Fibra infundida con CNT y cable de fibra.

Un método para infundir nanotubos de carbono (CNT's) sobre una fibra parental,

comprendiendo el método:

extender la fibra parental antes de disponer un catalizador formador de nanotubos de carbono sobre una superficiede la fibra parental, formando de esta manera una fibra cargada con un catalizador; calentar activamente la fibra cargada con un catalizador hasta una temperatura de síntesis de nanotubos;

transportar la fibra cargada con un catalizador mientras que se proyecta un plasma de carbono sobre ella,sintetizando de esta manera nanotubos de carbono directamente sobre la fibra cargada con un catalizador sin sertransportada; y

reagrupar en haces la fibra parental extendida después de haber sintetizado los nanotubos de carbono sobre ella.

Fibra infundida con CNT y cable de fibra

Campo del invento

El presente invento se refiere a nanotubos y fibras de carbono

Antecedentes del invento

Se usan fibras para muchas diferentes aplicaciones en una amplia variedad de industrias, tales como las de la aviación comercial, la recreación, el sector industrial en general y las industrias de transporte. Unas fibras corrientemente usadas para estas y otras aplicaciones incluyen fibras celulósicas (p.ej. rayón de viscosa, algodón, etc.) , fibras de vidrio, fibras de carbono y fibras de aramida, por citar solamente unas pocas.

En muchos productos que contienen fibras, las fibras están presentes en la forma de un material compuesto (p.ej. vidrio relleno con fibras, etc) . Un material compuesto es una combinación heterogénea de dos o más constituyentes que difieren en la forma o en la composición a una escala macroscópica. Aunque el material compuesto exhibe unas características que no posee ninguno de los constituyentes a solas, los constituyentes retienen sus identidades físicas y químicas únicas en su género dentro del material compuesto.

Dos constituyentes claves de un material compuesto incluyen un agente de refuerzo y una matriz de resina. Un material compuesto basado en fibras, las fibras son el agente de refuerzo. La matriz de resina mantiene a las fibras en una localización y una orientación deseadas y sirve también como un medio de transferencia de cargas mecánicas entre fibras dentro del material compuesto.

Las fibras son caracterizadas por ciertas propiedades, tales como la resistencia mecánica, la densidad, la resistividad eléctrica, la conductividad térmica, etc. Las fibras “prestan” sus propiedades características, en particular sus propiedades relacionadas con la resistencia mecánica, al material compuesto. Por lo tanto, las fibras desempeñan un cometido importante al determinar la idoneidad de un material compuesto para una aplicación dada.

Para llevar a realidad el beneficio de las propiedades de las fibras en un material compuesto, debe de existir una buena interfase entre las fibras y la matriz. Esto se consigue mediante el uso de un revestimiento superficial, típicamente citado como “encolado”. El encolado proporciona una vinculación física y química importante entre las fibras y la matriz de resina y por lo tanto tiene un importante impacto sobre las propiedades mecánicas y químicas del material compuesto. El encolado es aplicado a las fibras durante su producción.

Sustancialmente todo encolado convencional tiene una resistencia interfacial más baja que las fibras a las que es aplicado. Como consecuencia de ello, la resistencia mecánica y su capacidad para resistir tensiones interfaciales determina a fin de cuentas la resistencia mecánica del material compuesto global. En otras palabras, usando un encolado convencional, el material compuesto resultante no puede tener una resistencia mecánica que sea igual o mayor que la de las fibras.

En el documento de solicitud de patente de los EE.UU. U.S. 2004/245088 se describe, por ejemplo. la producción de nanotubos de carbono con una sola pared (SWCNT acrónimo de single-walled carbon nanotubes) , en la que los nanotubos de carbono (CNT con el acrónimo de carbon nanotubes) dispuestos sobre la malla de fibras cerámicas se encuentran situados sobre la malla solo de una manera transitoria. Cuando los SWCNT’s que han crecido a partir de las partículas de catalizador forman filamentos, los filamentos comienzan a unirse unos con otros y a formar haces. Bajo la fuerza de arrastre en el aparato, los haces son empujados fuera de la malla cerámica. Los haces de SWCNT’s pueden por lo tanto ser aislados en forma libre o depositados sobre una “superficie construida o estructurada”. Además, la malla cerámica es un elemento fijado dentro del aparato del reactor para SWCNT.

Sumario del invento

El invento es definido en las reivindicaciones adjuntas. La forma de realización ilustrativa del presente invento es una fibra infundida con nanotubos de carbono (“infundida con CNT”) .

En una fibra infundida con CNT que aquí se describe, los nanotubos de carbono son infundidos dentro de la fibra parental. Tal como se usa en el presente contexto, el término “infundido” significa unido física o químicamente, y el término “infusión” significa el proceso de unir física o químicamente. Se cree que la unión física entre los nanotubos de carbono y la fibra parental es debida, por lo menos en parte, a fuerzas de van der Waals. Se cree que la unión química entre los nanotubos de carbono y la fibra parental es un enlace covalente.

Independientemente de su naturaleza verdadera, la unión que se forma entre los nanotubos de carbono y la fibra parental es bastante robusta y es responsable de que una fibra infundida con CNT sea capaz de exhibir o expresar unas propiedades o características de nanotubos de carbono. Esto se encuentra en fuerte contraste con algunos procedimientos de la técnica anterior, en los que los nanotubos son suspendidos/dispersados en una solución en un disolvente y aplicados, manualmente, a una fibra. A causa de la fuerte atracción de van der Waals entre los nanotubos de carbono ya formados, es extremadamente difícil separarlos con el fin de aplicarlos directamente a la fibra. Como consecuencia, los nanotubos amontonados se adhieren débilmente a la fibra y sus propiedades características como nanotubos son expresadas débilmente, si es que lo son.

Los nanotubos de carbono infundidos que aquí se describen funcionan de una manera efectiva como un reemplazo de un “encolado” convencional. Se ha encontrado que los nanotubos de carbono infundidos son mucho más robustos desde el punto de vista molecular y desde la perspectiva de las propiedades físicas, que los materiales de encolado convencionales. Además, los nanotubos de carbono infundidos mejoran la interfase de una fibra con una matriz en materiales compuestos y, más generalmente, mejoran las interfases de una fibra con otra fibra.

La fibra infundida con CNT que aquí se describe es por si misma similar a un material compuesto en el sentido de que sus propiedades serán una combinación de las de la fibra parental así como las de los nanotubos de carbono infundidos. Consiguientemente, unas realizaciones del presente invento proporcionan una vía de conferir propiedades deseadas a una fibra, que de otra manera carece de dichas propiedades o las posee en un grado insuficiente. Las fibras, por lo tanto, pueden ser adaptadas a medida u organizadas para cumplir los requisitos de una aplicación específica. De esta manera, se pueden mejorar la utilidad y el valor de virtualmente cualquier tipo de fibra.

De acuerdo con la forma de realización ilustrativa de un procedimiento de formación de fibras infundidas con CNT, los nanotubos son sintetizados in situ sobre la fibra parental propiamente dicha. Es importante que los nanotubos de carbono sean sintetizados sobre la fibra parental. Si no es así, los nanotubos de carbono resultarán altamente enmarañados y no se producirá ninguna infusión. Tal como se observa a partir de la técnica anterior, los nanotubos de carbono no infundidos proporcionan pocas de sus propiedades características, si es que proporcionan alguna.

La fibra parental puede ser cualquiera de una diversidad de diferentes tipos de fibras, incluyendo, sin ninguna limitación: fibras de carbono, fibras de grafito, fibras metálicas (p.ej. de acero, aluminio, etc) , fibras cerámicas, fibras metálicas-cerámicas, fibras de vidrio, fibras celulósicas, fibras de aramida.

En la forma de realización ilustrativa, los nanotubos son sintetizados sobre la fibra parental aplicando o infundiendo un catalizador formador de nanotubos, tal como hierro, níquel, cobalto, o una combinación de ellos, en la fibra.

En algunas formas de realización, las operaciones del procedimiento de infusión de CNT incluyen:

• Eliminar un encolado desde la fibra parental;

• Aplicar un catalizador formador de nanotubos a la fibra parental;

• Calentar la fibra hasta la temperatura de síntesis de nanotubos; y

• Proyectar un plasma de carbono sobre la fibra parental cargada con el catalizador

En algunas formas de realización,... [Seguir leyendo]

1. Un método para infundir nanotubos de carbono (CNT’s) sobre una fibra parental, comprendiendo el método: extender la fibra parental antes de disponer un catalizador formador de nanotubos de carbono sobre una superficie de la fibra parental, formando de esta manera una fibra cargada con un catalizador; calentar activamente la fibra cargada con un catalizador hasta una temperatura de síntesis de nanotubos; transportar la fibra cargada con un catalizador mientras que se proyecta un plasma de carbono sobre ella, sintetizando de esta manera nanotubos de carbono directamente sobre la fibra cargada con un catalizador sin ser transportada; y reagrupar en haces la fibra parental extendida después de haber sintetizado los nanotubos de carbono sobre ella.

2. El método de la reivindicación 1, que comprende: eliminar un material de encolado desde la fibra parental antes de disponer el catalizador sobre la fibra parental.

3. El método de la reivindicación 1, en el que el catalizador es un catalizador de metal de transición.

4. El método de la reivindicación 1, en el que la operación de disponer el catalizador sobre la fibra parental comprende además: formar una solución del catalizador en un líquido; y proyectar la solución sobre la fibra parental.

5. El método de la reivindicación 1, en el que el proceso de calentar activamente la fibra cargada con un catalizador comprende calentar la fibra cargada con un catalizador hasta una temperatura de reblandecimiento.

6. El método de la reivindicación 1, en el que el proceso de calentar activamente la fibra cargada con un catalizador comprende calentar la fibra cargada con un catalizador hasta una temperatura entre aproximadamente 500 ºC y

1.000 ºC.

7. El método de la reivindicación 1, en el que la fibra parental es una fibra de carbono; y en el que el proceso de calentar activamente la fibra cargada con un catalizador comprende calentar hasta aproximadamente 800 ºC.

8. El método de la reivindicación 1, que comprende además: aplicar una resina a la fibra infundida con nanotubos de carbono.

9. El método de la reivindicación 8, que comprende además: arrollar la fibra infundida con nanotubos de carbono alrededor de un mandril después de haber aplicado la resina.

10. El método de la reivindicación 8, en el que la fibra parental está seleccionada entre el conjunto que consiste en un cable de grafito y una mecha de vidrio.

11. El método de la reivindicación 1, que comprende además: sintetizar una primera cantidad de los nanotubos de carbono sobre la fibra parental; en el que la primera cantidad es seleccionada de tal manera que la fibra infundida con nanotubos de carbono exhibe un segundo grupo de propiedades que difieren de las de un primer grupo de propiedades exhibidas por la fibra parental.

12. El método de la reivindicación 11, en el que el primer grupo de propiedades y el segundo grupo de propiedades incluyen por lo menos algunas de las mismas propiedades, y además en el que el valor de por lo menos una de las mismas propiedades difiere entre las del primer grupo y las del segundo grupo.

13. El método de la reivindicación 11, en el que el segundo grupo de propiedades de la fibra infundida con nanotubos de carbono incluye una propiedad que no está incluida dentro del primer grupo de propiedades exhibidas por la fibra parental.

14. El método de la reivindicación 1, que comprende además: depositar una primera cantidad de los nanotubos de carbono; en el que la primera cantidad se selecciona de tal manera que un valor de por lo menos una de las propiedades seleccionadas entre el grupo que consiste en: la resistencia a la tracción, el módulo de Young, la densidad, la conductividad eléctrica, y la conductividad térmica de la fibra infundida con nanotubos de carbono difiere un valor de al menos una propiedad de la fibra parental.