Nanopigmentos y

tintes industriales Francisco Miguel Martínez Verdú

Grupo de Visión y Color, Universidad de Alicante verdu@ua.es

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

E TE

ÓR

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ENFO

QU

E EX

PER

IMEN

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

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