Una pintura retardante del fuego impide la propagación de las llamas incluso en la madera

Es un nuevo material desarrollado por una startup brasileña con el apoyo de la FAPESP, y se basa en una estrategia innovadora que emplea fibras de celulosa para desmontar cristales de grafito

Por Fábio De Castro  |  Agência FAPESP – Con base en una estrategia innovadora que comprende la aplicación de fibras de celulosa para “desmontar” cristales de grafito, la empresa Galembetech, con sede en la ciudad de Campinas, en el estado de São Paulo, Brasil, desarrolló un nuevo material retardante del fuego. Este nuevo producto nanotecnológico, desarrollado con el apoyo del Programa FAPESP de Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (PIPE), está empleándose en la fabricación de pinturas que impiden la propagación de las llamas sobre superficies y en construcciones de madera, entre otras aplicaciones.

Según Fernando Galembeck, fundador de la empresa y profesor jubilado de la Universidad de Campinas (Unicamp), este nuevo material retardante del fuego, al que se le dio el nombre de ERG (las sigla en inglés de Grafito Exfoliado y Reorganizado), forma parte de una plataforma de productos de la empresa basados íntegramente en celulosa y grafito.

“Utilizamos las fibras de celulosa básicamente para exfoliar –o desmontar, por decirlo de algún modo– los cristales del grafito. Cuando se aplican las pinturas y se secan, los cristales se reorganizan formando revestimientos de grafito laminado extensos, que poseen una gran conductividad térmica y eléctrica, y una excepcional resistencia a las llamas”, dice Galembeck.

De acuerdo con el científico, el grafito es un mineral ultraligero, formado por láminas de grafeno apiladas, como si fuese en una resma de papel de escritura o en un mazo de cartas. Las láminas de grafeno poseen notables propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas, pero son extremadamente finas. Uno de los problemas del grafeno reside en que, cuando se intenta aumentar su espesor, apilando algunas láminas, el material pierde varias de sus propiedades especiales.

“Con nuestra estrategia de exfoliación logramos obtener películas de grafito reorganizado que tienen una resistencia mucho menor que la del grafeno. Así es como obtenemos películas más espesas que conducen muy bien la electricidad y el calor”, afirma el científico.

Con enfoque en los derivados de madera

Cuando una superficie de madera queda expuesta a las llamas, la zona afectada se calienta hasta que se prende fuego. Esta es la causa de pequeños y grandes siniestros, como el incendio que destruyó el Museo Nacional en Río de Janeiro, o el que dañó seriamente la Catedral de Notre Dame, en París. Pero la conductividad del ERG permite que el calor se disperse por la superficie, y así protege a la madera contra el fuego.

“Una capa de ERG sobre la madera conduce el calor de manera sumamente eficiente hacia fuera del punto de contacto con la llama, y el material entonces no se calienta a punto tal de inflamarse. Asimismo, esa capa de ERG dificulta el acceso del oxígeno del aire a la madera aislándola. Y sin oxígeno, no hay fuego”, explica Galembeck.

Debido a estas propiedades, este producto suscitó un gran interés de la industria de derivados de madera. En 2021, por ejemplo, las exportaciones brasileñas de derivados de madera, excepto papel y celulosa, aumentaron un 27 % con respecto al año anterior, sumando 381 millones de dólares.

“Nos enfocamos en los productores de madera industrial para puertas, vigas, cabrios, etc. En este momento estamos mostrándole el producto al mercado, es decir, estamos entrando en contacto con posibles interesados, conversando con ellos las peculiaridades de su aplicación y acuerdos de desarrollo conjuntos, que tendrán en cuenta eventuales adaptaciones para cada usuario.”

Las pruebas de laboratorio demostraron que, con el revestimiento de ERG, la madera se vuelve resistente al fuego. Pero el mayor atractivo para la industria, según Galembeck, reside en que esos resultados no quedaron asegurados únicamente mediante esos ensayos. Durante el segundo semestre de 2020, un dictamen del Instituto de Investigaciones Tecnológicas (IPT) del estado de São Paulo determinó que la pintura de Galembetech llega al nivel más alto en la clasificación que estipulan las normas técnicas al evaluar la eficiencia contra las llamas.

“La diferencia entre el dictamen y el resultado de laboratorio reside en que el dictamen posee valor legal, pues fue emitido por una institución acreditada, bajo rígidas normas. Por ende, podemos decir con seguridad que contamos con una pintura retardante del fuego”, explica Galembeck.

De acuerdo con el investigador, la propiedad intelectual de la producción y la aplicación de dispersiones de grafito exfoliado se encuentra protegida por patentes en Brasil y en el exterior, y por secretos industriales relacionados con la preparación y la aplicación de los productos de la empresa. La producción del material estará a cargo de la propia Galembetech y de empresas asociadas.

“Contamos con una sede administrativa que posee un laboratorio destinado a las actividades secas en Campinas, y la fabricación se lleva a cabo en una empresa asociada que es SP Tecnologia, con sede en la localidad de Mogi Mirim (en la zona de Campinas), donde también producimos materiales revestidos. Nuestra capacidad de producción propia es del orden de las cuatro toneladas mensuales. Cuando la demanda supere esa capacidad, entrarán en escena nuestros socios, que poseen instalaciones de mayor porte, capaces de producir lotes mucho mayores”, afirma el químico.

La fabricación de la pintura

El apoyo del proyecto PIPE, que se puso en marcha en el año 2018 y culminó en el segundo semestre de 2021, hizo posible la instalación de la planta de la empresa en Mogi Mirim, destinada al desarrollo y a la fabricación de las pinturas, como así también la adquisición de parte de los equipos, de acuerdo con Galembeck.

“Cuando nos dimos cuenta de que habíamos descubierto un proceso de fabricación de una pintura conductora eléctrica sumamente efectiva, concretamos la primera propuesta de desarrollo del producto y obtuvimos el apoyo del PIPE.”

Pero el proyecto terminó rindiendo mucho más que la pintura retardante del fuego, según Galembeck. Sucede que la misma redundó en la creación de una plataforma de desarrollo. Los científicos se percataron enseguida que esas pinturas y esos revestimientos poseen otras aplicaciones en diversas áreas.

“Trabajamos con pocas materias primas en distintos proyectos, que poseen aplicaciones muy diferentes, incluso en las áreas de energía y de descontaminación ambiental. Pero el proyecto de la pintura retardante del fuego es el que se encuentra en estadio más adelantado de desarrollo del producto”, dice Galembeck.

La exfoliación del grafito

Galembetech fue inaugurada a comienzos del año 2016, y las investigaciones que posteriormente resultarían en la innovación tecnológica del ERG se pusieron en marcha al año siguiente, con la participación de las investigadoras Leandra Pereira dos Santos y Elisa Silva Ferreira. Pereira dos Santos finalizó en 2013 su doctorado en química en la Unicamp, bajo la dirección de Galembeck, y durante su posdoctorado se integró al equipo de Galembetech. Silva Ferreira culminó en 2016 su maestría en la Unicamp, también bajo la dirección del investigador.

“La semilla de este trabajo está en la tesina de maestría de Elisa. Allí surgió el descubrimiento de que es posible exfoliar el grafito con celulosa para fabricar una película. En ese entonces, no teníamos ni idea de cuántas aplicaciones surgirían. La doctora Leandra, que ya estaba en la empresa, realizó la primera caracterización de las propiedades retardantes del fuego”, dice Galembeck.

Inicialmente, el trabajo estaba enfocado en investigaciones referentes a las características singulares de la celulosa. Este material no se disuelve prácticamente en nada, según el científico.

“La razón de esta característica de la celulosa constituyó un problema científico que duró muchos años, hasta que en 2010 el químico sueco Björn Lindman planteó la hipótesis de que la celulosa no se disuelve en nada porque posee un carácter anfifílico, es decir, tiene una parte compatible con aceites –que impide su disolución en agua– y otra parte compatible con el agua, que impide su disolución en aceites”, explica Galembeck.

La propuesta de Lindman inicialmente fue objeto fue dejada en ridículo, pero en la actualidad es aceptada por la mayor parte de los científicos, por haberse mostrado exitosa en diversos experimentos posteriores. “En el laboratorio, de entrada, postulé una hipótesis enteramente académica: si Lindman está en lo cierto, la celulosa ha de intercalarse con otras moléculas que también poseen esta característica nanohidrofóbica. La posibilidad más lógica para poner a prueba esta hipótesis era el uso del grafito”, dice.

De acuerdo con Galembeck, la fibra de celulosa está formada por largas cadena que se apilan y quedan sujetas unas a otras por sus caras hidrofóbicas. En tanto, el grafito está formado por pequeñas láminas planas, que se apilan como cartas de baraja. Desde hace algún tiempo, se sabe que una pequeña cantidad de soda cáustica agregada al agua es capaz de separar las cadenas de celulosa. Con estos elementos, el investigador puso en marcha una serie de experimentos.

“Las cadenas de celulosa separaban las láminas de grafito, uniéndose y superponiéndose a ellas, como si se mezclasen con las láminas. Observamos entonces que, al dejar una solución de celulosa con una pizca de soda cáustica mezclada con el grafito, este proceso de ‘mezcla’ ocurre en forma espontánea. Las cadenas de celulosa literalmente se atraviesan por entre las láminas de grafito”, explica Galembeck.

Esta tendencia a mezclarse en forma espontánea de ambos elementos, según el científico, resulta en un proceso de fabricación muy blando, que no requiere del uso de ultrasonido –un método utilizado en operaciones de esta índole– o de temperaturas altas, por ejemplo.

“Este proceso incluso sorprende por su sencillez, pero el éxito de su resultado es evidente. Logramos fabricar hojas de hasta cinco metros con ese material para su aplicación en madera, papel, telas y cemento. Lo único que hacemos es la solución de celulosa y le añadimos el grafito en agitación. Es necesario controlar un poco las condiciones para evitar que se formen agregados o grumos, pero son cuidados conocidos en la industria de pinturas”, dice.

De este modo, las fibras de celulosa “desmontan” los cristales de grafito, que forman capas intercaladas de celulosa. Como la celulosa es compatible con el agua, estos cristales menores de grafito quedan suspendidos en el líquido y forman la pintura. Cuando esta se seca, se forma la película.

“Cuando se aplica el producto sobre una superficie, los cristales de grafito que estaban en el medio líquido se secan y se concreta un proceso muy importante. La soda cáustica mantenía disuelta a la celulosa, lo cual hacía posible que el grafito se mantuviese disperso. Cuando la pintura se seca, la soda cáustica entra en contacto con el dióxido de carbono del aire y se transforma en bicarbonato de sodio –una sustancia bastante inofensiva–, eliminando los riesgos corrosivos de la soda cáustica”, explica Galembeck.

Por ende, una vez aplicada la pintura, la soda cáustica desaparece y la celulosa se vuelve insoluble. Por eso esta última, que antes hacía las veces de dispersante del grafito, se convierte precisamente en el pegamento del grafito. “A partir de ese momento, podemos poner el grafito en el agua que no se dispersará más”, afirma el investigador.

Una solución premiada

Con este proyecto, la empresa ganó en el año 2020 el premio concedido por la Asociación Brasileña de Fabricantes de Pinturas (Abrafati).

También en 2020, Galembetech se hizo acreedora al Premio Kurt Politzer de Innovación para Startups, de la Asociación Brasileña de la Industria Química (Abiquim), por el establecimiento de una plataforma de desarrollo de nanomateriales de fuentes renovables.

Galembeck recibió también el premio de la Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração − CBMM –una de las principales distinciones en tecnología de Brasil– por sus impactos relevantes en el desarrollo tecnológico del país.