Pistas Educativas, No. XXX, Octubre 2015. Mxico, Instituto Tecnolgico de Celaya. Prototipo de Laminadora de Pelculas de xido de Grafeno (GO)

Luis Alejandro Alcaraz CaracheoInstituto Tecnolgico de Celayaalejandro.alcaraz@itcelaya.edu.mx

Gilberto MondragnInstituto Tecnolgico de Celaya@itcelaya.edu.mxSofa Magdalena Vega DazInstituto Tecnolgico de Celaya@itcelaya.edu.mx

Sandra Berenice Guerra GarnicaInstituto Tecnolgico de Celaya

Karina Santoyo CruzInstituto Tecnolgico de Celaya

Miriam Lucero Quemada VillagmezInstituto Tecnolgico de Celaya

ResumenEl xido de grafito tambin llamado cido graftico es un compuesto de carbono, oxgeno e hidrgeno que se obtiene tras el tratamiento del grafito con un oxidante fuerte. Actualmente es una de las mayores tendencias en los avances tecnolgicos debido a su gran campo de aplicacin gracias a sus propiedades como lo son su gran resistencia y su alta conductividad elctrica. Sin embargo, es un material de difcil obtencin y manejo por lo cual pocas industrias han invertido en su uso. En este proyecto se lleva a cabo el diseo, modelado, desarrollo y construccin de un prototipo de una laminadora de pelculas de xido de grafito con el que se pretende solucionar los problemas para elaborar lminas de dicho material mejorando su calidad y cantidad, todo esto con el fin de ayudar al departamento de Ingeniera Qumica del Instituto Tecnolgico de Celaya que requiere dichas pelculas para sus proyectos as como el departamento de Ingeniera Mecatrnica hace uso de las mismas para anlisis de tensin.Palabra(s) Clave(s): Grafito, Pelculas, Resistencia, Tensin.1. IntroduccinSe pretende realizar el prototipo de una mquina que realice pelculas de GO en forma semiautomtica, con el fin de hacer ms eficiente el proceso manual actual realizado en las instalaciones del Instituto Tecnolgico de Celaya en el laboratorio de Qumica Pesada. En esta primera parte de su artculo haga una breve introduccin a su trabajo, sin extenderse en conceptos bien conocidos por todos. Una revisin de la bibliografa existente permitir al lector identificar el aporte de los autores al tema.

2. Desarrollo2.2 Sntesis del grafeno.

Los mtodos para obtener el grafeno, no son escalables, la produccin de este material se basa en mtodos lentos e inseguros no adecuados para su produccin en masa. Hay diferentes mtodos para obtener este material, los cuales son bastante fciles, y por ende, no confiables, y esa es una de sus grandes desventajas.

Figura 2.1. Precio de produccin frente a la calidad de las lminas [1].

Uno de ellos es el Scotch Tape o Exfoliacin Mecnica, en el que se usan cintas adhesivas sobre una superficie de grafito y posteriormente se pega y despega la cinta, que permite que el grafeno sea observado fcilmente bajo un microscopio ptico, este mtodo permite obtener grafeno de alta calidad estructural y gran tamao (200 m), pero tiene como inconveniente un rendimiento bajo.

Figura 2.2. Mtodo Scotch Tape.

Se utiliza otro mtodo exfoliacin en fase liquida es una alternativa a la exfoliacin mecnica que se basa en aumentar la distancia interlaminar entre las capas de grafito disminuir la interaccin entre ellas y poder separarlas fcilmente. Otra alternativa es oxidar previamente el grafito para obtener el (GO) [1].

Este proceso es parecido al que realiza la Dra. Vega Daz Sofa Magdalena, en las instalaciones del Instituto Tecnolgico de Celaya, ella misma nos lo describe con ayuda de uno de sus alumnos que ya ha realizado el proceso. Se somete al grafito a un proceso de lavado en el cual se busca limpiar por completo con agentes qumicos para obtener un xido denominado xido de Grafeno (GO).

Figura 2.3. Muestras de las etapas del grafeno desde laminado hasta fluido (GO). Sobre la placa de tefln se colocan dos lneas de cinta de aislar que nos da no solo las fronteras del mismo si no tambin el grosor de la pelcula.

Figura 2.4. Placa de tefln, delimitado con la cinta para el tamao y espesor de la pelcula. El material es contenido dentro de un vaso de precipitado que despus se verter en la placa de tefln. Se dosificar el material, se coloca una cantidad en el inicio de las limitaciones de cinta y con una esptula de esparce uniformemente la mezcla.

Figura 2.5. Fluido esparcido con esptula de acero inoxidable. Ahora se deja para secar el material, a este se le puede colocar una resistencia trmica que no sobrepase los 40 C, o bien lo dejan secar toda la noche para esperar que se seque uniformemente. Finalmente despus de esperar el tiempo de secado queda una pelcula reducida de lo que se delimit que tiende a quedarse pegada.

Figura 2.6. Muestra de pelcula de GO, terminada.Estos dos mtodos forman parte del grupo de los denominados mtodos top-down que producen estructuras muy pequeas desde materiales de dimensiones mayores. Por otro lado se encuentran los mtodos buttom-up en los que se parte de pequeas molculas, generalmente en estado gaseoso, para formar lminas de grafeno [1].

Figura 2.7. Mtodos top-down (izquierda) y buttom-up (derecha).

Entre los mtodos de buttom-up se encuentra el depsito qumico en fase vapor (CVD) la cual se basa en la descomposicin a altas temperaturas de hidrocarburos sobre un sustrato metlico, de tal forma que los tomos resultantes de la descomposicin se reorganizan formando una o varias lminas de grafeno [1].2.3 Propiedades del grafenoCaracterizar un material es definir sus propiedades con respecto a sus parmetros fisicoqumicos, de estos le dimencionalidad, conductividad elctrica, resistividad y estabilidad termodinmica los ms representativos. Resistencia (200 veces mayor que la del acero). Ligero, como la fibra de carbono, pero ms flexible. Su elasticidad es de un 10%. Plasticidad muy baja (casi inexistente). Dureza 10 en la Escala de Mohs. De torsin es de un 10%, mantenindose igual de duro. Alta conductividad trmica y elctrica. Soporta radiacin ionizante. Menor efecto Joule, se calienta menos al conducir los electrones. Consume menos electricidad que el silicio. Densidad de 2,23 g/cm3. Su no proceso no producira impacto medioambiental. Es muy resistente a la corrosin. No es soluble en agua ni otros disolventes. El sonido ultrasnico es imperceptible al odo humano. Puede purificar el agua 3 veces mejor. Destilar un alcohol de extrema pureza Multiplicar el rendimiento de las clulas solares y atrapar y manipular la luz, Tiene una estructura atmica casi perfecta que le permite auto repararse y generar corriente al deformarse. Se puede usar como absorbente de material radiactivo.El grafeno es un material formado por capas, que comprenden desde una hasta 10 capas superpuestas. Tomando como base discriminatoria la especificidad de sus propiedades, el grafeno puede ser clasificado en 3 tipos: mono capa, bicapa y aqul que se haya en el rango de 3 a 10 capas.2.3.1 Comportamiento metlico y efecto de campo elctricoSiendo el grafeno una forma alotrpica, presenta propiedades que corresponden a los metales, comportndose como semiconductor gap superficial o como semimetal de pequeo traslape.

2.4 Especificaciones deseadasForzosas Tamao de la pelcula mnimo de 200x200 mm Espesor comprendido entre 0.014 y 0.025 mm uniforme Superficie antiderrapante Pelcula seca al retirar de la placa Temperatura de secado no mayor a 40 C Distribucin de temperatura uniformeDeseadas Operacin semiautomtica Voltaje de operacin 127 VAC Rodillo con material adhesivo para limpiar el polvo, pelusas y otras impurezas Cubierta para proteger de contaminantes la pelcula

3. Resultados Se comenz desde cero debido a que se buscaba crear un nuevo mtodo para la creacin de las pelculas de grafeno por lo que se comenz con la bsqueda de algunos prototipos o maquinas ya empleadas en la industria, tales como las de plsticos, rollos de cmaras fotogrficas, serigrafa, entre otras, adems de buscar la manera de producirlas de manera rpida y eficiente tratando de evitar el desperdicio del material debido a lo laborioso de su proceso de produccin del grafeno. Al final se opt por escoger un mtodo muy similar al que se emplea en el laboratorio de qumica, tal mtodo est basado en la tcnica de serigrafa, la cual consiste en esparcir el material, en este caso el xido de grafeno con un rasero de manera que quede una capa de un diminuto espesor que al secarse queda como una lmina. A continuacin se ir describiendo de forma ms detallada lo anterior.Primero se hizo la prueba con la tcnica tpica de serigrafa, en la cual se toma un bastidor o marco mallado con una tela tipo organd, se le aplica una emulsin que trabaja como revelador y dependiendo del grafico que se va a dejar en el bastidor, en este caso fue un simple rectngulo, se deja pasar la tinta o substancia a travs del hueco que se deja, esto debido a que el grafico (en color negro) evita que pase luz hacia la malla evitando que el revelador se seque. Posteriormente se aplica con un rociador un poco de agua para que se caiga la emulsin que no se sec, dejando el hueco para pasar la emulsin. En la siguiente imagen se puede observar el bastidor con el diseo.

Figura 3.1. Bastidor con diseo.

Ahora se sobrepuso el bastidor encima de una placa de tefln que a su vez contena una hoja de papel encerado para poder observar el comportamiento de este sobre la hoja, posteriormente se puso una porcin de grafeno un poco antes del hueco en la malla para poder esparcir con un rasero la sustancia hacia la hoja, tal proceso se puede apreciar a continuacin.

Figura 3.2. Aplicacin del grafeno en el bastidor.

Figura 3.3. Esparcimiento del grafeno con el rasero.

Los resultados no fueron los esperados, ya que la hoja encerada y el bastidor no permitieron el paso y acumulacin optima del grafeno, ya que el pasar la sustancia por la malla las pequeas lminas que an contiene se quedaron apiladas en la malla sin poder atravesarla por completo

Figura 3.4. Resultado al retirar el bastidor.

Figura 3.5. Acercamiento del resultado.Como se mencion el resultado no fue el ptimo por lo que regresamos a la metodologa usada desde un inicio, pero esta vez utilizando el rasero en lugar de esptula, y diseando el siguiente prototipo que despus de analizarlo result el ms viable.

Figura 3.6. Diseo del prototipo.

El diseo anterior consiste en una plataforma que tiende a subir y bajar debido al juego de un par de engranes, esto para controlar el espesor, y en la parte superior se trata de un rasero fijo para mejor aplicacin de la sustancia.Ahora a continuacin se muestra un poco del desarrollo del prototipo.

Figura 3.7. Diseo con piezas an sobrepuestas.

En la siguiente imagen se puede ver el juego de engranes que se utiliz para poder ascender y descender la plataforma y controlar el espesor de las lminas.

Figura 3.8. Diseo con algunas piezas ya montadas.

Y en esta imagen se puede observar la parte superior del prototipo con el rasero ya fijo.

Figura 3.9. Diseo de la parte superior con el rasero montado.

Ahora para la parte de automatizacin del rasero se utiliz el siguiente circuito que se mostrar, empleando 2 relevadores de 5V, 2 finales de carrera, un motor de 12V y un switch, el cual consiste en cambiar el giro del motor y detenerlo.

Figura 3.10. Circuito empleado para la automatizacin del rasero.4. Discusin Al terminar el prototipo se pudieron reforzar algunos de los conceptos vistos de manera terica, tal como las propiedades y maleabilidad del grafeno como a la hora de redisear el prototipo ya que surgieron algunos detalles que requirieron de modificaciones previas al trmino de la mquina, tales como el elegir las piezas que conformaran el prototipo, ya sea en cuanto al material ms pertinente, como a las dimensiones y acoplamiento de todas ellas. Adems de la parte de automatizacin del rasero, para que este trabajara de la manera ms oportuna y as obtener finalmente las lminas u hojas de grafeno.

5. ConclusionesPara el desarrollo de este proyecto tuvimos que revisar el estado del arte acerca de algunas propiedades y conocimiento que se tena del grafeno ya que al ser un nuevo material es difcilmente manejado debido a sus propiedades, adems de que se tuvieron que realizar diversas hiptesis y algunas pruebas en cuanto a cual diseo elegir por lo complicado del manejo del material, para ello se trabaj con alumnos y maestros del rea de Qumica y del rea de Mecnica, debido a que por ser del rea de Qumica conocen ms a fondo las pro y contras de las propiedades del grafeno y en cuanto a los involucrados del rea de Mecnica nos apoyaron en elegir un diseo ptimo para crear el prototipo final.En general fue un proyecto que sirvi para conocer uno de los varios materiales que a futuro estarn presentes en la vida cotidiana, ya que son grandes avances los que se pueden llegar a lograr con estos, tanto en el rea de medicina, ingenieril, tecnolgica, etc.

6. Referencias[1] V. Garca Martnez. Estudio de la estabilidad del xido de grafeno con el tiempo. Universidad de Oviedo. Trabajo fin de Master.[2] C. Bautista Flores. Materiales avanzados: El grafeno. 2010. 7. AutoresSandra Berenice Guerra Garnica, estudiante de la carrera de Ingeniera en Mecatrnica en el Instituto Tecnolgico de Celaya.Karina Santoyo Cruz, estudiante de la carrera de Ingeniera en Mecatrnica en el Instituto Tecnolgico de Celaya.Miriam Lucero Quemada Villagmez, estudiante de la carrera de Ingeniera en Mecatrnica en el Instituto Tecnolgico de Celaya.Doctor Alejandro Alcaraz Caracheo, profesor en el Instituto Tecnolgico de Celaya.

Comentarios finales:Antes de enviar su artculo le recomendamos:1. Revise la secuencia de los encabezados.2. Revise la numeracin de las referencias, las ecuaciones, las tablas y las figuras. 3. Revise las citas en el texto de las referencias, figuras, tablas y ecuaciones.4. Verifique que el trabajo cumpla con el formato propuesto: tipos de letra, formato de referencias, etc.5. El envo del artculo implica la aceptacin por parte de los autores que los derechos patrimoniales de la revista Congreso Internacional en Sistemas Mecatrnicos. Memorias del Congreso sern propiedad del Instituto Tecnolgico de Celaya para su difusin y distribucin. Los autores mantendrn derechos de propiedad que no correspondan con los de publicacin de la obra, tales como: derechos de patente. Asimismo, los autores podrn reutilizar porciones del trabajo en otros documentos, as como reproducirlo para uso personal.

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