Integración de grafeno en polímero: una de las vías más prometedoras para el desarrollo de producto basado en grafeno
Los grafenos y materiales relacionados o GRMs (Graphene and Related Materials), cuentan con excepcionales propiedades térmicas, mecánicas y electrónicas, de manera que se pueden emplear como refuerzo mecánico en materiales diversos, sustitución de metales para aplicaciones que requieren conductividad térmica y eléctrica; o, dado que es altamente inerte, puede actuar como una barrera contra la corrosión, frente al agua y la difusión de oxígeno, entre otras aplicaciones.
Previsiones de cuota de mercado de productos basados en grafeno
El mercado del grafeno es un mercado emergente. En la actualidad la mayor producción del grafeno está destinada a la investigación de nuevas aplicaciones y modificaciones del grafeno. Aún así, se espera que las primeras ventas comercialmente significativas de productos de grafeno se produzcan en 2018, para los que se anticipa un mercado con un valor de casi 195 millones de dólares. Por lo tanto, el mercado del grafeno debería comenzar a despegar realmente a partir de 2018, alcanzando 1.300 millones de dólares en 2023. La tabla 1 detalla el mercado global del grafeno para diferentes aplicaciones industriales.
A pesar de que los compuestos de grafeno todavía tienen un bajo impacto comercial, BCC Research espera que lleguen al mercado durante los próximos cinco años y que consigan una cuota de mercado significativa en detrimento de productos competidores, especialmente los compuestos de nanotubos de carbono. BCC Research prevé que las ventas de compuestos grafeno/polímero podrían incrementarse desde prácticamente cero en 2012 y 2013 a más de 190 millones de dólares en 2023.
Según Allied Market Research, la previsión sobre las aplicaciones más prometedoras del grafeno por sectores son:
- Energía
- Aeroespacial
- Automoción
- Biomédica
- Recubrimientos
- Composites
- Sensores
- Electrónica
- Defensa
En la figura 1 se muestra el mercado global del grafeno. Seis países destacan del resto: EE UU, China, India, Reino Unido, España y Turquía. España se encuentra en el quinto puesto. Más del 70% de las empresas productoras de grafeno se basan en la metodología 'Top-down', es decir, procesos de exfoliación del grafito: exfoliación mecánica, fase líquida y fotoexfoliación.
Nanocomposites de grafeno-polímero
Ahora bien, no podemos considerar el grafeno como una mera carga o aditivo que se puede integrar de manera fácil en cualquier desarrollo o aplicación. Las causas son diversas:
1) Dificultad y seguridad de procesado y manejo de los grafenos para su integración en producto: su baja densidad específica hace que sea un material volátil difícil de manejar e incorporar en las líneas de producción.
2) Compatibilidad del grafeno con el resto de materiales: es necesario incorporar enlaces funcionales que permitan una interacción o sinergia con el resto de materiales.
3) Formación de agregados y aglomerados de varias micras: las fuertes interacciones entre láminas impiden su dispersión, reduciendo drásticamente su efectividad. Éstas y otras cuestiones técnicas sientan las bases de los principales retos que se deben superar para que la integración de grafeno en producto sea una realidad.La integración de grafenos en polímeros como material de acogida está destacando como la solución técnica más adecuada para integrar grafeno en producto, ya que los concentrados o masterbatches de grafeno-polímero así como los chips facilitan su manejo y procesado en un entorno industrial; asimismo la integración vía polímero, especifico o de alta compatibilidad con otros polímeros y resinas, puede ser la forma más adecuada de encontrar esta compatibilidad entre distintos materiales actuando el polímero como vehículo o carrier que permita la integración del grafeno en muy diversos campos de la industria.
Por otro lado, los nanocompuestos basados en grafenos y nanoestructuras carbonosas a muy baja carga muestran mejoras sustanciales en sus aspectos multifuncionales, en comparación con las resinas convencionales y otros materiales. Esto no sólo permite obtener un material más ligero, sino que también hace que sea más fuerte para diversas aplicaciones multifuncionales. Las notables propiedades de los GRMs permiten mejorar las cualidades físico-químicas de la matriz polimérica tras su distribución/dispersión. Esto facilita el fortalecimiento y el aumento de los enlaces interfaciales entre las capas de los grafenos y nanoestructuras carbonosas y la matriz base. Es esta unión la que determina la aparición de las propiedades acumulativas de los GRMs en nanocomposites reforzados.
Los nanocompuestos basados en grafeno muestran propiedades térmicas, eléctricas, retardantes de llama, anticorrosivas, barrera de gases y propiedades mecánicas superiores comparadas con los polímeros puros. Según se refleja en la bibliografía, las propiedades mecánicas y eléctricas son muy superiores a las de otros refuerzos basados en carbono.
Integración de grafenos en materiales plásticos en España
La colaboración público- privada entre empresas españolas, centros tecnológicos y organismos de investigación, ha permitido poner en marcha una nueva iniciativa de investigación en el ámbito del grafeno para el desarrollo de nuevas aplicaciones industriales de alto valor añadido y propiedades avanzadas. El proyecto Graphos, liderado por la empresa de especialidades químicas Cromogenia, y que tiene como participantes a Antex, Arzubialde, Becsa, Elix Polymers, Maier, Nanoinnova y Polymec; arranca con el ambicioso objetivo de lograr la incorporación de grafeno y nanoestructuras carbonosas en un gran abanico de matrices poliméricas. De esta forma, se espera conseguir su integración en diversos productos con funcionalidades avanzadas y propiedades físico- mecánicas mejoradas.
