Procedimiento de obtención de xerogeles orgánicos de porosidad controlada.

La presente invención describe un método de obtención de xerogeles orgánicos porosos basado en un calentamiento por microondas, en el que las etapas de polimerización, curado y secado se producen en un solo paso, con lo que se consigue acortar el tiempo del proceso

Procedimiento de obtención de xerogeles orgánicos de porosidad controlada.

La presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de xerogeles orgánicos porosos basado en un proceso de calentamiento con energía microondas durante el cual se producen las etapas de polimerización, curado y secado en un solo proceso. Además, la presente invención describe un procedimiento de obtención de xerogeles de carbono basado en el anterior que incluye una etapa de carbonización. Por tanto, la presente invención se enmarca dentro del sector químico o el sector medioambiental.

Estado de la técnica

Los geles de carbono son unos materiales singulares, que están siendo objeto de un gran interés desde hace más de una década debido a su gran potencial, ya que existe una gran diversidad de geles dependiendo de los precursores utilizados y del procedimiento de elaboración. Los geles de carbono se obtienen a partir de la policondensación de bencenos hidroxilados (fenol, catecol, resorcinol, hidroquinona, etc.) y aldehídos (formaldehído, furfural, etc.) en un disolvente, seguido de una etapa de secado y posterior carbonización, como se describe en la publicación N. Job et al. Carbon, 42, 619 (2004). Tras la carbonización del gel orgánico se obtiene un material carbonoso que está formado por cadenas o aglomerados tipo coloidal de partículas poliméricas, con un diámetro típico de unos 10 nm. Este tipo de nanoestructrura es la responsable de una serie de propiedades térmicas, ópticas, eléctricas y mecánicas que hacen de los geles de carbono unos materiales de gran potencial y versatilidad.

Entre las propiedades más destacadas de estos materiales cabe mencionar su gran porosidad (>80%), área superficial (400-1.200 m² g^-1) y volumen de poros; magnitudes que dependen notablemente de las condiciones de síntesis. Este factor proporciona a estos materiales una gran importancia en comparación con otro tipo de materiales de carbono, ya que se pueden diseñar con propiedades específicas para muy diversas aplicaciones variando simplemente las condiciones de operación durante la síntesis. Debido a su textura porosa, los geles de carbono pueden utilizarse en aplicaciones relacionadas con reacciones heterogéneas, por ejemplo: reacciones catalíticas, adsorción, en pilas de combustible, etc. Por otra parte, debido a su extremadamente baja conductividad térmica, estos materiales de carbono tienen un gran interés como aislantes térmicos [S.Y. Kim et al. Journal of chemical engineering of Japan, 34, 216 (2001)]. Por último, varios estudios han demostrado que la estructura nanoporosa de los geles de carbono permite utilizar estos materiales como electrodos en supercondensadores de doble capa, una aplicación de gran interés en la actualidad [H. Pröbstle et al. Journal of Power Sources, 105, 87 (2002)]. Otro aspecto importante de este tipo de materiales y que favorece su utilización en muy diversos campos es que se pueden obtener en varias formas: monolitos [F.J. Maldonado-Hódar et al. Carbon, 41, 1291 (2003)], polvo, películas, microesferas [Y. Yamamoto et al. Carbon, 40, 1345 (2002)] o formando parte de un composite, tal como se informa, por ejemplo, en el documento de la patente Lawrence W. Hrubesh US 2003/134916 A1.

El proceso de secado de geles más utilizado para eliminar el disolvente es un secado convencional en estufa y a vacío, donde la temperatura va aumentando gradualmente mientras va disminuyendo la presión pero, por otro lado, en algunos trabajos ha sido utilizado el secado convectivo utilizando aire [N. Job et al., Journal of Non-Crystalline Solids, 352, 24 (2006)], donde el calentamiento se produce por convección y conducción.

Descripción de la invención

La presente invención describe un procedimiento basado en el calentamiento con energía microondas, mediante el cual pueden obtenerse xerogeles de carbono en un tiempo mucho menor, y con un notable ahorro de energía, en comparación con otros procedimientos existentes para la fabricación de este tipo de xerogeles. La novedad del procedimiento consiste en usar el calentamiento con microondas durante las etapas de polimerización (también denominada gelación), curado y secado del xerogel. El procedimiento permite además controlar la textura porosa de los xerogeles resultantes. Esto supone una gran ventaja con respecto a otros procedimientos, dado que, controlando las condiciones de fabricación, es posible obtener xerogeles de carbono destinados a aplicaciones concretas que requieran de una determinada textura porosa. En esencia el procedimiento consiste en someter una mezcla precursora, un disolvente y un catalizador a una radiación de microondas de intensidad controlada durante un determinado tiempo. Esto hace que tengan lugar la polimerización, curado y secado de la mezcla precursora en una única etapa. De esta forma se obtiene un xerogel orgánico que, tras su carbonización, da lugar a un xerogel de carbono. El ahorro de tiempo que representa este procedimiento con respecto a otros procedimientos existentes para la obtención de xerogeles puede llegar a representar más del 90%. En consecuencia, el ahorro energético supone una ventaja a la hora de utilizar el procedimiento de la presente invención.

En un primer aspecto, la presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de xerogeles orgánicos, caracterizado porque las etapas de gelación, curado y secado tienen lugar al someter una mezcla precursora que comprende un benceno hidroxilado o derivados de bencenos hidroxilados y un aldehído, un disolvente polar y un catalizador capaz de regular el pH, a un proceso de calentamiento con microondas.

Por xerogel orgánico se entiende el tipo de gel que se obtiene cuando se emplea un proceso de secado convencional para eliminar el disolvente. El procedimiento de obtención de dicho xerogel orgánico consta de consta de tres etapas principales: i) gelación, o reacción de polimeración; ii) curado, donde el polímero se entrecruza y se forma el gel; y iii) secado del gel obtenido saturado de disolvente.

En una realización preferida, el benceno hidroxilado del procedimiento descrito anteriormente se seleccionan entre resorcinol, fenol, catecol, hidroquinona o fluoroglucinol, y los derivados de bencenos hidroxilados pueden ser cualquier ácido carboxílico.

En otra realización preferida, el aldehído del procedimiento descrito anteriormente se selecciona entre formaldehído, acetaldehído, propanaldehído, butanaldehído y glutaraldehído.

Preferiblemente, la relación molar entre el benceno hidroxilado y el aldehído se encuentra entre 0.2 y 1. Más preferiblemente, la relación molar entre el benceno hidroxilado y el aldehído es 0.5.

En otra realización preferida, el disolvente polar del procedimiento descrito anteriormente se selecciona entre agua, metanol y etanol.

El disolvente polar debe ser capaz de absorber la energía microondas y, por tanto, ser susceptible de ser evaporado mediante el proceso de calentamiento con microondas.

Preferiblemente, la relación molar entre el disolvente polar total y la mezcla de benceno hidroxilado-aldehído se encuentra entre 4 y 7. Más preferiblemente, la relación molar entre el disolvente polar total y la mezcla de benceno hidroxilado-aldehído es de 5,7.

En otra realización preferida, el catalizador capaz de regular el pH de la mezcla precursora del procedimiento descrito anteriormente se selecciona entre Na₂CO₃, K₂CO₃, NaOH y KOH.

Preferiblemente, en el procedimiento descrito anteriormente se usa un catalizador en una concentración tal que puede hacer variar el pH entre 4 y 8. Más preferiblemente, dicho catalizador se usa en una concentración tal que puede hacer variar el pH entre 5 y 6,5.

Preferiblemente, en dicho procedimiento la mezcla precursora además incluye una sustancia dopante que se selecciona entre nanotubos de carbono o partículas de metales de transición, sus sales u óxidos.

En la presente invención las partículas de metales de transición se pueden seleccionar, pero sin limitarse a, partículas de níquel, cobre, titanio, aluminio y sus sales y óxidos.

Las sustancias dopantes se introducen como elementos de forma que una vez obtenido el xerogel de carbono quedan integrados en su estructura, y tienen por objeto dotar al xerogel... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de obtención de xerogeles orgánicos, caracterizado porque las etapas de gelación, curado y secado tienen lugar al someter una mezcla precursora que comprende un benceno hidroxilado o derivados carboxílicos de bencenos hidroxilados y un aldehído, un disolvente polar y un catalizador capaz de regular el pH, a un proceso de calentamiento con microondas.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, donde el benceno hidroxilado se seleccionan de entre resorcinol, fenol, catecol, hidroquinona o fluoroglucinol.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 donde los derivados carboxílicos de bencenos hidroxilados se seleccionan de entre ácido hidroxibenzoico, dihidroxibenzoico o trihidroxibenzoico.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, donde el aldehído se selecciona entre formaldehído, acetaldehído, propanaldehído, butanaldehído y glutaraldehído.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la relación molar entre el benceno hidroxilado y el aldehído se encuentra entre 0.2 y 1.

6. Procedimiento según la reivindicación 4, donde la relación molar entre el benceno hidroxilado y el aldehído es 0.5.

7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde el disolvente polar se selecciona entre agua, metanol y etanol.

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la relación molar entre el disolvente polar total y la mezcla de benceno hidroxilado-aldehído se encuentra entre 4 y 7.

9. Procedimiento según la reivindicación 7, donde la relación molar entre el disolvente polar total y la mezcla de benceno hidroxilado-aldehído es de 5.7.

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, donde el catalizador capaz de regular el pH de la mezcla precursora se selecciona entre Na₂CO₃, K₂CO₃, NaOH y KOH.

11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por usar un catalizador en una concentración tal que puede hacer variar el pH entre 4 y 8.

12. Procedimiento según la reivindicación 10 caracterizado por usar un catalizador en una concentración tal que puede hacer variar el pH entre 5 y 6.5.

13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque la mezcla precursora además incluye una sustancia dopante que se selecciona entre nanotubos de carbono o partículas de metales de transición, sus sales u óxidos.

14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque el proceso de calentamiento con microondas se realiza a una temperatura comprendida entre 40ºC y 110ºC.

15. Procedimiento según la reivindicación 13 caracterizado porque el proceso de calentamiento con microondas se realiza a una temperatura comprendida entre 40ºC y 60ºC.

16. Procedimiento de obtención de xerogeles de carbono, caracterizado porque comprende: