Nanopigmentos & Tintes Industriales
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Nanopigmentos y
tintes industriales Francisco Miguel Martínez Verdú
Grupo de Visión y Color, Universidad de Alicante [email protected]
http://web.ua.es/gvc Alicante, 22 Noviembre 2011
Feria del Conocimiento. Materiales Avanzados y su aplicación industrial.
Sumario Contexto y Misión
GVC-UA: grupo, intereses y oferta tecnológica Colorantes naturales reforzados para
aplicaciones industriales Nanopigmentos naturales
Diseño y síntesis Listado de colorantes naturales Caracterización físico-química y colorimétrica
Debate Aplicaciones industriales y sus retos
Conclusiones
Ciencia y Tecnología del Color: Luz, Materia, Ojo y Cerebro Medida, apariencia y reproducción del color
El Grupo de Visión y Color GVC-UA Descrip.
5 doctores 4 Física 1 Ing. Industrial
3 doctorandos 1 Ing. Quím. (UA) 1 Ing. Textil (UPV) 1 Ing. Materiales
(UdA-Colombia)
Misión Descripción:
Grupo joven inter y multidisciplinar Involucrado en la búsqueda de soluciones
científico-tecnológicas donde la visión humana juegue un papel importante en: Optimización y desarrollo de procesos industriales,
incluso prototipos Seguridad y confort visual en actividades laborales y de
ocio
Líneas básicas de investigación: Ciencia y Tecnología del Color Percepción y Ergonomía Visual
GVC-UA Misión
Ciencia y Tecnología del Color Tecnología del Color:
Estudio de las teorías y técnicas que sirven para diseñar, fabricar y medir objetos coloreados
Sectores industriales implicados: Química de colorantes para fibras textiles,
plásticos, pinturas, cosmética, etc Artes Gráficas
Impresión tradicional y digital Multimedia
Displays, videojuegos, etc
Nuestra capacidad y oferta (I) Equipamiento:
Tele-espectro-radiómetro Medidas radiométricas, fotométricas y
colorimétricas sin contacto, y ajustable al tamaño de la muestra
Espectrofluorímetro
Multi-gonio-espectrofotómetros Medida de la apariencia del color de objetos
metalizados y perlados (cambio de color según la dirección de mirada)
GVC-UA Oferta
Nuestra capacidad y oferta (II) Ofertas:
Caracterización espectral y colorimétrica de: Objetos metalizados, iridiscentes y fluorescentes Fuentes de luz (wLED, OLED, etc) Formulación óptica de colorantes y pigmentos Software a medida para control de calidad de color
Coloración de materiales Nuevos materiales, nano-pigmentos, etc
Tecnología multimedia del color Reproducción digital del color: captura, visualización Apariencia de color: diferencias imágenes, objetos 3D
Psicología de la iluminación y el color, etc
GVC-UA Oferta
Escalado nano ↔ macro de las propiedades del color
Colorimetría
Teoría Kubelka-Munk
Interacción entre partículas
Modelos corpusculares
interacción luz-materia
Parámetros de colorantes, diferencias-color, gamas-colores, etc Reflexión ρ(λ)
Transmisión τ(λ)
Coeficientes: Absorción K Scattering S
Secciones eficaces: QA(D, λ) QS(D, λ) D tamaño
Propiedades físicas partículas: tamaño (D), forma, índice refracción, coef. extinción, polarizabilidad, etc
ENFO
QU
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ENFO
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TAL
Enfoques Top-down
y viceversa
ISEND 2011: 3ª ola de biotecnología Biotecnología industrial: explota los sistemas
biológicos para la producción industrial de productos químicos, materiales y energía
Objetivo: reforzar los colorantes naturales para que sean nanomateriales colorantes Nano Today (2010) 5, 165-168 , VSSA ≥ 60 m2/cm3
Requiere coordinación y esfuerzo inter y multidisciplinar Universidad & Empresa, Gobierno de España, etc
Contexto y Misión Contexto &
Misión
Nanopigmentos naturales Nano- Pigmentos Naturales
Nano-pigmentos Materiales híbridos de un colorante orgánico
absorbido en un material “huésped” inorgánico
Variaciones del “huésped” inorgánico: Tipos: nanoarcillas, zeolitas, hidrotalcitas, etc Origen: sintético o natural Morfología: laminar, acicular, no cristalina
Variaciones del colorante: Origen: sintético o natural (vegetal o animal) Tipo: aniónico o catiónico Comportamiento especial: electrocrómico, etc.
Diseño y síntesis Diseño Síntesis Control
Variables Intercambio iónico entre colorante orgánico y huésped inorgánico (arcilla)
Colorantes: Tipos aniónicos y catiónicos (Colour Index )
Nano-arcillas Seguras para uso humano
Applied Clay Science 36 (2007) 51-63 Capacidad de intercambio iónico (CEC) Laminar: esmectitas
Natural: Montmorillonita, Clinoptilolita (zeolita), etc Sintética: Laponita
Acicular: Sepiolita, etc
Lista de componentes Diseño Síntesis Control
Variables
Nano-arcillas Diseño Síntesis Control
Variables
Ejemplos de nano-pigmentos naturales hechos en nuestro laboratorio: Hidrotalcita (laminar) o zeolita (acicular),
ambas de tipo aniónico Primario Cian: índigo? Azul Maya?
Soluble en agua o en base solvente Magenta o Rojo: Natural Red 4, CI 75470
Amarillo Natural Yellow 3, CI 75300
Gris o Negro?
Colorantes naturales Diseño Síntesis Control
Variables
Caracterización de nano-pigmentos
Interacción colorante – nanoarcilla
Influencia de los factores de síntesis
Concentración relativa de componentes, CEC,
temperatura, pH, etc
Colorimetría y reproducibilidad
Rendimiento
Resistencia físico-química, estabilidad color
Caracteriz. físico
química y
colorimétrica
Nuevas oportunidades estratégicas para los colorantes naturales reforzados con nanotecnologías
Plásticos: nanocompuestos Pinturas Tintas impresión Cosméticos Textiles Tintes funcionales
Aplicaciones industriales de los nanopigmentos
Aplicac. industr.
A partir de nanocompuestos poliméricos Bio-nanocompuestos Varias propiedades térmicas y mecánicas
Biodegradabilidad, reciclabilidad Impacto ambiental reducido Baja presencia de impurezas metálicas Seguras en uso humano, biocompatibilidad Estabilidad: UV-VIS-IR, oxígeno, etc Coloración uniforme en diversos sustratos Gamas amplias de colores
Debate: Ventajas competitivas iniciales
Aplicac. industr.
Aplicaciones potenciales Balance del rendimiento técnico – coste Viabilidad técnica
Reciclabilidad + Biocompatibilidad Estímulo para un crecimiento económico sostenible
Proveedores de arcillas y colorantes naturales Reproducibilidad de los lotes de producción
Retos a superar Escalado industrial, producción Rendimiento Coste, incluso a lo largo de todo el ciclo de vida
Debate: aplicabilidad industrial
Aplicac. industr.
Empresa de base tecnológica – UA: Gestión integral I+D+i de nanopigmentos
naturales y sus aplicaciones industriales
Clientes / Socios: fabricantes de pigmentos y/o colorantes, y aplicadores finales de color
Servicios: inteligencia competitiva, análisis de
viabilidad, apertura de mercados, propiedad intelectual, etc
Producción a escala industrial??
Buscamos colaboraciones I+D+i
Debate: NA2COLOR Aplicac. industr.
Nanopigmento = colorante + nano-arcilla Nanomaterial colorante que mejora
características físico-químicas del sustrato y el rendimiento colorimétrico
Primeras muestras de nanopigmentos naturales
Nanopigmentos y sus retos Mercado emergente para las próximas décadas Demandas sobre su competitividad real Reproducibilidad de lotes colorantes naturales Escalado industrial Impacto medioambiental, biodegradabilidad Rendimiento Coste, incluso a lo largo de todo el ciclo de vida
Conclusiones
Esta línea de investigación está financiada por el Ministerio de Ciencia e Innovación (MICINN) a través del proyecto DPI2008-06455-C02-02, y, más recientemente con el nuevo proyecto de investigación fundamental DPI2011-30090-C02-02, para el periodo 2012-2014 .
Agradecimientos
M. Calabi Floody, et al., “Natural nanoclays: applications and future trends – a Chilean perspective”, Clay Minerals, 44, 161-176 (2009).
M.I. Carretero, C.S.F. Gomes and F. Tateo, “Clays and human health”, in F. Bergaya, B.K.G. Theng and G. Lagaly (eds.) Handbook of Clay Science, chap. 11.5, Amsterdam: Elsevier, 2006.
L. A. Polette-Niewold, et al., “Organic/inorganic complex pigments: Ancient colors Maya Blue”, Journal of Inorganic Biochemistry, 101, 1958-1973 (2007).
S. Pavlidou, C.D. Papaspyrides, “A review on polymer-layered silicate nanocomposites”, Progress in Polymer Science, 33, 1119-1198 (2008).
J. Bujdák, “Effect of the layer charge of clay minerals on optical properties of organic dyes. A review”. Applied Clay Science, 34, 1-4, 58-73 (2006).
Y. El Mouzdahir, et al., “Equilibrium modeling for the adsorption of methylene blue from aqueous solutions on activated clay minerals”. Desalination, 250, 1, 335-338 (2010).
Referencias
A. Roquero, Tintes y tintoreros de América. Catálogo de materias primas y registro etnográfico de México, Centroamérica, Andes Centrales y Selva Amazónica. Ministerio de Cultura, Madrid, 2006.
R. Siva, “Status of natural dyes and dye-yielding plants in India”, Current Science, 92, 7, 916-925 (2007).
P.S. Vankar, Handbook on Natural Dyes for Industrial Applications, New Delhi: National Institute of Industrial Research, 2007.
T. Bechtold, R. Mussak (eds.), Handbook of Natural Colorants, New York: John Wiley & Sons, 2009.
A. R. Lang (ed.), Dyes and Pigments: new research, New York: Nova Science Publishers, 2009.
F. Delgado-Vargas, O. Paredes-López, Natural Colorants for Food and Nutraceutical Uses, Boca Raton: CRC Press, 2003.
R.W. Sabnis, Handbook of biological dyes and stains, New York: John Wiley & Sons, 2010.
W. Soetaert & E.J. Vandamme, Industrial Biotechnology, Wienheim: Wiley-VCH, 2010.
Referencias