MATERIALES COMPUESTOS.

UN MATERIAL COMPUESTO SE CARACTERIZA POR UN SUBSTRATO Y POR UN NANOCOMPUESTO EN CONTACTO FUNCIONAL CON EL MISMO,

OBTENIDO POR MODIFICACION SUPERFICIAL DE (A) PARTICULAS INORGANICAS COLOIDALES, CON (B) UNO O VARIOS SILANOS DE FORMULA GENERAL (I): R X - S I - A 4-X , EN LA QUE LOS RADICALES A SON IGUALES O DIFERENTES, Y REPRESENTAN GRUPOS HIDROXILO O GRUPOS QUE PUEDEN DIVIDIRSE HIDROLITICAMENTE, EXCEPTUADO EL METOXI, LOS RADICALES R SON IGUALES O DIFERENTES, Y REPRESENTAN GRUPOS QUE NO PUEDEN DIVIDIRSE HIDROLITICAMENTE, Y X ES IGUAL A 0, 1, 2 O 3 X ( 1 EN AL MENOS EL 50% EN VOLUMEN DE LOS SILANOS, EN LAS CONDICIONES DE UN PROCESO DE SOL - GEL CON UNA CANTIDAD SUBESTEQUIOMETRICA DE AGUA, EN RELACION CON LOS GRUPOS HIDROLIZABLES DISPONIBLES, A FIN DE FORMAR UN SOL NANOCOMPUESTO. SI ES PRECISO, EL SOL NANOCOMPUESTO SE HIDROLIZA Y CONDENSA DE NUEVO ANTES DE PONERSE EN CONTACTO CON EL SUBSTRATO Y A CONTINUACION SE ENDURECE. EL SUBSTRATO NO ES UNA FIBRA DE VIDRIO O FIBRA MINERAL, NI TAMPOCO UN MATERIAL VEGETAL

La invención se refiere a materiales compuestos que se caracterizan por un sustrato y un nanocompuesto que está en contacto funcional con el mismo que puede obtenerse mediante un procedimiento que comprende

(1) proporcionar un sol de nanocompuesto mediante la modificación superficial de

a) partículas inorgánicas coloidales con b) uno o varios silanos de fórmula general (I)

Rx-Si-A4-x (I)

en la que los restos A son iguales o distintos y representan grupos hidroxilo o grupos hidrolíticamente escindibles, excepto metoxi, los restos R son iguales o distintos y representan grupos hidrolíticamente no escindibles y x tiene el valor 0, 1, 2 ó 3, siendo x ≥ 1 en al menos el 50% de la cantidad de sustancia de los silanos; bajo las condiciones del proceso de sol-gel con un cantidad de agua inferior a la estequiométrica de 0,1 a 0,45 moles de agua por mol de grupos hidrolizables presentes,

(2) poner en contacto el sol de nanocompuesto con el sustrato, activándose el sol de nanocompuesto antes de ponerse en contacto mediante la introducción de una cantidad de agua adicional,

(3) y posterior curado, no siendo el sustrato ninguna fibra de vidrio o mineral ni ningún material vegetal.

El documento DE 4417405 describe un procedimiento para la preparación de capas inorgánicas estructuradas mezclando una composición que puede obtenerse mediante hidrólisis y policondensación de silanos hidrolizables de los que una parte son organosilanos, dado el caso con una carga a escala fina, aplicando, estructurando y compactando térmicamente la composición obtenida sobre un sustrato. En el Ejemplo 1 del documento se describen la hidrólisis y la condensación de una mezcla de silanos hidrolizable en presencia de sol de sílice.

El sustrato puede presentar las formas físicas más distintas y ser, por ejemplo, particulado, floculento, fibroso, con forma de banda, de lámina en hojas, de placa o de bloque, presentar una estructura de capa o representar un cuerpo moldeado de forma discrecional. El término “particulado” comprenderá polvos, harinas, gránulos, virutas, recortes, esférulas, perlas y en general todas las partículas con formar regular o irregular.

El nanocompuesto también puede presentarse en diferentes formas de distribución. Por ejemplo, el nanocompuesto puede cubrir completa o parcialmente el sustrato como recubrimiento o revestimiento continuo o presentarse en forma de lámina entre varios sustratos. Ejemplos especiales de materiales compuestos de este tipo son materiales compuesto de fibra basados en aramidas o fibras de carbono, sustrato metálicos provistos de capas protectoras contra la corrosión a alta temperatura, fibras, hilos, hebras y productos semiacabados provistos de una impregnación resistente a la temperatura como tejidos, géneros de mallas, mallas por tramas, trenzas, materiales no tejidos y fieltros, o cuerpos moldeados de vidrio o cerámica que están unidos (laminados) a una lámina metálica (por ejemplo, de aluminio) mediante el nanocompuesto. El nanocompuesto también puede ser utilizado como apresto o refuerzo, capa de barrera a la difusión, capa de barrera a la extracción, capa protectora contra la oxidación, capa electroaislante o para la nivelación.

Alternativamente, el nanocompuesto puede formar puntos de contacto discontinuos o también con forma de punto entre varios sustratos y unirse, por ejemplo, en forma de matriz a un sustrato particulado, floculento o fibroso como esto es el caso, por ejemplo, en materiales aislantes.

Como materiales de sustrato para los materiales compuestos de acuerdo con la invención son adecuados los materiales inorgánicos u orgánicos, naturales o sintéticos más distintos.

Ejemplos de materiales de sustrato adecuados son no metales como boro y silicio, así como metales como hierro, cromo, cobre, níquel, aluminio, titanio, estaño, cinc y plata, y aleaciones correspondientes (por ejemplo, latón, acero, bronce) en forma de polvos, fibras, láminas, tejidos, chapas y artículos moldeados; materiales de vidrio en forma de polvos, copos, placas o artículos moldeados; materiales de cerámica en forma de polvos, fibras, tejidos, telas no tejidas, copos, placas y artículos moldeados; carbono (negro de humo, grafito, fulerenos) en forma de polvos, fibras, capas, placas y artículos moldeados; óxidos como SiO2, Al2O3, Fe2O3, Fe3O4, Cr2O3, CuO, Cu2O, In2O3, Mn2O3, PbO, PdO, SnO2, TiO2, ZnO y ZrO2, nitruros como BN, Si3N4 y TiN, carburos como SiC, TiC y B4C, siliciuros, compuestos no estequiométricos (por ejemplo, SiOxCyNz), materiales compuestos e híbridos en forma de polvos y fibras; preferiblemente plásticos resistentes a la temperatura como poliolefinas, fluoropolímeros como teflón, homo y copolímeros de halogenuros de vinilo o ésteres vinílicos, policarbonatos, poliésteres, poliuretanos, aramidas, poliamidas, resinas acrílicas, siliconas y ormoceras en forma de fibras, gránulo, láminas, fieltros, tejidos, telas no tejidas, placas y artículos moldeados; fibras y sustancias naturales animales como lana, pelo o cuero; y minerales como montmorillonitas, bentonitas, mica, vermiculita, perlita, ferrita, espinelas, por ejemplo, magnetita o espinela de cobre y cromo, barita, fluorita, asbesto, talco, aerogeles, arenas y arcillas.

Por sustratos fibrosos se entiende tanto fibras individuales, incluidas fibras huecas y fibras cortas monocristalinas, como también haces de fibras, cordones, cuerdas, hilos y hebras correspondientes, así como productos semiacabados como tejidos, géneros de mallas, mallas por tramas, trenzas, textiles, telas no tejidas, fieltros, tiras y esteras. Ejemplos concretos de éstos son fibras de carbono, tejido de fibras sintéticas, fibras metálicas y tejidos metálicos.

El nanocompuesto utilizado de acuerdo con la invención se prepara mediante modificación superficial de partículas inorgánicas coloidales (a) con uno o varios silanos (b) dado el caso en presencia de otros aditivos (c) bajo las condiciones del proceso de sol-gel.

Los detalles del proceso de sol-gel se describen en C.J. Brinker, G.W. Scherer: “Sol-Gel Science - The Physics and Chemistry of Sol-Gel-Processing”, Academic Press, Boston, San Diego, Nueva York, Sidney (1990) y en los documentos DE 1941191, DE 3719339, DE 4020316 y DE 4217432.

Allí también se especifican ejemplos especiales de silanos (b) que pueden utilizarse de acuerdo con la invención, así como sus restos A hidrolíticamente escindibles y restos R hidrolíticamente no escindibles.

Ejemplos preferidos de grupos A hidrolíticamente escindibles son hidrógeno, halógeno (F, Cl, Br y I, especialmente Cl y Br), alcoxi (especialmente alcoxi C2-4 como, por ejemplo, etoxi, n-propoxi, i-propoxi y butoxi), ariloxi (especialmente ariloxi C6-10, por ejemplo, fenoxi), alcariloxi (por ejemplo, benciloxi), aciloxi (especialmente aciloxi C1-4 como, por ejemplo, acetoxi y propioniloxi) y alquilcarbonilo (por ejemplo, acetilo). También son restos A adecuados grupos amino (por ejemplo, grupos mono o dialquilamina, mono o diarilamina y mono o diaralquilamina con los restos alquilo, arilo y aralquilo anteriormente mencionados), grupos amida (por ejemplo, benzamido) y grupos aldoxima o cetoxima. Dos o tres restos A también pueden formar juntos una agrupación que compleja el átomo de Si como esto es el caso, por ejemplo, en complejos de Si-poliol que se derivan de glicol, glicerina o pirocatecol. Restos A especialmente preferidos son grupos alcoxi C2-4, especialmente etoxi. Los grupos metoxi son menos adecuados para los fines de la invención ya que presentan una reactividad demasiado alta (tiempo de procesamiento corto del sol de nanocompuesto) y pueden conducir a nanocompuestos o materiales compuestos con flexibilidad insuficiente.

Los grupos A hidrolizables mencionados pueden llevar dado el caso uno o varios sustituyentes habituales, por ejemplo, átomos de halógeno o grupos alcoxi.

Los restos R hidrolíticamente no escindibles se seleccionan preferiblemente de alquilo (especialmente alquilo C1-4 como metilo, etilo, propilo y butilo), alquenilo (especialmente alquenilo C2-4 como, por ejemplo, vinilo, 1-propenilo, 2propenilo y butenilo), alquinilo (especialmente alquinilo C2-4, como acetilenilo y propargilo), arilo (especialmente arilo C6-10 como, por ejemplo, fenilo y naftilo) y los grupos alcarilo y arilalquilo correspondientes. Estos grupos también pueden presentar dado el caso uno o varios sustituyentes habituales, por ejemplo, grupos halógeno, alcoxi, hidroxi, amino o epóxido.

Los grupos alquilo,... [Seguir leyendo]

1. Material compuesto caracterizado por un sustrato que no es fibra de vidrio o mineral ni fibra vegetal y un nanocompuesto que está en contacto funcional con el mismo que puede obtenerse mediante un procedimiento que comprende

(1) proporcionar un sol de nanocompuesto mediante la modificación superficial de

a) partículas inorgánicas coloidales con b) uno o varios silanos de fórmula general

Rx-Si-A4-x (I)

en la que los restos A son iguales o distintos y representan grupos hidroxilo o grupos hidrolíticamente escindibles, excepto metoxi, los restos R son iguales o distintos y representan grupos hidrolíticamente no escindibles y x tiene el valor 0, 1, 2 ó 3, siendo x ≥ 1 en al menos el 50% de la cantidad de sustancia de los silanos; bajo las condiciones del proceso de sol-gel con un cantidad de agua inferior a la estequiométrica de 0,1 a 0,45 moles de agua por mol de grupos hidrolizables presentes,

(2) poner en contacto el sol de nanocompuesto con el sustrato, activándose el sol de nanocompuesto antes de ponerse en contacto mediante la introducción de una cantidad de agua adicional,

(3) y posterior curado.

2. Material compuesto de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la modificación superficial se ha realizado en presencia de un catalizador de condensación ácido a un valor de pH de 1 a 2.

3. Material compuesto de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque las partículas inorgánicas coloidales (a) se seleccionan de soles y polvos dispersables a escala nanométrica de SiO2, TiO2, ZrO2, Al2O3, Y2O3, CeO2, SnO2, ZnO, óxidos de hierro o carbono.

4. Material compuesto de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque para la preparación del sol de nanocompuesto se han usado otros aditivos (c), por ejemplo, catalizadores de curado, aglutinantes orgánicos, pigmentos, colorantes, aditivos ignifugados, compuestos de elementos formadores de vidrio, inhibidores de la corrosión y/o coadyuvantes de recubrimiento.

5. Material compuesto de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se han utilizado 5 al 60, preferiblemente 10 al 40 y con especial preferencia 10 al 20% en masa del componente (a) para la preparación del nanocompuesto.

6. Material compuesto de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque se han utilizado 20 al 95, preferiblemente 40 al 90 y con especial preferencia 70 al 90% en masa de componente (b) expresado como polisiloxano de fórmula:

RxSiO(2-0,5x) para la preparación del nanocompuesto.

7. Material compuesto de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado porque se ha utilizado no más del 20, preferiblemente no más del 10 y con especial preferencia no más del 5% en masa de otros aditivos (c) para la preparación del nanocompuesto.

8. Material compuesto de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la modificación superficial se ha realizado con 0,25 a 0,45 moles de agua por mol de grupos hidrolizables presentes.

9. Material compuesto de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la proporción en masa del nanocompuesto asciende al 0,1 al 80, preferiblemente al 1 al 40 y con especial preferencia al 1 al 20% en masa,.

10. Material compuesto de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el material de sustrato se selecciona de metales, no metales, vidrio, cerámica, carbono, óxidos, nitruros,

carburos, boruros, plásticos y minerales.

11. Material compuesto de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado

porque el curado se realiza térmicamente, preferiblemente a temperaturas entre 50ºC y 300ºC. 5

12. Material compuesto de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11 en forma de un sustrato recubierto con el nanocompuesto, un tejido impregnado con el nanocompuesto o un cuerpo moldeado que comprende un material de sustrato consolidado con el nanocompuesto.

13. Uso de un nanocompuesto definido como en las reivindicaciones 1 a 12 para el recubrimiento y/o la consolidación de sustratos particulados, floculentos, fibrosos, con forma de banda, tira, hoja, lámina, placa, bloque o de capa, excepto fibras de vidrio o minerales y materiales vegetales.