Un método de infusión de nanotubos de carbono (los CNT) en una fibra precursora que comprende:

(a) extender esta fibra precursora antes de disponer un catalizador formador de nanotubos de carbono sobre una superficie de la fibra precursora, formándose de ese modo una fibra cargada de catalizador;

(b) exponer dicha fibra precursora cargada de catalizador a un plasma de carbono, sintetizando de ese modo nanotubos de carbono directamente en dicha fibra precursora y

(c) volver a formar haces de la fibra precursora extendida después de sintetizar nanotubos de carbono en la misma.

Fibra infundida con CNT y método para ello

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un método para infundir nanotubos de carbono en una fibra precursora.

Antecedentes de la invención

Las fibras se usan para muchas aplicaciones diferentes en una amplia variedad de industrias, tales como las industrias de la aviación comercial, recreación, industrial y transporte. Las fibras usadas comúnmente para estas y otras aplicaciones incluyen fibra celulósica (por ejemplo, viscosa, rayón, algodón, etc.) , fibra de vidrio, fibra de carbono y fibra arámida, por nombrar algunas.

En muchos productos que contienen fibras, las fibras están presentes en la forma de un material compuesto (por ejemplo, fibra de vidrio, etc.) . Un material compuesto es una combinación heterogénea de dos o más constituyentes que difieren en forma o composición en una escala macroscópica. Aunque el material compuesto presenta características que ningún constituyente posee solo, los constituyentes retienen sus identidades físicas y químicas 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 a base de fibras, las fibras son el agente de refuerzo. La matriz de resina mantiene las fibras en una posición y orientación deseada y también sirve 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 relativas a la resistencia, al material compuesto. Las fibras, por lo tanto, desempeñan un papel importante en la determinación de la conveniencia del material compuesto para una aplicación dada.

Para realizar el beneficio de propiedades de las fibras en un material compuesto, debe haber una buena interfase entre las fibras y la matriz. Esto se consigue por el uso de un recubrimiento superficial, referido típicamente como "apresto." El apresto proporciona toda una unión fisicoquímica importante entre la fibra y la matriz de resina y así presenta un impacto significativo sobre las propiedades mecánicas y químicas del material compuesto. El apresto se aplica a las fibras durante su fabricación.

Sustancialmente todo el apresto convencional presenta una resistencia interfacial menor que las fibras a que se aplica. Como consecuencia, la resistencia del apresto y su capacidad para resistir la tensión interfacial determinan por último la resistencia del material compuesto total. En otras palabras, usando apresto convencional, el material compuesto resultante no puede presentar una resistencia que sea igual a, o mayor que, la de la fibra. En la patente de EE.UU. 2004/245088 por ejemplo, se describe la producción de nanotubos de carbono de una sola pared (SWCNT, por sus siglas en inglés) , en la que los nanotubos de carbono (CNT, por sus siglas en inglés) dispuestos sobre la malla de fibras de cerámica están en la malla sólo de manera transitoria. A medida que crecen los SWCNT a partir de las partículas de catalizador se forman filamentos, los filamentos empiezan a unirse entre sí y forman haces. Bajo la fuerza de arrastre en el aparato, los haces se sacan de la malla cerámica. Los haces de los SWCNT se pueden aislar así en forma libre o depositar sobre una "superficie construida". Además, la malla cerámica es un elemento fijado dentro del aparato reactor de SWCNT y allí está.

Sumario de la invención

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

En la fibra infundida con CNT descrita en la presente memoria, los nanotubos de carbono son “”infundidos” a la fibra precursora. Como se usa en la presente memoria, el término "infundido" significa unido de manera física o de manera química e “infusión” significa el procedimiento de unión de manera física o de manera química. La unión física entre los nanotubos de carbono y la fibra precursora se cree que es debida, al menos en parte, a fuerzas de van der Waals. La unión química entre los nanotubos de carbono y la fibra precursora se cree que es un enlace covalente.

Sin tener en cuenta su verdadera naturaleza, la unión que se forma entre los nanotubos de carbono y la fibra precursora es bastante robusta y es responsable de que la fibra infundida con CNT pueda presentar o expresar propiedades o características de los nanotubos de carbono. Esto está en marcado contraste con algunos procedimientos de la técnica anterior, en los que los nanotubos se suspenden/dispersan en una disolución de disolvente y se aplican, a mano, a la 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 agrupados se adhieren débilmente a la fibra y sus propiedades de nanotubo características se expresan débilmente, si es que lo hacen.

Los nanotubos de carbono infundidos descritos en la presente memoria funcionan eficazmente como una sustitución para "apresto" convencional. Se ha encontrado que los nanotubos de carbono infundidos son mucho más robustos molecularmente y desde una perspectiva de propiedades físicas que los materiales de apresto convencionales. Además, los nanotubos de carbono infundidos mejoran la interfase fibra a matriz en los materiales compuestos y, más en general, mejoran las interfases fibra a fibra.

La fibra infundida con CNT descrita en la presente memoria es similar a un material compuesto en el sentido de que sus propiedades serán una combinación de aquéllas de la fibra principal así como las de los nanotubos de carbono infundidos. Por consiguiente, las realizaciones de la presente invención proporcionan una manera de impartir las propiedades deseadas a una fibra que de otro modo carece de tales propiedades o las posee en insuficiente medida. Las fibras, por lo tanto, se pueden adaptar o lograr para satisfacer los requerimientos de una aplicación específica. De esta manera, se puede mejorar la utilidad y el valor de virtualmente cualquier tipo de fibra.

Según la realización ilustrativa de un procedimiento de formación de fibras infundidas con CNT, se sintetizan nanotubos en vez de la propia fibra precursora. Es importante que se sinteticen los nanotubos de carbono sobre la fibra precursora. Si no, los nanotubos de carbono llegarán a estar muy enredados y no tendrá lugar la infusión. Como se ve de la técnica anterior, los nanotubos de carbono no infundidos imparten poco, si algo, de sus propiedades características.

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

En la realización ilustrativa, los nanotubos se sintetizan en la fibra precursora por aplicación o infusión de un catalizador formador de nanotubos, tal como hierro, níquel, cobalto o una combinación de los mismos, a la fibra.

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

• Retirar el apresto de la fibra precursora;

• Aplicar catalizador formador de nanotubos a la fibra precursora;

• Calentar la fibra a la temperatura de síntesis de los nanotubos y

• Pulverizar plasma de carbono sobre la fibra precursora 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 pared múltiple. En algunas realizaciones más, los nanotubos de carbono infundidos son una combinación de nanotubos de una sola pared y de pared múltiple. Hay algunas diferencias en las propiedades características de los nanotubos de una sola pared y de pared múltiple que, para algunos usos finales de la fibra, dictan la síntesis de un tipo o del otro tipo de nanotubo. Por ejemplo, los nanotubos de una sola pared pueden ser excelentes... [Seguir leyendo]

1. Un método de infusión de nanotubos de carbono (los CNT) en una fibra precursora que comprende:

(a) extender esta fibra precursora antes de disponer un catalizador formador de nanotubos de carbono sobre una superficie de la fibra precursora, formándose de ese modo una fibra cargada de catalizador;

(b) exponer dicha fibra precursora cargada de catalizador a un plasma de carbono, sintetizando de ese modo nanotubos de carbono directamente en dicha fibra precursora y

(c) volver a formar haces de la fibra precursora extendida después de sintetizar nanotubos de carbono en la misma.

2. El método según la reivindicación 1, en el que la operación de disposición de dicho catalizador en dicha fibra precursora comprende además:

(a) formar una disolución de dicho catalizador en un líquido;

(b) pulverizar dicha disolución sobre dicha fibra precursora extendida.

3. El método según la reivindicación 1, que comprende además calentar dicha fibra después de disponer dicho catalizador sobre dicha fibra precursora, en el que dicha fibra se calienta a una temperatura de ablandamiento y/o que comprende además calentar dicha fibra después de disponer dicho catalizador sobre dicha fibra precursora, en el que dicha fibra se calienta a una temperatura que está entre aproximadamente 500 °C y 1.000 °C y/o en el que dicha fibra precursora es fibra de carbono y en el que el método comprende además calentar dicha fibra después de disponer dicho catalizador sobre dicha fibra precursora, en el que dicha fibra se calienta a aproximadamente 800°C.

4. El método según la reivindicación 1, que comprende además: aplicar resina a dicha fibra cargada de nanotubos de carbono.

5. El método según la reivindicación 4, que comprende además enrollar dicha fibra cargada de nanotubos de carbono alrededor de un mandril después de aplicar dicha resina y/o en el que dicha fibra precursora se selecciona del grupo que consiste en haz de hilo de grafito y fibra para hilar de vidrio.

6. El método según la reivindicación 1, que comprende además sintetizar una primera cantidad de dichos nanotubos de carbono sobre dicha fibra precursora, en el que dicha primera cantidad se selecciona de manera que dicha fibra cargada de nanotubos de carbono presente un segundo grupo de propiedades que difiera de un primer grupo de propiedades presentadas por dicha fibra precursora.

7. El método según la reivindicación 6, en el que dicho primer grupo de propiedades y dicho segundo grupo de propiedades incluyen al menos algunas de las mismas propiedades y en el que además un valor de al menos una de dichas mismas propiedades difiere entre dicho primer grupo y dicho segundo grupo.

8. El método según la reivindicación 6, en el que dicho segundo grupo de propiedades de dicha fibra cargada de nanotubos de carbono incluye una propiedad que no está incluida entre dicho primer grupo de propiedades presentadas por dicha fibra precursora.

9. El método según la reivindicación 1, que comprende además: depositar una primera cantidad de dichos nanotubos de carbono, en el que dicha primera cantidad se selecciona a fin de que el valor de al menos una propiedad seleccionada del grupo que consiste en resistencia a la tracción, Módulo de Young, densidad, conductividad eléctrica y conductividad térmica de dicha fibra cargada de nanotubos de carbono difiere del valor de al menos dicha propiedad de dicha fibra precursora.

10. El método según la reivindicación 1, que comprende además:

retirar material de apresto de la fibra precursora;

aplicar el catalizador formador de nanotubos de carbono a dicha fibra precursora después de eliminación del apresto;

calentar dicha fibra a al menos 500°C previamente a sintetizar nanotubos de carbono sobre dicha fibra precursora.