Comunicação Convidada em XXVIII SEMINÁRIO de PLÁSTICOS, APIP, Figueira da Foz, 16-17 Nov 2012, Vasco Teixeira, Oportunidades e Desafios dos Nanomateriais e da Micro- e Nanotecnologia na Indústria de Plásticos. Comunicação Convidada em XXVIII SEMINÁRIO de PLÁSTICOS, APIP, Figueira da Foz, 16-17 Nov 2012, Vasco Teixeira, Oportunidades e Desafios dos Nanomateriais e da Micro- e Nanotecnologia na Indústria de Plásticos.

1. XXVIII SEMINÁRIO de PLÁSTICOS, APIP, Figueira da Foz, 16-17 Nov 2012
Oportunidades e Desafios dos Nanomateriais e da
Micro- e Nanotecnologia na Indústria de Plásticos
Vasco Teixeira www.nanovalor.org www.nanonet.org
Universidade do Minho vasco@fisica.uminho.pt
DaimlerChrysler
Vasco Teixeira

2. Sumário
Nanotecnologia e Materiais Nanoestruturados
Impacto da Nanotecnologia na economia global
Nanotecnologia e aplicações industriais
Materiais Nanoestruturados e Revestimentos Funcionais
“Smart” nanocoatings (Revestimentos inteligentes)
Anti-sujidade, auto-limpantes (self-cleaning), Termo- e Electrocromáticos
Microinjecção e micromaquinagem
Aplicações de nanomateriais na indústria automóvel
Nanomateriais e questões de segurança
Conclusões
Vasco Teixeira

3. Definição de Nanotecnologia
-Manipulação de objectos à escala nanométrica (atómica /
molecular / nanopartículas, etc) para criar novos materiais,
dispositivos e processos com características funcionais
diferentes dos materiais comuns.
-Em geral as dimensões são menores que 100 nanometros
Abordagens tecnológicas para o nanofabrico:
Bottom Up Top Down
Base para o topo Topo para a base
Vasco Teixeira

4. Classes de Materiais Nanoestruturados
Uma grande classe de materiais, com microestruturas moduladas desde
zero a 3 dimensões na escala de comprimento menor que 100 nm
R.W. Siegel, Nanophase Materials, Encyclopedia of Applied Physics, VCH Publishers 1994
Vasco Teixeira

5. Global market for nanotech products
The US National Science Foundation predicts that the total global market for nanotech
products and services will reach $1 trillion by 2015, which represents nearly 10% of the
present US gross domestic product and will require a workforce of 2 million.
The US nanotechnology market is an emerging market, where significant R&D is being done
on products in their initial phase.
The most prominent fields of nanotechnology are
nanobio, nanomaterials, surfaces, electronics, IT and instrumentation. > 500
nanotechnology companies in the US
Public R&D investments in
nanotechnology
US Nano Initiative
OECD - Organisation for Economic Co-operation and Development, STI WORKING PAPER 2009/7 Vasco Teixeira

6. Investimento europeu Nanotec em I&D
Na Europa a área emergente das Nanociências e Nanotecnologias
foi uma das áreas principais de investigação contemplada no anterior 6º
Programa-Quadro, com um investimento estimado para este sector na
ordem de 1300 milhões de euro entre 2003 e 2007.
FP7 (7ºPQ) é a sigla que designa o Sétimo Programa-Quadro para
a Investigação e Desenvolvimento Tecnológico. É este o principal
instrumento da UE para financiar a investigação na Europa (dispondo de
mais de 50 mil milhões de euro), e está em vigor de 2007 até 2013.
A CE continua a apostar fortemente na área da Nanotecnologia (tema
NMP- Nanociências, Nanotecnologias, Materiais e novas Tecnologias de
Produção), tendo subido o investimento em Nanotecnologia no 7º
Programa-Quadro (2007-2013) para cerca de 3500 milhões de euros.
Horizonte 2020
~80 mil milhões para I&D em todas as áreas (2014-2020)
Vasco Teixeira

7. Impacto da Nanotecnologia na economia global
$300B Eletrónica Nano na Eletrónica
$340B Materiais -eletrónica portátil
$180B Produtos Farmacêuticos -eletrónica transparente
-iluminação avançada
$100B Síntese química
Semicondutores
$70B Aeroespacial Disk drives
Displays, displays flexíveis
$20B Ferramentas (metalúrgicas) Sensores
$30B Saúde e Medicina SuperCondensadores
Baterias recarregáveis
$45B Sustentatibilidade
• Previsões do mercado Nanotech: $1 Trillion nos próximos 10-12 anos
Sources: US National Science Foundation
Vasco Teixeira

8. Market potential
Forecast 2015:
• Annual growth of 10-15%
• Nanotech driven total
market volume >750 bn Euro
Vasco Teixeira

9. Exemplos de indústrias usando
Nanotecnologias
Vasco Teixeira

10. Indústrias nacionais
usando nanomateriais
Nanotecnologia e novos materiais Lda
FLUIDINOVA, ENGENHARIA DE
FLUIDOS, SA
Solar Plus - Produção de
Painéis Solares SA
TEANDM - TECNOLOGIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS, SA
Biosani Nanotecnologia Lda EDIGMA
YDREAMS
Nanodelivery - I&D em
Bionanotecnologia, SA
Nanolabel Vasco Teixeira

11. Aplicações da Nanotecnologia
• Materiais
– materiais nanoporosos
– materiais nanoestruturados
– nanocompósitos
– catálise
– multifuncionais, moduláveis, materiais inteligentes (smart materials)
• Biotecnologia
– nanosensores, nanoprovas de actividade/função biológica
– máquinas biomoleculares, libertação controlada de farmacos
– bioelectrónica, nanomedicina (nanorobots), tecidos/orgãos artificiais
– materiais auto-organizados (self-assembling)
• Electrónica, óptica e fotónica
– confinamento quântico (pontos quânticos-quantum dots)
– Lasers (comunicações de fibra óptica)
– electrónica à escala molecular
– electrónica transparente e flexível
– filmes finos para electrónica e fotónica Vasco Teixeira

12. Nano-óxidos metálicos
• Exemplos
– Titânio, Zinco, Ferro
– Cério, Zircónio
• Propriedades desejáveis
– Transparentes
– Absorção da radiação UV
– Propriedades fotocatalíticas
• Aplicações tecnológicas
– Cosméticos
– Cremes protectores solares
– Protectores transparentes para plásticos e madeira
– Superfícies anti-micróbios, janelas auto-laváveis
– Agentes de polimento quimico-mecânicos para bolachas (wafers) de Silício
– Revestimentos anti-risco em vidros e plásticos
Vasco Teixeira

13. Nanoestruturas baseadas em carbono
• Fulerenos
– “Buckyballs” C60
• Nanotubos
– Parede simples -Single walled (SWNT)
– Multi-parede -Multi walled (MWNT)
• Nanofibras
• Aplicações tecnológicas
– Filmes para minimizar electricidade estática
– Linhas de combustível, drives de hard disks, MEMS
– Filmes ópticos, tribológicos e biocompatíveis (DLC’s)
– Componentes automóveis para pintura electrostática
– Plásticos com retardação ao fogo
– Fontes de emissão efeito campo para monitores LCD
Vasco Teixeira

14. Revestimentos e nanomateriais para
aplicações biomédicas
Bodycote H.I.P. Ltd
Endotec, Inc
CAMCERAM®.
Ostim®, OsartisGmbH, Germany (HA)
VITOSS®, OrthovitaInc, USA (TCP)
OsSatura™, IsoTisInternational, Switzerland (HA
CAM Implants bv +TCP), InframatInc, USA,Spire Biomedical Inc, USA, AlCove Surface
GmbH, Germany, Debiotech SA, Switzerland, Artificial Cell
Technologies, Inc. (USA) Vasco Teixeira

15. Revestimentos na indústria de moldes e
metalomecânica
Coatings on Plastic Moulding Tools:
reduces wear from filled plastics
improves plastic flow rates
gives faster cycle times
protects polished and textured surfaces
improves mould release
Vasco Teixeira

16. Commercial Applications
• L’Oreal are using nanosomes in their “Rivitalift” anti-wrinkle face
cream. The nanosomes (microcapsules made from a membrane, like
the one surrounding a human cell) encapsulate vitamin E and carry it
to the skin. The vitamin E protects the skin from free radical attacks
(believed to cause wrinkles) by forming a protective layer on the
skin.
• Nano-Care™ Plain-Front Chinos are amazing trousers that do not
wrinkle and, when a glass of red wine is spilt onto the cream
coloured fabric, it just rolls off! Bonded to the fabric is a durable
stain- and wrinkle-resistant Nano-Care by Nano-Tex treatment that
ensures creases stay in, but stains and wrinkles stay out.
• Nanocomposite Materials
Vasco Teixeira

17. Commercial Applications
Electrically Conductive
Plastic With Carbon
Nanotubes (BASF)
Loudspeaker grill made of Ultraform. The fine
honeycomb structure of the speaker grill for the VW
Golf is easily moulded from BASF Ultraform®,
(polyoxymethylene). (Image: HB-Plastics)
PLEXIGLAS SOUNDSTOP® with
Photocatalytic Coating
Zyvex Marine – vessel with carbon nanotubes
DaimlerChrysler
Mitsubishi Materials Miracle Coated Indexable
Inserts (left) and its surface structure
(Credits: Mitsubishi Carbide) Vasco Teixeira

18. 50 cm
Vasco Teixeira

19. Nanotecnologia na indústria alimentar
Filmes nanoestruturados e nanomateriais em embalagens podem
prevenir a entrada/crescimento de agentes patogénicos e outros microorganismos,
assegurando assim maior segurança.
Nanosensores embebidos em embalagens de alimentos permitirão
determinar alterações de pH, temperatura, a presença de oxigénio, micróbios ou se
o conteúdo de um dado nutriente do alimento está dentro dos parâmetros normais.
Por adição de determinadas nanopartículas /ou aplicação de filmes finos
nanocompósitos no material da embalagem, em garrafas, e pacotes/latas de
alimentos pode-se melhorar a resistência à luz e ao fogo, melhorando o
desempenho mecânico e térmico e controlando a absorção de gases.
Nano food-packaging film -(BayerPolymer Inc)
Vasco Teixeira

20. Nanocoatings on PET Bottles
Plasma coating on the inside of a PET bottle
SiOx – like barrier
deposited by Plasma
Enhanced Chemical
Vapour Deposition
(PECVD)
PECVD allows industrial
scale deposition os high
quality barrier coatings
Source: SIG PLASMAX GmbH with good uniformity and
adherence to the substrate
Vasco Teixeira

21. Nanomateriais na indústria têxtil
Anti-sujidade
Superfície super-hidrofóbica
Mincor TX TT EcoHighTec
a b
) )
Vasco Teixeira

22. Exemplos Nano na indústria electrónica
-High resolution displays for laptops and PDAs
-Pager-sized power supply that adds 15 h to cell phone talktime
-Advanced industrial inventory tracking
through nano barcodes and RFID tags
-Ultra-dense, low-power, lower-cost memory chips
for microelectronics
-Flexible photovoltaics, high capacity rechargeable
batteries, and miniature satellites
-Flexible (and organic) electronics (displays, flexible
OLEDS, e-paper, e-magazines, flexible batteries, flex solar cells, etc..)
Vasco Teixeira

23. Micromoulding
Injection molding processes at the microscale
There is an increasing demand for small and even micro
scale parts and this trend towards miniaturization makes the
micro system technologies of growing importance
Injection micromoulding enables the large scale production
of polymeric ultra-small & micro-components with accuracy.
This technology has been progressively used for the
production of microcomponents in quantity and quality at
low cost, which supports the development of micro-
components for healthcare and medical devices, microfluidic
devices, micro-optics and microelectro-mechanical systems
(MEMS). 0.914mm
Ø 250μm
Vasco Teixeira

24. Micro EDM Milling - Examples
Moulding inserts - EDM
Images courtesy: Ra < 0.2 µm in fine technologies
Positioning Precision 0.2 µm
Resolution - 0.1µm
Vasco Teixeira

25. New structures with “old” monomers
Nanostructure enhances material properties of polymers
Styrolux is a styrene-butadiene block copolymer (SBC)
Styroflex is an elastic copolymer based on styrene and butadiene Vasco Teixeira

26. Enabling nanotechnology in
production of plastic parts
Addition of
nanoparticles:
• Increased flowability of
polymer melt by 100%
• High level of material
properties retained
Market potential
• 500 million Euro in 2015
Ultradur® High Speed: Standard polymer:
completely filled mold only partially filled mold
Ultradur is a polyester based on polybutylene terephthalate (PBT) Vasco Teixeira

27. Applications of Ultradur® High Speed
Examples for customer benefits
1. Air flow meter
• Reduction of cycle time in production by 30%
• Lower production costs
10 cm
2. Multiconnector
• Problem with standard product: 5% defect rate
due to partly unfilled, thin-walled structures
• Ultradur® High Speed reduces defect rate to 0%
and the cycle time in production by 20%
4 cm
Vasco Teixeira

28. Nanomaterials in Automotive Applications
Vasco Teixeira

29. Polymer nanocomposites in automotive parts
Polymer nanocomposites
represent a new class of
multiphase materials
containing dispersion of nano-
sized filler materials such as
nanoparticles, nanoclays,
nanotubes, nanofibers etc.
within the polymer matrices.
The key drivers for the use
of polymer nanocomposite-
enabled parts in the
automotive industry are:
-reduction in vehicle's
weight
-improved engine
efficiency (fuel saving)
-reduction in CO2
emissions
-superior performance
(greater safety, increased
comfort and better
driveability).
Illustration of the usage of polymer nanocomposites parts Vasco Teixeira

30. Vasco Teixeira

31. Nanomaterials in Automotive Applications
Lexan Polycarbonate on a:
-Panoramic Roof
-Side Windows
-Rear Window
Density of Glass: 2500 Kg/m3
Density of Polycarbonate: 1200 Kg/m3
Total savings of 38 lbs (17.3 Kg)
http://www.exatec.de/
:
Nanostructures improve scratch
resistance of coatings (source BASF) Vasco Teixeira

32. Nano‐enhanced automotive plastic glazing
Summary of desirable properties for automotive glazing and corresponding nanocomponents
Source: ObservatoryNano, FP7 briefing 6, 2010 Vasco Teixeira

33. Health effects of workplace exposure to
nanomaterials
Priorities for future actions and activities:
• identification of nanomaterials and description of exposure
• measurement of exposures to nanomaterials and efficacy of protective
measures
• risk assessment of nanomaterials in line with the current statutory
framework
• in vivo studies for assessment of the health effects of nanomaterials
• validation of the in vitro methods and methods of physico-chemical
properties as methods to determine health effects
• training of workers and practical handling guidelines for activities
involving nanomaterials in the workplace.
Source: European Commission Report “Types and uses of nanomaterials, including safety aspects”, SWD(2012) 288 final , Brussels, 3.10.2012
Vasco Teixeira

34. Conclusões
 Filmes de nanomateriais eletro- / termo- cromáticos capazes de modular
a cor das superfícies poliméricas, proteção UV e controlar o fluxo de
calor.
 Revestimentos nanoestruturados e filmes finos para superfícies
inteligentes (implantes biomédicos, auto-limpante, anti-microbianas,
anti-gelo, auto-regeneração, dispositivos sensoriais).
 Superfícies nanograduadas e nanocompósitos com incorporação de
nanopartículas (p.ex. revestimentos em moldes de injeção, filmes de
dióxido de titânio com pigmentos orgânicos, polímeros nanocompósitos,
p.ex condutores ou anti-risco, fibras com nanopartículas , barreira
difusão e embalagens bioactivas, libertação controlada de aromas).
 Sistemas para eletrónica flexível: displays fotónicos, sistemas ultra-
eficientes de energia, células solares de última geração nano, integração
de sistemas fotovoltaicos e OLED’s em superfícies flexíveis, nanofilmes
e tratamentos plasma para polímeros.
Vasco Teixeira

35. Conclusão
Nas próximas décadas, o impacto da nanotecnologia
na sociedade, particularmente nas áreas da saúde,
transporte e meio ambiente, com grande impacto
económico, serão no mínimo tão significantes , quanto
a influência combinada da microelectrónica, sistemas
de imagens médicas, processos assistidos por
computador e polímeros desenvolvidos pelo homem no
século passado.
Vasco Teixeira