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Athenea Journal
Vol.5, Issue 16, (pp. 15-23)
ISSN-e: 2737-6419
Rivera M. Avances en materiales compuestos basados en nanotecnología para aplicaciones industriales
https://doi.org/10.47460/athenea.v5i16.74
Avances en materiales compuestos basados en
nanotecnología para aplicaciones industriales
*Correspondencia: mariverav@uce.edu.ec
Received (30/04/2024), Accepted (25/05/2024)
Resumen: Este trabajo tuvo como finalidad evaluar la aplicabilidad y beneficios de los materiales compuestos en
diversos contextos industriales. A través de encuestas realizadas a tres industrias mineras y dos del sector eléctrico, se
analizaron aspectos como la frecuencia de uso de diferentes materiales compuestos, los beneficios percibidos y los
principales desafíos enfrentados en su implementación. Los resultados mostraron una alta preferencia por la fibra de
carbono y los polímeros debido a su resistencia y ligereza, destacándose también la importancia de la durabilidad y la
reducción de peso como beneficios clave. Sin embargo, el costo elevado y la disponibilidad de materiales fueron
identificados como los principales desafíos. Estos hallazgos subrayan la necesidad de continuar invirtiendo en
investigación y desarrollo para mejorar la accesibilidad y reducir los costos, optimizando así el uso de materiales
compuestos en la industria.
Palabras clave: materiales compuestos, aplicaciones industriales, nanotecnología, análisis de materiales.
Advances in composite materials based on industrial applications
Abstract. - This work aimed to evaluate the applicability and benefits of composite materials in various industrial
contexts. Through surveys carried out in three mining industries and two in the electricity sector, aspects such as the
frequency of use of different composite materials, the perceived benefits, and the main challenges faced in their
implementation were analyzed. The results showed a high preference for carbon fiber and polymers due to their
strength and lightness, highlighting the importance of durability and weight reduction as key benefits. However, high
cost and availability of materials were identified as the main challenges. These findings underscore the need to continue
investing in research and development to improve accessibility and reduce costs, optimizing the use of composite
materials in industry.
Keywords: composite materials, industrial applications, nanotechnology, materials analysis
Mario Augusto Rivera Valenzuela*
https://orcid.org/0000-0003-3088-0654
mariverav@uce.edu.ec
Universidad Central del Ecuador
Quito-Ecuador
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I. INTRODUCCIÓN
La evolución de los materiales compuestos ha sido una de las áreas más dinámicas y prometedoras en la
ciencia de materiales, especialmente con la integración de la nanotecnología. Los materiales compuestos
basados en nanotecnología han mostrado un potencial significativo para revolucionar diversas aplicaciones
industriales debido a sus propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas mejoradas. Estos materiales están
diseñados a partir de la incorporación de nanoestructuras, como nanotubos de carbono, nanopartículas y
nano fibras, en matrices poliméricas, metálicas o cerámicas, resultando en materiales con características
únicas que no pueden ser logradas con componentes individuales.
La incorporación de nanotubos de carbono, por ejemplo, ha demostrado mejorar significativamente la
resistencia y la rigidez de los materiales compuestos, manteniendo al mismo tiempo una baja densidad.
Esto se debe a las extraordinarias propiedades mecánicas de los nanotubos de carbono, que incluyen una
alta relación de aspecto y una resistencia específica elevada [1]. Además, las nanopartículas metálicas han
sido ampliamente estudiadas por su capacidad para mejorar las propiedades térmicas y eléctricas de los
materiales compuestos, haciendo posible su uso en aplicaciones donde se requiere una alta conductividad
térmica y eléctrica [2].
Las aplicaciones industriales de estos materiales compuestos son vastas y diversas. En la industria
aeroespacial, por ejemplo, la demanda de materiales ligeros pero fuertes es crítica, y los compuestos
basados en nanotecnología pueden ofrecer soluciones superiores en términos de rendimiento y eficiencia
de combustible [3]. De igual manera, en la industria automotriz, estos materiales pueden ser utilizados para
fabricar componentes más ligeros y duraderos, contribuyendo a una mayor eficiencia energética y
reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero [4].
De esta manera podemos afirmar que los materiales compuestos basados en nanotecnología representan
una revolución en el diseño y desarrollo de nuevos materiales para aplicaciones industriales. La capacidad
de estos materiales para combinar propiedades superiores de resistencia, ligereza y conductividad abre
nuevas oportunidades para mejorar la eficiencia y el rendimiento en múltiples sectores industriales.
II. DESARROLLO
En esta sección se incluyen los aspectos que fundamentan la investigación, partiendo de una revisión de
literatura y siguiendo con las principales características de ciertos materiales.
A. Revisión de la literatura
Niculescu et al [5] presentan los avances recientes en el uso de compuestos magnéticos para la
descontaminación del agua. Los autores se centran en la integración de nanopartículas magnéticas en
diversos materiales compuestos, destacando sus propiedades únicas que los hacen efectivos para la
eliminación de contaminantes orgánicos e inorgánicos del agua. Además, abordan varios tipos de
materiales base, incluidos compuestos de carbono, polímeros, hidrogeles, aerogeles, sílica, arcilla, biochar,
estructuras metal-orgánicas y estructuras orgánicas covalentes, y describen cómo estos compuestos han
demostrado capacidades de adsorción prometedoras para diversos contaminantes industriales.
Adicional, los autores exploran la integración de nanomateriales magnéticos, como nanopartículas de
hierro, cobalto y níquel, en matrices poliméricas y de carbono, es un claro ejemplo de cómo la
nanotecnología puede mejorar significativamente las propiedades de los materiales compuestos [5].
Destacan que estos compuestos magnéticos no solo son eficaces en la adsorción de contaminantes, sino
que también permiten una fácil separación y recuperación de los materiales adsorbentes mediante la
aplicación de un campo magnético externo, lo que representa una ventaja considerable sobre las técnicas
convencionales de tratamiento de aguas.
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Otras investigaciones [6] ofrecen una visión integral sobre los avances recientes en el uso de materiales
compuestos magnéticos para la descontaminación del agua. Estos compuestos, que incorporan
nanopartículas magnéticas en matrices de carbono, polímeros, hidrogeles, aerogeles, sílica, arcilla, biochar
y estructuras organometálicas, han mostrado una notable capacidad de adsorción para eliminar
contaminantes industriales, incluidos metales pesados y compuestos orgánicos. La relevancia de este
trabajo radica en su enfoque en la multifuncionalidad de los nanomateriales magnéticos, que no solo
mejoran la eficiencia de adsorción, sino que también permiten una fácil separación y recuperación de los
adsorbentes mediante campos magnéticos externos, reduciendo así los costos y el impacto ambiental de
los procesos de tratamiento de agua.
La integración de nanomateriales magnéticos en matrices compuestas representa una aplicación
innovadora de la nanotecnología en el desarrollo de materiales avanzados [6]. Este enfoque es
particularmente relevante para el campo de los materiales compuestos, ya que combina las propiedades
superiores de los nanomateriales con la versatilidad y funcionalidad de las matrices tradicionales. Estos
avances no solo tienen implicaciones significativas para la industria del tratamiento de agua, sino que
también abren nuevas oportunidades para el desarrollo de tecnologías de purificación más efectivas y
ecológicas.
Autores como Chaudhary et al [7] examinan los desarrollos recientes en el uso de empaques biogénicos
inteligentes, destacando su potencial para transformar la industria de empaques de alimentos. La
investigación se enfoca en la integración de biopolímeros naturales y la intervención de la nanotecnología
para crear materiales compuestos avanzados que son ligeros, de alto rendimiento y amigables con el medio
ambiente [8]-[10]. Estos desarrollos no solo mejoran la funcionalidad y la durabilidad de los empaques, sino
que también abren la puerta a nuevas aplicaciones, como los sistemas de empaque activos e inteligentes
que pueden monitorear y preservar la calidad de los alimentos en tiempo real.
Asimismo, estos autores muestran cómo la combinación de biopolímeros naturales y tecnologías
avanzadas, como la nanotecnología y la encapsulación, puede dar lugar a nuevos materiales con
propiedades mejoradas y funcionalidades avanzadas [7]. Estos materiales compuestos no solo abordan los
desafíos de sostenibilidad y reducción de residuos, sino que también proporcionan soluciones innovadoras
para la industria del empaque de alimentos, mejorando la seguridad alimentaria y extendiendo la vida útil
de los productos. La integración de biosensores en los sistemas de empaque, por ejemplo, permite la
detección de patógenos y aditivos nocivos, asegurando así la calidad y seguridad de los alimentos.
Por otra parte, Bernardo-Arugay et al [8] hacen una evaluación detallada de las propiedades físicas y
químicas de varios minerales de silicato en la región sur de Filipinas, con el objetivo de determinar su
viabilidad como materias primas para la producción de diversos productos cerámicos. Los autores examinan
la arcilla roja de Linamon, la ceniza negra de Salvador y la tierra de diatomeas de Kapatagan, analizando
características como la distribución del tamaño de las partículas, los límites de Atterberg, las propiedades
térmicas, las morfologías y las composiciones mineralógicas.
Los autores [8] demuestran cómo los recursos minerales locales pueden ser optimizados para aplicaciones
industriales, reduciendo la dependencia de materias primas importadas y promoviendo el desarrollo
económico sostenible. La caracterización exhaustiva de estos minerales no solo proporciona una base para
su uso eficiente en la industria cerámica, sino que también abre oportunidades para la innovación en
materiales compuestos. La investigación subraya la importancia de la sinergia entre las propiedades
inherentes de los minerales y las técnicas avanzadas de procesamiento, lo que puede conducir a la creación
de nuevos materiales compuestos con propiedades mejoradas para aplicaciones específicas en la industria
de la cerámica y más allá.
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B. Aspectos teóricos
Los materiales compuestos nanotecnológicos son una clase avanzada de materiales que combinan una
matriz de material tradicional con nanoestructuras, como nanopartículas, nanotubos, nanofibras, y otros
nanomateriales. Estos compuestos se diseñan para aprovechar las propiedades únicas de los
nanomateriales, lo que resulta en mejoras significativas en las propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas
y químicas del material compuesto final.
Propiedades Mecánicas Mejoradas
La incorporación de nanotubos de carbono o nano fibras de carbono puede aumentar significativamente
la resistencia y rigidez de los materiales compuestos, sin añadir un peso considerable. Estos nanomateriales
tienen una resistencia específica y módulo de elasticidad extremadamente altos, lo que contribuye a la
mejora global del material compuesto [1]. Por otra parte, las nanopartículas cerámicas pueden mejorar la
dureza y la resistencia al desgaste de las matrices poliméricas o metálicas.
Propiedades Térmicas y Eléctricas
Las nanopartículas metálicas, como las de plata o cobre, pueden aumentar la conductividad térmica del
material compuesto, lo cual es beneficioso en aplicaciones donde la disipación de calor es crucial [2].
Además, la integración de nanotubos de carbono o grafeno puede mejorar la conductividad eléctrica de
los materiales compuestos, haciéndolos útiles en aplicaciones electrónicas y de almacenamiento de energía.
Propiedades funcionales
Algunos materiales compuestos nanotecnológicos tienen capacidades de autorreparación, donde las
nanoestructuras pueden ayudar a reparar daños o grietas en la matriz. Además, las nanopartículas pueden
mejorar la resistencia a la corrosión de los metales, lo que extiende la vida útil de los componentes en
ambientes agresivos.
Este tipo de materiales tiene importantes aplicaciones industriales, que abarcan una rama amplia de usos
relevantes en el desarrollo de diferentes industrias. En la industria aeroespacial, los materiales compuestos
nanotecnológicos se utilizan en la industria aeroespacial para fabricar componentes estructurales ligeros y
extremadamente fuertes. Esto ayuda a reducir el peso total de las aeronaves, mejorando la eficiencia del
combustible y reduciendo las emisiones [3]. Por otra parte, en la industria automotriz, estos materiales se
utilizan para fabricar piezas más ligeras y duraderas. Los compuestos nanotecnológicos pueden mejorar la
eficiencia energética de los vehículos y aumentar la resistencia al impacto y la fatiga [4].
Por su parte, en el sector electrónico, los materiales con alta conductividad eléctrica y térmica son esenciales
en la fabricación de dispositivos electrónicos, desde microchips hasta baterías avanzadas. Los
nanocompuestos pueden mejorar el rendimiento y la vida útil de estos dispositivos. Mientras que, en el
ámbito biomédico, los materiales compuestos nanotecnológicos se utilizan en dispositivos médicos y en la
liberación controlada de fármacos, aprovechando las propiedades de biocompatibilidad y funcionalidad de
los nanomateriales.
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Desafíos y Perspectivas Futuras
A pesar de sus ventajas, los materiales compuestos nanotecnológicos enfrentan desafíos en términos de
fabricación, costos y escalabilidad. La integración uniforme de nanomateriales en matrices tradicionales y
el control de las propiedades a escala nanométrica son áreas de investigación activa. Además, se están
explorando métodos más sostenibles y económicos para la producción en masa de estos materiales. En el
futuro, la continua investigación y desarrollo en nanotecnología promete expandir las aplicaciones de los
materiales compuestos nanotecnológicos, haciendo posible la creación de materiales con propiedades "a
medida" para satisfacer necesidades específicas en una amplia gama de industrias.
III. METODOLOGÍA
En este trabajo se ha realizado una metodología empírica en diferentes empresas e industrias, para conocer
los diferentes avances en materiales que se usan en la producción. Para ello se ha realizado una encuesta a
expertos y personal de áreas específicas en la industria, que trabajan de forma directa en la producción
específica. Entre las industrias consultadas se encuentran tres industrias mineras, dos industrias del sector
eléctrico.
Las características de la encuesta realizada se describen en la tabla 1. Se puede observar que en la industria
minera el principal uso es para protección y recubrimientos, mientras que en la industria eléctrica es usado
para complementos de los equipos eléctricos. La encuesta estuvo centrada en conocer las aplicaciones de
los materiales en el ambiente industrial, así como la frecuencia de uso de estos materiales, la identificación
de los materiales, así como las percepciones de los encuestados en cuanto a los beneficios y desafíos del
uso de materiales.
Tabla 1. Encuesta realizada en la industria
Industria
Número de
encuestados
Alpha de
Cronbach
Usos de materiales compuestos
Minera A
42
0.85
Refuerzo estructural, recubrimiento resistente a la corrosión
Minera B
48
0.88
Componentes de maquinaria, recubrimiento anti abrasivo
Minera C
53
0.87
Soportes de transporte, revestimientos protectores
Eléctrica A
47
0.82
Aislamiento térmico, carcasa de equipos eléctricos
Eléctrica B
49
0.84
Componentes de transformadores, recubrimiento conductivo
Hipótesis de Estudio
Hipótesis nula (H0): No hay diferencias significativas en la consistencia interna (Alpha de Cronbach) entre
las industrias mineras y las industrias del sector eléctrico.
Hipótesis alternativa (H1): Hay diferencias significativas en la consistencia interna (Alpha de Cronbach) entre
las industrias mineras y las industrias del sector eléctrico.
Análisis Estadístico
Cálculo del Promedio y Desviación Estándar del Alpha de Cronbach:
• Para las industrias mineras: Minera A, Minera B, Minera C
• Para las industrias del sector eléctrico: Eléctrica A, Eléctrica B
Prueba t para muestras independientes:
• Comparar las medias del Alpha de Cronbach entre las dos categorías de industrias.
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III. RESULTADOS
A. Resultados estadísticos
Industria Minera:
• Promedio del Alpha de Cronbach: 0,8667
• Desviación Estándar del Alpha de Cronbach: 0,0153
Industria Eléctrica:
• Promedio del Alpha de Cronbach: 0,83
• Desviación Estándar del Alpha de Cronbach: 0,0141
Prueba t para muestras independientes
Media1 (mineras)= 0,8667, SD1= 0,0153, n1= 3
Media2 (eléctricas)= 0,83, SD1= 0,0141, n1= 2
Con los grados de libertad (df) aproximados mediante la fórmula de Welch para muestras con varianzas
desiguales, df=3,68. Usando una tabla de distribución t con df = 3,68 y un nivel de significancia de 0.05, se
obtiene un valor crítico de t aproximadamente de 2,353.
Dado que el valor calculado de t (2.76) es mayor que el valor crítico de t (2.353), rechazamos la hipótesis
nula. Esto sugiere que hay diferencias significativas en la consistencia interna de las respuestas (Alpha de
Cronbach) entre las industrias mineras y las industrias del sector eléctrico.
Este análisis demuestra que los materiales compuestos se utilizan de manera diferente y con diversos niveles
de consistencia en la percepción y aplicación entre diferentes sectores industriales, destacando la
importancia de considerar el contexto industrial en el desarrollo y aplicación de estos materiales.
Por otro lado, en la encuesta se consultó sobre la frecuencia de uso de cada tipo de material compuesto
por industria (Fig. 2)., donde se observó que los principales materiales fueron fibra de carbono, fibra de
vidrio, nanocompuestos, materiales basados en polímeros, materiales basados en metal.