aislantes
electromagnéticos (NTC, grafeno,
IL, etc.)
Antimicrobianos (Ag, Cu, Zn y
sus óxidos puros o mixtos, etc.)
•
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Dimensión de una
nanopartícula
Seguridad y salud
Efectos
medioambientales
Principales tipos de
nanomateriales
Aplicaciones de las NPs
Cuestiones básicas
Pinturas
arquitectónicas
fotocatalíticas
Conclusiones
NANO
1nm = 10-9 m
¿Creen que el tamaño es
importante?
•
•
•
BET
método para
determinar el
área específica
de una NP
•
•
•
•
Descripción de un nanomaterial
Trudy E. Bell; gráficos cortesía de Nicolle Rager Fuller (Sayo Studio)
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
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
•
•
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Seguridad y salud
Efectos
medioambientales
Principales tipos de
nanomateriales
Aplicaciones de las NPs
Cuestiones básicas
Pinturas
arquitectónicas
fotocatalíticas
Conclusiones
¿Suponen las NPs un
riesgo para la salud?
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 tejidos
blandos.
Regulaciones generales:
La Directiva 89/391/CEE,
la Directiva 98/24/CE,
la Directiva 2004/37/CE,
REACH y CLP.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Evaluación del riesgo de las nanopartículas artificiales (ERNA)
Eliminar o
sustituir
RIESGO
Reducir al
mínimo
Técnicas de control en
origen;
Medidas organizativas;
EPIs
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nanopartícula
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Efectos
medioambientales
Principales tipos de
nanomateriales
Aplicaciones de las NPs
Cuestiones básicas
Pinturas
arquitectónicas
fotocatalíticas
Conclusiones
+ uso nanomateriales = +
exposición medioambiental
¿Cuál es el impacto de las
NPs en el medio ambiente?
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.
¿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
lo que podría ocurrir en el mundo real…
•
•
•
•
•
•
¡¡¡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 obstante, NO todos los efectos sobre el medioambiente serán
PERJUDICIALES. Recientes investigaciones, demuestran como NPs de hierro
pueden descomponer el Lindano (TECNALIA).
•
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nanopartícula
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Efectos
medioambientales
Principales tipos de
nanomateriales
Aplicaciones de las NPs
Cuestiones básicas
Pinturas
arquitectónicas
fotocatalíticas
Conclusiones
Fullerenos
Ag
SiO2
Al(OH)3
CeO2
•
ZnO
•
Negro de humo
Proyecto APLICONS
•
Al2O3
Nanopolímeros y dendrímeros
•
Au
NPs
•
TiO2
Óxidos de hierro
Nanopolímeros en emulsión PICKERING.
Pérez et al. R. Ibe. Ame. Pol. Vol.14(3)
Nanoarcillas
•
•
•
ZrO2
LiSiO3
Nanotubos (CNT)
Copos de grafeno
Nanofibras de carbono (CNF)
•
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medioambientales
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nanomateriales
Aplicaciones de las NPs
Cuestiones básicas
Pinturas
arquitectónicas
fotocatalíticas
Conclusiones
Filtro UV
Anticorrosivos
Agente de refuerzo
Materiales refractarios
Catalizadores
•
Hidrófugos
Anti-graffiti
Abrasivos
Pigmentos
Aglutinantes
Fungicida
Aplicaciones en
Recubrimientos
Bactericida
•
Antiestático
•
Agente anti-desgaste
•
•
Modificadores reológicos
Retardantes a la llama
Conductor eléctrico
Aislante eléctrico
Antifouling
•
•
Aislante térmico
Fotocatalizadores
•
Apantallamiento electromagnético
•
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medioambientales
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nanomateriales
Aplicaciones de las NPs
Cuestiones básicas
Pinturas
arquitectónicas
fotocatalíticas
Conclusiones
•
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•
Proyecto financiado por:
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nanopartícula
Seguridad y salud
Efectos
medioambientales
Principales tipos de
nanomateriales
Aplicaciones de las NPs
Cuestiones básicas
Pinturas
arquitectónicas
fotocatalíticas
Conclusiones
• Elevado precio en comparación con sus homólogos
micronizados.
• Optimizar las formulaciones con el fin de obtener la actividad
deseada ¿Sé realmente cómo?
Coste/Efectividad • 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 nanomaterial y su idoneidad para la
función a potenciar?
• Una mala elección merma de las propiedades del
Funcionalidad del
producto, empobrece su calidad o las propiedades
recubrimiento
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?
•
•
•
•
•
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nanopartícula
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Efectos
medioambientales
Principales tipos de
nanomateriales
Aplicaciones de las NPs
Cuestiones básicas
Pinturas
arquitectónicas
fotocatalíticas
Conclusiones
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 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”.
•
•
•
•
TEM de NPs de TiO2 soportado sobre sepiolita, cortesía de TOLSA.
Estado del arte
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medioambientales
Principales tipos de
nanomateriales
Aplicaciones de las NPs
Cuestiones básicas
Pinturas
arquitectónicas
fotocatalíticas
Conclusiones
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:
Para la acción bactericida de las NPs de Ag.
Para la acción fotocatalítica de las NPs de TiO2.
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:
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
El TiO2 (Anatasa) es el
semiconductor usado en
fotocatálisis heterogénea.
•
•
Química
y
biológicamente
inerte
No es tóxico
Estable a corrosión fotoquímica
y química
Abundante y económico
•
•
•
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
NPs tipo rutilo, genera un efecto sinérgico, con un gap de energía de 3.0eV.
Un fotón (hυ)
TiO2
e-
H2O / O2
•
•
•
Radical Superóxido (O2•)
Peróxido de Hidrógeno (H2O2) •
Radicales OH•
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
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Efectos
medioambientales
Principales tipos de
nanomateriales
Aplicaciones de las NPs
Cuestiones básicas
Pinturas
arquitectónicas
fotocatalíticas
Conclusiones
“Ciertas pinturas cuidan más su imagen, que su contenido”
Actividad
Catalítica
• Las reacciones fotocatalíticas 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.
•
•
•
Espectro
Electromagnético
Consolidación de
la Matriz de
Pintura
• 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.
• 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...
•
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•
•
•
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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
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:
•
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•
•
•
•
•
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.
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medioambientales
Principales tipos de
nanomateriales
Aplicaciones de las NPs
Cuestiones básicas
Pinturas
arquitectónicas
fotocatalíticas
Conclusiones
•
•
Todos estos factores pueden hacer dudar de la verdadera funcionalidad de
los recubrimientos fotocatalíticos, pero existen nanomateriales y nuevas
tecnologías que permiten desarrollar pinturas fotocatalíticas
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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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
No se puede mostrar la imagen en este momento.
“El tamaño sí que importa”
A
G
R
A
D
E
C
I
M
I
E
N
T
O
S