Fibra infundida con CNT y estopa de fibras.

Una estopa infundida con nanotubos de carbono o una mecha infundida con nanotubos de carbono,

fabricada porel procedimiento de:

(a) disociar una estopa o mecha madre en elementos individuales de fibras madre disociadas antes dedisponer un catalizador formador de nanotubos de carbono sobre una superficie de dichas fibras madresdisociadas, formando así fibras madres disociadas cargadas con catalizador;

(b) exponer dichas fibras madres disociadas cargadas con catalizador a un plasma de carbono, sintetizandoasí nanotubos de carbono directamente sobre dichas fibras madres disociadas; y

(c) reagrupar las fibras madres disociadas en una estopa infundida con nanotubos de carbono o una mechainfundida con nanotubos de carbono después de sintetizar nanotubos de carbono sobre las fibras madresdisociadas.

Fibra infundida con CNT y estopa de fibras.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a nanotubos de carbono y a fibras.

Antecedentes de la invención

Se utilizan fibras para muchas aplicaciones diferentes en una amplia diversidad de industrias, tales como las industrias de aviación comercial, ocio, producción industrial y transporte. Las fibras comúnmente utilizadas para éstas y otras aplicaciones incluyen fibras celulósicas (por ejemplo, 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, estas fibras están presentes en forma de un material compuesto (por ejemplo, vidrio fibroso, etc.) . Un material compuesto es una combinación heterogénea de dos o más constituyentes que difieren en forma o composición a un escala macroscópica. Aunque el material compuesto muestra características que no posee ningún constituyente en solitario, los constituyentes retienen sus identidades física y química singulares dentro del material compuesto.

Dos constituyentes clave de un material compuesto incluyen un agente de refuerzo y una matriz de resina. En un material compuesto basado en fibras las fibras son el agente de refuerzo. La matriz de resina mantiene las fibras en una localización y orientación deseadas y sirve también como medio de transferencia de carga entre fibras dentro del material compuesto.

Las fibras se caracterizan por ciertas propiedades, tales como resistencia mecánica, densidad, resistividad eléctrica, conductividad térmica, etc. Las fibras "prestan" sus propiedades características, en particular sus propiedades relacionadas con la resistencia, al material compuesto. Por tanto, las fibras juegan un papel importante en la determinación de la idoneidad de un material compuesto para una aplicación dada.

Para materializar el beneficio de las propiedades de las fibras en un material compuesto tiene que haber una buena interconexión entre las fibras y la matriz. Esto se consigue mediante el uso de un revestimiento superficial, típicamente denominado "encolado". El encolado proporciona un enlace físico-químico muy importante entre la fibra y la matriz de resina y tiene así un significativo impacto sobre las propiedades mecánicas y químicas del material compuesto. El encolado se aplica a las fibras durante su fabricación.

Sustancialmente todo el encolado convencional tiene una resistencia interfacial más baja que la de las fibras a las cuales es aplicado. Como consecuencia, la resistencia del encolado y su capacidad para resistir un esfuerzo interfacial determinan finalmente la resistencia del material compuesto global. En otras palabras, utilizando un encolado convencional el material compuesto resultante no puede tener una resistencia que sea igual o mayor que la de la fibra.

En el documento US 2004/245088, por ejemplo, se describe la producción de nanotubos de carbono de una sola pared (SWCNT) , en donde los nanotubos de carbono (CNT) dispuestos sobre la malla de fibra cerámica están sobre la malla tan sólo transitoriamente. A medida que los SWCNTs crecidos a base de las partículas de catalizador forman filamentos, estos filamentos comienzan a ligarse uno con otro y a formar mazos. Bajo la fuerza de arrastre del aparato, los mazos son desprendidos de la malla cerámica. Los mazos de SWCNTs pueden ser aislados así en forma libre o depositados sobre una "superficie de construcción". Además, la malla cerámica es un elemento fijo dentro del aparato reactor de SWCNT.

Sumario de la invención

La invención se define en las reivindicaciones adjuntas. La realización ilustrativa de la presente invención es una fibra infundida con nanotubos de carbono ("infundida con CNT") .

En la fibra infundida con CNT aquí revelada los nanotubos de carbono se "infunden" en la fibra madre. Tal como aquí se utiliza, el término "infundido" significa física o químicamente ligado y "infusión" significa el proceso de ligazón física o química. La ligazón física entre los nanotubos de carbono y la fibra madre se cree que se debe al menos en parte a las fuerzas de van der Waals. La ligazón química entre los nanotubos de carbono y la fibra madre se cree que es un enlace covalente.

Independientemente de su verdadera naturaleza, la ligazón que se forma entre los nanotubos de carbono y la fibra madre es bastante robusta y es también responsable de que la fibra infundida con CNT sea capaz de mostrar o expresar propiedades o características de los nanotubos de carbono. Esto contrasta fuertemente con algunos procesos de la técnica anterior, en los que se suspenden/dispersan nanotubos en una solución disolvente y se les aplica a mano a una fibra. Debido a la fuerte atracción de van der Waals entre los nanotubos de carbono ya

formados es extremadamente difícil separarlos para aplicarlos directamente a la fibra. Como consecuencia, los nanotubos apelotonados se adhieren débilmente a la fibra y sus propiedades de nanotubos características se expresan débilmente, si es que lo hacen.

Los nanotubos de carbono infundidos aquí revelados funcionan efectivamente como un sustitutivo del "encolado" convencional. Se ha encontrado que los nanotubos de carbono infundidos son bastante más robustos en el aspecto molecular y desde una perspectiva de propiedades físicas que los materiales de encolado convencionales. Además, los nanotubos de carbono infundidos mejoran la interconexión de fibra a matriz en materiales compuestos y, más generalmente, mejoran las interconexiones de fibras a fibra.

La fibra infundida con CNT aquí revelada es en sí misma similar a un material compuesto en el sentido de que sus propiedades serán una combinación de las de la fibra madre y las de los nanotubos de carbono infundidos. En consecuencia, las realizaciones de la presente invención proporcionan un modo de impartir propiedades deseadas a una fibra que, de no ser así, carece de tales propiedades o las posee en medida insuficiente. Por tanto, las fibras pueden adaptarse o manipularse de modo que satisfagan 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 realización ilustrativa de un procedimiento de formación de fibras infundidas con CNT, se sintetizan nanotubos en su sitio sobre la propia fibra madre. Es importante que se sinteticen los nanotubos de carbono sobre la fibra madre. Si no se hace así, los nanotubos de carbono quedarán altamente enmarañados y no se produce ninguna infusión. Como se ve en la técnica anterior, los nanotubos de carbono no infundidos imparten pocas de sus propiedades características, si es que imparten alguna.

La fibra madre puede ser cualquiera de una diversidad de tipos diferentes de fibras, incluyendo, sin limitación: fibra de carbono. fibra de grafito, fibra metálica (por ejemplo, acero, aluminio, etc.) , fibra cerámica, fibra metálicacerámica, fibra de vidrio, fibra celulósica, fibra de aramida.

En la realización ilustrativa se sintetizan nanotubos sobre la fibra madre aplicando o infundiendo un catalizador formador de nanotubos, tal como hierro, níquel, cobalto o una combinación de estos, a la fibra.

En algunas realizaciones las operaciones del procedimiento de infusión de CNT incluyen:

- retirada del encolado de la fibra madre; -aplicación de un catalizador formador de nanotubos a la fibra madre; -calentamiento de la fibra hasta la temperatura de síntesis de nanotubos; y -pulverización de plasma de carbono sobre la fibra madre cargada de catalizador.

En algunas realizaciones los nanotubos de carbono infundidos son nanotubos de una sola pared. En algunas otras realizaciones los nanotubos de carbono infundidos son nanotubos de múltiples paredes. En algunas realizaciones más los nanotubos de carbono infundidos son una combinación de nanotubos de una sola pared y de múltiples paredes. Hay algunas diferencias en las propiedades características de los nanotubos de una sola pared y de múltiples paredes que, para algunos usos finales de la fibra, imponen la síntesis de uno u otro tipo de nanotubo. Por ejemplo, los nanotubos de un sola pared pueden ser excelentes conductores de la electricidad, mientras que los nanotubos de múltiples paredes no lo son.

Los métodos y técnicas para... [Seguir leyendo]

1. Una estopa infundida con nanotubos de carbono o una mecha infundida con nanotubos de carbono, fabricada por el procedimiento de:

(a) disociar una estopa o mecha madre en elementos individuales de fibras madre disociadas antes de

disponer un catalizador formador de nanotubos de carbono sobre una superficie de dichas fibras madres disociadas, formando así fibras madres disociadas cargadas con catalizador;

(b) exponer dichas fibras madres disociadas cargadas con catalizador a un plasma de carbono, sintetizando así nanotubos de carbono directamente sobre dichas fibras madres disociadas; y

(c) reagrupar las fibras madres disociadas en una estopa infundida con nanotubos de carbono o una mecha

infundida con nanotubos de carbono después de sintetizar nanotubos de carbono sobre las fibras madres disociadas.

2. La estopa o mecha infundida con nanotubos de carbono fabricada por el procedimiento de la reivindicación 1, en la que la fibra madre disociada se selecciona de fibra de carbono, fibra de grafito, fibra metálica, fibra cerámica, fibra metálica-cerámica, fibra de vidrio, fibra celulósica y fibra de aramida.

3. Una estopa de fibras humedecidas con resina e infundidas con nanotubos de carbono, que comprende:

a) una estopa de fibras infundidas con nanotubos de carbono según la reivindicación 1 y b) una resina.

4. Una estopa de fibras humedecidas con resina e infundidas con nanotubos de carbono de la reivindicación 3, en la que la resina se selecciona entre poliéster ortoftálico, poliéster isoftálico, epóxido y ester vinílico.