Generación de un nuevo revestimiento arquitectónico, a partir del grafeno, aplicado a las pinturas exteriores de los edificios
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2017
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E.T.S. Arquitectura (UPM)
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En este trabajo, realizado para optar al grado de doctor, se investigan las posibilidades que ofrece la nanotecnología en la arquitectura a través de la aplicación del grafeno en las pinturas exteriores que actualmente se utilizan en la construcción. Mediante la experimentación y el análisis de los procesos es posible demostrar que el grafeno es un revestimiento arquitectónico que mejora las propiedades mecánicas y de durabilidad de las pinturas exteriores. Los objetivos de esta investigación se han dirigido a conseguir un revestimiento arquitectónico mejorado con uno de los materiales tecnológicamente más avanzado, a lograr que mejoren sus propiedades físicas y químicas de este revestimiento y a obtener un proceso de fabricación fácil de realizar a gran escala. La tesis comienza con la selección adecuada de los materiales y la caracterización de los elementos iniciales, para lo que se relacionó el tipo de pintura con el tipo de grafeno más adecuado a los caracteres químicos. Para ello se ha partido de doce pinturas para exteriores y de dos variantes de grafeno, que son, según la literatura científica existente, los precursores más adecuados para conseguir unos resultados positivos. Se ha revisado la documentación disponible en cuanto a la experimentación realizada con las pinturas, los polímeros y el grafeno, al objeto de conocer las propiedades de cada una de estos elementos. Asimismo, se ha buscado el enfoque que, desde un punto de vista químico, se ha estimado como el más adecuado para lograr los objetivos propuestos. También se ha estudiado la compatibilidad química con las variantes de grafeno utilizadas, determinándose cuáles eran las mezclas y las proporciones óptimas, en función de su naturaleza, para desarrollar posteriormente el método de procesado escalable para la obtención de un material constructivo. Para la caracterización pormenorizada de los materiales empleados, se utilizaron técnicas de microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido, fluorescencia de rayos X, análisis electroforético y difracción por rayos X, con las que pudieron determinarse con exactitud las condiciones de partida, para así poder comprender, posteriormente, las reacciones producidas una vez aplicado el grafeno. Tras realizar esa caracterización, se efectuaron las tandas de muestras en atención a la normativa de aplicación vigente. Luego esas mismas muestras se sometieron a distintos ensayos de comportamiento ante una cámara de luz ultravioleta, una cámara de ciclos higrotérmicos y a los agentes atmosféricos. Se tomaron datos periódicos de la evolución cromática de esas muestras con el objeto de analizarlas y obtener con ello un modelo que permita predecir el comportamiento final que adquiere, en función de su color inicial, la pintura tratada con grafeno. Además, se llevaron a cabo, ensayos de reflectancia difusa, de brillo, de conductividad eléctrica, de tinción fotocatalítica, de ángulo de contacto, de dureza por lápiz y de corte por enrejado. El material compuesto obtenido con pinturas mejoró la vida útil de las pinturas al agua, en cuanto a su estabilidad cromática y química, hasta en un 70%, ante la exposición a los agentes atmosféricos. No ocurrió así en las pinturas con disolvente orgánico, con las que los resultados fueron más dispares, aunque en algunos casos se mejoró su vida útil hasta en un 47,69%. La velocidad en la pérdida de brillo se redujo en hasta un 63,63%. La conductividad eléctrica para la pintura acrílica al agua y con un 1% en peso de óxido de grafeno mejoró en un 48%. La hidrofobicidad superficial de las muestras aumentó, llegando a una pérdida humectativa del 30,62% para la muestra de pintura al silicato con disolvente y con un 1% en peso de óxido de grafeno reducido. Las propiedades mecánicas de adherencia al sustrato mejoraron en dos grados la norma UNE‐EN ISO 15184:2012 y en un grado la norma UNE‐EN ISO 2409:2013. Los resultados obtenidos en este trabajo confirman los estudios realizados en otros campos de investigación, en los que se desarrollan polímeros compuestos con variantes de grafeno y se obtuvieron mejoras de comportamiento químico y mecánico. Si bien no existe una experimentación específica con pinturas aplicadas en la construcción en combinación con estas variantes de grafeno, con los materiales poliméricos empleados se han conseguido mejoras similares. La investigación realizada ha permitido demostrar que es posible crear un nuevo material compuesto constituido por pinturas para exteriores y variantes de grafeno, aplicable a la envolvente arquitectónica, mejorándose así las propiedades químicas y mecánicas y la capacidad para predecir el comportamiento cromático de las muestras. A ello se añade el que la facilidad que se encuentra en su producción permite su desarrollo a nivel industrial. Por otro lado, esta misma investigación abre otras posibilidades de estudios futuros, en los que se analicen otras pinturas y se lleven a cabo ensayos diferentes a los desarrollados en esta tesis. Las posibilidades que permite el grafeno en la arquitectura también se recogen en el capítulo de futuras líneas de investigación. En este sentido, este trabajo puede servir de base para el desarrollo de nuevos materiales y de sistemas constructivos que utilizen el grafeno como elemento tecnológicamente avanzado. ----------ABSTRACT---------- This dissertation, made to obtain the Doctorate, focuses on the possibilities offered by nanotechnology in architecture through the application of graphene in exterior paints that are currently used in construction of buildings. Through experimentation and analysis of processes it is possible to demonstrate that graphene is an architectural cladding that improves the mechanical properties and durability of exterior paints. The objectives of this research are to achieve an improved architectural cladding with one of the most technologically advanced materials, to improve its physical and chemical properties, and to obtain a manufacturing process that is easy to perform on a large scale. The thesis begins with the appropriate selection of materials and the characterization of the initial elements, for that purpose was related the type of paint with the type of graphene most suitable to the chemical characters. In this sense, twelve exterior paints and two graphene variants have been used, which are according to the existing scientific literature the most suitable precursors to achieve positive results. We have reviewed the available documentation regarding the experimentation with paints, polymers and graphene, in order to know the properties of each one of them. From a chemical point of view, the approach has been estimated as the most adequate to achieve the proposed objectives. The chemical compatibility with the graphene variants used has also been studied, determining the mixtures and the optimum proportions, depending on their nature, to subsequently develop the scalable processing method for obtaining a constructive material. For the detailed characterization has been used techniques of optical microscopy, scanning electron microscopy, X‐ray fluorescence, electrophoretic analysis and X‐ray diffraction. This allowed that the starting conditions could be determined with precision and understand later the reactions produced once the graphene was applied. After the characterization, the batches samples were run in accordance with the current regulations. The samples were then subjected to different behavioral tests in front of an ultraviolet light chamber, a hygrothermal cycle chamber and the atmospheric agents. Periodic data were taken from the chromatic evolution of these samples in order to analyze them and obtain a model that allows predict the final behavior that, depending on its initial color, achieves grapheme‐treated paint. Tests of diffuse reflectance, brightness, electrical conductivity, photocatalytic staining, contact angle, pencil hardness and lattice cut were also carried out. The composite material obtained with paints improved the lifetime of the waterbased paints, in reference to their chromatic and chemical stability, by up to 70%, but not in organic solvent paints whose results were very different, although in some cases lifetime were improved by 47.69%. The speed in the loss of brightness was reduced by up to 63.63%. The electrical conductivity for acrylic water‐based paint and 1% wt of GO improved by 48%. The surface hydrophobicity of the samples was increased, achieving a wettability loss of 30.62% for the sample of the silicate‐based paint with solvent and 1% wt of rGO. The mechanical properties of adhesion to the substrate improved in two grades in the UNE‐EN ISO 15184: 2012 standard and one grade in UNE‐EN ISO 2409: 2013. The obtained results confirm the studies carried out in other research fields, where composite polymers with graphene variants are developed and chemical and mechanical behavior improvements are obtained. While there is no specific experimentation with paints applied in the construction of buildings in combination with graphene variants, the polymeric materials employed achieve similar improvements. The research has demonstrated that it is possible to create a new composite material based on exterior paints and graphene variants, applicable to the architectural cladding, improving its chemical and mechanical properties, predicting the chromatic behavior of the samples and allowing its easy production and development at an industrial level. This research opens the doors to other possibilities of research with a greater number of paintings and different essays to those developed in this thesis. The possibilities that the graphene allows in the architecture are also reflected in the chapter of future lines of investigation. This work can serve as a basis for the development of new materials and construction systems using graphene as a technologically advanced element.
Keywords
Arquitectura