MX2010013211A

MX2010013211A - Material compuesto a base de cascarilla de arroz y aglutinante modificado con nanoestructuras de carbono.

Info

Publication number: MX2010013211A
Application number: MX2010013211A
Authority: MX
Inventors: Jose Antonio Soto Montoya; Daniel Ramirez Gonzalez; Mauricio Martinez Alanis
Original assignee: Urbanizaciones Inmobiliarias Del Ct S A De C V
Priority date: 2010-12-01
Filing date: 2010-12-01
Publication date: 2012-06-08
Also published as: JP2014501862A; CA2819578A1; JP6126011B2; BR112013013618A2; CN103429550A; EP2647608A1; EP2647608A4; US9527770B2; WO2012074350A1; EP2647608B1; US20150005415A1

Abstract

Material compuesto a base de agua, cemento, cascarilla de arroz, y resma polimérica modificada con nanoestructuras de carbono, donde al variar la razón de combinación entre ellos junto con la presión y temperatura para su fabricación se obtiene una consistencia adecuada para su uso como pintura, pasta para recubrimiento, o conglomerado para fabricar paneles.

Description

MATERIAL COMPUESTO A BASE DE CASCARILLA DE ARROZ Y AGLUTINANTE MODIFICADO CON NANOESTRUCTURAS DE CARBONO.

Campo de la invención.

La presente invención se refiere a materiales fabricados con cascarilla de arroz y aglutinante, y mas particularmente a un material compuesto por cascarilla de arroz con aglutinantes modificados con nanoestructuras de carbono.

Antecedentes de la invención.

El arroz es un alimento que se consume en todo el globo terráqueo y dentro de su procesamiento, es necesario remover la cáscara. En particular, por cada tonelada de arroz recolectada se genera un cuarto de tonelada de cáscaras de arroz, misma que en su mayoría es tratada como residuo agrícola.

Solamente en México se producen 337,250 toneladas de arroz al año, lo que representa 84,312 toneladas de cáscara de arroz anual.

Debido a la alta producción de arroz a nivel mundial, es importante encontrar aplicaciones de los residuos (cascarilla), producidos durante su procesamiento. Su alto contenido de sílice, su geometría de espesor uniforme y relación de aspecto, la convierten en un material que es viable económicamente para funcionar como carga (material de relleno) en aglomerados con resinas, similares a las partículas de madera que se utilizan en la fabricación de conglomerados.

Dentro del proceso de fabricación de aglomerados de madera, la proporción de resina utilizada dicta la resistencia mecánica del producto final. Es decir, a mayor concentración de resina, mayor resistencia mecánica, pero obviamente mayor costo de producción. Desde el punto de vista de nanoestructuras, los nanotubos de carbono además de otras propiedades, son altamente resistentes y pueden llegar a incrementar significativamente las propiedades mecánicas de un material, si se emplea como nanocarga de refuerzo.

Por otra parte, es también conocido que el mercado de la vivienda es un motor económico importante en cualquier país y México no es la excepción. La composición de un inmueble destinado a la vivienda es muy compleja, éste requiere de un gran número de materiales y mano de obra de especialidades muy variadas, indistintamente del proceso de construcción que se elija para ello. Sin embargo, todas estas construcciones cuentan con características similares en cuanto a su forma y comportamiento. Todas ellas están compuestas por muros, y una horizontal definida por sistemas de piso y cubiertas.

Hemos visto que la madera y sus conglomerados pueden ser utilizados dentro de un sistema constructivo completo, desde estructura hasta acabados. Sin embargo, la parte ecológica y el costo de los distintos procesos para tratarla pueden llegar a ser muy elevados, y repercutir de manera negativa en la generación de viviendas económicas, aún cuando se generen paneles fabricados con residuos de procesos y partículas aglutinadas con resinas sintéticas.

Dentro de esta problemática, surge la idea de fabricar materiales con un mejor desempeño y más económicos combinando cuatro elementos (materiales de residuos agroindustriales, resinas poliméricas, cementantes y nanoestructuras de carbono). Por una parte, se ha demostrado que es posible mezclar resinas con nanotubos de carbono para lograr que se tenga un mejor desempeño mecánico y de conducción. Además la cascarilla de arroz (con o sin tratamiento térmico) puede llegar a ser un material económico puesto que es un desecho, y por lo tanto se puede utilizar para fabricar materiales compuestos más económicos (conglomerados, pastas y pinturas) empleando una resina modificada con nanotubos de carbono y un material cementante (cemento blanco y cemento portland gris). Estos nuevos compuestos se conciben como materiales para la construcción, que pueden ser parte del sistema constructivo debido a sus propiedades mecánicas o bien como materiales para acabados permitiendo construir viviendas de bajo costo.

El material de la presente invención tiene ingeniería avanzada en nanotecnología, además de tener como elemento base un residuo de la industria agrícola que se produce en todas las regiones del mundo y no es posible su aprovechamiento como forraje, por lo que se considera que tiene aportaciones ecológicas importantes.

El óxido de silicio presente en la cascarilla y que forma parte del material compuesto para la construcción, no representa riesgo a la salud dado que el sílice está confinado en la estructura de la cascarilla de arroz y ésta a su vez en la matriz polimérica del material, eliminando el riesgo de desprendimiento de dichas partículas que puedan causar daño alguno a las personas en contacto con él.

Al ofrecer propiedades ignifugas, el material de la presente invención se considera como un acabado apropiado para lugares de concentración masiva de personas como retardante a la flama, y esto integra un valor agregado a las viviendas donde se aplique.

Como sus constituyentes le dan la propiedad de no transmitir el calor que lo envuelve en su cara expuesta a la intemperie (por tener una estructura porosa en escala micro y alto contenido de sílice) también participa de manera pasiva en el ahorro de energía eléctrica para lograr confort dentro del inmueble al que se le aplica, hemos encontrado que el desempeño de una pasta de 3mm de espesor es significativamente superior al correspondiente de una placa de 2 pulgadas de espesor de poliestireno.

Asimismo, el material compuesto de la invención está constituido con materiales ecológicos y tiene la facultad de ser un material sustituto de madera para la construcción de vivienda, su aporte a favor del medio ambiente alcanza un impacto elevado puesto que se deja de utilizar materiales que para su fabricación se obtiene de manera indirecta altos volúmenes de CO2.

En la presente invención además, proponemos el procedimiento de mezclado y prensado de un material cementante con cascarilla de arroz con o sin tratamiento térmico, aglutinado con resina polimérica modificada con nanoestructuras de carbono como carga de refuerzo. El procedimiento permite que al variar las proporciones entre estos materiales sea posible producir un conglomerado, una pasta o una pintura, con la finalidad de incorporarlo como un material sustituto y novedoso en los sistemas constructivos existentes.

En resumen, el material con cascarilla de arroz de la presente invención, puede ser utilizado en la preparación de: Pintura, con propiedades ignifugas, gran resistencia mecánica y con propiedades de aislamiento térmico e impermeable; Pasta, para aplicarse directamente sobre muros como acabado texturizado, con propiedades de aislante térmico en espesores de 2 mm o más, propiedades ignifugas y con resistencia mecánica a la tensión e impermeable; y Panel, en diferentes espesores y densidades, con propiedades mecánicas altas en flexión, tensión y compresión, ignifugas y de aislante térmico, además de ser resistente a presiones hidrostáticas constantes (sin incremento de espesor) por tiempo prolongado y por su contenido en sílice también resistente a termitas, también presenta propiedades de termo-moldeado.

Breve descripción de las figuras.

Para dar una mejor comprensión de la invención, a continuación se proporciona una descripción de la misma, junto con los dibujos que se acompañan, en los cuales: La figura 1 muestra un diagrama del proceso para la síntesis de nanoestructuras de carbono, empleando deposición química fase vapor asistida por espreo (AACVD); La figura 2 muestra una imagen de microscopía electrónica de barrido de nanotubos de carbono utilizados en la presente invención; La figura 3 ilustra una imagen de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (con una escala gráfica de 500nm), que revela la estructura interna de nanotubos de carbono utilizados en la presente invención; La figura 4 ilustra una imagen de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución, que revela la estructura interna y cristalinidad de nanotubos de carbono a mayor resolución (con una escala gráfica de 5nm) que la imagen de la figura 3; La figura 5 muestra el patrón de rayos X de los nanotubos utilizados en la presente invención; La figuras 6 muestra una gráfica de la evolución de masa con respecto a la temperatura en análisis termogravimétrico de las nanoestructuras utilizadas en la presente invención; La figura 7 muestra el difractograma típico del cemento blanco; La figura 8 muestra una micrografía de cascarilla de arroz con una escala gráfica de 3 mm; La figura 9 muestra una micrografía de cascarilla de arroz con una escala gráfica de 500 pm; La figura 10 muestra una micrografía de cascarilla de con una escala gráfica de 200 pm; La figura 1 1 muestra una micrografía de cascarilla de arroz con una escala gráfica de 50 pm; La figura 12 muestra una micrografía de la estructura interna de cascarilla de arroz con una escala gráfica de 200 pm; La figura 13 muestra una micrografía de la estructura interna de cascarilla de arroz con una escala gráfica de 50 µ?t?; La figura 14 es una imagen que muestra un espectro con las señales asociadas a los elementos químicos presentes en la superficie de la cascarilla de arroz; La figura 15 es una imagen que muestra una región de análisis de la superficie en la cascarilla de arroz; Las figuras 16, 17 y 18 son parte de un mapeo de elementos químicos más abundantes en la cascarilla de arroz; La figura 19 es un diagrama conceptual que muestra los componentes del material compuesto de la presente invención; La figura 20 es un esquema del proceso de dispersión ultrasónica simultánea; La figura 21 es un esquema del resultado de la dispersión ultrasónica a las nanestructuras de carbono en el medio; La figura 22 es una imagen que muestra los nanotubos de carbono después de la dispersión ultrasónica con una escala gráfica de 2 µ?t?; La figura 23 es una imagen del aglutinante virgen; La figura 24 es una imagen del aglutinante reforzado con nanotubos de carbono; La figura 25 muestra una imagen del compuesto que incluye cascarilla, cemento, resina y una dispersión homogénea de los nanoestructuras de carbono; y La figura 26 es una gráfica comparativa de temperatura medida dentro de dispositivos recubiertos con Poliestireno de 2 pulgadas de espesor, contra otro recubierto con Pasta de 3 mm de espesor y con la temperatura de intemperie como referencia.

Descripción detallada de la invención.

Las cargas que se emplean para la modificación del aglutinante, son nanoestructuras de carbono conocidas como nanotubos de carbono de pared múltiple, que son estructuras cuasi cilindricas, compuestas de varias capas concéntricas de redes grafiticas (red hexagonal de átomos de carbono enlazados entre sí covalentemente). Hay que enfatizar que el enlace carbono-carbono es uno de los más resistentes que existen en la naturaleza. Sin embargo, algunos de los átomos de carbono de las redes hexagonales pueden ser reemplazados por otros elementos o grupos funcionales que hacen que estos tubos puedan ser más reactivos con moléculas, polímeros y agentes externos, y que sus interacciones con diferentes matrices sean mayores. Dentro de los grupos o elementos que pueden reemplazar a los átomos de carbono, podemos mencionar el N, P, O, S, Si, B, Se, etc, o bien funcionalización con grupos del tipo -OH, -OOH u OH.

Las dimensiones de los nanotubos de carbono de múltiples capas, empleados en este trabajo tienen longitudes promedio de 800 pm y diámetros de 30-70 nm, y fueron sintetizados con el método de AACVD (Aerosol Assisted Chemical Vapor Deposition), el cual emplea una solución que contiene la fuente de carbono (e.g. hidrocarburo) y un catalizador metálico que se utiliza para promover el crecimiento de las nanoestructuras tubulares (e.g. metales de transición como el Ni, Fe y Co). Esta solución es agitada ultrasónicamente con el fin de generar microgotas de esta mezcla (Fig. 1 ), y que mediante un flujo de gas inerte son transportadas a través de un tubo de cuarzo a los reactores de alta temperatura donde ocurre su descomposición y el crecimiento subsecuente de los nanotubos.

Otras características importantes de los nanotubos producidos en la presente invención son: Reactividad, causada por la presencia controlada de átomos diferentes al carbono (dopaje) o por grupos funcionales, la cual permite una mejor interacción entre el nanotubo de carbono y la matriz en cuestión para fabricar el compuesto con nanotubos; Alto grado de cristalinidad de los nanotubos; Alta pureza de los nanotubos (ausencia de partículas no tubulares y carbones amorfos).

En las figuras 2 y 3, que corresponden a imágenes de microscopía electrónica de barrido, se puede observar la pureza de las nanoestructuras y su morfología. En la figura 4, que corresponde a imagen de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución, se revela la estructura interna y cristalinidad, así como los diámetros. En la figura 5, se puede confirmar la cristalinidad de los nanotubos. En la figura 6, se confirma la ausencia de material amorfo, así como la pureza, ya que se muestra la evolución de la masa respecto de la temperatura en análisis termo gravimétrico en aire.

Otro elemento de carga en la síntesis del material compuesto a base de cascarilla de arroz, es el empleo del cemento blanco, siendo ésta una variante del cemento portland, pero con un menor porcentaje de Fe2Ü3. Sus características en cuanto a resistencia mecánica se refieren, se asemejan al del cemento gris, pero con un tiempo de fraguado es menor, es decir es más reactivo, y por lo tanto, requiere mayor porcentaje de humedad. En la figura 7 se muestra el difractograma típico del cemento blanco.

El papel del cemento blanco es el de interactuar junto con el aglutinante modificado, como un elemento de unión adicional en el material, proporcionando así un mejor desempeño en ambientes de humedad extrema, así como de una mayor integración en superficies afines al concreto y acelerar el secado del material.

La invención aprovecha las propiedades mecánicas de los nanotubos de carbono dopados y funcionalizados, con el fin de incrementar significativamente las propiedades mecánicas de un compuesto que es utilizado en la fabricación de conglomerados, pinturas, pastas o paneles de cascarilla de arroz en al área de la construcción.

El punto clave de la presente invención, gira en torno a la interacción de los sitios activos en la superficie de nanotubos de carbono (dopaje), y aprovechando la relación de aspecto (longitud/diámetro) de estos nanotubos (entre 30,000 y 50,000).

El componente base para la producción del material compuesto es la cascarilla de arroz, el cual es un subproducto de actividades agroindustriales, y que no puede ser utilizado como forraje, además de ser un sustituto de materiales a base de celulosa y otras fibras naturales.

Para la caracterización o análisis morfológico y químico de los materiales utilizados en esta invención, se llevaron a cabo estudios de microscopía electrónica de barrido y análisis elemental utilizando dispersión de energía de rayos X, como se muestra en las figuras 8-18. En las micrografías de las figuras 8-1 1 se observa de manera general la superficie de cascarillas enteras presentando un patrón regular de arreglos periódicos "piramidales", el tamaño promedio son 40 pm2 de base y con una separación regular entre ellas de aproximadamente 80 µ?t?, los cuales favorecerán puntos de enlace con la resina modificada.

En las figuras 12 y 1 3 se observa la estructura interna, constituida por canales paralelos a todo lo largo del cuerpo. El diámetro del canal es cercano a las 10 µ??.

En la siguiente tabla se muestra la cuantificación elemental, presentada en porcentaje en peso y porcentaje atómico, esto revela que más del 50% de la cascarilla de arroz se compone por S1O2.

Elemento Wt% At% C K 28.49 39.53 O K 40.21 41 .89 Si K 31 .31 1 8.58 En la Figura 14 se muestra el espectro con las señales de los elementos que se encuentran en la superficie de la cascarilla de arroz.

En las figuras 1 5 a 18 se presenta el análisis de mapeo elemental de una región aleatoria en la superficie de la cascarilla de arroz. En la figura 15 se muestra la región de análisis, mientras que para cada una de las imágenes de las figuras 16 a 18 es generada a partir de la matriz de detección de energía puntual para Si, O y C.

La combinación de las propiedades de cada uno de los bloques da lugar a la obtención de un material compuesto con características especiales traducidas en un mejor desempeño mecánico y de conducción que los materiales convencionales.

En la figura 19 se representa el concepto sobre el material compuesto nanoestructurado de la presente invención, cuyas propiedades ofrecen un mejor desempeño que materiales similares a base de fibras naturales y un escaso impacto ambiental comparadas con la elaboración de los materiales similares a base de fibras sintéticas. Dicho material compuesto esta constituido por cemento, agua, nanoestructuras de carbono dopadas con N, P, O, S, Si, B, Se, Fe, Co, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, etc, o bien funcionalización con grupos del tipo -OH, -OOH u OH, tratadas térmicamente o con ácidos para provocar defectos en su red grafitica, cascarilla de arroz y el aglutinante o resina polimérica.

El proceso de elaboración del material de la presente invención inicia con la molienda mecánica de la cascarilla de arroz para lograr un tamaño entre 100nm hasta 2mm.

Por otra parte, el proceso para la modificación del aglutinante fue el siguiente: Dispersión de las nanoestructuras de carbono mediante un proceso de dispersión ultrasónico, como una punta o un baño (ver Fig. 20). La figura 21 muestra en el lado izquierdo el aglutinante y los nanotubos de carbono antes de la dispersión y en el lado derecho se muestra el resultado de la dispersión. La dispersión también puede observarse en la imagen de la figura 22.

Posteriormente se incorporaron las nanoestructuras (previamente dispersados) en la matriz aglutinante a temperatura controlada, utilizando una mezcladora electro-mecánica para obtener una mejor distribución de las cargas nanométricas en la matriz. Se emplearon porcentajes de cargas de nanoestructuras de carbono desde 0.001 % hasta el 10% en peso, respecto del aglutinante.

La matriz aglutinante es de tipo polimérica, por ejemplo el acetato de polivinilo o similar. En las figuras 23 y 24 se puede notar la diferencia entre una resina virgen y una resina modificada con nanoestructuras de carbono (ver flechas indicando la dispersión de los nanotubos de carbono), respectivamente.

La figura 25 se muestra el espectro de dispersión de energía de rayos X donde se determina que los principales constituyentes del material compuesto son los siguientes: Elemento Wt% At% C K 64.3 71.89 O K 30.55 25.65 Si K 5.15 2.46 En la figura 26 se puede notar que el material de la presente invención tiene un mejor desempeño cuando se compara con una placa de poliestireno de 2 pulgadas, la gráfica muestra que existen por lo menos 4 grados centígrados de diferencia entre la temperatura interna del dispositivo de medición expuesto a la intemperie recubierto con 3mm de pasta del material de ésta invención, y otro recubierto con poliestireno de 2 pulgadas de espesor, ambos muy por debajo de la temperatura de intemperie medida justo a un lado de los dispositivos utilizados.

El propósito fundamental, de la incorporación de las nanoestructuras de carbono, es incrementar el desempeño de la resina o aglutinante, mediante las cuales transferirán sus propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas durante la polimerización, teniendo como resultado una red de refuerzo en el polímero aglutinante con mejores propiedades.

De manera general el procedimiento para la elaboración del material de la presente invención es el siguiente: 1 . Mezclar cascarilla de arroz procesada con resina modificada; 2. Dosificar la carga de cemento blanco; y 3. Homogeneizar la mezcla anterior con medios electromecánicos.

Las variaciones en porcentajes de los materiales para lograr las diferentes presentaciones del compuesto, son como sigue (los porcentajes son referidos a la masa de la cascarilla procesada [m]): Conglomerado: cascarilla procesada (m); cemento blanco (20% a 80%m); resina modificada con carga de nanoestructuras (1 % a 150%m); agua (0% a 10%m); presión 1 a 40 kg/cm2; temperatura 18 a 150 °C.

Para el caso de la elaboración de la pasta las proporciones son: cascarilla procesada (m); cemento blanco (20% a 80%m); resina modificada con carga de nanoestructuras (100% a 300%m); agua (10% a 50%m); presión 0 kg/cm2; temperatura 18 a 25 °C.

Para el caso de la elaboración de la pintura las proporciones son: cascarilla procesada (m)¡ cemento blanco (20% a 80%m); resina modificada con carga de nanoestructuras (>200% m); agua (50% a 150%m); presión 0 kg/cm2; temperatura 18 a 25 °C.

La diferencia fundamental entre las tres presentaciones es la cantidad relativa de cada uno de sus componentes, agua, resina modificada con nanoestructuras de carbono, cascarilla de arroz, cemento blanco, presión y temperatura, puesto que el proceso de fabricación es similar para todos.

El material compuesto en sus distintas presentaciones fue sometido a pruebas de presión hidrostática durante un periodo de tiempo superior a 40 horas, sin registrar permeabilidad.

El material compuesto en sus distintas presentaciones fue sometido a pruebas de combustión a flama directa, mostrando propiedades ignifugas, propiedades que no exhiben productos convencionales de madera (triplay, tablas, aglomerados comerciales, etc.).

El material compuesto tipo pasta, se usó para recubrir un cubo de material transparente, y fue colocado a la intemperie junto a uno similar recubierto con placas de poliestireno de 2 pulgadas durante más de 100 horas continuas, registrando la temperatura interior de los dispositivos y comparándola con la registrada de la intemperie, se observa una capacidad de aislamiento térmico significativamente superior a la del poliestireno de 2 pulgadas cuando la pasta es pintada de blanco (ver figura 26).

El material compuesto tipo conglomerado fue sometido a prueba mecánica de flexión a 3 puntos, determinando el porcentaje de incremento en el desempeño de las probetas de material de la invención respecto de aquellas de referencia, y se concluyo que el uso de nanoestructuras de carbono como refuerzo en la resina, así como el empleo de cemento blanco, se traduce en un incremento del 54% en resistencia mecánica a la flexión.

La presente invención ha sido descrita en su modalidad preferida, sin embargo, será evidente para aquellos expertos en el arte, que pueden hacerse una multiplicidad de cambios y modificaciones de este invento, sin apartarse del alcance de las reivindicaciones siguientes.

Claims

Reivindicaciones.

1. Un material compuesto que comprende cascarilla de arroz, aglutinante modificado con nanoestructuras de carbono, agua, y cemento.

2. El material de conformidad con la reivindicación 1 , en donde el aglutinante es una resina polimérica.

3. El material de conformidad con la reivindicación 2, en donde la resina polimérica es acetato de polivinilo.

4. Un conglomerado comprimido que comprende de cascarilla de arroz, aglutinante modificado con nanoestructuras de carbono, agua, y cemento.

5. El conglomerado de conformidad con la reivindicación 4, en donde el aglutinante es una resina polimérica.

6. El conglomerado de conformidad con la reivindicación 5, en donde la resina polimérica es acetato de polivinilo.

7. Una pintura para superficies que comprende cascarilla de arroz, aglutinante modificado con nanoestructuras de carbono, agua, y cemento.

8. La pintura para superficies de conformidad con la reivindicación 7, en donde el aglutinante es una resina polimérica.

9. La pintura para superficies de conformidad con la reivindicación 8, en donde la resina polimérica es acetato de polivinilo.

10. Una pasta para recubrimiento de superficies que comprende de cascarilla de arroz, aglutinante modificado con nanoestructuras de carbono, agua, y cemento.

1 1 . La pasta para recubrimiento de superficies de conformidad con la reivindicación 10, en donde el aglutinante es una resina polimérica.

12. La pasta para recubrimiento de superficies de conformidad con la reivindicación 1 1 , en donde la resina polimérica es un acetato de polivinilo.