Nanomateriales de carbono y su impacto en nuevos compuestos de yeso
Authors:   , Martínez Gordon Alejandro 
Published: November 2024

El desafío de la pobreza energética exige soluciones sostenibles y asequibles para la rehabilitación de edificios. En este contexto, los compuestos de yeso reforzados con nanofibras de grafeno comerciales (GNFs) se presentan como una solución prometedora para mejorar la eficiencia energética de los edificios. La integración de estas nanofibras en matrices de yeso ha demostrado reducir significativamente la conductividad térmica, mejorar la resistencia mecánica y disminuir los requisitos de calefacción y refrigeración. Estas mejoras se deben a una dispersión efectiva de fonones y a la nucleación de cristales, lo que resulta en estructuras más densas y homogéneas.

El uso de GNFs también ofrece una oportunidad para abordar preocupaciones ambientales, como el reciclaje de materiales, la mitigación de emisiones de gases nocivos y la degradación del suelo. Se ha determinado que las GNFs retienen sus propiedades funcionales durante el reciclaje, lo que conduce a productos de yeso reciclado con una respuesta mecánica superior. La adición de GNFs en yeso reciclado produce una matriz más uniforme, densa y con menor porosidad, mejorando la sostenibilidad y el rendimiento de estos materiales.

Sin embargo, la morfología y el tipo de aditivo juegan un papel crucial en la hidratación acelerada del yeso y la aparición de anhidrita, lo que puede reducir la resistencia mecánica y la durabilidad. La presencia de surfactantes en aditivos líquidos puede agravar estos efectos negativos al limitar la formación y el crecimiento de cristales. Por lo tanto, el uso de aditivos de GNFs en forma líquida o con alta área superficial puede resultar en un compromiso entre rendimiento térmico y propiedades mecánicas.

Las futuras investigaciones deben centrarse en desarrollar aditivos de GNFs más compatibles que no afecten negativamente el rendimiento final. Los grupos interesados en implementar materiales basados en grafeno deberían considerar aditivos en polvo con un área superficial específica muy baja para minimizar la toxicidad y los impactos negativos en la resistencia y durabilidad. Además, lograr una dispersión uniforme de nanopartículas en altas concentraciones sigue siendo un desafío significativo que debe abordarse para garantizar la rentabilidad y seguridad de los compuestos reforzados con GNFs antes de su implementación a gran escala.

El impacto de las GNFs en la construcción es evidente, pero es esencial que su aplicación considere tanto los efectos ambientales como las propiedades de los materiales de construcción. Las concesiones entre propiedades térmicas y resistencia mecánica deben equilibrarse cuidadosamente para asegurar que los beneficios energéticos a largo plazo no se obtengan a expensas del medio ambiente o la durabilidad. En consecuencia, es crucial desarrollar directrices para su uso seguro y efectivo en esta industria. Solo a través de un estudio meticuloso se puede aprovechar el potencial de estas nanofibras para crear materiales de construcción que no solo sean energéticamente eficientes, sino también robustos y respetuosos con el medio ambiente.

Además, futuros estudios deben continuar explorando nuevas formulaciones y métodos de incorporación de GNFs para optimizar su rendimiento. Se deben diseñar estrategias para mejorar la obtención y la dispersión de las nanofibras, con el objetivo de maximizar su integración en las matrices de yeso. Al abordar estos desafíos, se puede avanzar hacia una implementación más amplia y efectiva de GNFs en la industria de la construcción, contribuyendo significativamente a la reducción de la pobreza energética y la mejora de la sostenibilidad ambiental. En resumen, las GNFs tienen el potencial de revolucionar los materiales convencionales de construcción, pero su aplicación debe ser cuidadosamente gestionada para maximizar los beneficios y minimizar los riesgos.

ABSTRACT

The challenge of energy poverty demands sustainable and affordable solutions for building rehabilitation. In this context, commercial graphene nanofiber (GNF)-reinforced gypsum composites emerge as a promising solution to improve the energy efficiency of buildings. The integration of these nanofibers into gypsum matrices has significantly reduced thermal conductivity, enhanced mechanical strength, and decreased heating and cooling requirements. These improvements are due to effective phonon dispersion and crystal nucleation, resulting in denser and more homogeneous structures.

The use of GNFs also offers an opportunity to address environmental concerns, such as material recycling, the mitigation of harmful gas emissions, and soil degradation. GNFs have been found to retain their functional properties during recycling, leading to recycled gypsum products with superior mechanical response. The addition of GNFs to recycled gypsum produces a more uniform, dense matrix with reduced porosity, thereby enhancing the sustainability and performance of these materials.

However, the morphology and type of additive play a crucial role in the accelerated hydration of gypsum and the formation of anhydrite, which can reduce mechanical strength and durability. The presence of surfactants in liquid additives can exacerbate these negative effects by limiting crystal formation and growth. Therefore, the use of GNF additives in liquid form or with high surface area may result in a trade-off between thermal performance and mechanical properties.

Future research should focus on developing more compatible GNF additives that do not negatively impact the final performance. Groups interested in implementing graphene-based materials (GBMs) should consider powdered additives with very low specific surface area to minimize toxicity and negative impacts on strength and durability. Additionally, achieving uniform nanoparticle dispersion at high concentrations remains a significant challenge that must be addressed to ensure the cost-effectiveness and safety of GNF-reinforced composites before large-scale implementation.

The impact of GNFs in construction is clear, but it is essential that their application considers both environmental effects and material properties. The trade-offs between thermal properties and mechanical strength must be carefully balanced to ensure that long-term energy benefits are not obtained at the expense of the environment or durability. Consequently, it is crucial to develop guidelines for their safe and effective use in this industry. Only through meticulous study can the potential of these nanofibers be harnessed to create building materials that are not only energy-efficient but also robust and environmentally friendly.

Furthermore, further research must continue to explore new formulations and methods of incorporating GNFs to optimize their performance. Strategies should be designed to improve the dispersion of nanofibers to maximize their integration into gypsum matrices. By addressing these challenges, broader and more effective implementation of GNFs in the construction industry can be achieved, significantly contributing to the reduction of energy poverty and the improvement of environmental sustainability. In summary, GNFs have the potential to revolutionize conventional building materials, but their application must be carefully managed to maximize benefits and minimize risks.