Método de proceso sol-gel, caracterizado porque se utilizan una sal metálica inorgánica,

pectina, y mono o disacáridos y porque dicho método comprende las siguientes etapas: a) preparar una primera solución acuosa que comprende dicha sal metálica inorgánica y preparar una segunda solución acuosa que comprende dichos mono o disacáridos y pectina, b) mezclar la primera y segunda soluciones formando una tercera solución a una temperatura comprendida aproximadamente entre 80 y 100ºC, c) incubar la solución combinada procedente de la etapa b) a una temperatura elevada aproximadamente de 80 a 200ºC para gelatinizar la tercera solución en un material de gel

Nanopartículas y método de proceso sol-gel.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un método de proceso sol-gel para la preparación de un gel y nanopartículas, y asimismo se refiere a los geles producidos por dichos métodos.

Antecedentes de la invención

El interés por materiales nanoestructurados, que son sintetizados a partir de partículas menores de 100 nanómetros, ha aumentado en las últimas décadas. El interés ha sido estimulado por la gran variedad de aplicaciones en industrias tales como la industria aeroespacial, del acero, cosméticos, salud, automoción, bioingeniería, optoelectrónica, ordenadores y electrónica. Las investigaciones para desarrollar aplicaciones han tenido como resultado tecnologías que hacen posible obtener elementos laminares de múltiples capas, pilares porosos, películas delgadas, materiales nanocristalinos, nanopolvos y bases ("clusters") para, por ejemplo, pinturas, antisépticos, nanocompuestos, medicamentos, implantes biomédicos y componentes militares.

Es bien sabido que los materiales con tamaño de granos a nanoescala muestran características distintas que el mismo material a granel. Estas propiedades exclusivas se relacionan al gran número de átomos en la superficie o en el interfaz. Los materiales nanoestructurados tienen buenas características refractarias, buena resistencia química, mecánica y dureza, tanto a temperatura normal como a temperaturas elevadas; son llevadas fácilmente a sinterizado y a reacciones con diferentes óxidos. También se ha demostrado que el gran número de átomos superficiales presentes en estos materiales influye en las características ópticas, eléctricas y magnéticas de los mismos.

Se reconoce en la actualidad que las características mecánicas, eléctricas, químicas y también catalíticas del óxido de circonio pueden ser mejoradas utilizando nanopolvos en vez de óxido de circonio micronizado convencional. Cuando se efectúa la síntesis de materiales convencionales basados en Zr, el tamaño medio de las partículas se encuentra normalmente en la zona de 10 micras, que es en general equivalente a 10¹⁵ átomos. Las partículas con diámetros comprendidos entre 0,1 y 1 micra se consideran partículas finas y están constituidas habitualmente de 10⁹-10¹⁰ átomos. Las partículas a nanoescala, con dimensiones comprendidas entre 1 y 100 nanómetros (nm), por lo menos en una dirección, son de particular interés. Las partículas que consisten en 200-300 átomos se designan "clusters" y sus átomos de superficie pueden representar hasta 80-90% del número total de los átomos de la partícula.

En los últimos años, se han desarrollado una serie de técnicas para la producción de nanopartículas cerámicas, entre las que se incluyen: ablación por rayos láser, síntesis por plasma de microondas, pirólisis por pulverización, síntesis por arco de plasma, cavitación hidrodinámica y condensación de gas utilizando una fuente de evaporación física o precursores químicos. No obstante, se han utilizado otros métodos para la obtención de nanopartículas, tales como técnicas de explosión de alambre [1], método de complejo polimerizable [2], síntesis de nanopartículas por llama [3], método sonoquímico [4], reacción de estado sólido [5], precipitación [6] y co-precipitación a partir de una solución y síntesis sol-gel.

El método sol-gel y la co-precipitación de soluciones forman, junto con las reacciones de oxidación-reducción, hidrólisis, procesos coloidales y pirólisis de sustancias complejas organometálicas, los métodos químicos de categoría [7]. Los métodos químicos tienen un importante lugar entre los métodos experimentales aplicados a escala piloto. Esta es la llamada "química blanda", que utiliza soluciones diluidas relativamente no agresivas a temperaturas moderadas. El intenso trabajo de investigación y desarrollo en este campo ha conducido a la disponibilidad de materiales en polvo nanodimensionales, químicamente puros, con una estrecha distribución de tamaños. Estos materiales son valiosos pero difíciles de manipular y tienen tendencia a la aglomeración cuando se utilizan rutas de proceso convencionales.

En la actualidad, los métodos químicos más importantes para obtener nanopolvos son el método Pechini, el método de co-precipitación y el método GN. Keiji Yamahara y otros [8], han utilizado los tres métodos para obtener 8YSZ (ZrO₂ dopado con 8 mol% de Y₂O₃). En el método Pechini, la sal de circonio (ZrO(NO₃)xH₂O) es disuelta en agua destilada, después de lo cual se añade a la solución ácido cítrico (CA - C₆H₈O₇) y etilenglicol (EG - C₂H₆O₂). En el método de co-precipitación, se añade una solución al 30% de hidróxido amónico gota a gota a la sal de circonio disuelta en agua. En el método GN se añade glicerina C₃H₈O₃ a una solución de sal de circonio. Ch. Laberty-Robert obtuvo materiales en polvo nanocristalinos de YSZ utilizando el método Pechini con cloruro de circonio y nitrato de itrio como precursores y etilenglicol y ácido cítrico como agentes de polimerización [7].

Un método para obtener nanopartículas que no necesita equipos onerosos es la ruta sol-gel. El método sol-gel se basa en síntesis molecular de nanopartículas, en el que las partículas son constituidas por adición molécula a molécula. Durante el proceso de formación de nanopolvo se requiere un control estrecho sobre la nucleación y crecimiento de las partículas porque las partículas se adhieren fácilmente y forman aglomerados.

Características de la invención

La presente invención está dirigida a métodos para proceso sol-gel utilizando sales de metales inorgánicas.

La presente invención se refiere también a métodos para la producción de partículas nanodimensionadas a partir de sales inorgánicas de metales.

La presente invención está dirigida también a geles producidos de acuerdo con los métodos que se describen en la misma.

Los métodos comportan en general la mezcla de una sal de metal inorgánica, agua y un mono o disacárido. También se añade la molécula dispersante macromolecular pectina. La solución homogénea resultante es secada a temperatura elevada hasta resultar completamente gelatinizada. Además, el tratamiento térmico del gel seco transformará el material en nanopartículas.

Varios parámetros del método pueden ser manipulados, haciendo el método altamente adaptable y posibilitando la producción de soles, geles y partículas con diferentes características deseables. Las variables que pueden ser controladas y que controlan las características del producto incluyen la elección de las sales metálicas, la concentración de la sal metálica, la proporción de mono o disacárido en solución en el agua, la temperatura de incubación y el tiempo y la concentración de dispersante macromolecular.

Descripción de las figuras

La figura 1 es una representación esquemática de una realización de la invención que muestra un procedimiento para la preparación de geles de circonio y partículas, tal como se describe en el ejemplo 1.

La figura 2 muestra el resultado del análisis térmico de la muestra de ZrO₂ preparada tal como se describe en el ejemplo 1.

La figura 3 es una vista al microscopio electrónico de materiales en polvo de ZrO₂ con 50.000 y 100.000 aumentos a 900ºC.

La figura 4 muestra difracción en rayos X de materiales en polvo de ZrO₂ a 900 y 1000ºC.

Descripción detallada de la invención

La presente invención se refiere a métodos para la producción de geles y nanopartículas a partir de sales inorgánicas de metales. Los métodos ofrecen procesos sol-gel para producir una amplia variedad de materiales de alta calidad.

Los métodos utilizan fenómenos de nucleación homogénea y crecimiento en soluciones inorgánicas de disolventes mixtos, tales como un disolvente mixto de agua y mono o disacáridos.

Los métodos son aplicados para la producción de sales, geles y nanopartículas a partir de muchos metales tales como aluminio, hafnio, silicio, circonio, titanio, lantano, germanio y tantalio, entre otros, por medio de sales inorgánicas, por ejemplo, nitrato, sulfato, sulfuros...

1. Método de proceso sol-gel, caracterizado porque se utilizan una sal metálica inorgánica, pectina, y mono o disacáridos y porque dicho método comprende las siguientes etapas:

a) preparar una primera solución acuosa que comprende dicha sal metálica inorgánica y preparar una segunda solución acuosa que comprende dichos mono o disacáridos y pectina,

b) mezclar la primera y segunda soluciones formando una tercera solución a una temperatura comprendida aproximadamente entre 80 y 100ºC,

c) incubar la solución combinada procedente de la etapa b) a una temperatura elevada aproximadamente de 80 a 200ºC para gelatinizar la tercera solución en un material de gel.

2. Método, según la reivindicación 1, en el que la sal metálica contiene un metal seleccionado entre el grupo que consiste en aluminio, hafnio, silicio, circonio, lantano, germanio, tantalio, níquel, combinaciones de los mismos y combinaciones de los mismos con titanio.

3. Método, según la reivindicación 1, en el que la concentración de sal inorgánica en la tercera solución se encuentra en un rango de 20 g/l a 60 g/l, preferentemente de 26 g/l.

4. Método, según la reivindicación 1, en el que dichos mono o disacáridos contienen un compuesto seleccionado entre el grupo que comprende sacarosa, maltosa, lactosa, fructosa y glucosa.

5. Método, según la reivindicación 1, en el que la etapa de mezcla b) es llevada a cabo al verter lentamente la primera solución en la segunda solución en un flujo continuo, y en el que la tercera solución es mezclada posteriormente a una velocidad de 120-130 rot/min.

6. Gel producido de acuerdo con el método de una de las reivindicaciones 1 a 5.

7. Método, según la reivindicación 1, caracterizado porque el método comprende además una etapa de

d) tratamiento térmico del material gelatinizado procedente de la etapa c) a una temperatura comprendida entre 500 y 1200ºC, preferentemente de 700 a 1000ºC.

8. Método, según la reivindicación 7, para la producción de nanopartículas, en el que las nanopartículas son monodispersas.

9. Método, según la reivindicación 7, para la producción de nanopartículas, en el que las nanopartículas tienen menos de 100 nanómetros, por lo menos en una dimensión.

10. Método, según la reivindicación 7, en el que la sal metálica contiene un metal seleccionado del grupo que consiste en aluminio, hafnio, silicio, circonio, lantano, germanio, tantalio, níquel, combinaciones de los mismos y combinaciones de los mismos con titanio.