MATERIALES CONDUCTORES MEDIANTE FUNCIONALIZACIÓN DE POLÍMEROS CON NANOMATERIALES CONDUCTORES.
Materiales conductores mediante funcionalización de polímeros con nanomateriales conductores.
La presente invención se refiere un material conductor que comprende un polímero funcionalizado y a un nanomaterial conductor unidos mediante enlace covalente. La invención también se refiere a un procedimiento de obtención del material conductor sin modificar las propiedades ópticas del polímero y a su uso para la fabricación de sensores o electrodos.
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201030040.
Solicitante: CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS (CSIC).
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: LLOBERA ADAN,ANDREU, FERNANDEZ SANCHEZ,CESAR, JIMENEZ JORQUERA,CECILIA, MENDOZA GOMEZ,ERNESTO, GUTIÉRREZ CAPITÁN,MANUEL.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- B82Y30/00 TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES. › B82 NANOTECNOLOGIA. › B82Y USOS O APLICACIONES ESPECIFICOS DE NANOESTRUCTURAS; MEDIDA O ANALISIS DE NANOESTRUCTURAS; FABRICACION O TRATAMIENTO DE NANOESTRUCTURAS. › Nano tecnología para materiales o ciencia superficial, p.ej. nano compuestos.
- C01B31/02
PDF original: ES-2363322_A1.pdf
Fragmento de la descripción:
Materiales conductores mediante funcionalización de polímeros con nanomateriales conductores.
La presente invención se refiere un material conductor que comprende un polímero funcionalizado y a un nanomaterial conductor unidos mediante enlace covalente. La invención también se refiere a un procedimiento de obtención del material conductor sin modificar las propiedades ópticas del polímero y a su uso para la fabricación de sensores o electrodos.
Estado de la técnica anterior
La mayoría de polímeros son aislantes eléctricos y, por lo tanto, se pueden utilizar como elementos pasivos en dispositivos eléctricos/electrónicos pero difícilmente como componentes activos. Por este motivo es interesante la producción de compuestos poliméricos conductores. Estos tienen un gran ámbito de aplicación en campos tan diversos como pueden ser la fabricación de sensores (cfr. Fernandez-Sanchez, C. et al. Plasma-activated multi-walled carbón nanotube-polystyrene composite substrates for biosensing. Nanotechnology, 20, (2009); Mendoza, E. et al. Scalable fabrication of immunosensors based on carbón nanotube polymer composites. Nanotechnology, 19, (2008)), la realización de moduladores ópticos de muy bajas pérdidas para su aplicación como (de)multiplexadores en sistemas de transferencia de señal, o su utilización como electrodos para celdas solares poliméricas (cfr. Wu, Z. C. et al. Transparent, conductive carbón nanotube films. Science. 305. 1273-1276 (2004)).
El auge en la investigación en nanomateriales ha permitido el desarrollo de nuevos compuestos poliméricos con nanomateriales conductores que mejoran sensiblemente las propiedades de éstos. La mejora se traduce en polímeros con mejores propiedades mecánicas, resistencia al calor y mejor conductividad térmica y eléctrica. En general, existen dos rutas para la introducción de nanomateriales conductores en polímeros: crear una pequeña capa en su superficie o bien dispersarlos en la matriz polimérica.
Los métodos para la creación de una pequeña capa en la superficie se basan en el depósito y adsorción de los nanomateriales, como pueden ser nanotubos de carbono (De, S. et al. Transparent, Flexible, and Highly Conductive Thin Films Based on Polymer - Nanotube Composites. Acs Nano, 3, 714-720 (2009)) o grafeno (Kim, K. S. et al. Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes. Nature, 457, 706-710 (2009)). Esta técnica produce compuestos de una transparencia y conductividad razonable pero no garantiza la estabilidad del depósito con el tiempo debido a que los nanomateriales están solamente adsorbidos en su superficie.
Descripción de la invención
La presente invención proporciona un material que comprende un polímero funcionalizado y un nanomaterial conductor unidos entre sí por un enlace covalente, estos materiales están desarrollados mediante un procedimiento de inmovilización covalente de una monocapa de sustancias conductoras, como por ejemplo nanotubos de carbono. La presente invención también proporciona el uso de estos materiales como conductores en la fabricación de sensores y electrodos.
Es decir, la presente invención se refiere a la fabricación de superficies conductoras sobre polímeros mediante la funcionalización de éste con nanomateriales conductores.
En resumen, se ha desarrollado una técnica basada en la funcionalización covalente de polímeros con nanomateriales. De esta manera se han obtenido materiales con sus propiedades ópticas inalteradas pero que presentan conductividad eléctrica.
El hecho de que las propiedades ópticas del polímero se vean inalteradas, es debido a que se puede depositar solamente una monocapa de sustancias conductoras.
Por tanto, un primer aspecto de la presente invención se refiere a un material que comprende:
unidos mediante enlace covalente.
Preferiblemente el enlace covalente está comprendido por un grupo que se selecciona de entre amida, hidroxilamina, amina secundaria, imina o tiourea.
Por nanomaterial conductor se refiere en la presente invención a un conductor eléctrico de tamaño nanométrico, conductores eléctricos pueden ser los metales y sus aleaciones, u otros materiales, no metálicos, que también poseen la propiedad de conducir la electricidad como lo son en una realización preferida los nanofilamentos de carbono o el grafeno. Siendo en una realización más preferida dichos nanofilamentos de carbono nanotubos de carbono.
El polímero puede ser preferiblemente un polímero en base de silicio o carbono, más preferiblemente el polímero en base de silicio es polidimetilsiloxano (PDMS), y más preferiblemente el polímero en base de carbono se selecciona entre poliestireno o SU-8.
En la presente invención se entiende por "SU-8", a una fotoresina polimérica de base epoxídica, en concreto se refiere a un glicidil-éter derivado del Bisfenol-A novolac. Dicho polímero se describe en la patente US4882245.
En una realización más preferida, el material conductor posee monocapas conductoras de nanotubos de carbono (CNT) sobre la superficie del polímero polidimetilsiloxano (PDMS), unidos mediante enlace tipo amida.
Un segundo aspecto de la presente invención se refiere a un procedimiento de obtención del material descrito anteriormente, que comprende:
En una realización preferida del procedimiento de la invención, las etapas de la (a) a la (c) se realizan de forma consecutiva. Mientras que las etapas (a) y (c) se realizan en solución acuosa, la etapa (b) se realiza en solución alcohólica.
Preferiblemente la oxidación de la etapa (a) se lleva a cabo con HCl y H2O2 en agua, pudiendo estar esta agua desionizada.
En una realización preferida el reactivo empleado en la etapa (b) para la funcionalización es un organosilano de fórmula (I)
donde
n es entre 1 y 11,
p es 0 ó 1, y
X se selecciona de entre grupos amino, halógeno, aldehído, tiol, arilepoxi o isotiocianato.
En una realización más preferida el reactivo organosilano es 3-aminopropiltrimetoxisilano.
En otra realización preferida del procedimiento de la invención, la sustancia conductora empleada en la etapa (c) ha sido previamente oxidada.
Las aplicaciones de estos materiales conductores son diversas e incluyen el ámbito de los sensores, o los electrodos para celdas solares poliméricas ya que las propiedades ópticas del polímero están inalteradas.
Por tanto, otro aspecto de la presente invención se refiere al uso del material de la presente invención, como material conductor. Preferiblemente en la fabricación de sensores o electrodos, siendo más preferiblemente el sensor de tipo electroquímico y/o óptico.
En otra realización preferida, el material conductor de la invención, se utiliza como electrodo para la fabricación de células solares, celdas de combustibles o supercapacitores.
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y dibujos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención.
Descripción de las figuras
Fig. 1. Muestra una imagen de microscopia electrónica de barrido (SEM) de una monocapa de CNTs formada sobre... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
1. Material que comprende:
unidos mediante enlace covalente.
2. Material según la reivindicación 1, donde el enlace covalente está comprendido por un grupo que se selecciona de entre amida, hidroxilamina, amina secundaria, imina o tiourea.
3. Material según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, el material conductor es un nanomaterial de carbono.
4. Material según la reivindicación 3, donde el nanomaterial de carbono se selecciona entre nanofilamentos de carbono o grafeno.
5. Material según la reivindicación 4, donde los nanofilamentos de carbono son nanotubos de carbono.
6. Material según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde el polímero es en base a silicio o carbono.
7. Material según la reivindicación 6, donde el polímero en base de silicio es polidimetilsiloxano (PDMS).
8. Material según la reivindicación 6, donde el polímero en base de carbono se selecciona entre poliestireno o SU-8.
9. Procedimiento de obtención de un material conductor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, que comprende:
10. Procedimiento según la reivindicación 9, donde las etapas (a) a (c) se realizan de forma consecutiva en solución.
11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9 o 10, donde la oxidación de la etapa (a) se lleva a cabo con HCl y H2O2 en agua.
12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, donde el reactivo empleado en la etapa (b) para la funcionalización del polímero es un organosilano de fórmula (I)
donde
n es entre 1 y 11,
p es 0 ó 1 y
X se selecciona de entre grupos amino, halógeno, aldehído, tiol, arilepoxi o isotiocianato.
13. Procedimiento según la reivindicación 12, donde el reactivo organosilano es 3-aminopropiltrimetoxisilano.
14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, donde la sustancia conductora empleada en la etapa (c) ha sido previamente oxidada.
15. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, donde el reactivo usado para llevar a cabo la etapa (c) es una carbodiimida.
16. Uso del material según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, como material conductor.
17. Uso del material conductor según la reivindicación 16, como material conductor en la fabricación de sensores o electrodos.
18. Uso del material conductor según la reivindicación 17, donde el sensor es electroquímico y/o óptico.
19. Uso del material conductor según la reivindicación 17, donde el electrodo es para la fabricación de células solares, celdas de combustibles o supercapacitores.
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