MOFs: convertir materiales porosos en soluciones industriales
Los MOFs (metal-organic frameworks o redes metalorgánicas) despiertan interés por su capacidad para capturar y separar moléculas. Para aprovecharlos industrialmente, hay que producirlos de forma reproducible y darles un formato adecuado para su aplicación. La mecanoquímica y la extrusión reactiva ofrecen vías para reducir el uso de disolventes en su síntesis, avanzar hacia una fabricación continua y explorar su incorporación en materiales poliméricos.
¿Qué son los MOFs y por qué interesan?
Los MOFs, del inglés metal–organic frameworks, son redes metalorgánicas formadas por centros metálicos y ligandos orgánicos.
Muchas de estas estructuras poseen:
- poros de tamaño molecular
- una elevada superficie interna
La elección de sus componentes permite ajustar la afinidad por ciertas sustancias: una característica de interés para aplicaciones de separación y captura, incluidas las de seguridad y defensa.
¿Por qué la fabricación determina la viabilidad?
Llevar estos materiales a la industria requiere producirlos de forma reproducible y a un coste viable.
Algunas síntesis utilizan grandes cantidades de disolvente, que después hay que separar y gestionar. Además, el polvo obtenido necesita un formato adecuado para su uso, conservando el acceso a sus poros. La mecanoquímica y la extrusión reactiva permiten trabajar sobre ambas necesidades.
¿Cómo simplifica la mecanoquímica la síntesis?
La mecanoquímica utiliza la energía de los impactos y la fricción para favorecer reacciones. En el molino de bolas, la mezcla y la renovación de superficies mantienen los reactivos en contacto, permitiendo trabajar directamente con sólidos. Para las síntesis que admiten esta vía, esto reduce la dependencia de disolver los componentes en grandes volúmenes de líquido.
La ventaja práctica es concentrar el proceso en los reactivos y reducir el disolvente que debe almacenarse, manejarse y recuperarse. Esto simplifica las operaciones asociadas a su uso y abre oportunidades para reducir consumos y residuos.
Extrusión reactiva para producir en continuo
La extrusión reactiva (REX) reúne: alimentación, mezclado y reacción en un mismo equipo. Sus husillos renuevan el contacto entre los componentes mientras avanzan por zonas con temperatura controlada. La extrusora puede sintetizar el MOF directamente a partir de sus precursores, actuando como reactor químico.
El funcionamiento continuo permite obtener mayores cantidades prolongando la operación, con entrada de reactivos y salida de producto simultáneas. Además, ajustar: la dosificación, la temperatura y el tiempo de residencia ofrece herramientas para mantener condiciones de fabricación reproducibles. Esto facilita pasar de estudiar una reacción a preparar material para formulaciones y pruebas de aplicación.
En AIMPLAS hemos obtenido ZIF-8 y MOF-5 tanto en molino de bolas como en extrusora de doble husillo, con los siguientes resultados:
- Se alcanzaron producciones de 1 kg/h en continuo.
- Los materiales presentaron la estructura tridimensional esperada y una superficie específica BET comparable a la de referencias comerciales.
En estos desarrollos, los disolventes se limitaron a los lavados posteriores para eliminar posibles reactivos residuales.
Del polvo a un material que pueda transformarse
Integrar un MOF en un polímero abre la posibilidad de obtener piezas o películas funcionales más fáciles de manejar que el polvo.
La extrusión permite distribuir las partículas en la matriz y, cuando se diseña un proceso reactivo, aprovechar el mismo equipo para sintetizar el MOF o modificar la interacción entre los componentes.
Reunir estas operaciones puede reducir etapas de preparación y facilitar la fabricación del composite.
Nuestra experiencia con nanopartículas funcionalizadas muestra cómo intervenir en esa interfaz. En desarrollos de plásticos orientados a aplicaciones en electrónica, la REX permitió unir estas partículas a cadenas poliméricas y preparar concentrados o masterbatches con altas cargas, mejorando su distribución y reduciendo la aglomeración. Su posterior dilución permite ajustar el contenido de partículas en el material final.
La literatura también describe composites de ZIF-8 y ZIF-67 con polipropileno y poliestireno obtenidos por extrusión reactiva. Estos precedentes, junto con nuestra experiencia en modificación de nanopartículas e integración en matrices poliméricas, abren nuevas posibilidades para incorporar MOFs en materiales transformables, seleccionando la química y las condiciones de procesado adecuadas para preservar su funcionalidad porosa.
¿Cómo conectar la ruta de fabricación con la aplicación?
Para las empresas, conectar síntesis, modificación y procesado permite abordar el desarrollo del material desde la función final que se quiere alcanzar. En aplicaciones de filtración, por ejemplo, esto abre la posibilidad de combinar la capacidad adsorbente de los MOFs con la facilidad de transformación de una matriz polimérica, generando materiales adaptables a diferentes formatos y necesidades de uso.
En AIMPLAS combinamos:
- síntesis
- modificación química
- procesado
- y plantas piloto
para desarrollar materiales avanzados y avanzar desde el material poroso hasta su incorporación en formulaciones y productos.
¿Buscas desarrollar un MOF, estudiar una ruta de producción más eficiente o integrarlo en una matriz polimérica?
Podemos ayudarte a definir y validar el proceso más adecuado para su aplicación.
Preguntas frecuentes sobre MOFs
Es un material poroso formado por centros metálicos unidos a ligandos orgánicos. Muchas de estas estructuras tienen poros de tamaño molecular y una elevada superficie interna, y la elección de sus componentes permite ajustar su afinidad por determinadas sustancias.
Sí, determinadas síntesis mecanoquímicas pueden realizarse sin añadir disolvente durante la reacción. En los desarrollos de AIMPLAS con ZIF-8 y MOF-5, su uso se limitó a los lavados posteriores para eliminar posibles reactivos residuales. Esto permite reducir las necesidades de disolvente de la etapa de síntesis.
En AIMPLAS hemos alcanzado una producción de 1 kg/h en continuo en desarrollos con ZIF-8 y MOF-5, obteniendo la estructura cristalina esperada y una superficie específica BET comparable a la de referencias comerciales. Este caudal no constituye un límite de la tecnología: una vez validada la síntesis, se puede aumentar la producción aprovechando la capacidad de la extrusora o utilizando equipos de mayor tamaño, ajustando la alimentación, el mezclado y el tiempo de residencia para mantener la calidad del material.
Es el reto principal del composite. La extrusión reactiva combina el mezclado que distribuye las partículas con reacciones que mejoran su interacción con la matriz, y la química y las condiciones de procesado deben seleccionarse para preservar el acceso a los poros.