Materiales nanocompuestos de polipropileno y nitruros de carbono,

procedimiento para su obtención y aplicaciones.

La presente invención se refiere a un material nanocompuesto que comprende una matriz polimérica de polipropileno y nanopartículas de nitruro de carbono, con forma esférica o elipsoidal, a su procedimiento de obtención y a sus usos en la fabricación de artículos termoplásticos, ultraligeros y ultraduros.

Materiales nanocompuestos de polipropileno y nitruros de carbono, procedimiento para su obtención y aplicaciones.

La presente invención se refiere a un material nanocompuesto que comprende una matriz polimérica de polipropileno y nanopartículas de nitruro de carbono, a su procedimiento de obtención y a sus usos en la fabricación de artículos termoplásticos.

Estado de la técnica anterior

El avance de las sociedades modernas siempre ha estado asociado al desarrollo y mejora de los materiales. La obtención de mejores prestaciones (resistencia, ligereza, durabilidad, etc.) y la necesidad de combinar muchas de estas propiedades en un único material, dieron lugar al desarrollo de materiales multifuncionales que combinan en su estructura materiales de muy diferentes características y prestaciones. Entre estos nuevos materiales se encuentran los denominados nanocompuestos o nanocomposites poliméricos, los cuales incorporan nanopartículas a nivel nanométrico y ofrecen opciones competitivas en el mercado de materiales.

El polipropileno es uno de los polímeros de mayor consumo, que más interés científico y tecnológico ha despertado en el campo de los compuestos y los nanocompuestos poliméricos, debido a su bajo coste y gran versatilidad, tanto en lo referente a sus procesos de transformación como a sus aplicaciones. Su éxito reside por un lado en sus excelentes propiedades intrínsecas y, por otro, en el continuo avance en sus procesos de fabricación, lo que le permite adaptarse y ser adaptado para cubrir las necesidades de todo tipo de mercados.

En 1954, Natta desarrolló, a partir de los catalizadores descritos por Ziegler en el año 1953, unos catalizadores capaces de producir polipropilenos de elevado peso molecular, además de con un alto control de la tacticidad. Así, modificando las condiciones de polimerización es posible obtener tres tipos de polipropileno (PP) con diferente tacticidad: isotáctico, sindiotáctico y atáctico. Las propiedades de cristalinidad en PP isotáctico hacen, que tanto él como sus derivados, encuentren aplicaciones en múltiples sectores industriales como son el envase y embalaje (tapones, botellas, filmes, tubos...), automoción (parachoques, salpicaderos, baterías...), electrodomésticos, canalizaciones, mobiliario, juguetes, construcción, textil, agricultura, etc.

Con el propósito de mejorar algunas de las propiedades del polipropileno o reducir su coste, es común que se rellenen con cargas minerales tales como fibra de vidrio, talco, mica, carbonato de calcio, sílice y arcillas minerales, etc., formando así materiales compuestos o composites. En estos materiales, el polímero y los aditivos no se dispersan homogéneamente a nivel nanométrico sino a nivel micrométrico. El porcentaje del refuerzo suele estar por encima del 10% lo que permite generalmente mejorar de manera notable las propiedades mecánicas tales como la rigidez, pero en contra, reduce la tenacidad, la transparencia y la calidad superficial, a la vez que aumenta el peso y la viscosidad del fundido. Es conocido que en el caso del polipropileno, no existe una gran afinidad entre las partículas polares de carga y la matriz no polar, por lo que las interacciones entre las dos fases son muy limitadas. Sin embargo, la interfase se puede modificar mediante tratamientos superficiales adecuados que consisten en uso de moléculas de carácter dual, con una parte polar capaz de algún tipo de interacción con la superficie de la carga mineral y un sustituyente orgánico susceptible de interactuar de alguna manera con la matriz de polipropileno. La fuerza de interacción con la matriz puede variar desde lo necesario para mejorar la mojabilidad de la superficie de la carga mediante la reducción de energía superficial como en el caso de lubricantes o dispersantes, hasta favorecer el enmarañamiento de las moléculas poliméricas al nivel de la partícula o, en caso extremos, generar enlaces químicos con la matriz (agentes de acoplamiento).

Los nanocompuestos son una nueva forma de materiales compuestos. El polímero se rellena con partículas que tienen al menos una dimensión en el intervalo nanométrico. Si las tres dimensiones de la partícula son nanométricas, la nanopartícula se define isodimensional (ej. silsesquioxanos (POSS), nanopartículas de fulerenos inorgánicos esféricas (IF-WS₂), etc. Sin embargo, en muchos productos comerciales, las etapas de modificación y dispersión de las nanocargas siguen jugando un papel fundamental para el procesado de estos materiales a gran escala.

Por consiguiente, existe la necesidad de una alternativa en la búsqueda de materiales que podrían emplearse para producir nuevos nanocompuestos poliméricos avanzados mediante métodos sencillos. Estudios realizados en otros sistemas basados en nanopartículas esféricas lubricantes de fulerenos inorgánicos de tipo WS2 han mostrado resultados espectaculares en cuanto a la mejora de las propiedades físicas, en general, de distintas matrices poliméricas (polipropileno [Naffakh et al., J. Polym. Sci. Part B: Polym. Phys. 45, 2309-2321 (2007)], nylon-6 [Naffakh, M.; Gómez, M. A.; Jiménez, I. Patente P200930434, CSIC, España (2009)] y polisulfuro de fenileno [Naffakh et al., J. Phys. Chem. B. 113,10104-10111 (2009)]).

Descripción de la invención

La presente invención proporciona un material nanocompuesto que comprende una matriz polimérica de polipropileno y nanopartículas de nitruro de carbono preferiblemente de geometría elipsoidal o esférica, también proporciona su procedimiento de obtención y sus usos en la fabricación de artículos termoplásticos.

Un primer aspecto de la presente invención se refiere a un material que comprende:

La matriz polimérica de polipropileno pertenece a la familia de las poliolefinas.

La matriz puede ser cualquier derivado de polipropileno, es decir, homopolímero, copolímero, o combinación de 2 ó más polímeros siendo al menos uno de ellos polipropileno y el otro un polímero termoplástico. Siendo dicho polímero termoplástico conocido por cualquier experto en la materia.

Se entiende por "copolímero" en la presente invención por una macromolécula compuesta por dos o más unidades repetitivas distintas, denominadas monómeros, que se pueden unir de diferentes formas por medio de enlaces químicos, los monómeros que forman el copolímero pueden distribuirse de forma aleatoria o periódica.

El polímero de polipropileno en una realización preferida es de tipo isotáctico. Este polipropileno isotáctico es un homopolímero que está constituido por propileno como unidad monomérica, el polímero está constituido por estos monómeros enlazados por el carbono quiral en la misma posición, lo que hace que el polipropileno isotáctico sea de mayor interés industrial debido a sus mejores propiedades mecánicas, que se derivan principalmente de una mayor cristalinidad. Además, presenta una gran durabilidad, alta resistencia química y buen aislamiento eléctrico.

Las nanopartículas de nitruros de carbono en una realización preferida se seleccionan de la lista que comprende nitruros de carbono, siendo estos nitruros de carbono seleccionados entre C₃N₄, CN o cualquiera de sus combinaciones.

Preferiblemente el contenido de nanopartículas es inferior al 10% en peso total del material, y más preferiblemente este contenido inferior al 2%.

Las nanopartículas de nitruro de carbono pueden tener cualquier forma geométrica, siendo preferiblemente de geometría esferoidal o elipsoidal, pudiendo haber una mezcla de partículas con ambas geometrías.

En otra realización preferida las nanopartículas de nitruro de carbono tienen un tamaño inferior a 500 nm. Y en una realización más preferida estas nanopartículas tienen un tamaño inferior a 300 nm.

Debido a que las partículas de relleno de la matriz de polipropileno son de dimensiones del orden de nanómetros el material se considera un material nanocompuesto.

El uso de nitruros de carbono como refuerzos ligeros esta sustentado en las propiedades intrínsecas que caracterizan estos nanorefuerzos, ligadas a su estructura química y su forma esférica o elipsoidal, las cuales permiten evitar los problemas de anisotropía igual que... [Seguir leyendo]

1. Material que comprende:

2. Material según la reivindicación 1, donde la matriz polimérica es homopolímero, copolímero, o al menos dos polímeros termoplásticos.

3. Material según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, donde las nanopartículas de nitruros de carbono, que se seleccionan entre: C₃N₄, CN o cualquiera de sus combinaciones.

4. Material según la reivindicación 3, donde el contenido de nanopartículas es inferior al 10% en peso total del material.

5. Material según la reivindicación 4, donde el contenido de nanopartículas es inferior al 2% en peso total del material.

6. Material según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde las nanopartículas tienen una geometría elipsoidal o esférica.

7. Material según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde las nanopartículas de nitruros de carbono tienen un tamaño inferior a 500 nm.

8. Material según la reivindicación 7, donde la nanopartículas de nitruros de carbono tienen un tamaño inferior a 300 nm.

9. Material según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por comprender además aditivos, cargas o cualquiera de sus combinaciones.

10. Material según la reivindicación 9, donde los aditivos se seleccionan entre compatibilizantes, dispersantes, plastificantes, colorantes, retardantes de llama, antioxidantes, nucleantes, o cualquiera de sus combinaciones.

11. Procedimiento de obtención del material según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 que comprende un procesado mediante el mezclado del polipropileno en estado fundido y las nanopartículas de nitruros de carbono.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, donde el procesado se lleva a cabo a temperaturas menores a 300ºC.

13. Procedimiento según la reivindicación 12, donde el procesado se lleva a cabo a temperaturas menores de 220ºC.

14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, donde el procesado se realiza mediante un método que se selecciona de la lista que comprende: inyección, extrusión, termoconformado, moldeo por soplado o rotacional, hilado, calandrado y laminación.

15. Procedimiento según la reivindicación 14, donde el procesado se realiza por un método que se selecciona entre inyección, extrusión o moldeo.

16. Uso del material según reivindicaciones 1 a 10, para la fabricación de artículos termoplásticos.