Uso de materiales de cambio de fase en polímeros termoplásticos.

Uso de materiales de cambio de fase en polímeros termoplásticos.

La presente invención se refiere a piezas conformadas por una resina termoplástica caracterizada porque en su matriz y/o en su superficie comprende al menos un material inorgánico con cambio de fase y porque la temperatura de transición vítrea de la resina termoplástica

(calculada por DSC) es de 2 a 20ºC mayor que la temperatura de fusión del material inorgánico con cambio de fase.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201400435.

Solicitante: UNIVERSIDAD DE CANTABRIA.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: GUTIERREZ-SOLANA SALCEDO,FEDERICO, POLANCO MADRAZO,JUAN ANTONIO, CARRASCAL VAQUERO,ISIDRO ALFONSO, CASADO DEL PRADO,JOSE ANTONIO, DIEGO CAVIA,Soraya.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > COMPUESTOS MACROMOLECULARES ORGANICOS; SU PREPARACION... > COMPOSICIONES DE COMPUESTOS MACROMOLECULARES (composiciones... > C08L77/00 (Composiciones de poliamidas obtenidas por reacciones que forman una amida carboxílica unida en la cadena principal (de polihidrazidas C08L 79/06; de poliamida-imidas o poliamida-ácidos C08L 79/08 ); Composiciones de los derivados de tales polímeros)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > COMPUESTOS MACROMOLECULARES ORGANICOS; SU PREPARACION... > UTILIZACION DE SUSTANCIAS INORGANICAS U ORGANICAS... > Utilización de ingredientes inorgánicos > C08K3/10 (Compuestos metálicos)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > COMPUESTOS MACROMOLECULARES ORGANICOS; SU PREPARACION... > UTILIZACION DE SUSTANCIAS INORGANICAS U ORGANICAS... > Utilización de ingredientes inorgánicos > C08K3/18 (Compuestos que contienen oxígeno, p. ej. carbonilos metálicos)
  • SECCION E — CONSTRUCCIONES FIJAS > CONSTRUCCION DE CARRETERAS, VIAS FERREAS O PUENTES > VIAS FERREAS; HERRAMIENTAS PARA VIAS FERREAS;; MAQUINAS... > E01B3/00 (Traviesas o durmientes (para agujas o cruces E01B 7/22 ); Otros soportes de carriles reposando directamente sobre el balasto)
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Uso de materiales de cambio de fase en polímeros termoplásticos.

Fragmento de la descripción:

USO DE MATERIALES DE CAMBIO DE FASE EN POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS

La presente invención se refiere al uso de materiales de cambio de fase en polímeros termoplásticos. Por tanto, la invención se podría encuadrar en el campo de la ciencia y tecnología de materiales más concretamente en el campo de los materiales poliméricos termoplásticos.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Los polímeros termoplásticos sometidos a esfuerzos mecánicos cíclicos pueden ver mermada su resistencia a la fatiga por la aparición de fisuras. El esfuerzo mecánico cíclico produce un aumento de la temperatura que modifica la flexibilidad y el comportamiento mecánico de estos materiales.

La utilización de polímeros termoplásticos en piezas ingeníenles queda restringida cuando se alcanzan valores de temperatura que exceden la de transición vitrea Tg, característica de cada material. Por ejemplo, en el caso de la poliamida 6.6 (PA 6.6) seca, la Tg (calculada por DSC, del inglés Differencial Scanning Temperature, con una rampa de calentamiento de 10°C/min en atmosfera de nitrógeno) se establece en 53 °C, lo que quiere decir que cuando la pieza alcanza temperaturas superiores, pueden aparecer defecto que empeoren las propiedades mecánicas de la misma.

En general, cuando se emplean piezas poliméricas, es habitual para aumentar su temperatura de utilización recurrir al incremento del porcentaje de su refuerzo fibrado, por ejemplo con fibras de vidrio, si bien, esta circunstancia penaliza la tenacidad del material compuesto.

Por tanto, es necesario aumentar el intervalo de temperaturas operacionales de piezas poliméricas ingenieriles de una manera que no implique un aumento de fragilidad del mismo.

Los materiales con cambio de fase (PCM, del inglés Phase Change Material) son materiales con alto calor latente que a la temperatura de cambio de fase (sólido <-> líquido) almacenan o liberan grandes cantidades de energía. Durante el cambio de fase, la temperatura se mantiene constante mientras que el material va absorbiendo o liberando energía. La principal aplicación de estos PCM es su uso en construcción para la acumulación de energía térmica (Sharmaef al., Renewable and Sustainable Energy Reviews 13, (2009), 318- 345).

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere al uso de materiales de cambio de fase en polímeros termoplásticos.

Las piezas de la invención tienen las siguientes ventajas:

- presentan mayor resistencia a la fatiga que piezas de la misma reina termoplástica sin materiales inorgánicos con cambio de fase;

- los materiales con cambio de fase que se pueden utilizar en la invención son abundantes;

- el procedimiento de obtención de las piezas de la invención es simple y no requiere grandes adaptaciones en la producción de dichas piezas;

- la pequeña cantidad del material con cambio de fase a incorporar, no influiría de forma significativa en el coste final de las piezas.

Por tanto, un primer aspecto de la presente invención se refiere a una pieza conformada por una resina termoplástica caracterizada porque en su matriz y/o en su superficie comprende al menos un material inorgánico con cambio de fase; y

la temperatura de transición vitrea de la resina termoplástica, calculada por DSC con una rampa de calentamiento de 10°C/m¡n en atmósfera de nitrógeno,

es de 2 a 20°C mayor que la temperatura de fusión del material inorgánico con cambio de fase.

Por material inorgánico con cambio de fase se entiende materiales inorgánicos con alto calor latente que a la temperatura de cambio de fase almacenan o liberan grandes cantidades de energía. Se clasifican entre hidratos y metales.

En una realización del primer aspecto de la presente invención, la temperatura de transición vitrea de la resina termoplástica, calculada por DSC con una rampa de calentamiento de 10°C/min en atmósfera de nitrógeno, es de 5°C a 10°C mayor que la temperatura de fusión del material inorgánico con cambio de fase.

En una realización del primer aspecto de la presente invención, la resina termoplástica se selecciona de poliamida, polioximetileno, polietileno, polipropileno, poliestireno, acrilonitrilo-butadieno-estireno,

poliacrilonitriloacrilonitrilo-estireno-acrilato, policloruro de vinilo, polifenileno sulfuro, polimetilmetacrilato, policarbonatos, polietilenotereftalato, tereftalato de polibutileno, elastómeros termoplásticos y cualquiera de sus mezclas, preferiblemente la resina termoplástica se selecciona de acrilonitrilo- butadieno-estireno, poliacrilonitrilo, poliestireno, policloruro de vinilo, polifenileno sulfuro, polietilenotereftalato, polimetilmetacrilato y poliamida, más preferiblemente la resina termoplástica es poliamida, y aún más preferiblemente la resina termoplástica se selecciona de poliamida 6.6, poliamida 11 y poliamida 6.10.

En una realización del primer aspecto de la presente invención, la resina termoplástica es poliamida reforzada con fibra de vidrio, ya que es un polímero ingenieril habitualmente empleado en aplicaciones técnicas de alta responsabilidad.

En una realización del primer aspecto de la presente invención, el material inorgánico con cambio de fase es un hidrato. Preferiblemente el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de los hidratos de la siguiente lista, y cualquiera de sus combinaciones:

PCM inorgánico hidrato

Tf* (°C)

MgCl2.6H20

117,0

KAI(S04)2.12H20

91,0

Mg(N03)2.6H20

89,9

Ba(0H)2.8H20

78,0

AI(N03)2.9H20

72,0

L¡CH3C00.2H20

70,0

Na3P04.12H20

65,0

Na0H.H20

64,3

NaAI(SO4)2.10H2O

61,0

Fe(N03)2.2H20

60,5

CH3C00Na.3H20

58,0

MgCI2.4H20

58,0

MnCI2.4H20

58,0

Ni(N03)2.6H20

57,0

FeCI3.2H20

56,0

Zn(N03)2-2H20

55,0

Ca(N03)2.3H20

51,0

Na2S203.5H20

48,5

MgS04.7H20

48,5

K2HPO4.3H2O

48,0

Na2Si03.5H20

48,0

Fe(N03)3.9H20

47,0

Ca(N03).4H20

47,0

Mg(N03)2.4H20

47,0

Zn(N03)2.4H20

45,0

K2HPO4.7H2O

45,0

Cal2.6H20

42,0

Mgl2.8H20

42,0

KF.2H2O

42,0

CoS04.7H20

40,7

Na2HP04.12H20

40,0

Mn(N03)2.4H20

37,1

FeCI3.6H20

37,0

Zn(N03)2.6H20

36,1

LiBr2.2H20

34,0

...

 


Reivindicaciones:

1.-Pieza conformada por una resina termoplástica caracterizada porque: en su matriz y/o en su superficie comprende al menos un material inorgánico con cambio de fase; y

la temperatura de transición vitrea de la resina termoplástica, calculada por DSC con una rampa de calentamiento de 10°C/min en atmósfera de nitrógeno, es de 2 a 20°C mayor que la temperatura de fusión del material inorgánico con cambio de fase.

2.- Pieza según la reivindicación anterior, donde la temperatura de transición vitrea de la resina termoplástica, calculada por DSC con una rampa de calentamiento de 10°C/min en atmósfera de nitrógeno, es de 5°C a 10°C mayor que la temperatura de fusión del material inorgánico con cambio de fase.

3.- La según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la resina termoplástica se selecciona de poliamida, polioximetileno, polietileno, polipropileno, poliestireno, acrilonitrilo-butadieno-estireno, poliacrilonitrilo acrilonitrilo-estireno-acrilato, policloruro de vinilo, polifenileno sulfuro, polimetilmetacrilato, policarbonatos, polietileno tereftalato, tereftalato de polibutileno, elastómeros termoplásticos y cualquiera de sus mezclas.

4.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el material inorgánico con cambio de fase es un hidrato.

5.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la resina termoplástica es acrilonitrilo-butadieno-estirero y el material inorgánico con cambio de fase es KAI(S04)2-12H20.

6.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la resina termoplástica es poliacrilonitrilo y el material inorgánico con cambio de fase es Mg(N03)2-6H20.

7.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la resina termoplástica es poliestireno y el material inorgánico con cambio de fase es Mg(N03)2-6H20.

8.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la resina termoplástica es policloruro de vinilo y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de Ba(0H)2.8H20 , AI(N03)2.9H20, LÍCH3COO.2H2O y cualquiera de sus mezclas.

9.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la resina

termoplástica es polifenileno sulfuro y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de Ba(0H)2.8H20, AI(N03)2.9H20,

LiCH3C00.2H20Na3P04.12H20 y cualquiera de sus mezclas.

10.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la resina

termoplástica es polietileno tereftalato y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de Na3P04.12H20, NaOH.hfeO, NaAI(SC>4)2,10H2O, Fe(N03)2.2H20, CH3C00Na.3H20, MgCl2.4H20, MnCl2.4H20,

Ni(N03)2.6H20, FeCl3.2H20, Zn(N03)2.2H20, Ca(N03)2.3H20 y cualquiera de sus mezclas.

11.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la resina termoplástica es polimetilmetacrllato y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de CH3C00Na.3H20, MgCl2.4H20, MnCMhfeO, Ni(N03)2.6H20,FeCl3.2H20, Zn(N03)2.2H20, Ca(N03)2.3H20, Na2S203.5H20, MgS04.7H20, K2HP04.3H20, Na2Si03.5H20, Fe(N03)3.9H20, Ca(N03).4H20, Mg(N03)2.4H20, Zn(N03)2.4H20, K2HPO4.7H2O, Cal2.6H20, Mgl2.8H20, KF.2H2O, C0SO4.7H2O, Na2HP04.12H20 y cualquiera de sus mezclas.

12.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la resina

termoplástica es poliamida 6.6 y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de Ca(N03)2.3H20, MgS04.7H20, Na2S203.5H20, K2HPO4.3H2O, Na2Si03.5H20, Fe(N03)3.9H20, Ca(N03).4H20, Mg(N03)2.4H20,

Zn(N03)2.4H20, K2HPO4.7H2O, Cal2.6H20, Mgl2.8H20, KF.2H20,

CoS04.7H20,Na2HP04.12H20, Mn(N03)2.4H20, FeCl3.6H20, Zn(N03)2.6H20, LiBr2.2H20, CaBr2.6H20, KFe(S04)2.12H20 y cualquiera de sus mezclas.

13.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la resina

termoplástica es poliamida 11 y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de Cal2.6H20, Mgl2.8H20, KF.2H2O,

C0SO4.7H2O, Na2H PO4.12H20, Mn(N03)2.4H20, FeCl3.6H20,

Zn(N03)2.6H20, LiBr2.2H20, CaBr2.6H20, Na2SO4.10H2O, Na2CO3.10H2O, KFe(S04)2.12H20, LÍNO3.3H2O, LiN03.2H20, CaCl2.12H20, FeBr3.6H20, Mn(N03)2.6H20 y cualquiera de sus mezclas.

14.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la resina

termoplástica es poliamida 6.10 y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de Mn(N03)2.4H20, FeCl3.6H20, Zn(N03)2.6H20, LiBr2.2H20, CaBr2.6H20, KFe(S04)2.12H20, Na2SO4.10H2O, Na2CO3.10H2O,

UNO3.3H2O, LÍNO3.2H2O, CaCl2.12H20, FeBr3.6H20, Mn(N03)2.6H20 y cualquiera de sus mezclas.

15.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la pieza se selecciona de tope, bisagra, engranaje, tornillo, grapa de fijación, conector y pinza.

16.- La pieza según la reivindicación anterior, donde la pieza es un tope en un sistema de sujeción carril-traviesa.

17.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque en su matriz comprende el material inorgánico de cambio de fase.

18.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizada porque en su superficie comprende el material inorgánico de cambio de fase.

19.- Uso de un material inorgánico con cambio de fase para la fabricación de una pieza resistente a la fatiga conformada por una resina termoplástica.

20.- Procedimiento de obtención de la pieza según las reivindicaciones 1 a 17 que comprende las etapas de:

- mezclado de la resina termoplástica con al menos un material inorgánico con cambio de fase, donde el material inorgánico con cambio de fase está disperso en la matriz polimérica; y

- conformado de la pieza..

21.- Procedimiento de obtención de la pieza según las reivindicaciones 1 a 16 y 18 que comprende las etapas de:

- conformado con la resina termoplástica de la pieza con intersticios:

- llenado de los intersticios con al menos un material inorgánico con cambio de fase;

- sellado de los intersticios.

22.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 o 21 donde la resina termoplástica se selecciona de poliamida, polioximetileno, polietileno, polipropileno, poliestireno, acrilonitrilo-butadieno-estireno, poliacrilonitrilo acrilonitrilo-estireno-acrilato, policloruro de vinilo, polifenileno sulfuro, polimetilmetacrilato, policarbonatos, polietileno tereftalato, tereftalato de polibutileno, elastómeros termoplásticos y cualquiera de sus mezclas.

23.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 22, donde la temperatura de transición vitrea de la resina termoplástica (calculada por DSC) es de 2 a 20°C mayor que la temperatura de fusión del material inorgánico con cambio de fase.

24.- Procedimiento según la reivindicación anterior, donde la temperatura de transición vitrea de la resina termoplástica (calculada por DSC) es de 5°C a 10°C mayor que la temperatura de fusión del material inorgánico con cambio de fase.

25.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 24 donde el material inorgánico con cambio de fase es un hidrato.

26.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, donde la resina termoplástica es acrilonitrilo-butadieno-estirero y el material inorgánico con cambio de fase es KAI(S04)2-12H20.

27.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, donde la resina termoplástica es poliacrilonitrilo y el material inorgánico con cambio de fase es Mg(N03)2-6H20.

28.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, donde la resina termoplástica es poliestireno y el material inorgánico con cambio de fase es Mg(NC>3)2-6H20.

29.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, donde la resina termoplástica es policloruro de vinilo y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de Ba(0H)2.8H20 , AI(N03)2.9H20, UCH3COO.2H2O y cualquiera de sus mezclas.

- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, donde la resina termoplástica es polifenileno sulfuro y el material inorgánico con cambio

de fase se selecciona de Ba(0H)2.8H20, AI(N03)2.9H20,

L¡CH3C00.2H20Na3PC>4.12H20 y cualquiera de sus mezclas.

31.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, donde la

resina termoplástica es polietileno tereftalato y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de Na3P04.12H20, NaOH.HEO, NaAI(SO4)2,10H2O, Fe(N03)2.2H20, CH3C00Na.3H20, MgCl2.4H20,

MnCl2.4H20, FeCl3.2H20, Zn(N03)2.2H20, Ca(NÜ3)2.3H20 y cualquiera de sus mezclas.

32.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, donde la resina termoplástica es polimetilmetacrilato y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de CH3C00Na.3H20, MgCl2.4H20, MnCl2.4H20, FeCl3.2H20, Zn(N03)2.2H20, Ca(N03)2.3H20, Na2S203*5H20, MgS04.7H20, K2HPO4.3H2O, Na2Si03.5H20, Fe(N03)3.9H20, Ca(N03).4H20, Mg(N03)2.4H20, Zn(N03)2.4H20, K2HPO4.7H2O, Cal2.6H20, Mgl2.8H20, KF.2H2O, Na2HP04.12H20 y cualquiera de sus mezclas.

33.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, donde la

resina termoplástica es poliamida 6.6 y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de Ca(N03)2.3H20, MgS04.7H20, Na2S203.5H20, K2HPO4.3H2O, Na2Si03.5H20, Fe(N03)3.9H20, Ca(N03).4H20,

Mg(N03)2.4H20, Zn(N03)2.4H20, K2HP04.7H20, Cal2.6H20, Mgl2.8H20, KF.2H2O, Na2HPO4.12H20, Mn(N03)2.4H20, FeCI3.6H20, Zn(N03)2.6H20, LiBr2.2H20, CaBr2.6H20, KFe(S04)2.12H20 y cualquiera de sus mezclas.

34.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, donde la

resina termoplástica es poliamida 11 y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de Cal2.6H20, Mgl2.8H20, KF.2H2O, Na2HP04.12H20, Mn(N03)2.4H20, FeCl3.6H20, Zn(N03)2.6H20, LiBr2.2H20, CaBr2.6H20, Na2SO4.10H2O, Na2CO3.10H2O, KFe(S04)2.12H20, LiN03.3H20,

UNO3.2H2O, CaCl2.12H20, FeBr3.6H20, Mn(N03)2.6H20 y cualquiera de sus mezclas.

35.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, donde la 5 resina termoplástica es poliamida 6.10 y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de Mn(N03)2.4H20, FeCl3.6H20, Zn(N03)2.6H20, LiBr2.2H20, CaBr2.6H20, KFe(S04)2.12H20, Na2SO4.10H2O, Na2CO3.10H2O, LiN03.3H20, UNO3.2H2O, CaCl2.12H20, FeBr3.6H20, Mn(N03)2.6H20 y cualquiera de sus mezclas.