PROCEDIMIENTO PARA LA DISPERSION DE NANOPARTICULAS EN SECO Y LA OBTENCION DE ESTRUCTURAS JERARQUICAS Y RECUBRIMIENTOS.

Procedimiento para la dispersión de nanopartículas en seco y la obtención de estructuras jerárquicas y recubrimientos.

La presente invención se refiere a un procedimiento para la dispersión de nanopartículas sintéticas o naturales y de materiales nanocompuestos, y sus aplicaciones en diferentes sectores, entre los que destacan los sectores de cerámica, de recubrimientos, de polímeros, de la construcción, de pinturas, de catálisis, farmacéutico o de materiales pulverulentos en general

Procedimiento para la dispersión de nanopartículas en seco y la obtención de estructuras jerárquicas y recubrimientos.

La presente invención se refiere a un procedimiento para la dispersión de nanopartículas sintéticas o naturales y de materiales nanocompuestos, y sus aplicaciones en diferentes sectores, entre los que destacan los sectores de cerámica, de recubrimientos, de polímeros, de la construcción, de pinturas, de catálisis, farmacéutico o de materiales pulverulentos en general.

Estado de la técnica

El empleo de nanopartículas está creciendh de forma espectacular en los distintos ámbitos industriales. El imparable aumento de las aplicaciones de los últimos años está basado en una disponibilidad cada vez mayor de diferentes tipos de nanopartículas de naturaleza oxídicas, no oxídicas, con estructura orgánica o inorgánicas, y obtenidas de forma sintética o extractiva. Las nanopartículas habitualmente se emplean combinadas con otros compuestos, sean de tipo nanoparticulado o no, y sirven en gran medida como precursores de los denominados nanocomposites, que son materiales tipo composite en los que uno de los elementos que lo componen presentan una tamaño nanométrico, menor de 100 nm, en al menas una de sus dimensiones. Los materiales con una de sus dimensiones de rango nanométrico pueden presentar morfología esférica, laminar o fibrilar entre otras. La incorporación de nanopartículas dispersas en matrices materiales introduce en general mejoras notables en las propiedades del material nanocomposite y dependiendo de su naturaleza puede incorporar diversas funcionalidades eléctricas, magnéticas, ópticas, catalíticas, etc.

La alta superficie específica de las nanopartículas provoca que estas se encuentren aglomeradas reduciendo así de forma drástica su efectividad y modificando sus propiedades respecto al estado disperso. El grado de aglomeración es un factor, por tanto, a evitar con el objetivo de conseguir la mayor efectividad de las nanopartículas. La mayor parte de los diferentes tratamientos que se emplean para conseguir la dispersión de las nanopartículas están basados en procesos denominados de tipo húmedo con la presencia de un disolvente, el cual al ser eliminado provoca nuevamente la aparición del estado de aglomeración. En muchos casos los disolventes empleados no son amigables con el medioambiente. Un proceso estándar consiste en la dilución de las nanopartículas en un disolvente para desaglomerar mediante el empleo de medios mecánicos, magnéticos o ultrasónicos. Un ejemplo representativo de este tipo de procesos consiste en agitar en medio líquido nanopartículas conjuntamente con otras partículas de un tamaño comprendido entre 200 y 1000 superior al de las nanopartículas de forma que se impida la formación de aglomerados a la vez que se introduce una baja contaminación una vez eliminadas dichas partículas [JP2005087972].

Un proceso más usual consiste en la incorporación de tensioactivos como moléculas anfifílicas, a suspensiones acuosas de nanopartículas de forma que se favorece la dispersión de las mismas en aplicaciones cosméticas, farmacéuticas, alimentarias, etc. [EP1293248, WO2006106521 o WO2008013785].

Otro tipo de procesos que se han comenzado a utilizar recientemente sin el empleo de disolventes y, por tanto, son denominados tratamientos en seco. Ejemplos de estos procesos son desaglomeraciones efectivas del tipo: a) De nanopartículas de sílice mediante el empleo de técnicas de fluido supercrítico con dióxido de carbono que permiten modificar la superficie de las nanopartículas con diferentes aditivos como pueden ser los tratamientos con silanos, para obtener nanopartículas no aglomeradas [Li L., Urushihara Y., Matsui J., J. Chem. Eng. Jap. (2007) 40, 11, 993-998]. b) De partículas submicrónicas, mayores a 100 nm, depositadas sobre partículas orgánicas de mayor tamaño se produce mediante el empleo de rotores con alta cizalla empleando velocidades superiores a 50 ms^-1 [WO2007112805]. c) Recubrimientos de partículas inorgánicas las partículas orgánicas que sirven de matriz polimérica, se logran debido a los efectos de la fuerza de cizalla. d) Recubrimientos similares de dos o más componentes se producen empleando ciclos térmicos intensos y breves para provocar una fusión de las partículas poliméricas que sirven de matriz [US2004018109].

Uno de los aspectos comunes a los distintos procesos que se emplean para la dispersión en seco es el empleo de procesos de alta energía para lograr la desaglomeración de las partículas.

Uno de los campos de aplicación de las nanopartículas dispersas es la formación de recubrimientos en forma de películas delgadas o películas gruesas sobre substratos específicos. En estos procesos la dispersión de las nanopartícuias requiere el empleo de disolventes y agentes modificadores de la superficie. El empleo de dispersiones de nanopartículas inorgánicas con elementos orgánicos como polímeros o ceras permite mediante la aplicación de campos electroestáticos o magnéticos la formación de recubrimientos con estructura columnar en substratos como madera, textil, plásticos, papel, cuero, vidrio, cerámica y metales [WO2006084413]. El empleo de nanopartículas basadas en talco, carbonato de calcio, arcilla sílice y plástico en una suspensión puede ser empleado para tormar recubrimientos barrera sobre substratos de material celulósico o inorgánico [WO2004074574]. Las nanopartículas con la superficie modificada mediante cargas eléctrica y tratamiento posterior de secado en vacío permite preparara suspensiones en medio líquido que se depositan sobre substratos cargados eléctricamente con signo contrario y así se forman recubrimientos con la suspensión de nanopartículas [JP2007016317].

Desde el punto de vista general los procesos empleados hasta la fecha para dispersar nanopartículas se basan en cambiar las características de la superficie de las nanopartículas para impedir que estas se aglomeren. Las principales fuerzas que se producen entre partículas son de tipo cohesivo (si se produce entre las partículas del mismo material) o de tipo adhesivo (si se dan entre materiales diferentes o con un substrato). Las principales fuerzas que contribuyen a este tipo de interacciones entre partículas son las fuerzas electrostáticas y las fuerzas de van der Waals [Feng, J. Q., and Hays, D. A. Powder Technology (2003) 135-136, 65-75]. Las fuerzas electrostáticas están relacionadas con la carga eléctrica neta existente en la superficie de una partícula, siendo mayores para partículas de materiales aislantes. Para partículas aglomeradas, o nanopartículas, la carga electrostática corresponde a la carga eléctrica acumulada en las partículas de la superficie del aglomerado. Por el contrario, las fuerzas que mantienen unidas las partículas en los aglomerados son de. tipo van der Waals. El origen de las fuerzas de van der Waals radica en las interacciones moleculares debidas a procesos de polarización inherentes al material. Las fuerzas de van der Waals son así predominantes cuando la distancia entre dos partículas es inferiores a 10^-9 m.

Los experimentos referentes a esta invención tienen su origen en la búsqueda de los fenómenos físicos y químicos que dan lugar a la aparición de una interfase de tipo ferromagnético a temperatura ambiente en materiales entre partículas submicrónicas de ZnO y Co₃O₄ que poseen respuesta diamagnética y paramagnética respectivamente a dicha temperatura [Martín-González, M. S., Fernández, J.F., Rubio-Marcos, F., Lorite, I., Costa-Krämer, J. L., Quesada, A., Bañares, M. A., Fierro, J. L. G. Journal of Applied Physics (2008), 103, 083905]. La dispersión entre las partículas se realizó mediante procesos de molienda de atrición en un medio acuoso y la interacción entre los dos tipos de partículas se determinó por espectroscopia fotoelectrónica de Rayos X y espectroscopia Raman. La interacción consistía en una reducción superficial de las partículas de cobalto que indica la presencia de una reacción electroquímica entre las partículas. Los aglomerados de dichas partículas presentan acumulación de carga electrostática de signo contrario y por tanto la atracción entre dichas partículas puede estar en el origen de dicho fenómeno.

Breve descripción de la invención

En esta invención se propone un método de baja cizalla para la dispersión en seco de nanopartículas sobre otras partículas, que permite la obtención de una nueva clase de materiales en los que las partículas están dispersas sobre partículas de mayor tamaño e incluso se logra la formación...

1. Procedimiento para la dispersión de nanopartículas, con un tamaño menor de 100 nm al menos en una de sus dimensiones, en otras partículas soporte o en un substrato que comprende su agitación en medio seco.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, donde las nanopartículas se adicionan para su dispersión en una proporción menor de un 5% en peso en relación a las partículas soporte.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, donde además se elimina por aire a presión el exceso de las nanopartículas dispersas sobre el substrato dando lugar a un recubrimiento de nanopartículas con un espesor inferior a 100 nm.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde las nanopartículas o partículas soporte se seleccionan independientemente de la lista que comprende materiales de naturaleza inorgánica, orgánica o materiales de naturaleza metálica.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, donde las nanopartículas son de igual o diferente naturaleza y se seleccionan de la lista que comprende óxidos metálicos, hidróxidos, carbonatos, sulfatos, fosfatos, silicatos, boratos, aluminatos, polímeros termoestables, polímeros termofundidos, resinas poliméricas o cualquiera de sus combinaciones.

6. Procedimiento según la reivindicación 5 donde las nanopartículas son de igual o diferente naturaleza y se seleccionan de la lista que comprende sepiolita, óxidos de alúmina, cobalto, cobre, estaño, níquel, silicio, titanio, zinc o cualquiera de sus combinaciones.

7. Procedimiento según la reivindicación 4, donde las partículas soporte son óxidos de aluminio o zinc.

8. Procedimiento según la reivindicación 1, donde el substrato se selecciona de la lista que comprende material cerámico, vítreo, polímero o metálico.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, donde el substrato se selecciona de la lista que comprende alúmina, silicio monocristalino, poliamida, polipropileno o aleación kovar.

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, donde la agitación se lleva a cabo en una mezcladora agitadora.

11. Procedimiento según la reivindicación 10, donde la mezcladora agitadora se selecciona de entre una agitadora con carga de bolas, turbula, polvo en V, de tambor, de caída libre, tipo hormigonera, o intensiva tipo Eirich.

12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, donde la dispersión resultante se somete a un tratamiento térmico.

13. Dispersión de nanopartículas sobre partículas soporte o substrato obtenible por el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.

14. Nanoestructuras con estructura jerárquica obtenibles por el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.

15. Uso de las dispersiones según la reivindicación 13, o de las nanoestructruras según la reivindicación 14, para la elaboración de materiales seleccionados de la lista que comprende materiales compuestos, cerámicas, polímeros, pinturas, cementos, catalizadores o medicamentos.