El Instituto Fraunhofer para la Investigación Kelicaince ISC persigue el desarrollo de materiales de aspecto futuro mediante el diseño de recubrimientos de polímeros híbridos biológicos inorgánicos (ORMOCER®) para superficies que no contienen PFA.
Las PFA (sustancias de uno y polifluoroalquilo) se usan con frecuencia en muchos productos y aplicaciones industriales y comerciales debido a sus excelentes propiedades, en función de la resistencia única de los enlaces de carbono fluorino que apenas se ven afectados por ataques químicos. Tienen agua, suciedad y hojas grasas muy resistentes al fuego, químicamente estables, hojas de grasa, muy bajo coeficiente de fricción, baja energía superficial y baja permeabilidad a los gases y líquidos. Además, son particularmente duraderos y se consideran relativamente bajos en los costos de producción, lo que los hace esenciales en los campos de la química, la electricidad, la industria automotriz, la ingeniería mecánica, la tecnología médica, la industria textil y los sistemas de envases y energía renovable.
Su movilidad, particularmente alta estabilidad, permite que PFA ingrese al medio ambiente y haga una pausa con el problema de la contaminación ambiental. Al mismo tiempo, se ha demostrado que se acumula en los seres vivos. En la investigación de buena reputación, también se asocian con efectos negativos.
Prohibir sustancias importantes: dónde encontrar alternativas
Para abordar los problemas ambientales y reemplazar la PFA de una manera sostenible y regulatoria, necesitamos encontrar materiales de reemplazo que cumplan con los requisitos muy altos de los procesos y productos antes mencionados. Además de las características y el rendimiento químico, físico y técnico básicos, las alternativas deben cubrir idealmente la versatilidad similar de las aplicaciones a costos de fabricación competitivos, lo que los hace adecuados para su uso en una variedad de áreas de aplicación y compatibles con los procesos y materiales de fabricación existentes.
Dada la larga lista de requisitos y una amplia gama de aplicaciones, está claro que, según el conocimiento actual, las alternativas de material PFAS no son un reemplazo directo 1: 1. Esto resalta la necesidad de definir con precisión las especificaciones del material y la cartera de propiedades requerida y, cuando sea posible, comprometer la selección de material en términos de ciclos de mantenimiento, durabilidad y más.
Diseño de materiales de recubrimiento multifuncionales de Taylormade como la clave de los recubrimientos sin PFAS
La división de tecnología de recubrimiento químico de Fraunhofer ISC desarrolla materiales de recubrimiento multifuncionales personalizados para una variedad de materiales, incluidos vidrio, metal, plástico, materiales a base de fibra como papel y textiles (técnicos). El recubrimiento como acabado proporciona propiedades de superficie mejoradas o adicionales al sustrato. Este diseño de material sostenible extiende la vida útil del sustrato aplicando un recubrimiento muy delgado y expande simultáneamente la selección de materiales básicos que pueden usarse para una amplia gama de aplicaciones.
El material de recubrimiento diseñado se basa en polímeros híbridos orgánicos inorgánicos (ORMOCER® – Cerámica modificada orgánica y Bioorimocer®, Figura 1). Estos materiales híbridos combinan las estructuras características de los materiales inorgánicos de vidrio con unidades estructurales orgánicas y se han desarrollado continuamente en Fraunhofer ISC durante décadas. La formación de enlaces covalentes entre dominios inorgánicos y orgánicos combina las propiedades de ambos materiales a nivel molecular en compuestos homogéneos. Esta caja de herramientas de diseño molecular le permite adaptar individualmente las propiedades de la capa final a las especificaciones y aplicaciones deseadas.
Además de la estabilidad térmica inherente de hasta 250 ° C bajo cargas continuas, ácidos, detergentes, solventes o aceites (incluso a altas temperaturas durante largos períodos), y las plataformas de materiales permiten una cartera diversa de propiedades con solo una capa de recubrimiento funcional. De esta manera, se pueden lograr muchas de las propiedades conocidas de los materiales PFA y promover su reemplazo. Las aplicaciones van desde envases, textiles, ingeniería automotriz y mecánica hasta tecnología médica y aeroespacial.
En particular, los materiales de recubrimiento ORMOCER® se basan en oligómeros con columnas de silicio inorgánicas formadas durante la síntesis. La formación de redes orgánicas se lleva a cabo principalmente durante los procesos de secado adaptativo y las reacciones de curado inducidas por la luz térmica o UV. A través de enlaces moleculares de bloques de construcción inorgánicos y orgánicos, se crean materiales altamente estables, lo que permite nuevas combinaciones de propiedades.
El uso de silanos funcionales diseñados específicamente para la aplicación prevista permite la modulación de la polaridad de la capa y mejora las propiedades de superficie adicionales. Estas propiedades incluyen hidrofobicidad, energía superficial por debajo de 20 mn/m, repelencia de tierra, facilidad de limpieza (resistencia a sustancias como la pasta de dientes, el café, el vino tinto y ciertos aceites) y los efectos de los antibióticos. Además, las soluciones de recubrimiento ORMOCER® se procesan en condiciones medianas, fácil de escalar, exhiben una muy buena adhesión a casi cualquier tipo de sustrato, y se pueden aplicar utilizando todos los procesos de revestimiento industrial estándar, lo que hace que esta plataforma de material sea una herramienta simple pero versátil para hacer que las superficies de varios materiales de sustrato funcionen.
Revestimientos sin flúor para textiles y envases de alimentos
Basado en la tecnología ORMOCER®, se desarrolló una formulación de recubrimiento para repelente, lo que resultó en el proyecto Zerof. El objetivo de este proyecto de la UE es desarrollar recubrimientos sin flúor para telas y envases de alimentos basados en materias primas renovables y compuestos no tóxicos. Fraunhofer ISC está comprometido con soluciones de recubrimiento libre de PFA seguras y sostenibles con un rendimiento comparable, particularmente en términos de repelencia de agua y aceite.
Toda la investigación y el desarrollo material sigue el marco SSBD (seguro y sostenible por diseño). Por lo tanto, todas las alternativas materiales desarrolladas se evalúan en términos de seguridad y rendimiento, mientras que todos los pasos de proceso se evalúan con los estándares ecológicos y económicos. A partir de este proceso iterativo, las pautas de diseño de materiales se desarrollan e incorporan directamente a la optimización del material. Además, la aceptación del consumidor se valora y las estrategias de explotación se desarrollan a través del compromiso de las partes interesadas.
Fraunhofer ISC se centra en el diseño y el desarrollo de formulaciones de recubrimiento Omniphobic Ormocer® para aplicaciones textiles funcionales como tapicería, que contribuyen a un mundo más seguro y libre de PFAS.
El repelente de agua o aceite deseado se puede abordar fácilmente en un sentido puramente químico, pero la combinación de ambas propiedades sigue siendo difícil. Los primeros resultados en la repelencia del agua se han logrado en las formulaciones de recubrimiento funcional a base de agua. La resistencia a la grasa se aborda mediante la introducción del patrón de superficie a través de nano y microestructuras mediante la optimización de materiales de recubrimiento basados en Ormocer® a través de composiciones químicas a medida e integrando los aditivos de partículas y rendimiento químico. Este es un proceso iterativo que funciona en estrecha colaboración con los socios de VTT (Finlandia) para optimizar los procedimientos sintéticos y Leitat (España) en las formulaciones de recubrimiento de sustratos de fibra. La Figura 2 muestra una repelencia cero cero recubierta con Ormocer®, mientras que la Figura 3 a continuación muestra las propiedades de limpieza de la masa recubierta contra la grasa, el café y el suelo sintético.
Materias primas para un mayor desarrollo de recubrimientos sin PFAS
A través de la implementación del proyecto Zerof, hemos aprendido mucho sobre el desarrollo de alternativas a los recubrimientos sin PFA. Adquirimos el conocimiento básico de varias estrategias que se pueden aplicar y utilizamos el conocimiento que hemos reunido para desarrollar más recubrimientos sin PFA para otras aplicaciones. Específicamente, Fraunhofer ISC está trabajando en una variedad de alternativas de PFA a base de Ormocer® para aplicaciones técnicas, incluidas superficies limpias simples para muebles (ver Figura 4), recubrimientos antihick en ingeniería mecánica. Tiene altos valores de kit, estabilidad de grasa y funcionalización química húmeda de telas. En la última aplicación, la adaptabilidad de la matriz Ormocer® se explota al aumentar el contenido orgánico y agregar silicona para lograr parcialmente repelencia adicional del aceite. Otras instalaciones potenciales incluyen recubrimientos para aplicaciones médicas como pinturas y recubrimientos anti-stick, y productos de cuidado personal e instrumentos quirúrgicos.
Otro proyecto financiado públicamente en Fraunhofer ISC en FNR-BioCoattex atraerá a estos desarrollos a un nuevo nivel de sostenibilidad. Aquí, aunque las superficies reemplazadas por aceite no juegan un papel, los recubrimientos biológicos se desarrollan para aplicaciones textiles de base biológica (fibras de cáñamo y cuero sintético biológico) que permiten que las superficies se limpien fácilmente con agua repetida. En este proyecto, los biopolímeros como la celulosa se incorporarán a la matriz de la capa híbrida para proporcionar una mayor flexibilidad y biodegradabilidad. La subperina (un biopolímero hidrofóbico a base de plantas), los ácidos grasos de azúcar o el quitosano se utilizan para abordar las propiedades hidrofóbicas. Las formulaciones se aplican a sustratos altamente flexibles utilizando métodos industrialmente relevantes. El objetivo es un módulo de construcción reforzado con cubiertas de asiento sostenibles y fibras de cáñamo, y Ormocer® tiene como objetivo mejorar la adhesión de la matriz de fibra y aumentar la resistencia al agua.
Este artículo también se presentará en la 23a edición de trimestralmente Publicación.
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