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InfoANALÍTICA 8(2)
Julio 2020 (enero-junio)
Carrión & Pilaquinga
NANOTECNOLOGÍA APLICADA
EN MATERIALES REFRACTARIOS:
UNA REVISIÓN
NANOTECHNOLOGY APPLIED IN REFRACTORY MATERIALS:
A REVIEW
Marco Vinicio Carrión V.
1
* & Fernanda Pilaquinga F.
1,2
Recibido: 19 de marzo 2020 / Aceptado: 2 de junio 2020 /
Publicado en línea: 8 de junio de 2020
DOI: 10.26807/ia.v8i2.141
Palabras claves: materiales refractarios, nanomateriales, grafeno, titanio,
óxido férrico, magnesia, zirconia, sílice y alúmina
Keywords: refractory materials, nanomaterials, graphene, titanium,
ferric oxide, magnesia, zirconia, alumina, silica
RESUMEN
Los materiales refractarios son de gran importancia para la humanidad, debido
a su capacidad de resistir altas temperaturas. Son empleados en la industria del
cemento, cerámica, vidrio, metalúrgica, siderúrgica y petroquímica. La mayor
preocupación a nivel industrial es que los materiales refractarios son sometidos
a varios mecanismos de desgaste durante el proceso de producción, tales como:
1 Universidad Internacional SEK, Maestría en Diseño Industrial y Procesos, Quito, Ecuador (*corres pon -
dencia: mvcarrion.mdin@uisek.edu.ec; maria.pilaquinga@uisek.edu.ec)
2 Pontificia Universidad Católica del Ecuador, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Escuela de Cien-
cias Químicas, Quito, Ecuador (mfpilaquingaf@puce.edu.ec)
22
InfoANALÍTICA 8(2)
Julio 2020
ataque químico, mecánico, termomecánico y carga térmica. Si el material no
cuenta con las propiedades adecuadas, su durabilidad se verá afectada, y por
ende los costos de producción. En este sentido la combinación de los nano-
materiales, se convierte en una importante alternativa para mejorar las propie-
dades de los materiales refractarios, proporcionándoles mejor densidad, baja
porosidad, resistencia a la erosión, baja conductividad térmica, entre otras. El
presente artículo realiza una revisión de varios trabajos de investigación, acerca
de la evolución de los nanomateriales aplicados a los materiales refractarios,
entre los que se mencionan el uso de grafeno, dióxido de titanio, óxido férrico,
magnesia, zirconia, alúmina y sílice, para mejorar las propiedades físicas de
los materiales refractarios. De manera general, los estudios demuestran que el
uso de los nanomateriales, provee a los materiales refractarios mejores propie-
dades, en rangos de concentración específicos. Sin embargo, todos los estudios
han sido realizados a nivel de laboratorio, por lo que sería promisorio su uso a
nivel industrial.
ABSTRACT
Refractory materials are of great importance for humanity, due to their ability
to resist high temperatures. They are used in cement, ceramics, glass, metallur-
gical, steelmaker, and petrochemical industry. The biggest concern at the in-
dustrial level is that the refractory materials are subjected to various wear
mechanisms during the production process, such as chemical, mechanical,
thermomechanical, and thermal loading. If the material does not have the pro-
perties, its durability will be affected, and therefore the production costs. In this
way the combination of the nanomaterials, becomes an important alternative
to improve the properties of the refractory materials providing them with a better
density, low porosity, resistance to erosion, low thermal conductivity, among
others. The present article makes a review of several research papers about the
evolution of the nanomaterials applied on the refractories, including the use of
graphene, titanium dioxide, ferric oxide, magnesia, zirconia, alumina, and si-
lica, to improve the physical properties of the refractory materials. In general,
studies showed that the use of nanomaterials provides to the refractories better
properties, in a specific concentration ranges. However, all the studies have
been carried out at the laboratory level so their use at the industrial level would
be promising.
23
NANOTECNOLOGÍA APLICADA EN MATERIALES REFRACTARIOS:
UNA REVISIÓN
Carrión & Pilaquinga, 21– 45
Los materiales refractarios son am-
pliamente utilizados, y en grandes
volúmenes en las industrias del ace -
ro, aluminio, cemento, vidrio, side -
rúr gica y petroquímica (Dehsheikh,
Ghasemi-Kahrizsangi, Kara mian, &
Nemati, 2019). La búsqueda para
mejorar las propiedades mecánicas
de los materiales refractarios, rela -
cionada con los costos de produc -
ción, ha visto en la nanotecnología
una alternativa. La nanotecnología es
considerada como la principal ini -
ciativa tecnológica a nivel industrial
(Al-Nemrawi, AbuAlSamen, & Alzou -
bi, 2019). La nanotecnología permite
obtener nuevos materiales con mayor
rendimiento y durabilidad (Alivisatos,
1996). Los nanomateriales inorgá -
nicos se presentan con mayor interés,
como materia prima de nuevos ma -
teriales (Chandra, Kumari, Bontempi,
& Yadav, 2020; Jamkhande, Ghule,
Bamer, & Kalaskar, 2019). Es por ello
que en presente estudio, se analizan
investigaciones recientes respecto al
uso de diferentes nanomateriales, pa -
ra mejorar las propiedades mecá -
nicas de los materiales refractarios,
empleados a nivel industrial.
Los materiales refractarios se definen
como compuestos inorgánicos “no
metálicos”, que pueden soportar am -
bientes de trabajo con temperaturas
superiores a los 538 °C, sin sufrir al-
teraciones en sus propiedades físi cas
o químicas (Roy, Chandra, & Maitra,
2019). Este tipo de mate ria les, quími-
camente inertes, presentan un ele-
vado punto de fusión debido a las
fuertes interacciones de sus enla ces
iónicos y covalentes. Sin embar go,
son frágiles a temperatura am bien te y
presentan una baja resis tencia a la
tensión (Hancock, Homfray, Porton,
Todd, & Wynne, 2018). La industria
del acero, hierro, cemento, y vidrio
emplea el uso de refractarios como
parte importante en el recubrimiento
de reactores, su estructura es policris-
talina y sus pro piedades dependen de
su microestructura (Moreno, 2008).
Los mate riales refractarios tienen una
compo sición definida, se clasifican
como: refractarios de arcilla, sílice,
básicos y especiales. En la Tabla 1, se
pre senta la composición química de
di fe rentes materiales refractarios co-
merciales (William D. Callister,
2002).
INTRODUCCIÓN
24
InfoANALÍTICA 8(2)
Julio 2020
El comportamiento de los materiales
refractarios depende principalmente
de su composición y su uso puede
variar dependiendo de la necesidad
industrial. Los sectores industriales
donde se emplea los materiales re-
fractarios son (Güeto, 2010):
• Cemento: hornos rotativos, inter -
cam biadores de calor y enfria -
dores.
• Cerámica: hornos túnel y de cá -
mara
• Vidrio: hornos de fusión y temple,
y baños de estaño.
• Acero: hornos eléctricos, desgasi -
ficación y laminación.
• Metalúrgica: hornos de fusión de
cobre y aluminio, y torres fusoras.
• Siderúrgica: altos hornos, estufas,
baterías de horno cok y mezclador
de arrabio.
• Petroquímica: Hornos de nafta y
cracking.
Es evidente que gran parte de los ma -
teriales refractarios son utilizados
como revestimiento de hornos, ya
que permiten mantener las tempera -
tu ras de operación estables. El sector
industrial que más emplea materiales
refractarios, es la siderúrgica con un
60 %. La elevada demanda de este
tipo de materiales, ha generado una
rápida evolución en los últimos años,
debido a las exigencias impuestas
por los nuevos procesos industriales,
que han provocado un mayor control
de materias primas, mejoramiento en
los procesos fabricación e investi ga -
ciones en las propiedades fisicoquí -
micas de los materiales (Fu, Gu,
Huang, Zhang, & Wu, 2020).
Tabla 1. Composición de refractarios comerciales (William D. Callister, 2002)
Tipos de refractario Composición (%p/p)
TiO
2
Fe
2
O
3
MgO SiO
2
Al
2
O
3
CaO Cr
2
O
3
Arcilla refractaria 1-2 0-1 0-1 70-50 25-45 0-1
Arcilla refractaria con alto 90-50
contenido de alúmina 1-4 0-1 0-1 10-45 0-1
Periclasa 3 90 3 1 2,5 0,3
Sílice 0,6 96,3 0,2 2,2
25
NANOTECNOLOGÍA APLICADA EN MATERIALES REFRACTARIOS:
UNA REVISIÓN
Carrión & Pilaquinga, 21– 45
El uso de la nanotecnología aplicada
a los materiales refractarios, inició en
el año 1999 (Khoroshavin & Perepe -
litsyn, 1999). La evolución histórica
de las publicaciones referentes al de-
sarrollo de los nanomateriales en
aplicaciones refractarias, revela una
tendencia creciente en el tiempo, ob-
tenida de la página Web of Scien ce
(WoS), tal como se muestran en la Fi-
gura1.
Figura 1. Evolución histórica de publicaciones de nanomateriales en refractarios
(WoS, Clarivative Analytics)
Desde otra óptica, el estudio de ma -
teriales refractarios evidencia que los
países asiáticos lideran el desarrollo
de los nanomateriales en este campo,
y llama la atención la mínima parti -
cipación de países como: Italia, Rei -
no Unido, y, Estados Unidos, como
se muestra en la Figura 2.
Los diferentes autores utilizan un na-
nomaterial específico, para mejo rar
las propiedades de un material re-
fractario base, generalmente com -
pues to por óxido de magnesio o tam -
bién conocido como magnesia
(MgO), dióxido de silicio o sílice
(SiO
2
), y óxido de aluminio o alú -
mina (Al
2
O
3
). Los nanomateriales
que generalmente se usan para me -
jorar las propiedades de los mate -
riales refractarios son: nanopartículas
de grafeno, dióxido de titanio, óxido
férrico, magnesia, zirconia, alúmina
y sílice.
26
InfoANALÍTICA 8(2)
Julio 2020
Grafeno
El grafeno es un material constituido
por pequeñas partículas de carbono,
agrupadas en forma de láminas muy
finas que forman celdas hexagonales
(Pham et al., 2020). En la Figura 3,
se observa la disposición espacial de
los átomos de grafeno.
Este material es único, ya que cada
átomo de carbono está unido a otro
por medio de una nube electrónica.
El grafeno, se obtiene de una fuente
natural, como es el grafito, empleado
en industrias tales como la: automo-
triz, telefónica, aeronáutica, informá -
tica, entre otras (X. Li & Zhi, 2018;
Pham et al., 2020; Wu et al., 2020).
Figura 2. Artículos científicos publicados por país
Figura 3. Disposición espacial del grafeno
(Tiwari, Sahoo, NannanWang, & Huczko, 2020)
27
NANOTECNOLOGÍA APLICADA EN MATERIALES REFRACTARIOS:
UNA REVISIÓN
Carrión & Pilaquinga, 21– 45
El grafeno presenta una elevada área
en relación a su volumen (Al-Nem -
rawi et al., 2019). El grafeno prístino,
tiene un área de 2630 m
2
/g, el gra -
feno negro de humo 850-900 y los
nanotubos de carbono 100-1000
m
2
/g respectivamente.
El grafeno en combinación con ma-
teriales refractarios, mejora su tena-
cidad y resistencia (García, 2016).
Nanopartículas de dióxido de Titanio
(TiO
2)
El dióxido de titanio (TiO
2
) es un mi-
neral natural que se puede encontrar
en forma de rutilo, anatasa y broo kita
(Figura 4). Cuando las estructuras de
la anatasa y la brookita son sometidas
a calor, éstas se con vier ten en rutilo,
que es una estru ctura más estable a
un rango más amplio de temperatu-
ras.
Figura 4. Minerales de TiO
2
(Nyamukamba, Okoh, Mungondori, Taziwa, & Zinya, 2018)
28
InfoANALÍTICA 8(2)
Julio 2020
El TiO
2
presenta propiedades eleva -
das de índice de refracción, no es fo-
todegradable, es químicamente
inerte y presenta estabilidad térmica
(H. Kim et al., 2019). El rutilo, por
ejemplo, tiene un índice de refrac -
ción de 2, 6 a 2,8; punto de fusión de
1825 °C y punto de ebullición de
2500 a 3000 °C. Las nanopartículas
de TiO
2 aprovechan y repotencian las
propiedades del material macro. Su
propiedad fotocatalítica se emplea en
celdas solares, semiconductores, tra -
ta miento de aguas contaminadas,
etc. (Thakur, Kumar, & Kumar, 2019).
Nanopartículas de óxido férrico
(Fe
2
O
3
)
Las nanopartículas de óxido férrico
(Fe
2
O
3
), presentan interesantes pro -
piedades magnéticas (Al-Nemrawi et
al., 2019; Bouafia & Laouini, 2020).
Presentan tamaños menores a 100
nm y una forma esférica, además de
una elevada capacidad de reacción
por intercambio iónico, adsorción o
precipitación iónica. En la Figura 5,
se muestra el núcleo de una nano -
partícula de hierro. Se puede obser -
var que el núcleo, presenta hierro
con valencia cero, mientras que en la
superficie tiene iones de diferente nú-
mero de oxidación. Las nanopartí -
culas de Fe
2
O
3
en materiales
re fractarios, mejoran la dureza, resis-
tencia térmica y eléctrica (X. Q. Li,
Elliott, & Zhang, 2006).
Figura 5. Nanopartículas de hierro
(X. Q. Li et al., 2006)
En la Figura 6, se puede apreciar la
imgen obtenida de un microscopio
de transmisión electrónica (TEM, por
sus siglas en inglés) de las nanopartí-
culas de Fe
2
O
3
.
Figura 6. Imagen TEM
de nanopartículas de Fe
2
O
3
(Menon et al., 2017)
Nanopartículas de magnesia (MgO)
Los materiales de magnesia conven -
cionales poseen muy buenas pro pie -
dades refractarias, tales como alta
resistencia a la compresión en frío
(400-800 kg/cm
2
) y a temperatura
elevada (1500 °C, bajo carga de
2 kg/cm
2
), y alta resistencia al ataque
en medio básico (Alvarez, Criado, &
Baudin, 1992).
Las nanopartículas de óxido de mag-
nesio (MgO) tienen tamaño entre 50-
70 nm (Bhattacharya, Swain, Giri, &
Neogi, 2019). Se pueden emplear en
electrónica, catálisis, cerámica, pro-
ductos petroquímicos, recubri mien -
tos y muchos otros campos (Zou et
al., 2014).
En la Figura 7, se puede apreciar la
imagen TEM de nanopartículas de
zinc con nanopartículas de óxido de
magnesio como refractario.
Figura 7. Material refractario de
nanopartículas de zinc con MgO
(Ghasemi-Kahrizsangi, Barati Sedeh,
Gheisari Dehsheikh, Shahraki,
& Farooghi, 2016)
Nanopartículas de zirconia (ZrO
2
)
El óxido de zirconio o zirconia
(ZrO
2
), es un material con diferentes
estructuras cristalinas dependiendo
de la temperatura, esto quiere decir
que es polimórfico (Zakaria et al.,
2019). La zirconia, es de elevada
resis tencia mecánica y a la fractu ra -
ción (Serve, Boreave, Cartoixa, Pajot,
29
NANOTECNOLOGÍA APLICADA EN MATERIALES REFRACTARIOS:
UNA REVISIÓN
Carrión & Pilaquinga, 21– 45
& Vernoux, 2019). Además, presenta
elevada resistencia a la corrosión, ex-
celentes propiedades eléctricas, es
químicamente inerte y gran estabi li -
dad térmica (Roberts, Dodson, Car -
pinone, & Hagelin-Weaver, 2015;
Sigwadi, Mokrani, & Dhlamini, 2019).
En la Figura 8, se muestra las estruc-
turas cristalinas que del ZrO
2
: mono-
clínica, tetragonal y cúbica.
a) b) c)
Figura 8. Estructuras del ZnO
2
a) mono-
clínica, b) tetragonal y c) cúbica
(Andrade-Guel, Cabello-Alvarado, &
Ávila-Orta, 2019
)
La estructura monoclínica del ZnO
2
es generada a la temperatura ambien -
tal hasta los 1170 ºC, la tetragonal se
obtiene en el rango de 1170-2370 ºC
y la cúbica a temperaturas de 2650 ºC.
Muchos materiales cerámicos están
basados en el ZnO
2
, ya que beneficia
las propiedades de dureza, térmicas
y químicas (Efaw et al., 2020).
Nanopartículas de alúmina (Al
2
O
3
)
Las nanopartículas de óxido de alu -
minio o alúmina (Al
2
O
3
), son consi -
deradas como un material prome -
tedor para el desarrollo de nuevas es-
tructuras a nivel industrial (B. Kim,
Song, Kim, Hwang, & Park, 2019).
Este nanomaterial presenta algunas
ventajas como: elevada resistencia y
dureza, alto punto de fusión, resisten -
cia a la corrosión y capacidad aislan -
te (Sezavar, Zebarjad, & Sajjadi, 2015).
La estabilidad mecánica de la alú -
mina es un factor importante para el
desarrollo de nuevas estructuras, ya
que proporciona alta compactibili -
dad y resistencia a la contracción
(Khalilpourazary & Salehi, 2019). Los
materiales que se usan como soporte
para las nanopartículas Al
2
O
3
, mejo -
ran la estabilidad térmica, reducen su
desgaste y aumentan el nivel de ais-
lamiento térmico. (Khalilpouraza ry &
Salehi, 2019). En la Figura 9, se
puede observar la imagen TEM de las
nanopartículas de Al
2
O
3
.
Este tipo de nanopartículas han lla -
mado la atención de los científicos
debido a sus prometedoras propieda -
des físicas y químicas, resaltando su
biocompatibilidad, resistencia mecá -
ni ca, estabilidad química y su versa -
tilidad para ser sintetizadas (Zamani,
Jafari, Mousavii, & Darezereshki,
2020).
30
InfoANALÍTICA 8(2)
Julio 2020
31
NANOTECNOLOGÍA APLICADA EN MATERIALES REFRACTARIOS:
UNA REVISIÓN
Carrión & Pilaquinga, 21– 45
Figura 9. Imagen TEM de las nanopartí-
culas de Al
2
O
3
(Khalilpourazary & Salehi,
2019)
Nanopartículas de sílice (SiO
2
)
Estos nanomateriales se caracterizan
por tener un soporte de sílice con
poros entre un rango de tamaño de 2
a 50 nm, generando una superficie
externa y otra al interior de los poros,
de allí su versatilidad para ser utili -
zada en el campo de la biotecnología
y la ciencia de materiales (Morales,
Castán, Ortega, & Ruiz, 2019). A
continuación, en la Figura 10, se pre -
senta la estructura y una micrografía
de las nanopartículas de sílice meso -
porosa.
Figura 10. Nanopartículas
de sílice mesoporosa
(Morales et al., 2019)
RESULTADOS
Los resultados de los estudios rea -
lizados, conducen a una tendencia
creciente del uso de nanopartículas
en materiales refractarios. En su aná -
lisis, se corroboran las diferencias de
comportamiento a nivel macro y na -
no métrico. En la Tabla 2, se muestran
los diferentes tipos de nanomateriales
que se han empleado en materiales
refractarios, para mejorar diferentes
propiedades físicas, mecánicas, tér -
mi cas o termomecánicas.
32
InfoANALÍTICA 8(2)
Julio 2020
Tabla 2. Nanomateriales empleados en materiales refractarios
Tipo de Matriz Propiedad mejorada Limitación Referencias
nanopartícula
Grafeno MgO-C Refractariedad (Bag, Adak,
& Sarkar, 2012)
Dispersabilidad (Wang et al., 2014)
Resistencia a la (W. Kim, Oh,
oxidación & Shon, 2015)
(Kumar, Singh,
& Datta, 2017)
Moldeabilidad (Liu, Yan, Reece,
& Jiang, 2012)
TiO
2
MgO-C Resistencia a la (Aneziris, Hubálková,
oxidación & Barabás, 2007)
(Manivasakan et al.,
2010)
SiO
2
Densidad aparente
Expansión térmica (Carlucci et al., 2015)
reversible
Fe
2
O
3
Mg-Cr Sinterizado (Azhari, Golestani-
Fard, & Sarpoolaky,
2009)
Al
2
O
3
Al
2
O
3
-C Esfuerzo mecánico (Roungos & Aneziris, 2012)
Resistencia choque (Ghasemi-Kahrizsangi,
térmico Gheisari Dehsheikh,
Karamian, Ghasemi-
Kahrizsangi, & Vahid
Hosseini, 2017)
Bauxita Cristalización Reduce
la densidad
aparente
Coloides a base Secado rápido (Nouri-Khezrabad,
de Al
2
O
3
y SiO
2
Sinterizado Braulio Pandolfelli,
Estabilidad volumétrica Golestani-Fard,
Aglomeración & Rezaie, 2013)
Esfuerzo mecánico
Refractariedad
Respecto al uso de grafeno, Bag et al.
(2012), desarrollaron el estudio del
comportamiento de los refractarios
de magnesia carbón MgO-C, en pre-
sencia de nanopartículas de grafeno.
Encontraron que su adición permite
reducir la oxidación del car bono de
la matriz refractaria, lo que a su vez
se refleja en un mejor aisla miento tér-
mico del proceso metalúr gico (meta-
lurgia primaria en horno de arco
eléc trico, metalurgia secun da ria en
horno cuchara), reduciendo las pérdi-
das de calor en el metal líquido, y, fi-
nalmente, favoreciendo a la re duc-
ción del consumo de energía eléctri -
ca, que representa alrededor del 28 %
de los costos de transformación del
acero y el 56 % en su balance ener-
gético.
Las nanopartículas de grafeno (Wang
et al., 2014) presentan una alta dis-
persabilidad en la matriz cerámica de
los refractarios de alúmina, y, a su
vez, aceleran la formación de las ra-
mificaciones del cristal cerámico.
Kim et al. (2015), en su investigación
acerca de como mejorar la resisten -
cia a la oxidación de un refractario
de magnesia carbón MgO-C, deter -
minaron que al lograr inhibir o redu -
cir la oxidación del carbono, se
podía reducir la velocidad de oxi -
dación del material refractario en ge-
neral. Para este proceso emplearon
un recubrimiento de nanopartículas
de grafeno. La función del recubri -
miento con grafeno, es su reacción
con el oxígeno y así evitar la oxida -
ción del carbono presente en el ma -
terial refractario. En la Figura 11, se
muestran imágenes comparativas
entre los grados de oxidación de un
refractario MgO-C sin recubrimiento
(a), y con recubrimiento de grafeno
(b).
Figura 11. Material refractario de MgO-C
sin partículas de grafeno (a y b), y
con partículas de recubrimiento (b y d)
(E. H. Kim, Cho, Lim, Byeun, & Jung,
2015)
Adicionalmente, respecto a las nano -
partículas de grafeno, se ha desarro-
llado un estudio para mejorar las
pro piedades de moldeabilidad de los
concretos monolíticos, debido a este
33
NANOTECNOLOGÍA APLICADA EN MATERIALES REFRACTARIOS:
UNA REVISIÓN
Carrión & Pilaquinga, 21– 45
nanomaterial puede humectarse en
agua (Kumar et al., 2017). En la Fi-
gura 12, se muestran los de humec -
tabilidad del grafeno a diferentes
concentraciones. Liu et al. (2012);
respecto al uso del grafeno en mate -
riales refractarios, determinaron que
este nanomaterial presenta excelente
dispersión en la matriz cerámica, y,
además, no presenta daños al ser so -
me tido a la temperatura de sinteri -
zación.
Figura 12. Grafito natural (a),
10% grafeno (b) y 15% grafeno (c)
(Kumar et al., 2017)
Al analizar el uso de nanopartículas
de TiO
2
, Aneziris et al. (2007), desa-
rrollaron un trabajo de investigación
acerca de la influencia en la microes-
tructura en ladrillos refractarios de
magnesia y carbón (MgO-C), modifi -
cado con partículas de TiO
2
. Su prin-
cipal aporte fue la mejora en la
resistencia a la oxidación. Además,
determinaron que a medida que dis -
mi nuye el tamaño a nanopartícula de
TiO
2
, esta propiedad mejora signifi -
ca tivamente. En la Figura 13, se
mues tra un ladrillo refractario de
MgO-C con nanopartículas de TiO
2
(A) y sin nanopartículas (B).
Figura 13. Ladrillo refractario de MgO-C
(a) con nanopartículas de TiO
2
y (b) sin nanopartículas
Aneziris et al., 2007)
Manivasakan y Venkatachalaman
(2010), emplearon nanopartículas de
TiO
2
a partir de mineral ilmenita pro-
veniente de la India, y las aplica ron
en ladrillos refractarios de sílice, ob-
teniendo como resultado principal
una mejora en la densidad aparente,
lo cual incide directamente en la re-
versibilidad de su expansión térmi ca.
En la Tabla 3, se muestran la va ria -
ción de las propiedades con la apli-
cación de las nanopartículas de TiO
2
,
sobre un ladrillo refractario de sílice.
34
InfoANALÍTICA 8(2)
Julio 2020
35
NANOTECNOLOGÍA APLICADA EN MATERIALES REFRACTARIOS:
UNA REVISIÓN
Carrión & Pilaquinga, 21– 45
Tabla 3. Propiedades con/sin nano TiO
2
(Manivasakan y Venkatachalaman,
2010)
Parámetro Ladrillo de sílice
Sin nano TiO
2
Con nano TiO
2
Densidad
aparente 1,80 +/- 0,10 1,92 +/- 0,01
(Kg/m
3
)
Expansión
térmica
reversible
1,35 +/- 0,01 1,15 +/- 0,01
a 1000 °C
Carlucci et al. (2015) aportaron al es-
tudio del efecto del TiO
2
en la matriz
refractaria de sílice, indicando que
disminuye la porosidad del ma te rial.
En la Figura 14, se muestran cuatro
micrografías obtenida por microsco-
pía electrónica de barrido (SEM, por
sus siglas en inglés), donde se pueden
apreciar las diferencias entre el ma-
terial sin nanopartículas de TiO
2
que
presenta porosidades y grietas (A y
C), y el material modificado (B y D),
a diferentes escalas de medida (500
y 200 µm respectivamente).
Figura 14. Micrografías SEM de un material refractario
de sílice (a y b) sin partículas y con partículas de TiO
2
(b y c).
(Carlucci et al., 2015)
Usando nanopartículas de Fe
2
O
3
, Az-
hari et al. (2009) estudiaron el efecto
de la inclusión de nanopar tículas de
óxidos de hierro en la microestruc-
tura de una matriz de ladrillos refrac-
tarios magnesia-cromo Mg-Cr. El es-
tudio encontró que la pre sen cia de
nanopartículas de óxido férrico
(Fe
2
O
3
), favorece a la forma ción de
espinela magnesio ferrítica
(MgAl
2
O
4
) a bajas temperaturas, me -
jo rando el proceso de sinterizado de
la matriz del material refractario.
Por otro lado, al emplear nanopartí cu -
las de MgO, Braulio et al. (2008), es-
tudiaron los mecanismos de
expan sión de la espinela de magnesia
(MgAl
2
O
4
) en un cuerpo refractario, a
través de la adición de nanopartí culas
de MgO, con el objetivo de: anticipar
la temperatura de reacción que da ini-
cio a la formación de la espinela, y a
la vez reducir su expan sión, brin -
dando mejores caracterís ticas térmi -
cas al material. La adición de las nano-
partículas de MgO debe ser máximo
del 3 % en peso, debido a que en ma-
yores cantidades no se encuentran be-
neficios en términos del control de la
expansión de la espinela.
Al utilizar nanopartículas de ZrO
2
,
Chen et al. (2007) realizaron un es tu -
dio de las propiedades de una matriz
refractaria de magnesia calcita MgO-
CaO sinterizando polvos de zirconita
ZrO
2
a 1600 °C. El estudio evidenció
un notable incremento en la densifi-
cación de la matriz MgO-CaO,
cuando el tamaño de las partículas
de ZrO
2
fue llevado a es cala nano.
En la Figura 15, se muestra una com-
paración entre el peso de ZrO
2
(%) vs
la densidad aparente y el porcentaje
de poro sidad. Claramente se puede
observar que la densidad apa rente se
incrementa con el por cen taje en peso
de ZrO
2
, mientras que la porosidad
tiene un compor tamiento inverso,
siendo mayor el efecto cuando el ta-
maño de la partí cula es a escala
nano.
Con nanopartículas de alúmina
Al
2
O
3
, Roungos y Aneziris (2012) es-
tudiaron el comportamiento de las
nanopartículas de polvo de alúmina,
espinela y carbón en una matriz
refrac taria de alúmina y carbón
Al
2
O
3
-C, y determinaron que existe
una mejora en el esfuerzo mecánico
tanto a temperatura ambiente como
a 1400 °C (temperatura de trabajo),
así como también en la resistencia al
choque térmico.
Ghasemi et al. (2017), en su estudio
referente al efecto de las nanopar -
tículas de Al
2
O
3
, al ser incorporadas
en un concreto de bajo cemento de
matriz bauxítica, modifican sus pro -
piedades físicas y mecánicas. Deter -
minaron que la adición de las nano-
36
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Julio 2020
37
NANOTECNOLOGÍA APLICADA EN MATERIALES REFRACTARIOS:
UNA REVISIÓN
Carrión & Pilaquinga, 21– 45
partículas de Al
2
O
3
en cantidades in-
feriores a 1 % en peso, favorecen la
formación de compuestos cristalinos
planos y tipo aguja, que se incrustan
en los límites de grano de las partícu-
las de bauxita, mejorando sus propie-
dades como aislante térmico, así
como, su resistencia mecánica. Sin
embargo, el efecto negativo se vio en
la reducción de la densidad aparente
del material.
Finalmente, Khezrabad et al. (2013),
estudiaron el uso de la alúmina y sí-
lica nanométrica coloidal, como ele-
mentos ligantes en reemplazo del ce-
mento calcio aluminato. Luego de la
investigación se llegó a determinar
que el uso de los coloides de sílica y
alumina mejoran propiedaes como:
secado rápido, alta sinterabilidad, es-
tabilidad volumétrica, aglomera ción,
esfuerzo mecánico, y propie da des
termomecánicas a altas temperaturas.
En la Figura 16, se muestran ejemplos
de los perfiles de erosión de muestras
refractarias con: cemento calcio alu-
minato, alúmina hidratable, nanosí-
lica coloidal y nanoalúmina coloidal.
Figura 15. Porcentaje (%p/p) de ZrO
2
vs densidad aparente y porosidad
(Chen, Lu, & Yu, 2007)
38
InfoANALÍTICA 8(2)
Julio 2020
Figura 16. Erosión de cemento calcio aluminato
sin nanopartículas coloidales (a y b) y con nanopartículas de sílice y alúmina (c y d)
(Ghasemi-Kahrizsangi et al., 2017).
Se puede observar que las muestras con suspensiones nanocoloidales
presentan una menor erosión.
CONCLUSIÓN
El uso de nanomateriales para mejo -
rar las propiedades físicas, mecáni -
cas, térmicas y termomecánicas de
los materiales refractarios, se ha po -
dido notar en el resultado de las in -
ves tigaciones analizadas. Es impor tan-
te considerar la proporción de la
mezcla del material y nanomaterial,
ya que cuando se superan los valores
límites, algunas de las propiedades se
ven afectadas y por lo tanto las carac -
terísticas del material final. Todos los
estudios han sido llevados a cabo a
nivel de laboratorio, y sería un gran
aporte para la industria, que se tome
como base el desarrollo de las publi-
caciones científicas.
AGRADECIMIENTOS
Este estudio fue realizado como pro -
yecto final de la asignatura de Nano -
tec nologías y Materiales Funcionales
para Diseño, de la Maestría en Dise -
ño Industrial y de Procesos de la Uni-
versidad Internacional SEK del Ecua-
dor, a cargo de la Ph. D. (c) Fer nanda
Pilaquinga.
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NANOTECNOLOGÍA APLICADA EN MATERIALES REFRACTARIOS:
UNA REVISIÓN
Carrión & Pilaquinga, 21– 45
LISTA DE REFERENCIAS
Al-Nemrawi, N. K., AbuAlSamen, M. M., & Alzoubi, K. H. (2019). Awareness about na-
notechnology and its applications in drug industry among pharmacy students. Cu-
rrents in Pharmacy Teaching and Learning, 0–1. https://doi.org/10.1016/j.
cptl.2019.12.003
Alivisatos, A. P. (1996). Semiconductor clusters, nanocrystals, and quantum dots.
Science, 271(5251), 933–937. https://doi.org/10.1126/science.271.5251.933
Alvarez, C., Criado, E., & Baudin, C. (1992). Refractarios de magnesia-grafito. In BOL.
SOC. ESP. CERAM. VIDR (Vol. 31).
Andrade-Guel, M. L., Cabello-Alvarado, C. J., & Ávila-Orta, C. A. (2019). Dióxido de
zirconio: alternativas de síntesis y aplicaciones biomédicas. Retrieved February 9,
2020, from CienciaUAT website: http://www.revistaciencia.uat.edu.mx/index.php/
CienciaUAT/article/view/1152/591
Aneziris, C. G., Hubálková, J., & Barabás, R. (2007). Microstructure evaluation of MgO-
C refractories with TiO2- and Al-additions. Journal of the European Ceramic So-
ciety, 27(1), 73–78. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2006.03.001
Azhari, A., Golestani-Fard, F., & Sarpoolaky, H. (2009). Effect of nano iron oxide as an
additive on phase and microstructural evolution of Mag-Chrome refractory matrix.
Journal of the European Ceramic Society, 29(13), 2679–2684. https://doi.org/10.
1016/j.jeurceramsoc.2009.03.032
Bag, M., Adak, S., & Sarkar, R. (2012). Study on low carbon containing MgO-C refrac-
tory: Use of nano carbon. Ceramics International, 38(3), 2339–2346.
https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2011.10.086
Bhattacharya, P., Swain, S., Giri, L., & Neogi, S. (2019). Fabrication of magnesium oxide
nanoparticles by solvent alteration and their bactericidal applications. Journal of
Materials Chemistry B, 7(26), 4141–4152. https://doi.org/10.1039/c9tb00782b
40
InfoANALÍTICA 8(2)
Julio 2020
Bouafia, A., & Laouini, S. E. (2020). Green synthesis of iron oxide nanoparticles by
aqueous leaves extract of Mentha Pulegium L.: Effect of ferric chloride concentra-
tion on the type of product. Materials Letters, 265, 127364. https://doi.org/
10.1016/j.matlet.2020.127364
Carlucci, C., Conciauro, F., Scremin, B. F., Antico, A. G., Muscogiuri, M., Sibillano, T.,
… Ciccarella, G. (2015). Properties of aluminosilicate refractories with synthesized
boron-modified TiO 2 nanocrystals. Nanomaterials and Nanotechnology, 5(1), 1–
7. https://doi.org/10.5772/60204
Chandra, H., Kumari, P., Bontempi, E., & Yadav, S. (2020). Medicinal plants: Treasure
trove for green synthesis of metallic nanoparticles and their biomedical applica-
tions. Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, 101518. https://doi.org
/10.1016/j.bcab.2020.101518
Chen, M., Lu, C., & Yu, J. (2007). Improvement in performance of MgO-CaO refractories
by addition of nano-sized ZrO2. Journal of the European Ceramic Society, 27(16),
4633–4638. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2007.04.001
Dehsheikh, H. G., Ghasemi-Kahrizsangi, S., Karamian, E., & Nemati, A. (2019). Recent
Advancement in monolithic refractories via application of Nanotechnology ``A re-
view Paper’’. Journal of Nanoanalysis, 6(1), 1–20. https://doi.org/10.22034
/jna.2019.664385
Efaw, C. M., Vandegrift, J. L., Reynolds, M., Jaques, B. J., Hu, H., Xiong, H., & Hurley,
M. F. (2020). Characterization of zirconium oxides part II: New insights on the
growth of zirconia revealed through complementary high-resolution mapping te-
chniques. Corrosion Science, 108491. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2020.
108491
Fu, L., Gu, H., Huang, A., Zhang, M., & Wu, J. (2020). Fabrication of CaO–MgO–Al2O3
materials from metallurgical waste industrial residue and their potential usage in
MgO–C refractories. Ceramics International, 46(1), 959–967. https://doi.org/10.
1016/j.ceramint.2019.09.057
García, D. (2016). Estudio del daño por contacto de materiales compuesto cerámica/
grafeno.
41
NANOTECNOLOGÍA APLICADA EN MATERIALES REFRACTARIOS:
UNA REVISIÓN
Carrión & Pilaquinga, 21– 45
Ghasemi-Kahrizsangi, S., Barati Sedeh, M., Gheisari Dehsheikh, H., Shahraki, A., & Fa-
rooghi, M. (2016). Densification and properties of ZrO2 nanoparticles added mag-
nesia–doloma refractories. Ceramics International, 42(14), 15658–15663.
https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.07.021
Ghasemi-Kahrizsangi, S., Gheisari Dehsheikh, H., Karamian, E., Ghasemi-Kahrizsangi,
A., & Vahid Hosseini, S. (2017). The influence of Al2O3 nanoparticles addition on
the microstructure and properties of bauxite self–flowing low-cement castables.
Ceramics International, 43(12), 8813–8818. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.
2017.04.013
Güeto, J. M. (2010). Tecnología de los materiales cerámicos. Retrieved February 8, 2020,
from Google Libros website: https://books.google.com.ec/books?id=4H6OXg
N1w6wC&printsec=frontcover&dq=material+refractarios+pdf&hl=es-
419&sa=X&ved=0ahUKEwiLueeUscPnAhWro1kKHUJIAb8Q6AEIMjAB#v=one-
page&q&f=false
Hancock, D., Homfray, D., Porton, M., Todd, I., & Wynne, B. (2018). Refractory metals
as structural materials for fusion high heat flux components. Journal of Nuclear
Materials, 512, 169–183. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2018.09.052
Jamkhande, P. G., Ghule, N. W., Bamer, A. H., & Kalaskar, M. G. (2019, October 1).
Metal nanoparticles synthesis: An overview on methods of preparation, advantages
and disadvantages, and applications. Journal of Drug Delivery Science and Te-
chnology, Vol. 53. https://doi.org/10.1016/j.jddst.2019.101174
Khalilpourazary, S., & Salehi, J. (2019). How alumina nanoparticles impact surface cha-
racteristics of Al7175 in roller burnishing process. Journal of Manufacturing Pro-
cesses, 39, 1–11. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2019.01.027
Khoroshavin, L. B., & Perepelitsyn, V. A. (1999). On the nanotechnology of refractories.
Refractories and Industrial Ceramics, 40(11–12), 553–557. https://doi.org/10.
1007/BF02762640
Kim, B., Song, J., Kim, J. Y., Hwang, J., & Park, D. (2019). The control of particle size dis-
tribution for fabricated alumina nanoparticles using a thermophoretic separator.
Advanced Powder Technology, 30(10), 2094–2100. https://doi.org/10.1016/
j.apt.2019.06.023
42
InfoANALÍTICA 8(2)
Julio 2020
Kim, E. H., Cho, G. H., Lim, H. T., Byeun, Y. K., & Jung, Y. G. (2015). Development of
MgO-C refractory having high oxidation resistance by metal coating process. Jour-
nal of Nanoscience and Nanotechnology, 15(1), 514–517. https://doi.org/
10.1166/jnn.2015.8338
Kim, H., Jeon, D., Oh, S., Nam, K. S., Son, S., Chan Gye, M., & Shin, I. (2019). Titanium
dioxide nanoparticles induce apoptosis by interfering with EGFR signaling in
human breast cancer cells. Environmental Research, 175, 117–123.
https://doi.org/10.1016/j.envres.2019.05.001
Kim, W., Oh, H. S., & Shon, I. J. (2015). The effect of graphene reinforcement on the
mechanical properties of Al2O3 ceramics rapidly sintered by high-frequency in-
duction heating. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials,
48, 376–381. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2014.10.011
Kumar, K., Singh, R. K., & Datta, R. (2017). Water wettable graphite through nanote-
chnology and its application in refractories. InterCeram: International Ceramic Re-
view, 66(1–2), 30–35. https://doi.org/10.1007/bf03401199
Li, X. Q., Elliott, D. W., & Zhang, W. X. (2006). Zero-valent iron nanoparticles for aba-
tement of environmental pollutants: Materials and engineering aspects. Critical
Reviews in Solid State and Materials Sciences, 31(4), 111–122. https://doi.org/
10.1080/10408430601057611
Li, X., & Zhi, L. (2018, May 7). Graphene hybridization for energy storage applications.
Chemical Society Reviews, Vol. 47, pp. 3189–3216. https://doi.org/10.1039/
c7cs00871f
Liu, J., Yan, H., Reece, M. J., & Jiang, K. (2012). Toughening of zirconia/alumina compo -
sites by the addition of graphene platelets. Journal of the European Ceramic So-
ciety, 32(16), 4185–4193. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2012.07.007
Manivasakan, P., Rajendran, V., Rauta, P. R., Sahu, B. B., Sahu, P., Panda, B. K., … Jega-
desan, S. (2010). Effect of TiO2 nanoparticles on properties of silica refractory.
Journal of the American Ceramic Society, 93(8), 2236–2243. https://doi.org/
10.1111/j.1551-2916.2010.03727.x
43
NANOTECNOLOGÍA APLICADA EN MATERIALES REFRACTARIOS:
UNA REVISIÓN
Carrión & Pilaquinga, 21– 45
Menon, P. K., Sharma, A., Lafuente, J. V., Muresanu, D. F., Aguilar, Z. P., Wang, Y. A., …
Sharma, H. S. (2017). Intravenous Administration of Functionalized Magnetic Iron
Oxide Nanoparticles Does Not Induce CNS Injury in the Rat: Influence of Spinal
Cord Trauma and Cerebrolysin Treatment. In International Review of Neurobiology
(Vol. 137, pp. 47–63). https://doi.org/10.1016/bs.irn.2017.08.005
Morales, M. E., Castán, H., Ortega, E., & Ruiz, M. A. (2019). Silica Nanoparticles: Pre-
paration, Characterization and Applications in Biomedicine. Pharmaceutical Che-
mistry Journal, 53(4), 329–336. https://doi.org/10.1007/s11094-019-02001-3
Moreno, L. M. V. (2008). Materiales industriales. Teoría y aplicaciones. Retrieved Fe-
bruary 8, 2020, from Google Libros website: https://books.google.com.ec/
books?id=VSdtMx8Oj8wC&pg=PA131&dq=material+refractarios+pdf&hl=es-
419&sa=X&ved=0ahUKEwiLueeUscPnAhWro1kKHUJIAb8Q6AEIOzAC#v=one-
page&q=material refractarios pdf&f=false
Nouri-Khezrabad, M., Braulio, M. A. L., Pandolfelli, V. C., Golestani-Fard, F., & Rezaie,
H. R. (2013). Nano-bonded refractory castables. Ceramics International, 39(4),
3479–3497. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2012.11.028
Nyamukamba, P., Okoh, O., Mungondori, H., Taziwa, R., & Zinya, S. (2018). Synthetic
Methods for Titanium Dioxide Nanoparticles: A Review. In Titanium Dioxide - Ma-
terial for a Sustainable Environment. https://doi.org/10.5772/intechopen.75425
Pham, M. H., Khazaeli, A., Godbille-Cardona, G., Truica-Marasescu, F., Peppley, B., &
Barz, D. P. J. (2020). Printing of graphene supercapacitors with enhanced capaci-
tances induced by a leavening agent. Journal of Energy Storage, 28.
https://doi.org/10.1016/j.est.2020.101210
Roberts, S. J., Dodson, J. J., Carpinone, P. L., & Hagelin-Weaver, H. E. (2015). Evaluation
of nanoparticle zirconia supports in the thermochemical water splitting cycle over
iron oxides. International Journal of Hydrogen Energy, 40(46), 15972–15984.
https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.09.109
Roungos, V., & Aneziris, C. G. (2012). Improved thermal shock performance of Al 2O 3-
C refractories due to nanoscaled additives. Ceramics International, 38(2), 919–
927. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2011.08.011
44
InfoANALÍTICA 8(2)
Julio 2020
Roy, J., Chandra, S., & Maitra, S. (2019). Nanotechnology in castable refractory. Ceramics
International, 45(1), 19–29. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.09.261
Serve, A., Boreave, A., Cartoixa, B., Pajot, K., & Vernoux, P. (2019). Synergy between Ag
nanoparticles and yttria-stabilized zirconia for soot oxidation. Applied Catalysis
B: Environmental, 242, 140–149. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2018.09.069
Sezavar, A., Zebarjad, S., & Sajjadi, S. (2015). A Study on the Effect of Nano Alumina
Particles on Fracture Behavior of PMMA. Technologies, 3(2), 94–102.
https://doi.org/10.3390/technologies3020094
Sigwadi, R., Mokrani, T., & Dhlamini, M. (2019). The synthesis, characterization and
electrochemical study of zirconia oxide nanoparticles for fuel cell application.
Physica B: Condensed Matter. https://doi.org/10.1016/j.physb.2019.411842
Thakur, B. K., Kumar, A., & Kumar, D. (2019). Green synthesis of titanium dioxide nano-
particles using Azadirachta indica leaf extract and evaluation of their antibacterial
activity. South African Journal of Botany, 124, 223–227. https://doi.org/10.1016/
j.sajb.2019.05.024
Tiwari, S. K., Sahoo, S., NannanWang, & Huczko, A. (2020). Graphene Research and
their Outputs: Status and Prospect. Journal of Science: Advanced Materials and
Devices. https://doi.org/10.1016/j.jsamd.2020.01.006
Wang, Q., Li, Y., Luo, M., Sang, S., Zhu, T., & Zhao, L. (2014). Strengthening mechanism
of graphene oxide nanosheets for Al 2O3-C refractories. Ceramics International,
40(1 PART A), 163–172. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.05.117
William D. Callister. (2002). Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales. Re-
trieved February 8, 2020, from Google libros website: https://books.google.com.ec
/books?id=gnfPV1txXiUC&pg=PA445&dq=MATERIAL+REFRACTARIOS&hl=es-
419&sa=X&ved=0ahUKEwjWmZSdhsDnAhWRnFkKHaLjB50Q6AEIMTAB#v=on
epage&q&f=false
Wu, D. Y., Zhou, W. H., He, L. Y., Tang, H. Y., Xu, X. H., Ouyang, Q. S., & Shao, J. J.
(2020). Micro-corrugated graphene sheet enabled high-performance all-solid-state
film supercapacitor. Carbon, 160, 156–163. https://doi.org/10.1016 /j.carbon.
2020.01.019
45
NANOTECNOLOGÍA APLICADA EN MATERIALES REFRACTARIOS:
UNA REVISIÓN
Carrión & Pilaquinga, 21– 45
Zakaria, M. B., Malgras, V., Nagata, T., Kim, J., Bando, Y., Fatehmulla, A., … Lin, J. (2019).
Gold nanoparticles anchored on mesoporous zirconia thin films for efficient ca-
talytic oxidation of carbon monoxide at low temperatures. Microporous and Me-
soporous Materials, 288. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2019.05.055
Zamani, H., Jafari, A., Mousavii, S. M., & Darezereshki, E. (2020). Biosynthesis of silica
nanoparticle using Saccharomyces cervisiae and its application on enhanced oil
recovery. Journal of Petroleum Science and Engineering, 107002. https://doi.org/
10.1016/j.petrol.2020.107002
Zou, L., Guo, J., Liu, J., Zou, Z., Akins, D. L., & Yang, H. (2014). Highly alloyed PtRu
black electrocatalysts for methanol oxidation prepared using magnesia nanopar-
ticles as sacrificial templates. Journal of Power Sources, 248, 356–362. https://doi.
org/10.1016/j.jpowsour.2013.09.086
