Material sólido compuesto eléctricamente conductor y procedimiento de obtención de un material de este tipo.

Material sólido compuesto eléctricamente conductor que comprende:

- una matriz sólida de material eléctricamente aislante,

- una carga de material eléctricamente conductor,

caracterizado por que la mencionada carga comprende unas nanopartículas, denominas nanopartículas

(1) filiformes, que presentan:

o una longitud que se extiende según una dirección principal de alargamiento,

o dos dimensiones, denominadas dimensiones ortogonales, que se extienden según dos direcciones transversales ortogonales entre sí y ortogonales a la mencionada dirección principal de alargamiento, siendo las mencionadas dimensiones ortogonales inferiores a la mencionada longitud e inferiores a 500 nm, y

o dos relaciones, denominadas factores de forma, entre la mencionada longitud y cada una de las dos dimensiones ortogonales, siendo los mencionados factores de forma superiores a 50,

estando repartidas las mencionadas nanopartículas (1) filiformes en el volumen de la matriz sólida con una cantidad en volumen inferior a 10 %, concretamente inferior a 5 %.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/FR2009/051442.

Solicitante: UNIVERSITE PAUL SABATIER (TOULOUSE III).

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: 118 route de Narbonne 31062 Toulouse cedex 4 FRANCIA.

Inventor/es: Lacabanne,Colette, LONJON,ANTOINE, DANTRAS,ERIC, DEMONT,PHILIPPE.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > COMPUESTOS MACROMOLECULARES ORGANICOS; SU PREPARACION... > UTILIZACION DE SUSTANCIAS INORGANICAS U ORGANICAS... > Utilización de ingredientes inorgánicos > C08K3/08 (Metales)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > CABLES; CONDUCTORES; AISLADORES; ,o EMPLEO DE MATERIALES... > Conductores o cuerpos conductores caracterizados... > H01B1/22 (el material conductor contiene metales o aleaciones)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > COMPUESTOS MACROMOLECULARES ORGANICOS; SU PREPARACION... > UTILIZACION DE SUSTANCIAS INORGANICAS U ORGANICAS... > Utilización de mezclas de ingredientes no previstos... > C08K13/06 (Ingredientes pretratados e ingredientes previstos en los grupos principales C08K 3/00 - C08K 7/00)

PDF original: ES-2498090_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

La invención se refiere a un material sólido compuesto eléctricamente conductor y a un procedimiento de obtención de un material de este tipo.

En numerosas aplicaciones, se busca obtener materiales sólidos compuestos que, por una parte, presenten las ventajas de los materiales compuestos con respecto a los metales en cuanto a propiedades mecánicas (concretamente mayor ligereza para una rigidez o una resistencia equivalente), pero que, por otra parte, sean eléctricamente conductores, es decir que presenten una conductividad eléctrica superior a 1 S.m"1, típicamente aproximadamente 12 S.m'1. Este es el caso, en particular, para la realización de piezas de soporte o de estructura (chasis, placas...), de materiales (colas, juntas) para el ensamblaje de piezas de estructura o para el revestimiento (pinturas) de piezas de vehículos y, más particularmente, de aeronaves y de vehículos automóviles.

En otras aplicaciones, se busca obtener materiales sólidos compuestos de este tipo que sean, asimismo, térmicamente conductores, es decir que presenten una conductividad térmica superior a 1'4W/mK. Este es el caso, en particular, para la realización de piezas susceptibles de calentarse por efecto Joule, concretamente para su desescarchado.

La invención abarca, asimismo, un material compuesto condensado de gran viscosidad, concretamente colas que presentan una conductividad térmica de este tipo y/o una conductividad eléctrica de este tipo, pero que, no obstante, siguen siendo susceptibles de fluir.

Ya se ha propuesto la incorporación de cargas de partículas micrométricas o nanométricas de material eléctricamente conductor, concretamente de nanotubos de carbono, en materiales compuestos (cf. WO 1/87193). Sin embargo, el problema que se plantea es obtener una conductividad suficiente sin degradación de las propiedades mecánicas del material compuesto. De hecho, las mejores conductividades obtenidas son de aproximadamente 1'1 S.m"1 con los nanotubos de carbono con niveles de carga muy reducidos (alrededor del 1 % volúmico) sin degradación notable de las propiedades mecánicas. Por otra parte, las conductividades máximas se obtienen a costa de una cantidad volúmica superior al 25 %, típicamente aproximadamente el 5 %, que modifica considerablemente las propiedades mecánicas del material compuesto obtenido.

Por lo tanto, la invención tiene por objeto proponer un material sólido compuesto que presente simultáneamente propiedades mecánicas comparables a las de los materiales compuestos aislantes, pero una conductividad eléctrica

superior a 1 S.m'1.

Asimismo, la invención tiene por objeto proponer un material compuesto de este tipo que presente propiedades mecánicas conservadas respecto a los materiales compuestos aislantes, pero asimismo una conductividad térmica aumentada, concretamente con un factor 2., respecto a los materiales compuestos aislantes.

Más particularmente, la invención tiene por objeto proponer un material sólido compuesto que presente una matriz sólida (homogénea o compuesta) de material eléctricamente aislante y una conductividad eléctrica superior a 1 S.m'1, siendo las propiedades mecánicas finales del material sólido compuesto según la invención al menos el 9 % las de la matriz sólida.

Además, la invención tiene por objeto proponer un material compuesto que presente una conductividad eléctrica superior a 1 S.m"1, pero en el que la sobrecarga másica relacionada con el constituyente eléctricamente conductor en el material compuesto no exceda del 3 %.

Asimismo, la invención tiene por objeto proponer un procedimiento de obtención de un material de este tipo según la invención que sea sencillo, poco costoso, rápido de emplear y respetuoso con el medio ambiente que permita la realización de piezas con cualquier forma con composiciones de materiales que, asimismo, puedan ser diversas.

Para ello, la invención se refiere a un material sólido compuesto eléctricamente conductor que comprende:

- una matriz sólida de material eléctricamente aislante,

- una carga de material eléctricamente conductor, caracterizado por que la mencionada carga comprende unas nanopartículas, denominadas nanopartículas filiformes, que presentan:

o una longitud que se extiende según una dirección principal de alargamiento,

o dos dimensiones, denominadas dimensiones ortogonales, que se extienden según dos direcciones transversales ortogonales entre sí y ortogonales a la mencionada dirección principal de alargamiento, siendo las mencionadas dimensiones ortogonales inferiores a la mencionada longitud e inferiores a 5 nm,

y

o dos relaciones, denominadas factores de forma, entre la mencionada longitud y cada una de las dos

dimensiones ortogonales, siendo los mencionados factores de forma superiores a 5,

estando repartidas las mencionadas nanopartículas filiformes en el volumen de la matriz sólida con una cantidad en volumen inferior a 1 %, concretamente inferior a 5 %.

Más particularmente, un material según la invención se caracteriza, ventajosamente, por al menos una de las características siguientes:

- las dos dimensiones ortogonales de las nanopartículas filiformes están comprendidas entre 5 nm y 3 nm -concretamente de aproximadamente 2 nm-;

- las nanopartículas filiformes presentan una longitud superior a 1 pm, concretamente comprendida entre 3 pm y 3 pm, en particular de aproximadamente 5 pm;

- las dos dimensiones ortogonales de las nanopartículas filiformes son el diámetro de la sección derecha transversal de las nanopartículas filiformes;

- las nanopartículas filiformes presentan dos factores de forma superiores a 5 -concretamente de aproximadamente 25-;

- las nanopartículas filiformes están formadas por un material elegido en el grupo formado por el oro, la plata, el níquel, el cobalto, el cobre y sus aleaciones, en estado no oxidado;

- las nanopartículas filiformes están formadas por un material metálico no oxidado;

- comprende una cantidad de nanopartículas filiformes comprendida entre el ,5 % y el 5 % en volumen;

- la matriz sólida está formada por un material polimérico;

- la matriz sólida comprende al menos un material polimérico sólido, concretamente elegido entre los materiales termoplásticos, los materiales reticulables, en particular los materiales termoendurecibles.

En todo el texto:

- una nanopartícula filiforme en el sentido de la invención es concretamente un nanobastoncillo o un nanohllo. En particular, las dos dimensiones ortogonales de una nanopartícula filiforme son el diámetro de su sección derecha transversal. Además, una nanopartícula filiforme puede ser una cinta en la que las dos dimensiones ortogonales de la nanopartícula filiforme según la invención son su anchura (primera dimensión ortogonal) y su grosor (segunda dimensión ortogonal).

- el término factor de forma es la relación entre la longitud de una nanopartícula filiforme y una de las dos dimensiones ortogonales de la mencionada nanopartícula filiforme. A modo de ejemplo, un factor de forma igual a 2 para una nanopartícula filiforme con forma globalmente cilindrica de revolución significa que su longitud es esencialmente igual a 2 veces su diámetro medio. En cualquier caso, una nanopartícula filiforme tiene forma globalmente alargada en la que las relaciones de su dimensión mayor (su longitud) con cada una de las dos dimensiones ortogonales son superiores a 5.

En particular, el metal que forma las nanopartículas filiformes se elige en el grupo formado por los metales no oxidables y los metales susceptibles de formar por oxidación una capa estabilizada de metal oxidado que se extiende por la superficie de las nanopartículas... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Material sólido compuesto eléctricamente conductor que comprende:

- una matriz sólida de material eléctricamente aislante,

- una carga de material eléctricamente conductor,

caracterizado por que la mencionada carga comprende unas nanopartículas, denominas nanopartículas (1) filiformes, que presentan:

o una longitud que se extiende según una dirección principal de alargamiento,

o dos dimensiones, denominadas dimensiones ortogonales, que se extienden según dos direcciones transversales ortogonales entre sí y ortogonales a la mencionada dirección principal de alargamiento, siendo las mencionadas dimensiones ortogonales inferiores a la mencionada longitud e inferiores a 5 nm,

y

o dos relaciones, denominadas factores de forma, entre la mencionada longitud y cada una de las dos dimensiones ortogonales, siendo los mencionados factores de forma superiores a 5,

estando repartidas las mencionadas nanopartículas (1) filiformes en el volumen de la matriz sólida con una cantidad en volumen inferior a 1 %, concretamente inferior a 5 %.

2. Material según la reivindicación 1, caracterizado porque las dos dimensiones ortogonales de las nanopartículas (1) filiformes están comprendidas entre 5 nm y 3 nm -concretamente de aproximadamente 2 nm-.

3. Material según una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que las nanopartículas (1) filiformes presentan dos factores de forma superiores a 5 -concretamente de aproximadamente 25-.

4. Material según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que las nanopartículas (1) filiformes presentan una longitud superior a 1 pin, concretamente comprendida entre 3 pm y 3 pm, en particular de aproximadamente 5 pm.

5. Material según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la matriz (3) sólida comprende al menos un material polimérico.

6. Material según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque presenta una conductividad eléctrica superior a 1 S.m'1, concretamente de aproximadamente 12S.m'1.

7. Procedimiento de obtención de un material sólido compuesto conductor caracterizado porque se realiza una dispersión de nanopartículas (1) filiformes de material eléctricamente conductor que presentan:

o una longitud que se extiende según una dirección principal de alargamiento,

o dos dimensiones, denominadas dimensiones ortogonales, que se extienden según dos direcciones transversales ortogonales entre sí y ortogonales a la mencionada dirección principal de alargamiento, siendo las mencionadas dimensiones ortogonales inferiores a la mencionada longitud e inferiores a 5 nm,

y

o dos relaciones, denominadas factores de forma, entre la longitud y cada una de las dos dimensiones ortogonales, siendo los mencionados factores de forma superiores a 5,

en una composición (3) líquida precursora de una matriz sólida de material eléctricamente aislante, para obtener una cantidad en volumen de nanopartículas (1) filiformes en el material compuesto inferior a 1 %.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado por que:

- se realiza la dispersión de las nanopartículas (1) filiformes en un disolvente líquido;

- se mezcla esta dispersión en la composición (3) líquida precursora;

- se elimina el disolvente líquido.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado por que, comprendiendo la matriz sólida al menos un material polimérico, la composición (3) líquida precursora es una solución del mencionado material polimérico en un disolvente líquido elegido entre el disolvente de la dispersión de nanopartículas (1) filiformes y los disolventes miscibles con el disolvente de la dispersión de nanopartículas (1) filiformes.

1. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque, comprendiendo la matriz sólida al menos un material termoplástico, la composición (3) líquida precursora está formada por la matriz sólida en estado fundido.

11. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque, comprendiendo la matriz sólida al menos un material termoendurecible, la composición (3) líquida precursora está formada por al menos una composición líquida

que entra en la composición del material termoendurecible.

12. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque, comprendiendo la matriz sólida al menos un material reticulado, la composición (3) líquida precursora está formada por al menos una composición líquida que entra en la composición del material reticulable.

13. Procedimiento según una de las reivindicaciones 7 a 12, caracterizado por que la dispersión de las nanopartículas (1) filiformes en la composición (3) líquida precursora se somete a ultrasonidos.

14. Procedimiento según una de las reivindicaciones 7 a 13, caracterizado porque se utilizan nanopartículas (1) filiformes cuyas dos dimensiones ortogonales están comprendidas entre 5 nm y 3 nm -concretamente de aproximadamente 2 nm-.

15. Procedimiento según una de las reivindicaciones 7 a 14, caracterizado porque las nanopartículas (1) filiformes presentan una longitud, que se extiende según una dirección principal de alargamiento, superior a 1 pm, concretamente comprendida entre 3 pm y 3 pm, en particular de aproximadamente 5 pm.