Procedimiento de obtención de materiales compuestos conductores eléctricos.

La presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de un material compuesto mediante agitación por vibración de una mezcla que comprende polímero y nanomaterial de carbono, al material obtenible por dicho procedimiento y a sus usos como material conductor eléctrico.

Procedimiento de obtención de materiales compuestos como conductores eléctricos.

La presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de un material compuesto mediante agitación por vibración de una mezcla que comprende un polímero y un nanomaterial de carbono, también se refiere al material obtenible por dicho procedimiento y a sus usos como material conductor eléctrico.

Estado de la técnica anterior

Hoy en día la Ciencia y la Tecnología de Polímeros se dirigen hacia la obtención y el estudio de polímeros con propiedades cada vez más específicas, preparados directamente mediante la síntesis de nuevos monómeros, o bien a través de modificaciones químicas o físicas de polímeros existentes. Dado que las fuentes originales de materia prima, esto es, monómeros y disolventes, suelen ser de origen petroquímico, además de irse agotando éstos se están encareciendo de manera significativa. Es por ello que no parece probable que aparezcan a corto o medio plazo nuevos polímeros con incidencia industrial significativa.

Así pues, la alternativa de utilizar los polímeros ya existentes en el mercado, bien modificándolos químicamente, bien mezclándolos o incorporando productos más baratos o de menor contenido energético, se presenta como una opción muy interesante.

En este sentido, la iniciativa de preparar mezclas o compuestos poliméricos es una tendencia cada vez más extendida. Los materiales compuestos, en particular los consistentes en una matriz polimérica termoplástica en la que se dispersa un aditivo sólido, vienen siendo utilizados en la industria desde hace tiempo en gran cantidad de aplicaciones, incluyendo el sector de la automoción y el aeronáutico, entre otros.

La investigación en el campo de las materiales compuestos ha sufrido una revolución con el advenimiento de técnicas que permiten reducir el tamaño y controlar la forma y relación de aspecto de alguno de los aditivos. Cuando el tamaño de partícula del aditivo se ve reducido por debajo de los 100 nm se habla de nanoaditivo, y los materiales compuestos formados con ellos se definen como nanocompuestos.

De entre la gran multitud de nanoaditivos que se han desarrollado en tiempos recientes, hay dos familias que presentan indudable interés y que han despertado grandes expectativas debido a la posibilidad de preparar nanocomposites de matriz polimérica para aplicaciones industriales concretas. Éstas son las nanofibras de carbono ("carbón nanofibers", CNF) y los nanotubos de carbono ("carbón nanotubes", CNT).

El sistema físico consistente en una matriz polimérica aislante en la que se dispersan partículas conductoras presenta una transición aislante-conductor en función de la concentración del aditivo conductor, que puede ser descrita mediante la teoría de percolación (M. T. Connors, S. Roy, T. A. Ezquerra et. al. Phys. Rev. B. 57, 2286, 1998). Por debajo de una concentración característica el material presenta las propiedades dieléctricas de la matriz polimérica, y para concentraciones superiores conduce la corriente eléctrica con conductividades próximas a la del grafito. Esto permite la utilización de este tipo de materiales en aplicaciones reservadas a los metales, como son la disipación de cargas estáticas, apantallamiento electromagnético o la conducción eléctrica.

Aunque el aditivo más utilizado industrialmente es el negro de humo, se ha observado que empleando nanoaditivos como CNF o CNT la concentración crítica necesaria para alcanzar el estado conductor en el nanocompuesto se reduce de forma muy significativa (K. P. De Jong, J. W. Geus, Catal. Rev. Sci. Eng. 42, 481, 2000); (J. K. W. Sandler, J. E. Kirk, I. A. Kinloch, M. S. P. Shaffer, A. H. Windle, Polymer 44, 5893, 2003). Esto es de capital importancia, pues permite aligerar la proporción de aditivo para una determinada conductividad eléctrica manteniendo las propiedades intrínsecas del polímero.

Son varias las estrategias que han sido consideradas para la preparación de nanocompuestos poliméricos, pero quizás la más habitual es el mezclado en fundido, también conocido como "melt-compounding", que presenta entre otras ventajas la de no utilizar disolventes y, lo más importante, la de ser un método ampliamente aplicado a escala industrial. En este caso, el procedimiento de mezclado de los aditivos con la matriz termoplástica en estado fundido se lleva a cabo generalmente en extrusoras (en continuo) o mezcladoras (en discontinuo).

Cuando como aditivo se utilizan nanofibras de carbono, los filamentos que las constituyen se encuentran enmarañados formando ovillos que las fuerzas de cizalla, que en este medio altamente viscoso son muy elevadas, rompen, contribuyendo a su dispersión en el material.

Respecto a las propiedades mecánicas, rara vez se produce algo de refuerzo en cuanto a la tensión máxima, y habitualmente disminuye ésta a medida que aumenta la concentración, típicamente en el rango del 2-15% en peso (J. Zeng et al en Composites Part B: Engineering 35, 245, 2004), mientras el módulo de Young sí suele aumentar con la concentración, circunstancia esperable al volverse el material más rígido.

Muy excepcionalmente se han alcanzado refuerzos importantes (superiores al 100%) a concentraciones bajas, entre el 0,5 y 2% (Y. Yang, et al en J. of Nanoscience and Nanotechnology 7, 549, 2007).

El comportamiento respecto a la resistividad de los nanocompuestos es mucho más dispar, encontrándose umbrales de percolación muy bajos, del orden del 0,1% en peso con PP (polipropileno), y superiores al 2% con ABS (Acrilonitrilo Butadieno Estireno), en el mismo trabajo de Zeng et al, utilizando MWNT (nanotubos de carbono de pared múltiple). El umbral de percolación puede llegar a alcanzar concentraciones incluso superiores al 5% utilizando PMMA, según se describe en el trabajo de Y. Yang et al. Por lo tanto, la matriz termoplástica influye mucho en el umbral de percolación, lo que viene a decir que el grado de dispersión en ella puede depender de la fluidez y la viscosidad del polímero, así como de su composición, habiéndose encontrado resultados muy negativos, con umbrales de percolación superiores al 7% en peso de MWNT, con copolímeros comerciales de PA (poliamida).

Por otra parte, aunque la aplicación del molido criogénico en la preparación de materiales es contemplado principalmente cuando se trata de metales (G. A. Jimenez, S. C. Jana, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 38, 983, 2007), existen también referencias para algunos polímeros, si bien en este caso la mayoría de los trabajos tienen como objetivo principal optimizar la compatibilidad de mezclas de polímeros procedentes, fundamentalmente, de residuos urbanos e industriales S. Jonna y J. Lyons, Polymer Testing, vol. 24, nº 4, pp. 428-434 (2005), C. C. Koch en, Cambridge Universitv Press, UK (2007) p. 31; y A. P. Smith, R. J. Spontak, H. Ade, Polymer Degradation and Stability, vol. 72, pp. 519-524 (2001).

Descripción de la invención

Mediante el procedimiento de la presente invención se consigue un producto homogéneo y, asimismo, de fácil manipulación, pues como consecuencia del proceso de mezclado, es decir, del flujo turbulento que se crea, se produce la neutralización de las cargas estáticas. Esto, desde el punto de vista práctico, supone que durante el proceso de alimentación del material al dispositivo de transformado correspondiente (reómetro, extrusora o cualquiera que sea éste) no se produce pérdida del mismo como consecuencia de la emisión de polvo, con lo que es posible controlar de forma más eficiente la composición del material resultante.

Un primer aspecto de la presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de un material compuesto (a partir de ahora procedimiento de la invención) que comprende la homogenización mediante agitación por vibración de una mezcla que comprende un polímero y un nanomaterial de carbono.

Por "material compuesto" se entiende en la presente invención los materiales formados por dos o más componentes distinguibles entre sí, que poseen propiedades que se obtienen de las combinaciones de sus componentes, siendo superiores a la de los materiales que los forman por separado.

En una realización preferida del procedimiento de la invención, el polímero tiene un tamaño de partícula de entre 100 y 600 μm. Se puede realizar la selección de tamaño del polímero mediante... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de obtención de un material compuesto que comprende la homogenización mediante agitación por vibración de una mezcla que comprende un polímero y un nanomaterial de carbono.

2. Procedimiento según la reivindicación, donde el polímero tiene un tamaño de partícula de entre 100 y 600 μm.

3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, donde previo a la etapa de homogenización se realiza un proceso analítico de finura por fragilización.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, donde el proceso analítico de finura por fragilización se lleva a cabo con nitrógeno líquido.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la mezcla es una dispersión del polímero y el nanomaterial de carbono en un disolvente líquido.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde la agitación por vibración se realiza a una temperatura de entre 10ºC y 50ºC.

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde la agitación por vibración se realiza en un agitador tipo vortex.

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, donde la agitación por vibración se realiza a una frecuencia de entre 1000 y 4000 vibraciones/min.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, donde la agitación por vibración se realiza a una frecuencia de entre 2000 y 3000 vibraciones/min.

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, donde la relación en peso de polímero y nanomaterial de carbono es de entre 99,99:0,01 y 70:30.

11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, donde el polímero se selecciona de entre termoplástico, termoestable o cualquiera de sus combinaciones.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, donde el polímero termoplástico se selecciona de entre poliamida, polietileno, polipropileno, politereftalato de etilenglicol, polifluoruro de vinilideno o cualquiera de sus combinaciones.

13. Procedimiento según la reivindicación 12, donde la poliamida es la poliamida 6,6.

14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, donde el nanomaterial de carbono se selecciona de entre nanofibras de carbono, nanotubos de carbono o cualquiera de sus combinaciones.

15. Procedimiento según la reivindicación 14, donde el nanomaterial de carbono son nanofibras de carbono.

16. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado por comprender la adición de un aditivo previa homogenización que se selecciona de entre lubricantes, plastificantes o cualquiera de sus combinaciones.

17. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, donde el material obtenido por homogenización se le realiza un procesado.

18. Procedimiento según la reivindicación 17, donde el procesado se lleva a cabo por un método que se selecciona de entre moldeo por inyección, moldeo por compresión, extrusión, termoconformado, o cualquiera de sus combinaciones.

19. Material compuesto obtenible según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18.

20. Uso del material compuesto según la reivindicación 19 como conductor eléctrico.

21. Uso del material compuesto según la reivindicación 20, para la fabricación de dispositivos capaces de disipar la carga estática, y/o poseer propiedades de apantallamiento frente a la radiación electromagnética.