FIBRAS DE MATERIALES COMPUESTOS QUE COMPRENDEN AL MENOS NANOTUBOS DE CARBONO, SU PROCEDIMIENTO DE OBTENCIÓN Y SUS APLICACIONES.

Fibras de materiales compuestos que comprenden al menos nanotubos de carbono,

caracterizadas porque comprenden igualmente partículas de al menos otro tipo aportadas en forma coloidal y mezcladas íntimamente y de modo homogéneo con los citados nanotubos de carbono de manera que queden dispersadas uniformemente en la totalidad del cuerpo de las citadas fibras

Fibras de materiales compuestos que comprenden al menos nanotubos de carbono, su procedimiento de obtención y sus aplicaciones.

La presente invención se refiere a las fibras de materiales compuestos que comprenden al menos nanotubos de carbono, a su procedimiento de obtención y a sus aplicaciones.

Las fibras naturales o sintéticas utilizadas como textiles o carga de materiales compuestos están generalmente recubiertas de aditivos. Este recubrimiento tiene por objeto modificar las propiedades de superficie de la fibra o aportarle una funcionalidad particular. En ciertos casos, se emplea el término ensimaje. Por ejemplo, el ensimaje denominado "textil" aplicado a los filamentos a la salida de una hilera consiste en depositar un agente de unión que asegure la cohesión de los filamentos entre sí, que disminuya la abrasión y que facilite las manipulaciones posteriores (tejido) y que evite la formación de cargas electrostáticas. Existen otros muchos casos en los que una fibra debe ser recubierta por un compuesto particular. Por ejemplo, es posible colorear una fibra recubriéndola simplemente de colorantes. Una fibra textil, aislante en origen, puede ser hecha conductora de electricidad por su recubrimiento con polímeros conductores. Es posible perfumar un vestido recubriendo sus fibras de cápsulas que contengan un perfume. Estos son únicamente algunos ejemplos entre una multitud de casos desarrollados industrialmente y comercialmente disponibles.

El recubrimiento clásico de una fibra conduce a una cobertura uniforme y simétrica de su superficie.

Sin embargo, en ciertos casos sería preferible aportar un aditivo a una fibra de modo diferente, es decir al núcleo de la fibra y no a la superficie. Estas condiciones diferentes permitirían mejorar las propiedades de las fibras y conferirlas nuevas funciones.

En la presente invención, el interés se centrará de modo más particular en las fibras de nanotubos de carbono.

Los nanotubos de carbono presentan una estructura y propiedades electrónicas y mecánicas que los hacen materiales muy prometedores para una multitud de aplicaciones: materiales compuestos, accionadores electromecánicos, cables, hilos resistentes, detectores químicos, almacenaje de hidrógeno, visualizadores de emisión de electrones, convertidores de energía, componentes electrónicos, electrodos, baterías, soportes de catálisis, etc.

Existen varios métodos para realizar fibras de nanotubos de carbono.

En particular, los nanotubos de carbono, así como otros tipos de partículas, pueden ser puestos en forma de cintas o de fibras por un procedimiento de hilado patentado (Patente FR2805179). Este procedimiento consiste en dispersar de modo homogéneo los nanotubos en un medio líquido. La dispersión puede ser realizada en agua utilizando tensioactivos que se adsorben en la interfaz de los nanotubos. Ésta puede ser obtenida también a partir de nanotubos funcionalizados, sin utilización de dispersantes. Una vez dispersados, los nanotubos son recondensados en forma de una cinta o de una pre-fibra inyectando la dispersión en otro líquido que provoque la coagulación de los nanotubos. Este otro líquido puede ser una solución de polímeros. Los flujos puestos en juego son optimizados de modo que se favorezca la alineación de los nanotubos en la pre-fibra o la cinta. Además, los caudales y las velocidades de flujo permiten también controlar la sección de las pre-fibras o de las cintas. A continuación, la pre-fibra es secada para conducir a una fibra que contenga una fracción importante de nanotubos. Las cintas, pre-fibras o fibras finales, pueden ser tratadas por estiramientos en vía húmeda de modo que se mejore la orientación de los nanotubos. Estas reconformaciones están descritas en la patente FR 0110611 (publicada como FR 2 828 500). En esta patente se muestra cómo estiramientos de la fibra, en dinámico o estático, en disolventes que tengan una mejor o peor afinidad por el polímero coagulante, permiten mejorar la estructura y las propiedades físicas de las fibras.

Las pre-fibras, cintas o fibras pueden también ser lavadas por aclarados que permitan desadsorber parcial o totalmente ciertas especies adsorbidas (especialmente polímeros coagulantes o tensioactivos).

Las propiedades de estas fibras, como las de cualesquiera fibras, dependen de modo crítico de la naturaleza y la disposición de sus componentes.

En particular, puede ser deseable aportar a la hilera un componente adicional para mejorar propiedades o conferir una función particular (óptica, bioactividad, propiedades eléctricas o térmicas, propiedades de oxirreducción, propiedades catalíticas, propiedades bactericidas, propiedades mecánicas...). Actualmente, estas mejoras o funciones únicamente son controlables por la naturaleza de las moléculas utilizadas durante la síntesis de las fibras. Esto plantea una seria limitación porque no es evidente combinar una función dada con las condiciones requeridas para la fabricación de la fibra. No obstante, lo ideal sería aportar estos aditivos durante la síntesis de las fibras porque los aditivos podrían encontrarse entonces en el núcleo de las fibras. Estos estarían así mejor protegidos. Estos estarían en contacto directo con la totalidad de los nanotubos y afectarían directamente a las propiedades de la fibra.

Sin embargo, la adición de aditivos moleculares durante la síntesis complica de manera importante el hilado y puede hacerlo imposible. Por ejemplo, una molécula que tenga una función particular puede ser considerada perjudicial para la coagulación de los nanotubos o incluso para la estabilidad de la dispersión inicial. Asimismo, las moléculas destinadas a ser añadidas pueden no ser compatibles con el procedimiento de hilado, simplemente si éstas no son solubles en los disolventes utilizados.

Por una o varias de estas razones, las moléculas no son añadidas durante la fabricación de las fibras. Éstas deben ser depositadas al final sobre las fibras una vez fabricadas. Sin embargo, el recubrimiento post-síntesis, clásico en las tecnologías de hilado y de los textiles, presenta también limitaciones porque no permite aportar al núcleo de las fibras un compuesto particular. Los aditivos permanecen localizados en la superficie, lo que limita su acción y su efecto sobre la fibra.

Así pues, los inventores han puesto a punto fibras utilizando el procedimiento descrito anteriormente y que permite paliar estos inconvenientes.

La norma UIPAC define en sentido general las partículas coloidales como partículas cuyo tamaño está comprendido entre 1 nanómetro y algunos micrómetros. La presente invención se referirá a esta definición cuando se emplee el término "partículas coloidales".

A tal efecto, las fibras de materiales compuestos que comprenden al menos nanotubos de carbono, de acuerdo con la invención, se caracterizan porque éstas comprenden igualmente partículas de al menos otro tipo aportadas en forma coloidal y mezcladas íntimamente y de modo homogéneo con los citados nanotubos de carbono de manera que queden dispersadas uniformemente en la totalidad del cuerpo de la citada fibra.

Preferentemente, las citadas partículas son partículas de polímeros, partículas minerales, partículas metálicas, partículas de óxido metálico, gotas de emulsión y/o cápsulas de moléculas activas.

En particular, los citados polímeros son elegidos entre los polímeros eléctricamente conductores, los polímeros eléctricamente aislantes, los polímeros termoendurecibles y/o los polímeros termoplásticos.

De modo más particular, los citados polímeros son elegidos entre la celulosa, las resinas fenólicas y/o el PAN.

En particular, las citadas partículas minerales son elegidas entre la alúmina, la sílice, el dióxido de titanio, el carbonato cálcico, el carburo de silicio, el sulfuro de tungsteno, el nitruro de boro y/o las plaquetas de arcilla.

En particular, las citadas partículas metálicas y las citadas partículas de óxido metálico son elegidas entre el platino, el paladio y/o las partículas magnéticas a base de hierro y/o de cobalto.

En particular, las citadas gotas de emulsión son elegidas entre los monómeros líquidos de una sustancia destinada a polimerizar en forma sólida.

En particular, las citadas moléculas activas son elegidas entre los medicamentos, los perfumes, los bactericidas y/o los pesticidas.

1. Fibras de materiales compuestos que comprenden al menos nanotubos de carbono, caracterizadas porque comprenden igualmente partículas de al menos otro tipo aportadas en forma coloidal y mezcladas íntimamente y de modo homogéneo con los citados nanotubos de carbono de manera que queden dispersadas uniformemente en la totalidad del cuerpo de las citadas fibras.

2. Fibras de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizadas porque las citadas partículas son partículas de polímeros, partículas minerales, partículas metálicas, partículas de óxido metálico, gotas de emulsión y/o cápsulas de moléculas activas.

3. Fibras de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizadas porque los citados polímeros son elegidos entre los polímeros eléctricamente conductores, los polímeros eléctricamente aislantes, los polímeros termoendurecibles y/o los polímeros termoplásticos.

4. Fibras de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizadas porque los citados polímeros son elegidos entre la celulosa, las resinas fenólicas y/o el PAN.

5. Fibras de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizadas porque las citadas partículas minerales son elegidas entre la alúmina, la sílice, el dióxido de titanio, el carbonato cálcico, el carburo de silicio, el sulfuro de tungsteno, el nitruro de boro y/o las plaquetas de arcilla.

6. Fibras de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizadas porque las citadas partículas metálicas y las citadas partículas de óxido metálico son elegidas entre el platino, el paladio y/o las partículas magnéticas a base de hierro y/o de cobalto.

7. Fibras de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizadas porque las citadas gotas de emulsión son elegidas entre los monómeros líquidos de una sustancia destinada a polimerizar en forma sólida.

8. Fibras de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizadas porque las citadas moléculas activas son elegidas entre los medicamentos, los perfumes, los bactericidas y/o los pesticidas.

9. Fibras de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizadas porque éstas son obtenidas por:

- la dispersión de las citadas partículas coloidales con los nanotubos en un disolvente con la ayuda eventualmente de un agente tensioactivo, y

- la inyección de la solución de dispersión así obtenida a través de al menos un orificio que desemboca en un flujo de una solución externa, preferentemente, de viscosidad superior a la viscosidad de la citada dispersión, siendo medidas las viscosidades en las mismas condiciones de temperatura y de presión, de manera que se provoque una agregación de las citadas partículas y de los citados nanotubos en fibras o cintas desestabilizando las dispersiones de partículas, y una eventual alineación de las citadas partículas y de los citados nanotubos.

10. Procedimiento de obtención de las fibras de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizadas porque comprende:

- la dispersión de las citadas partículas coloidales con los nanotubos en un disolvente con la ayuda eventualmente de un agente tensioactivo, y

- la inyección de la solución de dispersión así obtenida a través de al menos un orificio que desemboca en un flujo de una solución externa, preferentemente, de viscosidad superior a la viscosidad de la citada dispersión, siendo medidas las viscosidades en las mismas condiciones de temperatura y de presión, de manera que se provoque una agregación de las citadas partículas y de los citados nanotubos en fibras o cintas desestabilizando las dispersiones de partículas, y una eventual alineación de las citadas partículas y de los citados nanotubos.

11. Aplicación de las fibras de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 para realizar microelectrodos, sensores, accionadores mecánicos, fibras de alto rendimiento, textiles y/o soportes de catálisis.