ACADEMIA DE INGENIERIA
MEXICO
lX Comisión de especialidad en Ingeniería Textil
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL ESPECIALIDAD: INGENIERIA TEXTIL
LUZ A. GARCIA SERRANO DOCTOR EN CIENCIAS
IPN
20 de mayo del 2010 México, D.F.
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
Contenido
Índice
2 Resumen Ejecutivo
INTRODUCCION 6
9
19
24
33
54
l
Perspectiva holística del sector textil de México
El universo de la Nanotecnología y la Nanociencia
Visión local del desarrollo de la Nanotecnología
lll
y la Nanociencia.
Un sector textil innovador mediante Nanotecnología
IV
y Nanociencia.
Caso de estudio 1:Purificación de aguas con colorantes textiles modelo mediante nanofibras inorgánicas
Caso de estudio 2:
Difusores para PEM con telas de carbón
Conclusiones Bibliografía Curriculum Vitae
INGENIERÍA TEXTIL
ll
2
V
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
Resumen Ejecutivo La nanotecnología se caracteriza por ser un campo multidisciplinario, cohesionado exclusivamente por la escala a la que se trabaja. Para comprender el potencial de esta tecnología, es clave conocer el comportamiento de las propiedades físicas, mecánicas, químicas, térmicas, estructurales, texturales, etc. a escala nanométrica, este comportamiento está fuertemente determinado entre otros factores a los efectos cuánticos. Las nuevas estructuras con precisión atómica, tales como la nanolana, nanotubos de fibras naturales o compósitas, los nanopolímeros de PVC, PET, poliamida, etc. tienden a convertirse en pequeños instrumentos aplicables en diferentes disciplinas lo que nos introduce a una nueva era. Los avances nanotecnológicos-nanocientíficos serán protagonistas en la sociedad del conocimiento, con múltiples desarrollos cuya repercusión se espera sea a todos los niveles. Este trabajo pretende dar una introducción a las fronteras científicotecnológicas en nanotecnología y nanociencia asociadas al sector textil, siendo hoy en día un sector a nivel mundial dinámico e interdisciplinario, razón por la cual se ha planteado un nuevo paradigma, donde el textil para indumentaria no deja de ser importante, sin embargo la participación del sector textil en otros ámbitos estratégicos tanto nacionales como internacionales, requiere de una visión amplia donde el trabajo industrial, científico y académico se conjugue para dar desarrollos de vanguardia para dar confort o satisfacer las necesidades de un mundo globalizado. La incursión del sector textil en un trabajo interdisciplinario en años recientes ha mostrado ser de gran valía. A través de esta interdisciplinaridad se han generado nuevos materiales de dimensiones meso, micro y nano, favoreciendo la mejora o la optimización de diversos procesos industriales, teniendo impacto a nivel ecológico, como económico y social. Las aplicaciones de las nanotecnologías y las nanociencias en los diferentes tipos de textiles, van desde los textiles electrónicos, donde se tiene a los extravagantes vestidos con más de 3000 leds que modifican la apariencia sin que el usuario tenga que cambiar de vestido, los termocrómicos que delatan la temperatura corporal o el control de fluidos en los deportes de alto rendimiento, etc. Aplicaciones igual de sofisticadas pero no en commoditys, son el caso de nanomembranas altamente reticuladas con un sinfín de aplicaciones, en esta línea tenemos a las famosas y cada vez más comunes membranas arquitectónicas, de mayor complejidad son los nanomateriales utilizados en los estadios de futbol, cuya apariencia cambia dependiendo del evento a realizar, otros ejemplos dignos
INGENIERÍA TEXTIL
3
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
de mencionar son las trascendentes aplicaciones de la nanotecnología y la nanociencia en el maravilloso pero complejo mundo textil vinculado a la medicina, donde se han desarrollado biotextiles que funcionan como venas y donde los reportes de biocompatibilidad han sido de muy buena aceptación. Otro tipo de biotextiles lo constituyen las gasas biodegradables. La caracterización reológica, viscosa, viscoelástica, microestructural, etc. De estos materiales han permitido identificar procesos importantes durante el fenómeno de lubricación, así como del flujo estacionario y transitorio o ensayos de recuperación estructural, evaluando especialmente la posible influencia de los polímeros biodegradables utilizados como espesantes. Estos son algunos ejemplos a citar de los muchos que existen en los diferentes campos de la nanociencia y la nanotecnología. En esta comunicación además de mostrar la explosión que se ha generado en el sector textil con el uso de la nanotecnología y nanociencia, de manera específica, se mostrarán los resultados que se han generado en dos líneas de investigación y desarrollo I & D con nanotextiles asociadas a la resolución de problemas de impacto ambiental, uno con el tratamiento de agua residual textil y otro en la obtención de difusores con aplicaciones en la tecnología del vector energético. Es conocida la importancia de los problemas ambientales que se avecinan, donde aun en los escenarios más positivistas apuestan a que el problema requiere de medidas drásticas, ya que los grandes desarrollos y los constantes descubrimientos nos permiten vivir con grandes comodidades pero normalmente conllevan a un inevitable ataque a la naturaleza. La humanidad está empezando a sentir los problemas de escasez de este líquido vital que no sólo se requiere para consumo humano, también como fuente de vectores energéticos como es el caso para algunas “tecnologías de producción de energía limpias” donde su requerimiento lo convierte en la fuente de alimentación de las hidrogeneras, el equivalente a las actuales gasolineras, por lo que se especula será el petróleo del mañana con todas las implicaciones que esto conlleva, principalmente un aumento en los requerimientos de este fluido de la vida, por ello no solo es cuidarla sino también el reutilizarle o simplemente tratarle con procesos adecuados. Específicamente un proceso de tratamiento de aguas con colorantes residuales modelo se mencionara en uno de los dos casos de estudio asociados a la nanototecnología y nanociencia en el sector textil; el primero centrado en el diseño de nanoestructuras fibrosas inorgánicas fotodegradadoras de los azocolorantes utilizados en el sector textil y la segunda en la conformación de nanofibras de carbón como difusores en PEM de baja potencia los cuales son estudiados en el Instituto Politécnico Nacional.
INGENIERÍA TEXTIL
4
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
Respecto al primero, tenemos que el agua es fundamental a lo largo del proceso productivo en la industria textil. Aquí se describe como haciendo uso de la nanotecnología con nanofibras en base titania, dopadas con nanopartículas metálicas y mediante un proceso de fototransfomación simple y económico con inducción de luz UV o solar, se da un tratamiento a los efluentes acuosos provenientes del sistema de acabado, las cuales llevan una serie de componentes además de colorantes residuales solubles en agua. Estos colorantes contienen grupos funcionales que permiten una buena fijación en la pigmentación de fibras sintéticas, artificiales y naturales, principalmente en los primeros dos tipos. Los grupos orgánicos contenidos en los colorantes se llaman azo y el tratamiento consiste en la transformación de los grupos azo a compuestos más amigables con el ambiente. Para este proceso de tratamiento se generaron nanofibras, nanomallas por diferentes métodos y se comprobó su actividad en medios con UV y sin la presencia de la misma. El segundo está asociado a la obtención del componente basado en nanofibras de carbón para su aplicación como difusores, para producir telas difusoras ya sea para la tecnología del vector energético en la generación de energía eléctrica de baja potencia con “fuell cell”, o para los electrolizadores para la producción del sistema de alimentación. Ambos estudios contemplan ser económicamente y técnicamente viables, además de ser altamente sustentables. • Palabras clave: nanotecnología, textiles técnicos, textiles inteligentes, nanotextiles, nanocompositos, nanofibrosos y nanomallas fototransformadoras. I&D
INGENIERÍA TEXTIL
5
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
INTRODUCCION
CAPITULO l Perspectiva holística del sector textil de México
La industria textil en nuestro país tiene una historia basta, no únicamente como un sector productivo sino también por su participación en gestas históricas. Hoy en día constituye alrededor del uno por ciento de la fuerza laboral total del país. Esta rama industrial tiene una cadena productiva que se caracteriza por una compleja heterogeneidad tecnológica con sectores rezagados en más de una década y la única manera de contener esta tendencia es a través del desarrollo tecnológico propio y no de la dependencia tecnológica externa, esto con objeto de elevar la productividad y de esta manera aumentar la rentabilidad de las empresas. Será difícil ingresar en forma dinámica al mercado internacional, a menos que se eleve la competitividad a través de un incremento de la capacidad tecnológica de las empresas en materia de equipo, refacciones, control de calidad y sobre todo la innovación con productos de alto valor agregado, no descuidando el desarrollo sustentable. El sector de la industria textil desde la perspectiva de que es un sector productivo que genera importantes fuentes de empleo con una fuerte orientación al comercio exterior, es evidente que está siendo afectado por la desaceleración económica mundial. La industria textil nacional está conformada fundamentalmente por los sectores productores de: fibras, hilados, tejidos, No tejidos, confección y textiles especiales. De estos, el último es el que tiene la expectativa más favorable para resistir y superar los efectos de la desaceleración económica; el grado de especificidad de estos textiles especiales depende de los avances científicos y tecnológicos. La alta particularidad de sus aplicaciones les da un valor agregado, favoreciendo su rentabilidad. Anualmente la industria textil mexicana exporta a Estados Unidos de Norteamérica cerca de 3,000 millones de dólares, a los que se suman las ventas textiles a maquiladores de exportación que ascienden a cerca de 1,500 millones de dólares de exportaciones indirectas, esto coloca al sector textil mexicano en el cuarto proveedor de los Estados Unidos de Norteamérica, desafortunadamente en productos de alto valor añadido no se da la exportación o es a un nivel sumamente bajo. El sector textil ofrece a los clientes globales una cadena de suministro textil-vestido integrada en el hemisferio occidental, competitiva frente a Asia, aprovechando las ventajas de cercanía geográfica con los mercados del Caribe, Norte, Centro y Sudamérica, así como la velocidad de respuesta para que los clientes diversifiquen el riesgo de concentrar excesivamente sus operaciones en Asia, lo que ha permitido poner en marcha procesos de transformación y
INGENIERÍA TEXTIL
6
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
concientizarse de que es necesaria la innovación tecnológica, el desarrollo de nuevos productos, el diseño y la moda, servicios integrales para los clientes globales, (diseño, manufactura, mercadotecnia, logística), desarrollo de marcas y canales de comercialización propios. Estas condiciones dan lugar a una competencia que exige dejar de ser empresas tradicionales de bajo grado tecnológico y de simple ensamble. También es importante tener presente que estos desarrollos deben darse de manera inmediata, ya que los nichos de oportunidad requieren de respuestas rápidas para dar atención a clientes globales, los cuales tienen interés en mantener e incrementar los suministro en occidente por la importancia estratégica de tener proveedores cercanos y esto repercute en la disminución de los costos de producción, en contra parte con los proveedores de Asía, en particular de China; además de que la lejanía representa un incremento en el costo de transporte; por estas razones, para México la situación geográfica, que podríamos considerar privilegiada, le abre una gran ventana de oportunidades para que la industria mexicana en general, y en particular la textil, para que se reposicione como un proveedor de excelencia de los diferentes mercados, principalmente con el de América del Norte, que aun estando en una etapa de recuperación de la recesión representa un mercado sumamente importante. La brecha tecno-industrial del sector textil mexicano con su contra parte en los países industrializados (Estados Unidos, Japón, Alemania, Italia y Suiza), se ha ido abriendo cada vez más debido a que estos países han puesto en práctica tácticas de rápido cambio tecnológico, lo cual ha dado como resultado una mejor calidad en lo general. Esta mejora en la calidad obedece a tener mejores procesos de selección de las materias primas y equipos más eficientes, es decir, se tienen procesos de producción con un mayor nivel de optimización. Con esto obviamente los productos terminados son de mejor calidad y su aplicación es más específica, cubriendo necesidades y estándares internacionales. Así en un futuro no muy lejano, habrá una demanda de capital humano cada vez más calificados en áreas estratégicas de la ciencia y la tecnología, como la biotecnología, mecatrónica, diseño, logística, nanotecnología, etc. A pesar de que la industria textil del país cuenta en este momento con un alto porcentaje de trabajadores que son técnicos especializados en la rama textil, ésta requerirá en un horizonte muy cercano de científicos y tecnólogos altamente especializados para los desarrollos innovadores que le permita ser competitiva en un mundo globalizado. Desde luego para que un sector industrial como el textil sea competitivo, éste debe estar inmerso en una economía sana, lo cual se tiene sólo cuando la mayoría de sectores productivos están creciendo. En otras palabras, para que un sector industrial se desarrolle se requiere el desarrollo de otros sectores industriales esto debido a la deseable interacción entre ellos. Por ello la utilización de agentes tecnológicos y comerciales es sumamente necesaria. A pesar de que la industria textil mexicana ha tenido un interés relativo en la investigación de mercados, esta investigación no ha superado la primera etapa. Por ende estos estudios no se han visto
INGENIERÍA TEXTIL
7
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
reflejados en una directriz que permita posicionar al sector como referente nacional. Se requiere que el sector textil funcione desde una perspectiva holística, es decir, integradora dando vital significación a la relación entre los componentes científicos y tecnológicos. Donde la competitividad sistémica permita integrar en un concepto analítico y pluridimensional que valore de manera integral a los factores que coadyuven a un desarrollo industrial dinámico y de éxito, con la generación de productos tecnológicamente competitivos que les permita posicionarse en el mercado nacional e internacional en la vanguardia tecnocientífica. Las empresas mexicanas textiles y de la confección tienen la necesidad de nuevas estructuras organizacionales que les permitan introducirse en los nuevos esquemas de competencia. Para ello la comunicación de experiencias, especialmente técnico-científicas, en la que participen analistas de empresas, institutos de investigación, centros de desarrollo, instituciones de investigación que identifiquen los problemas nacionales a resolver relacionados con el sector textil y así tratar de coadyuvar a superar el rezago en el que se encuentra, reconociendo y atendiendo los escollos tecnológicos. Hay puntos estratégicos por atender para posicionar a la industria textil en la vanguardia tecnológica-científica donde la Nanotecnologia y/o la Nanociencia, N-N, son herramientas que pueden servir de soporte para la atención de estos puntos, que es evidente que requieren de inversiones, maquinaria y equipo para lograr la alta productividad, el cumplir con estándares más estrictos de calidad y de control ambiental. Como se mencionó al inicio de este párrafo se requiere de proyectos holísticos que vinculen la investigación el desarrollo tecnológico y la innovación I&D&I, en el capitulo V se mostrarán los casos de estudio asociados al sector textil con Nanotecnología-Nanociencia N-N, mismos que pueden ser la génesis de macroproyectos consistentes en la integración de sistemas de limpieza de aguas residuales y la integración de sistemas para la generación y el uso eficiente de la energía.
NN
SOCIAL
CIENTIFICO
TECNOLOGICO
ECONOMICO
INGENIERÍA TEXTIL
8
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
CAPITULO ll
El universo de la Nanotecnología y la Nanociencia
1. Nanotecnología La nanotecnología considerada "La ciencia de lo pequeño", cada día se transforma en una de las más poderosas por ser considerada una ciencia interdisciplinaria. La trascendencia de la nanotecnología radica en el hecho que implica una revolución en la ciencia y la tecnología basada en las habilidades para medir, manipular y organizar materia a nanoescala (1 a 100 mil millones de un metro), escala que es alrededor de 80,000 veces más pequeña que el grosor de un cabello humano, para tener una idea comparativa, un glóbulo rojo es del orden de 5 micrómetros o 5000 nanometros, es decir, es igual a cuatro diez milésimas del grosor de un cabello humano Figura 1. Dentro de la nanotecnología convergen de manera multidisciplinaria la Física, Química, Biología, Biotecnología, Manufactura, Medicina, Agricultura, Electrónica, Tecnologías de la Información, la Ciencia de Materiales, las Ingenierías en general, etc. En suma, la nanotecnología se propone como la “recreación humana de la materia”, mediante la reconfiguración atómica y molecular con propósitos definidos y usos potenciales en los diferentes sectores. Debido a la interdisciplinariedad entre los diferentes campos científicos y tecnológicos Figura 2, se abre una enorme oportunidad de investigación y desarrollo con cambios de paradigma e inmensos potenciales de aplicación en campos cotidianos como el ambiente, la energía, la salud o menos comunes como defensa o seguridad nacional, por supuesto también en el que nos atañe la Nanotecnología y la Nanociencia en el sector textil, además de muchos más. ¿Qué pasaría en un futuro no muy lejano si se pudieran hacer cosas con cada átomo en el lugar concreto? Los efectos de la respuesta a esta pregunta estarían en función de lo que pueda significar la combinación de influencias de las diferentes disciplinas al confluir en la NN, que parecían temas de ciencia ficción en el pasado
INGENIERÍA TEXTIL
9
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
se están convirtiendo en una realidad en el presente y parecen depararnos un futuro prometedor. 2. Antecedentes en materia de nanotecnología El concepto de nanotecnología no es nuevo, fue adoptado en 1974 por Taniguchi Norio para hacer referencia a la tecnología aplicada a escala atómica y molecular. Sin embargo, fue Richard Feynman (premio Nobel de Física en 1965) con su famosa conferencia titulada “Hay mucho espacio en el fondo” quien marco
FIGURA 2 N Y N EN LOS DIFERENTES CAMPOS DE LA CIENCIA Y TECNOLOGIA
un hito para el desarrollo de las NN haciendo ver la posibilidad de mover las cosas átomo por átomo. Esta conferencia impartida por Feynman el 29 de diciembre de 1959, se considera como uno de los referentes teóricos de lo que en la actualidad la comunidad científica internacional cataloga como uno de los proyectos más innovadores y ambiciosos de la ciencia moderna. El despertar de la nanotecnología comenzó en los 80’s con el desarrollo de los microscopios
INGENIERÍA TEXTIL
10
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
electrónicos de barrido que lograron imágenes a escala atómica. A partir de esta época, siguieron avances tecnológicos como el descubrimiento de los nanotubos de carbono con excelentes propiedades mecánicas y eléctricas, siendo las investigaciones de Sumio Iijima en 1991 (Sumio, 1991), unas de las más trascendentes. Hoy en día existen cerca de tres mil productos generados con NN, la mayoría para usos industriales, observándose cada vez más la incursión de la misma en diferentes campos de la ciencia. 3. Campos de incursión de la nanotecnología y la nanociencia 3.1. Ciencia de materiales y manufactura Obtener materiales con propiedades específicas ha representado unos de los grandes retos de la ciencia de materiales. Los nuevos desarrollos en la manufactura a escala nanométrica auguran una disminución de energía, reducción de desperdicio de materiales, menor uso de sustancias contaminantes, un aumento del reciclado, menores niveles de mantenimiento, mayores niveles de automatización. La nanotecnología se vincula con el área de la nanoingeniería donde el desarrollo de nanoherramientas, la nanociencia con materiales de alto desempeño, con propiedades y funciones insuperables que rebasaran las expectativas para esta área del conocimiento. Puede establecerse una clasificación de los nanonomateriales en función del tipo de elementos estructurales que los componen. Así se distinguen: Nanopartículas: Las nanopartículas exhiben la absorción óptica a unas longitudes de onda muy específicas en función de su tamaño. Este efecto puede ser explotado para fabricar sensores ópticos extremadamente precisos en el rango que va desde el infrarrojo hasta el ultravioleta, planeándose extender este rango a otras longitudes de onda. Las posibles aplicaciones pueden ser: biocerámicas, optoelectrónica, almacenamiento de gases, reactores catalíticos, baterías, membranas filtradoras entre otros. Nanocompositos: Se identifican como materiales compuestos en parte o en su totalidad por diferentes nanopartículas o nanofases. Se obtienen nuevas propiedades mecánicas como la superdureza, menor coeficiente de fricción, elasticidad, otro tipo de propiedades que también pueden ser añadidas o mejoradas son la ópticas, las eléctricas y/o las magnéticas. Las aplicaciones de estos materiales se pueden encontrar en sensores, biomateriales, adhesivos, baterías, pigmentos. Dada la infinidad de aplicaciones que se presentan para este campo, se puede considerar entre una de las más importantes, la formación de nanofibras de materiales compuestos. Por ejemplo, se puede hablar del crecimiento de fibras de carbono dentro de una matriz polimérica de propileno. Los materiales compuestos de nanofibras presentan mejores propiedades mecánicas en comparación con sus homólogos conformados por microfibras, esto puede ser causado por el alargamiento en el campo electrostático y menor frecuencia de los defectos por unidad de longitud de nanofibras. Kim y Renekar (1999), mostraron el efecto del fortalecimiento de las resinas epoxi y la matriz polimérica de caucho mediante la introducción de nanofibras de poly-benzididazol,
INGENIERÍA TEXTIL
11
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
producidas por electro-spinning. Bergshoef y Vancso (1999), son otro ejemplo de investigadores que logran mejorar las propiedades mecánicas de materiales mediante la introducción de nanofibras. Algunas micrografías que hacen referencia a este tipo de compuestos pueden ser observadas en la Figura 3. Nanocapas: Materiales con capas de recubrimiento donde una o varias tienen un espesor en nanómetros. Favoreciendo propiedades como un aumento de la resistencia a la abrasión, a la corrosión, en la dureza, lo cual proporciona a estos materiales nuevas aplicaciones y extienden sus regímenes de operación.
Materiales nanoestructurados: El crecimiento controlado de un material para conseguir una determinada estructura cristalina permite variar sus propiedades ópticas, catalíticas, mecánicas, su superficie de contacto, etc. Transformándolo técnicamente factible para un sin número de aplicaciones. Polímeros naturales nanoestructurados: Los polímeros naturales modificados con propiedades estructurales mejoradas, han adquirido gran importancia en la industria moderna. Dentro de ellos, la celulosa es uno de los polímeros naturales más importantes debido a su bajo costo, carácter renovable, biodegradable y además, es muy abundante. Un caso de aplicación de la nanociencia y la nanotecnología en la ciencia de materiales, es la aplicación en la modificación de los polímeros naturales donde se puede encontrar la elaboración del nuevo papel (papel ultra-resistente), donde a las fibras de celulosa se les aplica un producto químico que introduce grupos carboxilos en la superficie, característicos de los ácidos orgánicos. Esos grupos químicos son los responsables de la unión de las nanofibras mediante puentes de hidrógeno, formando redes interconectadas como si se tratase de un tejido. Después de la aplicación del producto químico, el material es filtrado, lavado y secado para obtener el papel ultra-resistente. La sorprendente resistencia mecánica de este papel está relacionada con la unión
INGENIERÍA TEXTIL
12
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
entre las nanofibras, provocada por los enlaces de puente de hidrógeno y por la homogénea distribución de poros generados en el material durante el tratamiento químico. Es de suma importancia mencionar que el mejor rendimiento de este papel, ésta también relacionada con la capacidad de las nanofibras para deslizarse una sobre otra. Polímeros auto-reparadores: En la ciencia de los polímeros, la nanotecnología apuesta hacia la investigación sobre polímeros auto-reparadores. Estos son materiales que pueden auto-curarse cuando se produce un daño en su estructura. La auto-reparación se consigue mediante la inclusión en la matriz polimérica de un catalizador y de nano-micro-cápsulas rellenas de un agente reparador. Cuando el polímero es dañado, la fractura producida se propaga a través de la matriz polimérica, provocando la rotura de las nano-microcápsulas situadas en la trayectoria de la fractura. Estas nano-microcápsulas rotas liberan el agente reparador, el cual se distribuye a través de la fractura por capilaridad. Una vez liberado, el agente reparador entra en contacto con el catalizador produciéndose una reacción química que provoca la polimerización restauradora. De esta manera, las superficies de la fractura quedan nuevamente unidas. A pesar de que el funcionamiento de estos materiales puede parecer muy sencillo, su procesado aun tiene innumerables retos. Algunos de estos retos son: la necesidad de utilizar un agente reparador compatible con el método de encapsulado, el catalizador debe ser compatible con la matriz polimérica, las condiciones ambientales bajo las cuales se prepara la muestra son sumamente especiales, la polimerización debe realizarse rápidamente a temperatura ambiente, etc. Cuando se lleguen a superar todos estos retos, se conseguirán materiales con tiempos de vida sumamente prolongados. Materiales auto-reparables aplicados en naves espaciales: Cuando una nave espacial está en órbita, los enormes cambios térmicos o los impactos de micro-meteoritos pueden provocar pequeñas fracturas en su estructura, siendo un problema que podría encontrar solución en el campo de los materiales autoreparadores. La investigación se ha venido llevando a cabo, reemplazando algunas de las fibras que contienen los materiales compuestos utilizados en la fabricación de las naves, por fibras de vidrio huecas. Estas fibras están rellenas con una resina líquida y un endurecedor especial, que fluyen y se mezclan en el momento en que la fibra de vidrio se rompe a causa del impacto. Las ventajas del uso de estos materiales en naves espaciales serán, entre otras, la posibilidad de aumentar el tiempo de las misiones espaciales y de realizarlas a lugares mucho más lejanos de los que en la actualidad han sido explorados. 3.2. La nanotecnología en medicina y salud En el área de la medicina se han publicado varios resultados en nanotecnología. Su aplicación en el diagnóstico, tratamiento, monitoreo y control de sistemas biológicos es denominada nanomedicina. Esta rama de la nanotecnología agrupa varias áreas entre las principales se encuentra: el nanodiagnóstico, la liberación controlada de fármacos y la medicina regenerativa. El nanodiagnóstico desarrolla sistemas de análisis y de imagen para detectar una enfermedad y un mal funcionamiento celular en los estados más tempranos
INGENIERÍA TEXTIL
13
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
posibles, los nanosistemas de liberación de fármacos transportan los medicamentos sólo a las células o zonas afectadas lo cual propicia que el tratamiento sea más efectivo y con menos efectos secundarios. En cuanto a la medicina regenerativa, ésta pretende reparar o reemplazar tejidos y órganos dañados aplicando herramientas nanobiotecnológicas. Otros desafíos de la nanomedicina es desarrollar nanoherramientas para manipular células individuales, en grupos mediante la interacción específica con los propios nanoobjetos naturales de las células: receptores, partes del cito esqueleto, orgánulos específicos, entre otros. Cabe mencionar que ya se están desarrollando nanopinzas y herramientas quirúrgicas de tamaño pequeño que permitirán localizar, destruir o reparar células dañadas. Para el diagnóstico precoz de enfermedades de una forma selectiva y con un alto nivel de sensibilidad, se pueden emplear nanobiosensores como son: puntos cuánticos, cristales fotónicos, micropalancas, resanadores fotónicos, nanotubos de carbono, entre otros. En aplicaciones en vivo, las nanopartículas también pueden emplearse para transportar moléculas de metal que se usen como agentes para obtener mejores imágenes del interior del cuerpo humano mediante resonancia magnética. En estos casos, imágenes de tumores de apenas un par de milímetros. Algunos de estos nanoagentes ya han sido aprobados para su utilización rutinaria en las clínicas. Igualmente se pueden utilizar para obtener mejores contrastes en imagen óptica de rayos X y de ultrasonidos: la combinación de estos agentes de imagen con los dispositivos de diagnóstico es otra de las líneas emergentes de investigación en nano-diagnóstico. Las nanopartículas se pueden emplear además, para el diagnóstico precoz de la enfermedad del Alzheimer mediante la detección del ligando Animal Disease Diagnostic Laboratory ADDL, biomarcador específico de dicha enfermedad que aparece en sus primeros estados. Otra investigación en nanomedicina es el dispositivo denominado micropancreas artificial que actúa como biorreactor en miniatura y permite el uso de las células Beta de cualquier donante con liberación de insulina sin penetración de linfocitos y anticuerpos. El tratamiento contra la malaria puede ser beneficiado a través de técnicas de encapsulación de fármacos en micro y nanosistemas que permitirán la liberación controlada de los mismos, lo que ayudaría a un mejor control de la cinética de liberación del fármaco con menores efectos tóxicos. La nanomedicina regenerativa persigue la reparación o reemplazamiento de tejidos y órganos mediante la aplicación de métodos procedentes de terapia génica, terapia celular, dosificación de sustancias bio-regenerativas e ingeniería tisular. Gracias al desarrollo de la nanotecnología, los materiales tienen el potencial de interaccionar con componentes celulares, dirigir la proliferación y diferenciación celular, así como la producción y organización de la matriz extracelular. Entre los materiales que se están utilizando cabe destacar a los nanotubos de carbono, nanopartículas como la nanohidroxiapatita o la nanozirconia, nanofibras de polímeros biodegradables, nanocompositos, entre otros. Los nuevos materiales obtenidos pueden mejorar la adhesión, duración y tiempo de vida de un dispositivo. Algunos
INGENIERÍA TEXTIL
14
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
ejemplos destacables incluyen polímeros a la nanoescala moldeados en válvulas de corazón y nanocompositos de polímeros para la regeneración ósea. 3.3. La nanotecnología enlace entre la medicina y la biotecnología Su objetivo se encuentra relacionado con la combinación de la ingeniería y biología con aplicaciones orientadas a la medicina y a la obtención de nuevos materiales de inspiración biológica. La investigación en cáncer ilustra muchas aplicaciones potenciales de la nanobiotecnología a largo plazo, ya que es de esperar que ayude a desarrollar una terapia anticáncer. En este sentido, se están realizando trabajos de experimentación con láser que han logrado eliminar las células cancerosas respetando las sanas. El trabajo realizado en la universidad de Stanford, ha utilizado nanotubos de carbono, aprovechándose su capacidad para calentarse cuando son expuestos a la luz de un láser. Se está desarrollando un modelo experimental de linfoma en ratas para comprobar si mediante la simple exposición de la piel del animal a la luz láser son capaces de matar células cancerosas una vez incorporados los nanotubos de carbono. También hablan de la inyección directa de estos materiales en el tumor, para después ser expuesto a la luz cercana al infrarrojo que destruiría el tejido. Por mencionar un ejemplo, se podría realizar en el cáncer de mama. Por otro lado, tanto en la nanomedicina como en la nanobiotecnología, se han estado realizando estudios y avances tecnológicos en lo referente a nanorobots. Un nanorobot es un dispositivo con dimensiones en escala nanométrica diseñado para realizar una tarea repetidamente y con alta precisión. Se distinguen dos tipos: el llamado robot insecto y el robot autónomo. Este último incorpora un microordenador propio que le permite operar autónomamente. El robot insecto es un conjunto de dispositivos idénticos, controlados por un único ordenador central, tiene especial interés en el campo de la medicina. Se especula con la posibilidad de utilizar colonias de robots con las mismas funciones que el sistema inmunológico. Buscar y destruir específicamente, bacterias, virus y otros agentes infecciosos. Asimismo, pueden servir como herramientas para ensamblar sistemas a escala muy pequeña. Los nanorobots solucionarían el problema del posicionamiento, es decir, situar y mantener en la ubicación correcta piezas de tamaño molecular. En relación con el posicionamiento aparece el concepto de autorreplicación, en el cual un dispositivo en la nanoescala puede realizar copias idénticas de sí mismo. Una de las tendencias en nanobioltecnología es seguir modelos de comportamiento de la naturaleza, como es el caso del Lotus, una planta de humedales nativa de Asia, la cual ha servido de inspiración para un fabricante de productos químicos alemanes, quienes han desarrollado un espray de revestimiento que imita el principio de las hojas de la planta antes mencionada, para repeler las gotas de agua y partículas de polvo. Las plantas de Lotus tienen una superficie hidrofóbica debido a que están recubiertas con cristales de cera, los cuales miden alrededor de 1 nm de diámetro. Esta
INGENIERÍA TEXTIL
15
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
estructura nanométrica observada en la naturaleza está dando lugar a un gran desarrollo en fenómenos de superficie e incrementando aplicabilidad. 3.4. La nanotecnología en la agricultura En el área de la agricultura, los nanosensores harán posible reducir sustancialmente el riesgo de la baja producción y regular la distribución de nutrientes, lo que conllevara a que explotaciones de áreas menos húmedas o menos fértiles compitan ventajosamente con las más fértiles. Muchas regiones del mundo se verán beneficiadas por nanoproductos capaces de potabilizar el agua a muy bajos costos. 3.5. La tecnología de la nanoelectrónica y sistemas de información La nanotecnología aplicada a la electrónica y sistemas de información persigue como finalidad el diseño de componentes para obtener dispositivos electrónicos y computadores de alta eficiencia y con tamaño pequeño. Richard Feynman dijo: “Toda la información acumulada en todos los libros del mundo puede ser escrita en un cubo de material de 0.0002 mm de ancho”. Después de tantos años de haberse dicho esa frase, hoy en día, el campo de los dispositivos de almacenamiento masivo ha experimentado avances extraordinarios. IBM ha anunciado obtener densidades de almacenamiento de un billón de bits en una pulgada cuadrada que permitirían almacenar 25 millones de páginas de texto en la superficie de un sello de correos. Su proyecto "Millipede" consiste en realizar el equivalente a las tarjetas perforadas a nanoescala (utilizando menos energía y con capacidad de reescritura), pudiendo proporcionar una gran capacidad de almacenamiento a todo tipo de dispositivo móvil, desde teléfonos hasta relojes. Específicamente se prevén computadoras más rápidas y baratas. Otras investigaciones en el área de la electrónica y sistemas de información están enfocadas a la utilización de los nanotubos de carbono para la construcción de las llamadas pantallas planas, esto debido a su interesante capacidad de emisión de electrones que les permite ser la alternativa futura de los cristales líquidos. Con la utilización de los nanotubos de carbono podrán obtenerse pantallas del espesor de una hoja de papel y con la misma flexibilidad que éste. El área de la nanoelectrónica se encuentra muy desarrollada y ya se han obtenido transistores y conexiones eléctricas basadas en nanotubos de carbono por las que circulan controladamente electrones de manera individual. 3.6. La nanotecnología en la defensa y seguridad nacional En cuanto a nanotecnología en seguridad nacional el objetivo será el incrementar la protección y capacidad de sobrevivencia de los soldados con nuevas tecnologías que cubrirán las siguientes prioridades: detección de peligros, neutralización de peligros, tratamiento medico automático, ocultamiento o
INGENIERÍA TEXTIL
16
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
encubrimiento, aumento de las capacidades biológicas humanas y reducción de la huella logística. Para ello, las investigaciones están girando en torno a mejorar las comunicaciones, sensores, dispositivos y armamento de tipo inteligente. Podrán elaborarse explosivos en miniatura de mayor alcance, mayor densidad energética, aplicados a sistemas miniaturizados que los guíen con mayor precisión al enemigo. Entre otros proyectos de investigación y desarrollos significativos en el ámbito militar están el diseño de uniformes inteligentes reactivos a variaciones de la luz, humedad y temperatura en el campo de operaciones de los soldados (textiles avanzados), el desarrollo de armamento autoejecutable, tal como nanopartículas destructoras o venenosas, nanoespías, o bien nanodispositivos diseñados para actuar genéticamente. Los intereses que se tratan de cubrir en el campo de defensa y seguridad nacional con la aplicación de la nanotecnología es el de desarrollar ejércitos sin soldados. En este aspecto, el 16 de Febrero de 2006 el New York Times público “el Pentágono prepara una amplia variedad de soldados automatizados y prevé que los robots constituyan una fuerza importante de combate en menos de una década”. Se considera que los robots representarían una opción de sustitución de los humanos en el campo de batalla debido a que a ellos no les da hambre, no tienen miedo, no olvidan sus órdenes y no les importa si un compañero acaba de recibir un disparo. Los robots pensarán, percibirán su entorno y reaccionarán cada vez más como humanos. Los robots podrán parecerse y moverse como humanos o colibríes, tractores o tanques, cucarachas o saltamontes. Recientemente, investigadores de la universidad de Tokio, han implantado quirúrgicamente una mochila micro-robótica a una cucaracha, lo que permite dirigir por control remoto sus movimientos, representando este otro avance tecnológico en el ámbito militar. Existe una gran controversia sobre los posibles impactos que pueda tener la nanotecnología y la nanociencia al presentar una gran capacidad para ampliar el poder destructor de la industria bélica. Muchos de los logros que se tienen son en función de estas aplicaciones bélicas debido a que el presupuesto que invierten los países desarrollados en este tipo de investigaciones es enorme, pero no por ello debemos satanizar a la NN. 3.7. La nanotecnología en energía y el ambiente La nanotecnología que se ha aplicado en este rubro ha sido principalmente a nivel nanométrico para mejorar la producción y el uso eficiente de la energía con sustentabilidad. Energías renovables y no renovables: Las nanotecnologías tendrán un papel preponderante en el aprovechamiento de la energía solar mediante nanomateriales sustitutos del silicio, que permitirán aprovechar las radiaciones infrarrojas y ultravioletas para generar energía, incluso materiales que permitan la producción directa de vectores energéticos como el hidrógeno a partir de luz del sol mediante sistemas bio-inspirados y su utilización en pilas de combustible. Numerosos nanomateriales han revelado importantes propiedades como
INGENIERÍA TEXTIL
17
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
nanocatalizadores con un potencial titánico de aplicaciones en temas como la obtención de biocombustibles, el tratamiento de vegetales generadores de gasolinas con altos rendimientos, etc. Para economías basadas en el petróleo el rol de los nanocatalizadores, nanomarcadores en los distintos procesos de perforación, exploración, refinación y petroquímica es colosal. Ambiente: Están en fase de desarrollo diversos tipos de nanosensores que permiten detectar características físicas, químicas que permitirán crear dispositivos en control ambiental en el entorno y en los procesos de producción de energía. De forma activa, se están desarrollando catalizadores basados en nanoestructuras capaces de destruir las moléculas peligrosas, útiles para la descontaminación, por ejemplo del agua 4. La otra cara de la nanotecnología Con el surgimiento de una nueva tecnología, aparecen opiniones a favor y en contra. La nanotecnología no parece ser la excepción, en especial por tratarse en algunos casos de innovaciones completamente originales y radicales que generan grandes transformaciones en la estructura productiva y en los patrones de consumo social. Una de las principales dificultades para analizar los posibles riesgos de la nanotecnología es que se trata de un término global y que no se emplea a una sola tecnología o aplicación. Por el momento sólo se ha reconocido que pueden existir riesgos con el ambiente y la salud asociados con la emisión no regulada de algunas nanopartículas de diseño durante el desarrollo, la fabricación, incorporación, uso o eliminación de productos. No obstante, también se ha puesto de manifiesto el peligro implícito en algunas nanopartículas creadas por la misma naturaleza. Si bien la mayoría de estas inquietudes aún no tienen respuesta y continúan bajo debate, se ha planteado la necesidad de generar un marco regulatorio seguro y responsable, así como también la importancia de informar a la sociedad sobre los posibles beneficios y peligros de la nanotecnología. En este sentido, la Comunidad Europea recomendó a comienzos de 2008 la elaboración de un código de conducta para la investigación responsable en nanociencia y nanotecnología. 5. Reflexiones La nanotecnología y la nanociencia se consideran una revolución industrial; sin embargo, una percepción errónea de esta, podría impedir el desarrollo adecuado de estos tipos de disciplinas. Desde mi punto de vista, la prospectiva es integrar ciencia, tecnología, e innovación en un punto de convergencia tal, que ambas permitan una sinergia y que en un escenario positivista su aplicación se tenga en no más de 5 años a todos los niveles y en uno negativista a 15 años. Estos desarrollos deberán forzosamente generarse bajo una adecuada reglamentación, con una normatividad que incluya los efectos positivos y
INGENIERÍA TEXTIL
18
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
negativos como el posible daño a la salud humana, la cual está claro que debe tener la máxima prioridad. Siendo el sector textil el centro de nuestra atención la influencia nanotecnológica puntualizada en los textiles se expresa en el capítulo IV. .
CAPITULO III Visión local del desarrollo de la Nanotecnología y la Nanociencia.
Como se han mencionado en capítulos anteriores las nanociencias y nanotecnologías abarcan un espectro muy grande del conocimiento humano y cada vez hay más interés en ellas. Como se ha dejado ver a nivel mundial el interés ha crecido vertiginosamente en los últimos años, la cuestión es cómo se sitúa México, desde el punto de vista global-local, que ocurre en el mundo textil mexicano con respecto a la investigación y desarrollos e innovación en conjunto con la industria mexicana. Un indicador para fijar el interés de los distintos países en investigación y desarrollos tecnológicos de vanguardia son los montos de País 2005
Alemania 62,493
Argentina 2,573
EU 324,465
México 5,094
España 13,264
Japón 130,745
inversión en este rubro, para darnos una idea y reflexión en el cuadro 1 se muestra las inversiones de México y algunos otros países, en investigación y desarrollo experimental hasta el 2005 al comparar la inversión aun cuando es una inversión total en investigación y desarrollo I&D, no es un presupuesto particular para NN, esta comparación nos deja ver que las cantidades no son equiparables. Cuadro 1. Gasto en inversión y desarrollo experimental por país (Millones de corrientes)
En el diario oficial del l6 de diciembre de 2008; en el apartado referente del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, se decreto el Programa Especial de Ciencia y Tecnología 2008-2012, se marca el financiamiento en ciencia, tecnología e innovación para el periodo 2009-2010 donde el gasto público federal para la FUNCION CIENCIA Y TECNOLOGIA fue de 544 millones de pesos anuales en promedio, este gasto se incrementó 4% respecto al aprobado en el 2009; la cantidad asignada es global, no hay un rubro designado para una línea específica como las NN. Además es digno de señalarse que en el mismo programa se puntualizaron las prioridades del sector en Ciencia y Tecnología CTI que incluyen temas relevantes de la agenda internacional como el consumo de energía, el cambio climático global, desarrollar fuentes alternas de energía y su ahorro, haciendo hincapié en temas relevantes de fuerte dinámica y atención prioritaria como son la biotecnología, la nanotecnología y los materiales. El cómo está
INGENIERÍA TEXTIL
19
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
compuesto dicho financiamiento nacional de la ciencia y la tecnología, se puede decir que tiene dos grandes componentes. Por un lado se encuentra el del sector público, que comprende a la administración pública, el CONACYT y las entidades federativas y, por otro, la inversión que realiza el sector privado. En México, el principal aporte de inversión en ciencia y tecnología ha emanado del sector público. El financiamiento, señala el diario, ha sido insuficiente para alcanzar niveles mundialmente competitivos en actividades de CTI, por lo tanto se requiere ampliar la participación de todos los agentes involucrados. Las actividades científicas, tecnológicas y de innovación traen consigo importantes retos, el más significativo quizá sea la atención a necesidades específicas de la sociedad inicialmente la mexicana y en una segunda etapa la sociedad mundial. A nivel internacional, la medición del esfuerzo que realiza un país en CTI es el gasto en IDE (Investigación y Desarrollo Experimental) respecto a su PIB (Producto Interno Bruto). Se tienen evidencias de que los países más competitivos invierten más en IDE teniendo al sector privado como su principal fuente de financiamiento, en esta situación se encuentran Suecia, Finlandia, Japón y Estados Unidos, como se muestra en el cuadro 2, en contraste con México con el sector gobierno como su principal abastecedor.
Cuadro 2. Gasto en IDE respecto a su Producto Interno Bruto (PIB)
El estudio de la nanociencia y la nanotecnología tiene ya en estos momentos un impacto en la política economica y su evolución repercutirá en la sociedad en general. Como se mencionó, la asignación de los recursos tendrá que reorientarse hacia estas “nuevas tendencias” nanotecnocientíficasnanotecnológicas, adaptándose a las prioridades del país donde es fundamental que se cuestione su coherencia a la realidad de México y no dejarse llevar solo por la moda internacional. El análisis Schumpeteriano rompe con la tradición neoclásica que consideraba el cambio técnico como algo externo. El vocabulario de las políticas de ciencia y tecnología en cualquier país es Schumpeteriano y neoschumpeteriano; términos como innovación, catching up, start ups, spinover y todo el bagaje conceptual de la “economía del conocimiento” tiene este origen teórico. Schumpeter otorga a la competencia en el mercado el rol fundamental
INGENIERÍA TEXTIL
20
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
para la innovación. Los emprendedores, bajo la presión de la competencia, desarrollan alternativas tecnológicas que les ofrecen ventajas competitivas algunas veces con bases científicas. También Schumpeter relaciona esa tendencia intrínseca a la innovación con la necesidad de crédito para poder introducir las nuevas tecnologías. ¿Cómo involucrar a una nación como México al mercado de los productos innovadores?. Si las nanotecnologías y las nanociencias se constituyen en la plataforma industrial de una nueva revolución tecnológica, expandiéndose a todas las ramas, México podrá hacer frente y competir internacionalmente o se hará la compra y tropicalización de la tecnología desarrollada por el primer mundo. Se han hecho varios estudios comparativos para Latinoamérica referente al desarrollo de la NN, a partir de los resultados mostrados por estos estudios, Brasil se posiciona a la cabeza de los países latinoamericanos dado que este país cuenta con una estrategia nacional para impulsar el desarrollo de la nanotecnología y la nanociencia. En ese estudio se refiere a México como un país que está haciendo esfuerzos por impulsar estas disciplinas puesto que si hay inversión en la infraestructura para el desarrollo de la investigación. ¿Quién está haciendo investigación en NN en México?. Para el primer trimestre del 2010 podemos señalar que es impresionante como está extraordinariamente diseminado el desarrollo de nanotecnología y nanociencia, desde el norte hasta el sur del país, prácticamente todas las universidades, centros e institutos de investigación y desarrollo tecnológico, hay avances en esta disciplina con diferentes grados de madurez, por diversas razones, algunos porque ya tienen una infraestructura muy sólida y trabajan en estas disciplinas contando con un Background impresionante, otras porque su infraestructura la adaptaron para iniciarse en estos desarrollos, permitiéndoles colocarse a la cabecera. También están las que por su naturaleza en sí, cuentan con un mínimo de recursos y a pesar de ello continúan haciendo esfuerzos para generar avances en estos tópicos. Mencionar a todas las instituciones públicas, privadas, paraestatales, empresas, y los montos asignados, no es objeto de este trabajo por ello la omisión es consiente dado que no pretendemos dar un informe completo del desarrollo por institución y el financiamiento para el mismo. Mencionaremos algunas de las instituciones que participan en desarrollos vinculados a NN, con ejemplos que seguramente tendrá omisiones pero no por ello de menor importacia. En algunas de las instituciones citaremos algunas líneas de investigación pero en la gran mayoría son muy diversas ya que estudian a la NN desde distintas perspectivas, tal es el caso de macro universidades o centros con un número considerable de campus o unidades académicas, tales como la UNAM, el IPN, la UAM, ITESEM Instituto Tecnológico de Monterrey, CINVESTAV, Universidad ANAHUAC, Universidad de las Américas UDLA, etc., entre las pioneras del desarrollo de NN en México está la Universidad Nacional Autónoma de México
INGENIERÍA TEXTIL
21
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
UNAM, esta institución cuenta con una macro red en nanotecnología y nanociencia. Que cubre una infinidad de líneas en diferentes temas catálisis, medicina, energía, ambiente, etc. En la Universidad Autónoma Metropolitana UAM, en sus diferentes unidades académicas. A través de una mecánica distinta conformo foros de temáticas amplias como: agua, energía, pobreza, nanotecnología, etc.; en los cuales se tiene la participación de los investigadores de diversas disciplinas de esta institución, dando con ello a un trabajo multidisciplinario. Referente al foro de nanotecnología se destaca el laboratorio de nanotecnología asociado a desarrollos en biotecnología en la Unidad Iztapalapa y el grupo de investigación para la simulación de nanomateriales en la Unidade Azcapotzalco. En la Unidad Xochimilco en los campos médico y farmacéutico con nanopartículas acuosotas, entre otras. El Instituto Politécnico Nacional IPN inaugura en 2009 un centro de nano y micro tecnología que tendrá la finalidad de dar servicio a los investigadores que trabajan líneas afines a NN, que están en las diferentes sedes ya sea escuelas o centros de investigación que se encuentran distribuidos a lo largo de la república y cuya pertenencia a la red institucional en nano y microtecnología les permita tener una mayor concretización de resultados. Esta red se estima que este momento está conformada por al menos 100 investigadores del IPN y se espera un crecimiento de la misma en los años futuros; entre las escuelas participantes están:E ESFM, ESIQIE, ESIT etc.. Las líneas de investigación son al igual que para el caso de la UNAM muy variadas. Un caso puntual en el IPN es el que más adelante mostraremos una de los casos de estudio como resultado de las investigaciones desarrolladas en esta institución.
INGENIERÍA TEXTIL
22
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
Un centro de Investigación es el CINVESTAV Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional en sus diferentes unidades distribuidas en diferentes ciudades tiene líneas en NN hacer mención de algunas de estas innumerables instituciones que por sus dimensiones nos permiten señalar que México se ha colocado en este tren de investigación y que van desde el norte hasta el sur. En cuanto al desarrollo de parques industriales con rubros puntuales asociados a NN se observan en el cuadro 4.
En este momento las instituciones de educación e investigación a lo largo del eje tecnológico científico en NN que cruza la república mexicana, no distingue entre instituciones públicas y privadas y debe orientarse y planificarse la investigación en NN para las contribuciones que se consideren valiosas se haga la transferencia tecnológica de forma expedita, para convertirnos en generadores de ciencia y tecnología, no receptores o adaptadores. El plan nacional para el desarrollo de este campo es un requerimiento que permitirá tener acceso de manera más disciplinada a los convenios entre el gobierno mexicano y la Unión Europea con acuerdos de cooperación que incluye un presupuesto por 20 millones de euros para proyectos conjuntos de investigación en nanotecnología y nanociencia. Así se impulsará la investigación y el desarrollo de innovaciones educativas y el intercambio permanente entre los distintos actores del sistema. La investigación en NN puede aportar a nuestro país la innovación necesaria para generar empresas de alta tecnología que incrementen la competitividad del país, incluido por supuesto el campo textil.
INGENIERÍA TEXTIL
23
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
CAPITULO lV Un sector textil innovador mediante Nanotecnología y la Nanociencia.
Como ya cité en el capítulo ll la nanotecnología, también llamada fábrica molecular, cuyo prefijo nano se ha convertido en una moda mundial, se ocupa del diseño, fabricación de circuitos electrónicos, dispositivos mecánicos, ensambles moleculares, etc. construido a nivel molecular. Esta ciencia y tecnología ha permitido tener un control un poco más preciso sobre la materia a nivel atómico y molecular. La huella en diferentes ciencias y tecnologías, no ha dejado de lado al sector textil, él cual es el motivo de nuestra exposición, donde el mundo de lo infinitamente pequeño, en el que se diseñan estructuras en escala molecular, invisibles para el ojo humano pero que proporcionan dispositivos cada vez más eficientes, al aplicar estas NN en el campo de los textiles ha llevado al desarrollo de nanofibras, nanocompositos, nanopolímeros, nanohilos, nanotubos, nanocolorantes, nanoaditivos para antioxono, antiluz, etc. Donde nanopartículas (plata, oro, platino y óxidos) nanotubos, nanobarras y nanolistones, bionanomateriales, nanopilas, etc., Lo cual ha dado como resultado un mejoramiento de las propiedades de los materiales. De hecho, fueron las industrias textiles a través de las fibras las primeras en aplicar con éxito estos avances, dando a los consumidores prendas avanzadas en el vestido, calzado o accesorios que cuentan con sensores microelectrónicos que combinan con la elegancia o simplemente la moda. Esto muestra una aplicación de la nanotecnología para dar confort al ser humano. En la cadena que conforman a la ingeniería textil esto es fibra-textil-acabados-confección, confección, se han dado distintos grados de desarrollo. Áreas tales como: fibras, hilatura, tejidos, acabados e incluso en el análisis y control de la producción industrial se han visto impactadas a distintos niveles por la NN. Para tener una idea de estos avances a continuación se muestran algunos de los ejemplos vinculados a cada uno de estos eslabones de la cadena. 1.NN EN FIBRAS La obtención de nuevas fibras con una capacidad de absorción de la humedad mejorada, en aquellas fibras que intrínsecamente carecen de esta propiedad (fibras sintéticas) mediante la superposición de un número elevado de nanocapas
INGENIERÍA TEXTIL
24
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
capaces de retener la humedad FIGURA 1. Para mejorar las características estéticas, como por ejemplo en la obtención de fibras luminiscentes por la superposición de nanofibras con diferentes índices de refracción, generando una visión diferente en función del punto de vista del observador o el ángulo en que la luz incida sobre la fibra. FIGURA 2. Las nanofibras pueden añadir funciones como antibacterias, antivirus, anti olor, retardantes de flama, absorción de rayos ultravioleta UV, modificados con biosensores de pronta respuesta, electroconductividad, antiestáticas, aislamiento, etc. Algunos nanomateriales para el mercado textil son nanofibras de polímeros naturales o sintéticos, fibras con nanopartículas, materiales textiles con nanoacabados o capas de tejido con nanopartículas. Se trabaja con tamaños extremadamente pequeños: una nanofibra de polímero tiene entre 50 y 500 nanómetros, una célula sanguínea supera los 5.000 nanómetros. La aplicación potencial de los nanotubos de carbono incluye la obtención de compositos fibra-polímero de peso reducido, también se pueden utilizar para chalecos antibalas, o para sistemas de almacenamiento de energía embebidos en los tejidos, capaces de suministrar energía a determinados dispositivos electrónicos, o en campos más específicos como la fabricación de raquetas de tenis. Los desarrollos en la elaboración de fibras textiles para aplicaciones no textiles como fibras funcionales FIGURA 3
con capacidad de responder a estímulos exteriores, generando nuevas aplicaciones. Inclusive, en fototransformaciones para el tratamiento de los efluentes de las industrias textiles que es uno de los
INGENIERÍA TEXTIL
25
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
dos casos de estudio que mostramos en esta relatoría en el capítulo V. Como se señaló, solo se mencionan en los puntos l,ll y ll algunos ejemplos en NN de la inmensa cantidad de aplicaciones en la cadena textil. ll. NN TEXTIL (TEJIDOS Y NO TEJIDOS) Se puede emplear la nanotecnología para obtener materiales más ligeros y resistentes mediante el empleo de nanofibras en la hilatura (nanotubos de carbono), con una resistencia 15 veces superior a la de las fibras de aramida actuales. FIGURA 4 Las nanopartículas se están utilizando para mejorar el control de liberación de fragancias, biocidas y fungicidas sobre los tejidos, así como para prevenir el crecimiento de bacterias mediante la liberación de agentes bacteriostáticos o también para la absorción de olores. FIGURA 5. Otro concepto en indumentaria basado en la nanoencapsulación y sus híbridos para limpieza y belleza lo están aplicando Varias empresas para ampliar las funciones de los tejidos. La multinacional española Dogi Internacional Fabrics elabora tejidos aplicables a la lencería y a los trajes de baño para hacerlos más cómodos. Por ejemplo, trabaja en la FIGURA 5. Biomateriales de última generación, Microencapsulados microencapsulación de diferentes en fibra de viscosa materias. Esta técnica permitirá Referencia: P. Marino, INTI, memorias ICA, 2009 integrar en un tejido ingredientes activos como cremas, lociones, aceites con propiedades cosméticas, farmacéuticas o médicas. En particular se hace énfasis en la durabilidad de las propiedades. En los estudios estadísticos realizados se ha mostrado que éstas no desaparecen aun después de 100 procesos de lavado. Los acabados con el uso de NN permiten en principio crear tejidos con propiedades multifuncionales, como la resistencia ultravioleta, repelencia a líquidos, con propiedad anti-arrugas, anti-bacterianas y hasta la autolimpieza o con disposiciones mecánicas basadas en la autolimpieza de la naturaleza. Los complejos textiles deportivos Sports Wear representan todo un universo donde el desgaste propio del mundo de los deportes requiere de acabados funcionales. Dockers, Nike y Ralph Lauren aplican la nanotecnología en su ropa, ejemplo de la propiedad de autolimpieza inducida por recubrimientos nano-TiO2/nano-ZnO, En los deportes ya se tienen disponibles versiones comerciales como las que recomienda Tiger Woods un golfista que parece ser el primer atleta multimillonario del mundo, con 100 millones de dólares al año
INGENIERÍA TEXTIL
26
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
puede usar ropa nanotecnológica y en un comunicado de prensa señalo que utiliza ropa la cual no se ensucia ni comiendo, ni jugando al golf. Los pantalones Nike que viste están tratados para repeler el café, la salsa de tomate e incluso el vino. Por supuesto, el agua también resbala, esta delicia tecnológica aun no está disponible para todos los bolsillos. En cuanto al confort térmico sintético es el más inmediato que proporciona estos elementos. En una actividad más intensa, este es el caso de los deportistas, los aumentos de la temperatura corporal con una mayor producción de calor. Para mantener este aumento dentro de un cierto límite, el cuerpo suda con el fin de retirar la energía del cuerpo por el enfriamiento por evaporación. Textiles inteligentes utilizados para mejorar el aislamiento son los materiales de cambio de fase y los materiales con memoria de forma, otra propiedad requerida a los materiales inteligentes La cantidad de calor producido por el cuerpo depende en gran medida de la actividad física y puede variar de 100 W en reposo a más de 1000 W durante la actividad máxima. Durante las estaciones más frías alrededor de 0 ºC, el aislamiento térmico tiene que garantizar que el cuerpo este lo suficientemente caliente en estado de descanso. III. NN ACABADOS-CONFECCION Así como en los tejidos también en el acabado de los textiles, se han utilizado nanopartículas tanto en la superficie como monocapas, así como en el cuerpo del textil mismo, para dar lugar a los textiles inteligentes. Los colores en la naturaleza son el resultado de la interacción de la luz con la materia, por la interferencia o por el fenómeno de difracción. Este concepto se ha aplicado a los colorantes textiles para obtener colores puros y brillantes a partir de nanocristales que dan lugar a colorantes más estables y cuando se mezclan con los colorantess, se puede producir un espectro de colores, que no es alcanzable por cualquiera de los tintes o pigmentos convencionales. Otros colorantes son los generados por puntos cuánticos (nanocristales semiconductores) FIGURA 6 que generan los cambios de color, con el aumento de tamaño de partículas. Por tanto, es posible crear partículas de tamaño diferente de un material con diferentes propiedades ópticas que cubren toda la región visible. FIGURA 7
INGENIERÍA TEXTIL
27
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
FIGURA 7
PUNTOS CUÁNTICOS (NANOCRISTALES
SEMICONDUCTORES) GENERA CAMBIOS OPTICOS
La inducción de propiedades por diferentes tipos de tratamientos, como el tratamiento de plasma se siguen investigando con buenas probabilidades de éxito. El uso de la nanotecnología está permitiendo potenciar el desarrollo de los textiles multifuncionales. Por ejemplo, la tecnología de plasma se está utilizando para modificar las capas superficiales de espesor nanométrico, aportando propiedades nuevas. En la cadena participan los procesos integrales de producción el impacto de la NN más notables con cambios sustanciales se da con el uso de los MEMS Microelectromechanical Systems. Son sistemas de construcción e integración de componentes electrónicos y mecánicos que se aplican en los métodos de procesamiento textil. Por ejemplo, en el proceso de hilado, la formación de tejido con un control de las fibras individuales, con el uso de MEMS, que puede detectar la posición (sensores) y controlar el movimiento o la posición (actuadores) en las fibras individualmente, lo cual permite obtener estructuras con propiedades controladas.
INGENIERÍA TEXTIL
28
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
TEXTILES EN INDUMENTARIA CON CAMBIO DE PARADIGMA La industria textil comenzó con la necesidad de proteger a los seres humanos de las cambiantes condiciones climáticas. El hombre primero cubría el cuerpo con hojas, fibras vegetales hasta que descubrieron las telas. Los textiles son ahora una parte esencial de toda la vida del organismo, y han cubierto un campo muy basto donde la parte de indumentaria es un componente más. A continuación mostraré que dependiendo de la aplicación del textil hay una influencia de la NN, ya sea en el producto terminado o en el proceso de fabricación, hay segmentos como la industria militar, la medicina, los textiles deportivos que tienen más o menos influencia pero prácticamente a todos los ha afectado de una u otra manera. Indumentaria militar El Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), EE.UU. está utilizando la nanotecnología para desarrollar uniformes y materiales que podrían ayudar a proteger a los soldados contra la detección, las amenazas, las balas y los agentes químicos. Se trata de un textil, que está tejido con diferentes capacidades en una sola prenda, que proporcionaría protección química, protección balística, con sensores, con la facultad de cambiar de un tejido suave a uno de especie de caparazón duro para brindar protección. Que permitirá ser transformado de una prenda de vestir flexible en una estructura rígida incluso que pueda llegar a transformarse en una férula para un hueso roto. Estos Textiles Innovadores en principio deben servir para detectar la sangre de un soldado en el campo de batalla, un bombero o policía que este herido y que no pueda pedir ayuda a un puesto de mando. En un paciente cuyo estado de salud es muy crítico y que no pueda informar de su condición a los médicos. La ropa que lleve puesta puede resolver este problema mediante la detección de sangre o de un dato de presión arterial, para posteriormente transferir esta información a un centro de atención. Otro tópico de interés en la investigación es el diseño de uniformes que eviten ser detectados por algunos tipos de sensores, para alcanzar tal objetivo se recurre al uso de métodos basados en campos magnéticos y eléctricos con los que se logra tener un control preciso de la posición de las nanopartículas funcionales dentro y fuera de las fibras poliméricas para la creación de los nuevos materiales nanocompuestos. Este proceso permite crear en las nanofibras una coloración sintonizable, lo que da lugar a aplicaciones de camuflaje activo que es de sumo interés para este sector. En accesorios se pretende la fabricación de zapatos impulsores que les permita a los solados superar obstáculos de cierta altura, para dicha fabricación se requiere de un material en el que se pueda almacenar energía ¿algún textil acaso?. Pues sí, en eso también se está aplicando NN para desarrollo de textiles energéticos celulasPeltier. Otro requerimiento son las prendas de vestir con fibras
INGENIERÍA TEXTIL
29
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
que respondan al cambio de fase de la temperatura corporal, las cuales tengan la funcionalidad de almacenar la energía generada por el calor del organismo a través de termopares outlast; estas prendas liberarían el calor como lo hace el algodón pero de una forma más controlada. Este tipo de prendas no es únicamente de interés para el sector militar, sino también para otros sectores, por ejemplo, el deportivo.
Los textiles electrónicos
El cambiar de estilo como se observa en los modelos de Cristian Dior donde parte del atuendo elegante desaparece al autointegrarse hasta quedar en una guaripa que contiene el resto de ropa, lo que resulta atractivo para algunos segmentos de la población en este campo de la moda. La creación de diseños de fantasía capaces de alterar algunas propiedades están conectados a diferentes tipos de sistemas electrónicos para este tipo de prendas ya están en el mercado de los nanoproductos, donde se pueden comprar chaquetas con reproductores de música, letreros de propaganda o con fibras camaleón, es decir, que las fibras se esconden en el ambiente por camuflaje. También se pueden incorporar fibras conductoras para crear vestidos electrónicos de negocios con sensores y chips integrados para generar electricidad a través de la temperatura corporal, como las fabricadas por la empresa alemana Infineon o simplemente en lugares de mucho tráfico peatonal tener direccionales textiles como se observa en la FIGURA 9
INGENIERÍA TEXTIL
30
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
Textiles Técnicos
La tendencia actual en los textiles son los llamados textiles técnicos que se caracterizan por tener un alto rendimiento y una funcionalidad especial. El mercado de estos es importante y en expansión debido a que un mayor número de productos con un uso determinado son requeridos por diversas industrias. El uso de textiles técnicos en la elaboración de ropa va más allá del confort. Estos también se usan para atender la prevención de enfermedades, por ejemplo, el olor del sudor y la suciedad pueden generar alergias o erupciones de la piel en algunas personas causando estados depresivos. Así una ropa que huela bien y sea fresca es apreciada por la mayoría de la gente. Ahora bien, para tener ropa con estas características, es necesario usar fibras funcionalizadas que combatan a las bacterias que provocan el mal olor.
Medicina
La reciente aparición de la nanotecnología en el mercado mundial ha generado preocupación entre los científicos, investigadores, agencias reguladoras, los consumidores y el público en general, respecto a su seguridad. Se espera que la nanotecnología tendrá un impacto importante en la medicina y la atención de la salud, por ejemplo, con ropa que proteja de la aguda y acumulativa exposición acumulativa a la radiación solar ultravioleta (RUV) que es causa importante de cáncer de piel. Otros efectos nocivos de la radiación ultravioleta en la piel son el eritema o quemadura solar, fotoenvejecimiento y la disminución del sistema inmunológico. El papel de la Industria Textil en el campo médico desde su primera intervención por medio de las suturas hace más de 4000 años hasta su participación actual en materiales de arterias artificiales e injertos de nanopiel. Los nanotextiles por sus aplicaciones en la ciencia médica son un objeto de estudio multidisciplinario de suma importancia.
En la seguridad
En tecnología de la ropa de protección, los avances están relacionados con la flotación, la protección térmica, protección antigravedad, y la integración de la ropa y equipo de protección, que son áreas específicas de conocimientos técnicos para Mustang Survival Corporation. Las camisas de nanotubos han superado a las telarañas, hasta hace poco más resistentes que el acero y más elásticas que el poliamida. Pero el costo de 400 dólares el gramo, hace que tejer una camisa con nanotubos sea inviable industrialmente, pero hay empresas como Nanoledge que ya cuentan con carretes de nanotubos, lo que se considera “la fibra más resistente del mundo”, según el director técnico Kai Schierholz.
Energía y textiles
INGENIERÍA TEXTIL
31
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
Tejido del futuro: Baterías Textiles. Podemos escuchar a la gente energética decir: "Estoy completamente cargada". ¿Qué tal si nuestro traje está también cargado?. Esta es una maravilla, fruto de la los avances en textiles técnicos. Investigadores de la Universidad de Stanford han usado la tinta de nanotubos de carbono que se convierte en tejidos normales para baterías portátiles. Las innovaciones de la electrónica de vestir han hecho las telas que puedan actuar como baterías.
En el sector automotriz
La mayor utilización de los tejidos en los vehículos FIGURA 10 modernos, en la sustitución de piezas metálicas convencionales, es cada vez más visto como una forma de reducir el peso de los vehículos. Nonwovens ya desempeñan un papel vital en el confort interior, el refuerzo, aislamiento acústico y la filtración avanzada, tal como se ilustra con los innumerables productos para la industria automotriz. Mitsubishi Mmotors desarrolla un plástico verde, en colaboración con el Instituto de Tecnología Industrial Aichi, ha desarrollado un material para el interior de automóviles que utiliza una resina de base vegetal (succinato de polibutileno PBS) combinada con nanofibras de bambú que permiten incrementar su rigidez. Las piezas fabricadas con este material serán utilizadas en el interior de un nuevo minicoche que será lanzado en Japón, donde el principal componente del material es una resina compuesta básicamente por ácido succínico y 1,4-butanediol. El ácido succínico es creado a partir de la fermentación del azúcar extraído de la caña de azúcar o del maíz. Otros productos de interés son las nanopieles para dispositivos electrónicos flexibles investigados por el Rensselaer Polytechnic Institute donde han desarrollado un nuevo proceso para fabricar "nanopieles" flexibles y conductoras, Estos materiales combinan la resistencia y conductividad de los nanotubos de carbono con la flexibilidad de los polímeros. En principio estas pieles pueden doblarse o enrollarse, manteniendo su capacidad de conducir la electricidad. Hay una carrera para la tecnoglobalización, con ropa autobronceadora, camisetas capaces de detectar el dolor y de transmitir constantes vitales, ropa de camuflaje, control de olor corporal, invisible a rayos IR, prendas climatizadas capaces de amoldarse al estado de ánimo de la persona, ropa que nos de felicidad basada en un concepto superior al confort tradicional es decir un confort VIP. etc. En general esta vía abre una asombrosa capacidad de innovación y de reconversión en un sector tradicional como la industria textil. Las NN tienen un futuro enormemente prometedor para la industria textil. El desarrollo de las fibras ultra finas, acabados funcionales y de textiles inteligentes basados en la NN tiene
INGENIERÍA TEXTIL
32
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
infinitas posibilidades.En la actualidad la aplicación de la nanotecnología en la industria textil se ha limitado a la etapa final del proceso de producción. En el futuro se puede esperar ver más avances en la industria textil basados en nanotecnología. Como se mencionó, la Comisión Europea, a través del VI Programa Marco de Investigación, ha adoptado una estrategia para aplicar la nanotecnología en todo tipo de áreas. La europarlamentaria Concepción Ferrer, miembro del Forum for Textiles, Clothing and Leather, recomendó en el congreso que Europa debe reforzar las aplicaciones industriales de las nanotecnologías. Por ahora, Estados Unidos supera a Europa en el número de patentes de nanomateriales relacionados con el textil. Pero el potencial de la nanotecnología en este sector es elevado. Cálculos del consultor sueco Roshan Shishoo revelan que en 2010 el 20% de los 11 millones de toneladas de tejidos técnicos que fabricará Europa utilizará nanomateriales, un mercado que generará 12.000 millones de euros. La NN relacionada con el sector textil tiene muchos otros campos de aplicación, la optimización de membranas para laminados imper-respirables utilizados para ropa de protección, la obtención de membranas antiestáticas para protección frente al mal tiempo y a las descargas electrostáticas, etc Crear, modificar y mejorar los textiles a escala molecular e incrementar su durabilidad y prestaciones más allá de lo que ofrecen los textiles en la actualidad es posible gracias a las NN. Para continuar con esta tendencia favorable y generar valor agregado a los productos textiles, la industria textil debe contribuir más a la investigación en nanotecnología y lo que es más importante, intensificar su colaboración con otras disciplinas. Es necesario dar soluciones para competir basadas en la innovación la investigación y la tecnología, permitiendo el cambio de paradigma le dé un nuevo impulso inyectándole sangre llena de innovación, dinamismo basada en mimetización y revivir a la decayente industria textil. Se deja claro que los desarrollos textiles involucran NN para Tener Investigafion Desarrollo e innovación I&D&i basada en nuevos materiales más avanzados sin dejar los materiales tradicionales con modificaciones moleculares innovadoras y criterios de sustentabilidad, como la nanolana.
INGENIERÍA TEXTIL
33
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
INGENIERÍA TEXTIL
34
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
CAPITULO V. CASOS DE ESTUDIO TECNOLOGÍAS DE PURIFICACIÓN DE EFLUENTES TEXTILESRESIDUALES CON COLORANTES MODELO Y DE DIFUSORES DE NANOFIBRAS EN BASE CARBON.
Caso de estudio 1: Purificación de aguas residuales modelo de colorantes textiles con nanofibras inorgánicas.
Se ha señalado a lo largo de esta comunicación la importancia de la perspectiva holística con la que el sector textil de México se desarrolla, bajo la consideración de un crecimiento económico, científico y tecnológico mundial, con una dinámica difícil de alcanzar. Se deben tomar acciones inmediatas para integrarse a los universos del conocimiento, donde la existencia de áreas de vanguardia, nanotecnología y nanociencia al aplicarse a los diferentes campos: la medicina, el sector militar, la energía, etc. (figura 1 ), brindan la oportunidad de un desarrollo en Ciencia Tecnología e Innovación CTI, en el capitulo lll se mostró la existencia a nivel mundial de un sector textil innovador, lo cual sirvió de incentivo a la presente contribución, que pretende fortalecer dicho sector con el desarrollo de dos casos de estudio descritos a continuación, donde se muestra el
NANOFIBRAS
NO USO EN PRENDAS
Figura 1. N N MULTIPLES APLICACIONES GENMERACION DE NANOFIBRAS CON UTLIDAD NO INDUMENTARIA PROTOTIPOS DE LOS CASOS DE ESTUDIO 1 Y 2
diseño de Nanofibras para usos no textiles en base Titania, el primer caso es asociado al cuidado ambiental con el tratamiento de residuos colorantes textiles y el segundo caso es referente a la generación de energía limpia mediante NN
INGENIERÍA TEXTIL
35
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
mediante la constitución de difusores en base carbón con posibilidades para PEM. En la figura 1 también se muestra la relación de las nanofibras en la aplicación industrial y la subdivisión a no indumentaria. Caso de estudio 1: Los efluentes de la industria textil representan un gran problema de impacto ambiental debido a los grandes volúmenes de agua residual generados con un alto contenido de materia orgánica y una fuerte coloración. A causa de la gran estabilidad de los colorantes (azo-compuestos), los procesos convencionales para el tratamiento de aguas residuales tales como adsorción, floculación y procesos de lodos activados no resultan ser eficientes para la decoloración de los efluentes textileros, ya que no pueden remover eficientemente los compuestos orgánicos o generan contaminantes secundarios que pueden ser tóxicos para el ambiente, los cuales requieren de un tratamiento adicional (Velegraki et al. 2006, Wawrzyniak y Morawski 2006, Pintar et al. 2001). Una alternativa al tratamiento convencional de las aguas residuales es la oxidación fotocatalítica, la cual ha despertado interés debido a que las investigaciones han mostrado la degradación de contaminantes orgánicos a bajas y medianas concentraciones, con una generación baja en contaminantes secundarios. La fotocatálisis heterogénea consiste en la degradación del contaminante a través de la utilización de materiales fototransformadores (Su et al. 2008, Xing et al. 2008). Los procesos de oxidación avanzada, con materiales que tienen propiedades fotoconductoras presentan un mayor impacto en la degradación de azo-colorantes, oxidación de compuestos orgánicos volátiles (COV’s) y degradación de compuestos orgánicos clorados, entre otras (Bouazza et al. 2008, Ibhadon et al. 2008, Fabbri et al. 2006, Kang et al. 2008, Addamo et al. 2004). Mediante la producción de nanofibras fotodegradadoras en base titanio, nanofibras de titanio NFT, se analizo el nivel de degradación de colorantes tipo azo presentes en efluentes de la industria textil. Estrategia sintética para preparar las nanofibras de titanio NFT. Las nanofibras de titanio NFT, se prepararon por el método de sol-gel con inducción de direccionador, se partió de una solución acuosa de Titanio 1 M, se adicionaron mediante goteo lento en agua desionizada con choque térmico. La solución fue homogenizada, acidificada y neutralizada, hasta alcanzar un pH entre 8 y 9, posteriormente se agrego el agente dopante. Se dejo añejar por un periodo comprendido entre 12 y 84 hrs., después se filtró y lavo con agua desionizada, hasta alcanzar un pH en el rango de 6.5-7.5. La nanofibra se obtuvo después de un secado a 80 ºC a 120 ºC en un intervalo de 12 a 36 hrs., seguido de una calcinación con un flujo de atmosfera oxidante entre 300 ºC y 650 ºC por 0.5 a 8 hrs. El tratamiento postsíntesis para la obtención de la fibras fue mediante la extrusión con jeringa y la aplicación de voltaje entre 2 y 10 kV. Determinación de las propiedades de NFT sintetizadas. La fisisorción de nitrógeno para determinar el área específica de los materiales se efectuó a la temperatura del nitrógeno líquido (-196 ºC) en un equipo marca Quantachrome modelo Autosorb-1. Previó al análisis, las muestras se desgasificaron durante 2 hrs. a 350 ºC a una presión de vacío de 0.1 mPa. Los patrones de difracción de rayos X se obtuvieron en un Difractómetro D800-
INGENIERÍA TEXTIL
36
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
Advance Bruker AXS el cual utilizó radiación Cu Kα (λ = 1.5406 Ǻ) y un monocromador de grafito en el haz secundario; las intensidades de las líneas de difracción se obtuvieron en el intervalo de 0-80º en la escala 2θ, con pasos de 0.02º y 2.4 s por punto. La espectroscopía de infrarrojo se realizó en un espectrómetro de transformada de Fourier marca Perkin-Elmer modelo Spectrum One con pastillas transparentes conteniendo la muestra a analizar y KBr como aglutinante (90% en peso), utilizando un número de barridos de 16 y una resolución de 4 cm-1. Los espectros de reflectancia difusa UV-visible se obtuvieron mediante un espectrofotómetro Shimadzu UV-2401, utilizando BaSO4 como muestra de referencia y realizando el análisis de las muestras en el intervalo de 200-800 nm. La capacidad de las NFT de fototransformación se midió bajo una solución modelo con diferentes concentraciones de un azocolorante naranja de metilo (figura 2), se muestra la estructura y la apariencia física del colorante), elegido como molécula modelo por ser unos de los constituyentes de los desechos de la industria textil. Figura 2 Estructura molecular del naranja de metilo y aspecto físico del colorante naranja de metilo
Se partió de una concentración del naranja de metilo cuya concentración inicial se estableció en un intervalo de 5 a 20 mg/L. Se probó la incidencia en una lámpara de mercurio con una potencia de 50 y 150 W para la radiación UV y con colector para el caso solar. Con la inmersión entre 0.1 y 0.5 g de NFT en la solución de prueba en estático y dinámico con una razón de alimentación de 0.5 y 1.5 L/min. Esto permitió tener la cinética de transformación del colorante, se siguieron mediante un espectrofotómetro UVvisible (Spectronic 21D, Milton Roy). Resultados obtenidos: Fisisorción de nitrógeno Las propiedades texturales de las NFT sintetizadas se presentan en el cuadro 1. Como puede observarse en este cuadro, el material denominado NFTMA reduce su área específica 3.5 veces y aumenta hasta 2.5 veces su diámetro de poro promedio cuando se somete a un tratamiento térmico entre 450 ºC y 550 ºC durante 3 hrs., esto ocurre como resultado de la sinterización del material durante el proceso de calcinación. Las áreas específicas de las NFT están influenciadas por la cantidad de ácido utilizado durante la síntesis, presentado el valor más alto de área específica el material denominado NFT-MC (140 m2/g), el cual fue sintetizado con el menor volumen de ácido. En general, la fisisorción de nitrógeno mostró áreas específicas comprendidas entre 80-300 m2/g, mismas que superan el área específica del titanio comercial (51 m2/g). En la figura 3 se muestra que las isotermas de adsorción-desorción obtenidas para los materiales
INGENIERÍA TEXTIL
37
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
calcinados (materiales NFT-MB y NFT-MC) son del tipo IV, características de los materiales mesoporosos. Su isoterma de desorción forma un amplio ciclo de histéresis tipo II, en contraste, el hidróxido de titanio (material NFT-MA) presentó una isoterma tipo I, característica de los materiales microporosos, con un fino rizo de histéresis que implica una estrecha distribución de tamaño de poro (Leofanti et al. 1998, Storck et al. 1998). Por otro lado, la distribución porosa muestra un perfil muy homogéneo con máximos en la frontera de los materiales micromesoporosos, la cual se desplaza hacia la región mesoporosa en función de la temperatura de calcinación (Figura 4).
CUADRO
I.
Nomenclatura y propiedades texturales de los NFT (MA, MB y MC) sintetizados
Figura 3.
MA MB MC
140
Isotermas de adsorcióndesorción de nitrógeno obtenidas con los NFT sintetizados
3
Volumen adsorbido, (cm /g)
160
120 100 80 60 40 20
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Presión relativa, (P/Po)
INGENIERÍA TEXTIL
38
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
Desorción dV/dlog (D) (u.a.)
MA MB MC
Figura 4. Distribución del tamaño de poro en los NFT (MA,MB y MC)sintetizados
10
100
1000
10000
Diámetro de poro (A)
Difracción de rayos La figura 5 muestra los patrones de difracción de rayos X del titanio comercial (Titanio Degussa) y los materiales NFT-MC y MB sintetizados. Los materiales calcinados (materiales NFT-MC y MB) exhibieron líneas de difracción en 2θ = 25º, 37º, 48º, 54º, 55º, 62º, 71º y 75º, que corresponden a los planos cristalográficos (101), (004), (200), (105), (211), (204), (116) y (311), que caracterizan la fase anatasa (tetragonal) (Weerachawanasak et al. 2008). Los tamaños de cristal obtenidos para estos materiales fueron de 15 y 10 nm, respectivamente, clasificándose como sólidos nanocristalinos. El patrón de difracción de rayos X del material NFT-MA lo muestra como un material completamente amorfo y con pobre cristalinidad. A diferencia de los materiales sintetizados, el titanio comercial presenta una mezcla de fases cristalinas, una minoritaria perteneciente a la fase rutilo (2θ = 27º, 36º, 41º, 44º y 57º) y otra mayoritaria perteneciente a TiO comercial Material MA A = 21 nm = 2 nm la fase anatasa (tetragonal), observando un tamaño de cristal de 21 nm (Sohn y Shin 2008). Los A A R resultados sugieren que el AA A R A A R R R dopaje de la estructura del titanio, estabiliza la fase 2 Theta (º) 2 Theta (º) A A anatasa del mismo, Material MB Material MC = 15 nm = 10 nm impidiendo la difusión en estado sólido, la drástica sinterización del material y A A A el crecimiento abrupto del A A AA A A A A A A cristal. A Intensidad (u.a.)
Intensidad (u.a.)
2
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
Figura
5.
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
Diagramas de difracción de rayos X obtenidos con Titanio(Degussa) y NFT(MA, MB y MC) sintetizados.
INGENIERÍA TEXTIL
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
Intensidad (u.a.)
25
Intensidad (u.a.)
20
2 Theta (º)
2 Theta (º)
39
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
Espectroscopía infrarroja
MC
Figura 6.Espectros infrarrojo obtenidos con el óxido de titanio Ti(Degussa) y NFT(MA, MB y MC) sintetizados
1276
MA
450
3400 1630
1401
Transmitancia (u.a.)
Los espectros de infrarrojo de la figura 6, en los cuales se hace una comparación entre los NFT(MA, MB y MC) sintetizados y el comercial, permiten especular sobre la sustitución de átomos de oxígeno por átomos dopantes dentro de la estructura de titanio y la posible formación de nuevos enlaces N-Ti-O y/o N-O-Ti. Las señales que aparecen en los espectros de infrarrojo de los materiales sintetizados alrededor de los 3400 cm-1 son atribuidas a estiramientos vibracionales de grupos –OH, mientras que la señal localizada a 1630 cm-1 es asignada a vibraciones de deformación de tipo tijera de los protones del agua adsorbida. En los espectros también es posible observar que existen bandas situadas en el intervalo de 550450 cm-1, características de enlaces Ti-O-Ti (Yoon et al. 2006). Los picos que aparecen en 1452, 1401, 1276 y 1116 cm-1 pueden ser atribuidos a átomos enlazados en la estructura del titanio. Estos resultados claramente demuestran que la hidrólisis del Ti mediante una solución de básicas, resulta no solo en la quimisorción del ión dopante en la superficie del titanio 1276 1452 observados a MB 3150 cm-1, también a una posible TiO2 comercial nitración del 1452 1116 material.
550 3400 3150
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
-1
Número de onda (cm )
Reflectancia difusa UV-visible La figura 7 muestra los espectros de reflectancia difusa UV-visible del titanio comercial y los NF de titanio sintetizados. En esta figura es posible observar que todos los materiales presentan una fuerte absorción de luz en longitudes de onda alrededor de los 400 nm, la cual es atribuida a las transiciones de los electrones de la banda de valencia a la banda de conducción pertenecientes al Ti. Sin embargo, con la incorporación de especies dopantes en la estructura del titanio y la utilización de ácido durante la síntesis, hace que se presenten ligeras
INGENIERÍA TEXTIL
40
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
diferencias entre los materiales. Se puede observar una relación inversamente proporcional entre la cantidad de ácido con respecto a la cantidad de agente dopante, de tal forma, que cuando se utiliza mayor cantidad de ácido, menor cantidad de especies de dopante quedan retenidas en la estructura del material después del proceso de calcinación (Figura 6), reflejándose en una mayor absorción de luz en el material NFMB. Las especies de nitrógeno retenidas en los óxidos de titanio confieren a los mismos una ligera coloración amarillenta, la cual se intensifica para el material MC causando una menor absorción de luz. Probablemente ésta sea la razón por la cual el óxido de titanio comercial (polvo blanco) presenta una longitud de onda mayor en comparación con las NF de titanio sintetizadas. Acorde con los resultados de Wawrzyniak y Morawski (2006), la disminución de la reflectancia es causada por el cambio de color obtenido en los materiales, el cual depende de la temperatura de tratamiento térmico y cambia de un ligero color amarillento a un amarillo intenso. Teniendo presente que la tendencia observada en el cambio de color puede ser debido a la concentración de átomos de dopante en las partículas de Ti-xDopante x. Los valores de energía de banda prohibida de las NF de titanio sintetizadas, se estimaron mediante la ecuación 1 (Xue et al. 2008):
(h ) A(h Eg )m / 2 Donde
(1)
representa el coeficiente de absorción,
h es la energía del fotón, A
es una constante y m 1 para una transición directa entre la banda de valencia y
E
la banda de conducción. La energía de banda prohibida ( g ) se determinó utilizando los espectros de reflectancia difusa UV-vis de la figura 7, mediante la extrapolación de una línea recta a partir de la curva de absorción hacia el eje de la abscisa. Cuando expresión 2:
Eg h
es igual a cero, entonces la ecuación 1 se reduce a la
hc
(2)
En donde la longitud de onda ( ) expresada en nanómetros correspondiente a dicha extrapolación, se convierte a unidades de energía en electrón volts (eV). En el cuadro II se puede apreciar un aumento en la energía de banda prohibida en función de la disminución del tamaño de cristal. El titanio comercial que presenta el tamaño de cristal más grande (21 nm), comienza a absorber cerca de los 407 nm, longitud de onda que corresponde a una energía de banda prohibida de 3.05 eV. Para el caso particular de las NF de titanio sintetizadas en los cuales el tamaño del cristal disminuye, los materiales comienzan a absorber a longitudes de onda más cortas (< 400 nm) y presentan valores de energía de banda prohibida ligeramente más grandes. Se infiere que con la reducción del tamaño de cristal, el ancho de banda del semiconductor se incrementa, atribuyéndose al efecto del tamaño quántico de la partícula (Linsebliger et al. 1995).
INGENIERÍA TEXTIL
41
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
Figura 7.
Espectros de
reflectancia difusaUV-visible obtenidos con el titanio comercial (Ti Degussa) y los NFT (MA,MB y MC) sintetizados
TiO2 comercial
0.8 Absorbancia (u.a.)
Las especies dopantes retenidas en la estructura de las NF de titanio sintetizadas, disminuyeron el tamaño de cristal y provocaron un cambio en la coloración de los materiales, reflejándose en un incremento en el ancho de banda del semiconductor.
1.0
MB
0.6 MC
0.4 MA
0.2
0.0 200
250
300
350
400
450
500
550
600
Longitud de onda (nm)
Material
Ti Degussa NFT-MA [Ti(OH)4] NFT-MB [Ti]
Temperatura de calcinación (ºC)
Tamaño de cristal (nm)
Longitud de onda (nm)
---
21
407
3.05
388
3.20
393
3.16
70
>400
2
15
Energía de banda (eV)
CUADRO
II.
TAMAÑO DE CRISTAL, LONGITUD DE ONDA Y ENERGÍA DE BANDA PROHIBIDA. PARÁMETROS DETERMINADOS PARA DIFERENTES NF TITANIO
Para analizar el comportamiento NFT- MC [Ti] >400 10 391 3.17 de los materiales preparados como fototransformadores se partió de una alícuota de la solución del naranja de metilo elegido como molécula modelo para evaluar la foto-actividad de la NF de titanio, la que se analizó en el espectrofotómetro UV-visible en el intervalo de longitud de onda de 400-600 nm, con la finalidad de determinar la máxima absorción del azo-colorante, tal como se muestra en la figura 8a. La máxima absorción del azo-compuesto establecida a 460 nm se utilizó para realizar la curva de calibración mostrada en la figura 8b, a partir de la cual se determinó el cambio de concentración en la solución del naranja de metilo durante el proceso de fototransformación. La figura 9 presenta la actividad titanio comercial y la de un
INGENIERÍA TEXTIL
42
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
NFT (MA, MB y MC) sintetizado (material NFT-MC) evaluadas bajo las mismas condiciones, en la figura 10 se muestra una foto de los productos obtenidos bajo los dos esquemas de inducción. El perfil de actividad fototransformadora muestra una degradación del azo-colorante de 100% con ambos materiales, sin embargo, el Ti comercial logra degradar el azo-compuesto a 90 min de transformación, volviéndose la degradación más lenta con el material sintetizado. Esta diferencia en tiempos de reacción puede ser explicada en base a la capacidad de absorción, longitudes de onda y energías de banda prohibida determinadas en ambos materiales. En contraste, solo un pequeño decremento en la concentración de la solución problema pudo observarse cuando ésta es irradiada con luz ultravioleta en ausencia de acelerador de proceso. El proceso de fotólisis directa al cual es atribuido éste decremento, contribuye con menos del 10% de la degradación total del colorante después de 3 h de y = 0.0665x + 0.0251 2.0 reacción. El experimento realizado R = 0.999 en ausencia de luz ultravioleta 1.5 (b) utilizando como catalizador al 1.0 titanio comercial no mostró 0.5 resultados significativos. Estos dos 0.0 últimos experimentos demostraron 0 5 10 15 20 25 30 que la degradación del naranja de Concentración (mg/L) 1.2 metilo se llevó a cabo en un 1.0 verdadero régimen que requiere la 0.8 (a) participación de un agente 0.6 acelerador de la fotodegradación, 0.4 en nuestro caso son las NF de 0.2 Titania. 0.0 Absorbancia (u.a.)
Absorbancia (u.a.)
2
400
425
450
475
500
525
550
575
600
Longitud de onda (nm)
Figura 8. (a) Espectro UV-visible y (b) curva de calibración del naranja de metilo.
Figura 9. Perfil de actividad fototransformadora
1.0
C/C o
0.8 desarrollado durante la degradación del naranja de metilo con el catalizador () Ti 0.6 comercial (Ti), () Ti sintetizado (material NF-MC), sin inductor de 0.4 aceleración (), Ti comercial (Ti Degussa) sin iluminación (). Condiciones de 0.2 operación: 0.5 g/L de Ti, Luz UV (254 nm), 2 volumen del azo-colorante. 0.0 0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
Tiempo (min)
Por otro lado, los resultados experimentales indican la existencia de dos regímenes cinéticos durante la fotodegradación del naranja de metilo, dependientes del catalizador usado. Para el caso particular del óxido de titanio
INGENIERÍA TEXTIL
43
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
comercial (Ti Degussa ), la cinética de reacción se ajusta a un orden igual a 0.5 y es descrita por la ecuación 3:
r
dC kapar C dt
(3)
Al integrarse la ecuación 3 con respecto a las condiciones límite:
C Co a
t 0 y C C a t t , se obtiene la ecuación 4: k t Co C apar 2 Co
Donde
(4)
es la concentración inicial del azo-colorante, C la concentración a
tiempo t y representa la constante de velocidad de reacción aparente. Graficando kapar
Co C
con respecto al tiempo de reacción se obtiene la figura 11, en la cual se puede observar que los datos experimentales se ajustan a una línea recta, corroborando el modelo cinético propuesto. Vulliet et al. (2002) sugieren para este orden cinético, una reacción con estados disociados del reactante, adsorbidos sobre la superficie del catalizador. El la figura 10 se tiene el sistema experimental.
4.5 4.0 3.5
Figura 11. Ajuste de datos experimentales a una cinética C)
3.0 2.5 ( C o
de orden 0.5 desarrolla por el fotomaterial Ti comercial durante la degradación del naranja de metilo. Condiciones de operación: 0.5 g/L de Ti, Luz UV (254 nm), volumen del azocolorante = 2 L y agitación constante
2.0 1.5 1.0
La ecuación 5 describe una cinética de orden cero la cual fue sugerida para la reacción catalizada
0.5 0.0 0
15
30
45
60
Tiempo (min)
INGENIERÍA TEXTIL
44
75
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
por el óxido de titanio sintetizado (material NF MC).
r
dC kapar dt
(5)
La integración de la ecuación anterior, utilizando las condiciones límite establecidas para la ecuación 3, da como resultado la expresión mostrada por la ecuación 6:
Co C kapart
(6)
Graficando la diferencia de concentraciones como una función del tiempo de reacción, se puede observar una linealidad obtenida con los datos cinéticos experimentales figura 12. El perfil de actividad catalítica mostrado en la figura 9 para el óxido de titanio sintetizado, se apega a lo mencionado por Levenspiel (2006), en relación a que las reacciones son de orden cero solamente en ciertos intervalos de concentración (concentraciones altas). Si la concentración disminuye lo suficiente, suele encontrarse que la velocidad de reacción depende de la concentración, en cuyo caso el orden de reacción es superior a cero (Kumar et al. 2008, 22.5 20.0 Herrmann 1999). 17.5
cinética de orden cero desarrolla por el material de Ti sintetizado (material NFMC) durante la degradación del naranja de metilo. Condiciones de operación: 0.5 g/L de Ti, Luz UV (254 nm), volumen del azo-colorante = 2 L y agitación constante.
15.0
(C o C)
Figura 12. Ajuste de datos experimentales a una
12.5 10.0 7.5 5.0 2.5 0.0
En el cuadro III se presentan los valores de las Tiempo (min) constantes de velocidad y los coeficientes de correlación para cada perfil de concentración graficados en la figura 10 y figura 12, respectivamente. Como se puede apreciar, la constante de velocidad de reacción del óxido de titanio comercial es más grande que la del NFT sintetizado, corroborándose éste hecho con el perfil de actividad catalítica mostrado en la figura 9 y con la diferencia en tiempos de degradación total. 0
CUADRO
15
30
45
60
75
90
105
120
135
150
III.
parámetros cinéticos obtenidos en la degradación del naranja de metilo
Se puede decir que
se
logro
INGENIERÍA TEXTIL
45
165
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
obtener un NFT de titanio mesoporoso, nanocristalino, permitiéndose establecer en los materiales sintetizados la fase anatasa, impidiéndose la difusión en estado sólido, obteniéndose materiales con áreas específicas superiores a las de los productos comerciales, los niveles de degradaciones que se obtuvieron son del 100% del azo-colorante naranja de metilo, con tiempos de abatimiento de 90 min. El segundo caso de estudio, muestra otra aplicación de los nanotextiles en el cuidado del ambiente, con análisis de nanofibras en base carbón como difusores para PEM conformándose como un componente de estas tecnologías de producción de energía limpia. En México más del 75% de los kWh generados públicos y privados, provienen de combustibles fósiles, pero con los cambios del modelo energético pasan de estar basados en hidrocarburos, a ceder un lugar a un modelo, de más amplio espectro donde las energías renovables adquieren un papel preponderante, considerando este modelo energético y los análisis de prospectiva energética llevan al 2025 a la aplicación masiva de tecnologías basadas en renovables, como se muestra en el cuadro l para llegar a estas tecnologías limpias se requerirán de textiles nanométricos tanto para la producción de combustibles, el almacenamiento energético o para la producción misma de energía limpia. Cuadro l Perspectiva de la evolución de los combustibles en aplicaciones móviles.
La perspectiva en cuanto a la evolución de los combustibles está asociada a los cambios de paradigma en cuanto al procesamiento de combustibles es parte integradora de estas tecnologías con alta eficiencia, bajo costo y alta sustentabilidad. Sumarse al desarrollo de este tipo de tecnología con la producción de nanotextiles basados en nanofibras de carbón como posibles componentes para las MEA de las PEM, son motivo de inspiración para el estudio de estos materiales. Evolución del procesamiento de combustibles al 2100
Los nanotextiles basados en carbón como telas difusoras al ser integradas en monoceldas o stack, han hecho que las nanofibras de carbón adquieran gran importancia, por ello se han desarrollado estrategias de síntesis para las nanofibras carbónáceas naturales NFCN y sintéticas NFCS así como la caracterización. Los nanomateriales fibrosos en base carbón, se han obtenido por
INGENIERÍA TEXTIL
46
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
medio de tres métodos de síntesis; Los métodos sintéticos basados en la pirolisis activa bajo diferentes condiciones, tiempo de residencia, temperaturas y atmosferas. Un segundo método de obtención se basa en el proceso sol-gel y por último mediante electrospinning, en todos los casos con tratamientos de postsíntesis. En cuanto a las materias primas son de tipos diversos desde las naturales hasta las sintéticas del tipo lignocelulósicas, serrãgo-ĩnis, PAN, PEO, rayón etc. Considerando la materia prima de la que se parte, se tienen dos tipos de nanofibras carbonáceas naturales y sintéticas. Para la preparación de las nanofibras carbonaceos naturales NFCN se partió de dos tipos de materiales residuales lignocelullosicas y serrãgo-ĩnis. En el caso de las nanofibras carbonaceas sintéticas NFCS el carbono poroso se preparó a partir de una matriz híbrida microporosa-mesoporosa, MZM que es una estructura basada en silicio la cual se utilizó como plantilla, generando la estructura híbrida MZM (ZSM-5/MCM41), este material partió de la síntesis de un mesoporoso de tipo MCM-41 de acuerdo a G. Clet, J.A. Peters, H. van Bekkum (2000, y Lui, T.J. Pinnavala, Chem. (2002) y una la zeolita pentacil preparada de acuerdo a la patente USA Patent 3,702,886, (1972). La plantilla micro-mesoporosa MZM se desaluminizó y junto con el resorcinol sirvieron de precursores de carbono. Ambos tipos de nanofibras de carbón las NFCN y NFCS se sometieron a un tratamiento de post-síntesis con soluciones dopantes. La determinación de las propiedades de las NFCN y NFCS preparadas, se hizo desde el punto de vista estructural con DRX, las propiedades texturales con fisisoción de nitrógeno, el comportamiento de estabilidad térmica con un ATG. y el análisis morfológico de la NFC se tiene en la Figura 3. Donde se muestra que la NFC está constituida por filamentos nanométricos hexagonales con un buen nivel de ordenamiento constituido por poros de forma hexagonal. Los tratamientos postsintéticos se han asociado básicamente a un incremento en la microposidad lo que puede deberse al efecto de oxidación en los grupos asociados a la superficie carbonosa, por ello se modifica el carácter hidrofilicolipofilico de la superficie y el tipo de poro. Los procesos de postsíntesis favorecen la cantidad de microporos, mejorando las
INGENIERÍA TEXTIL
47
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
propiedades texturales tanto para las NFCN como para las NFCS. Es necesario continuar con el desarrollo de procesos de fabricación de nanofibras de carbón con propiedades texturales controlables y adecuadas a los requerimientos, partiendo especialmente de residuales, como es el caso expuesto para las NFCN permitiendo darles un valor añadido. Considerando que hay varios puntos por mejorar tales como evitar el deterioro de la resistencia mecánica y la flexibilidad del material, permitiendo así la miniaturización y/o invisibilidad de los dispositivos o sensores. Para el caso específico de nuestro caso de estudio hay propiedades adicionales que requieren mejoras como la conductividad electrónica, el nivel de hidrofobicidad, la estabilidad química y por supuesto el control de la producción de poros de tamaño nanométrico que produzcan superficies específicas con relación a la masa adecuadas para favorecer el trabajo de estas NFC difusoras facilitando que los gases lleguen de manera uniforme a todas las partículas del catalizador en el sistema MEA. La caracterización de las propiedades estructurales, texturales, de estabilidad térmica, morfología permiten señalar a priori a estos materiales como prometedores para la generación de sistemas tejidos figura 4 y no tejidos en base carbón para su utilidad como precursores para la producción de difusores componentes aplicables a sistemas PEM, los cuales se ejemplifican en figura 5.
Conclusiones Los materiales textiles a partir de la ingeniería de materiales tienen mucho que aportar para mejorar la calidad de vida. El uso de la NN es un mundo es prometedor debe medirse el riesgo y reglamentar su uso. La innovación en productos textiles abre un extraordinario campo para la competitividad sectorial, integrando equipos multidisciplinarios de I & D e I con físicos, modeladores moleculares, matemáticos, diseñadores, ingenieros textiles, ingenieros
INGENIERÍA TEXTIL
48
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL
mecánicos, en general profesionales de distintas disciplinas. A lo largo de esta discusión se plasmó que los desarrollos se deben basar en nuevos materiales avanzados con un compromiso de daño mínimo al ambiente y que la integración holística permita solucionar problemas locales extrapolables a nivel global.
Bibliografia Addamo M., Augugliaro V., Di A., García E., Loddo V., Marci G., Molinari R., Palmisano L. y Schiavello M. (2004). J. Phys. Chem. B. 108, 3303-3310. Bouazza N., Lillo M.A. y Linares A. (2008). Appl. Catal. B. 77, 284-293. G. Clet, J.A. Peters, H. van Bekkum, Langmuir, (2000). 16, 3993. Kumar K.V., Porkodi K y Rocha F. (2008). Langmuir-Hinshelwood kinetics. Catal. Commun. 9, 82-82. Lerrmann J.M. (1999). Catal. Today. 53, 115-129. Levenspiel O. (2006). Wiley, México, 47 p. Linsebigler A.L., Lu. G. y Yates J.T. (1995). Chem. Rev. 95, 735-758. Pintar A., Besson M. y Gallezot P. (2001). Appl. Catal. B. 30, 123-139. Su W., Chen J., Wu L., Wang X., Wang X. y Fu X. (2008). Appl. Catal. B. 77, 264271. Velegraki T., Poulios I., Charalabaki M., Kalogerakis N., Samaras P. y Mantzavinos D. (2006). Appl. Catal. B. 62, 159-168. Vulliet E., Emmelin C., Chovelon J.M., Guillard Ch. y Herrmann J.M. (2002). Appl. Catal. B. 38, 127-137. S. Iijima, Nature 354 (1991) 56. Y. Lui, T.J. Pinnavala, Chem. Matter., (2002), 14, 3. Wawrzyniak B. y Morawski A.W. (2006). Appl. Catal. B. 62, 150-158. Xue S.W., Zu X.T., Zhou W.L., Deng H.X., Xiang X., Zhang L. y Deng H. (2008). Effects .J. Alloys Compd. 448, 21-26. USA Patent 3,702,886, (1972)].
Referencias http://www.upcomillas.es/catedras/crm/report07/ppts/IV%20Juan%20Antonio%20Cabrera%20OPTI.pdf http://www.siicyt.gob.mx/siicyt/docs/contenido/PECYT.pdf Bayer (s/f), Securely wrapped. Nanoparticles make Durethan® films airtight and glossy. http://www.research.bayer.com/edition_15/15_polyamides.pdfx Last visited March 12, 2008. BusinessWeek (2005), Nano, Nano, On the Wall…. L’Oreal and others are betting big on products with microparticles, BusinessWeek, December 12. http://www.businessweek.com/magazine/content/05_50/b3963100.htm Last visited May 12, 2007. Científica (2007a), Half Way to the Trillion-Dollar Market? A Critical Review of the Diffusion of Nanotechnologies. http://www.cientifica.eu/index.php?option=com_frontpage&Itemid=1 Last visited April 24, 2007. Harper, Tim (2009), Nanotechnologies in 2009. Creative Destruction or Credit Crunch? White Paper. Científica Ltd. http://www.cientifica.eu/files/Whitepapers/Nanotechnologies%20in%202009.pdf Last visited February 16, 2009. Harvey, David (2007), Neoliberalism as creative destruction. Annals of the American Academy of Political Social Science. 610, 21. Comparing needs in nanotechnology research cooperation betwen Mexico, Argentina and Brazil. Sixth Framework Programme. (2008), Nanoforum EULA.9*To read more articles on Textile, Industry, Technical Textile, Dyes & Chemicals, Machinery, Fashion, Apparel, Technology, Retail, Leather, Footwear & Jewellery, Software and General please visit
INGENIERÍA TEXTIL
49
INFLUENCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA EN EL SECTOR TEXTIL http://articles.fibre2fashion.com To promote your company, product and services via promotional article, follow this link: http://www.fibre2fashion.com/services/article-writing-service/content-promotion-services.asp
CURRICULUM Jefe de proyectos en I&D, 11 años, Gerente de Producción dos años, Jefe de control de calidad un año, actualmente participo como profesor investigador en la Sección de Estudios de Posgrado de la Escuela Superior de Ingeniería Textil ESIT del Instituto Politécnico Nacional, jefe de proyecto de Investigación nacionales e internacionales en Ciencia y tecnología en los temas de nuevos materiales para aplicaciones textiles y no textiles, estudio de funcionalización de nano y microfibras. Lo más relevante de las actividades de Investigación Tecnológica científica y en la académica se puede resumir con los siguientes puntos: 6 patentes en México y una internacional, alrededor de 250 comunicaciones a nivel tanto nacional como internacional, 20 tesis de licenciatura, 2 de maestría, 4 de doctorado, 26 publicaciones en revistas indexadas. En la académica: Se han impartido aproximadamente 30 cursos a nivel de licenciatura y 30 posgrado con aproximadamente 30 conferencias nacionales en internacionales. Miembro del sistema nacional de investigadores. Formación académica Doctorado en el Consejo Superior de Investigaciones Científicas CSIC-Universidad Autónoma de Madrid UAM , Diplomados en Investigación científica Tecnológica en UVM México ITESM, Universidad Iberoamericana, etc. Estancias de investigación en la Div. de Estudios de Postgrado Dpto. de Química Analítica Universidad Nacional Autónoma de México, Facultad de Química del Instituto Tecnológico de Monterrey, Monterrey, Dpto. de Química Orgánica del Centro de Investigación y Estudios Avanzados del IPN, Subdirección de Investigación Básica de Procesos Instituto Mexicano del Petróleo-México, en diversos centros nacionales e internacionales. En referencia a premios entres más relevantes la Mención Honorífica a la brillante trayectoria académica, Cum Laude Sobresaliente etc. Se han recibido más de 60 cursos de formación académica.datos::móvil: 044-55 37 23 18 03, 02 y 044 55 23747569 radio62*212549*6 : e-mail
[email protected];
[email protected]
AGRADECIMIENTOS: A todos los seres que amo porque me permiten estar cerca de su corazón. Antonio Carmona G. . Lucy Serrano. C. Anguis, R. Radillo, J. M. Hernández, Cueto, G. Noriega y para no omitir a ninguno no sigo nombrando simplemente gracias a todos los seres maravillosos.
INGENIERÍA TEXTIL
50