Poliolefinas conductoras con buenas propiedades mecánicas.

Un material polimérico reforzado con nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) o nanotubos de carbono de pared múltiple (MWNT) y preparado mediante mezclado en disolución,

caracterizado porque dichos nanotubos de carbono están libres de partículas de soporte y de catalizador, teniendo dicho material polimérico reforzado unas propiedades eléctricas y mecánicas mejoradas de forma simultánea.

Poliolefinas conductoras con buenas propiedades mecánicas La presente invención se refiere a polímeros reforzados y conductores que incorporan nanotubos, su procedimiento de preparación y sus usos.

Se conoce desde hace muchos años que la combinación de fibras, tal como fibras de carbono, con polímeros, puede mejorar de manera significativa las propiedades mecánicas de las combinaciones (véase Polymer Composites, abril de 1987, vol. 8, nº 2, 74-81; J. Composite Materials, vol. 3, octubre de 1969, 732-734; y Polymer Engineering and Science, enero de 1971, vol. 11, nº 1, 51-56) . El documento GB 1179569A da a conocer un procedimiento de refuerzo de polímeros mediante la incorporación de fibras largas de material, tal como metal, vidrio o amianto. La ventaja de las fibras de carbono es que éstas son muy ligeras, pero a pesar de esto muestran una resistencia mecánica relativamente grande. En particular, éstas muestran una rigidez muy alta.

Se conoce también desde hace muchos años la dispersión negro de carbono en matrices de polímero con el fin de aumentar su conductividad eléctrica. La cantidad de carga de negro de carbono necesaria para alcanzar el efecto deseado es, no obstante, muy alta, del orden de un 10 a un 25 % en peso, reduciendo de este modo las propiedades mecánicas y de procesamiento del material compuesto.

Más recientemente, desde el descubrimiento de Buckminsterfullereno (C60) , se ha descubierto que existen tubos de carbono (denominados a menudo nanotubos de carbono debido a sus dimensiones diminutas) que tienen una estructura en relación con la estructura de C60, que tienen el potencial de usarse de formas similares a las fibras de carbono. En particular, la estructura de los nanotubos de carbono hace su razón de aspecto (longitud/ diámetro, L/D) comparable a la de las fibras largas. Habitualmente, la razón de aspecto de los nanotubos de carbono puede ser tan alta como 500 o más grande. Por lo tanto, la razón de aspecto de los nanotubos de carbono es generalmente mucho mayor que la de las fibras cortas convencionales, tal como fibras de vidrio cortas y fibras de carbono cortas. Además, los tubos pueden, potencialmente, ser más ligeros que las fibras de carbono convencionales, a la vez que son más resistentes y más rígidos que las mejores fibras de carbono convencionales (véase P. Calvert "Potential application of nanotubes" en Carbon Nanotubes, editor T. W. Ebbeson, 297, CRC, Boca Ratón, Florida, 1997) .

Dependiendo de su diámetro, helicidad, y número de capas (pared simple frente a pared múltiple) , los nanotubos decarbono tienen unas propiedades electrónicas entre las de los conductores y los semiconductores. Éstos pueden, por lo tanto, añadirse a un polímero eléctricamente aislante para aumentar su conductividad. El documento WO 97/15934 da a conocer una composición de polímero eléctricamente conductora que contiene nanotubos de carbono. Además, los nanotubos de carbono tienen una gran resistencia mecánica, citándose que tienen unos valores de módulo de flexión de 1.000 a 5.000 GPa. Además, éstos se han mencionado en conexión con los nuevos micromecanismos de fractura, sumamente eficientes, que evitarían una fractura frágil pura con una baja deformación concomitante. Por lo tanto, los nanotubos de carbono se han previsto para su uso en muchas aplicaciones en los últimos años (véase P. Calvert "Potential application of nanotubes" en Carbon Nanotubes, editor T. W. Ebbeson, 297, CRC, Boca Ratón, Florida, 1997; T. W. Ebbeson, "Carbon Nanotubes", Annu. Rev. Mater. Sci., 24, 235, 1994; Robert F. Service, "Super strong nanotubes show they are smart too", Science, 281, 940, 1998; y B. I. Yakobson y R.

E. Smalley, "Une technologie pour le troisiÃme millénaire: les nanotubes", La Recherche, 307, 50, 1998) . El documento EP 1052654 da a conocer un cable con un blindaje semiconductor que comprende nanotubos de carbono y homo- o copolímeros de polipropileno.

No obstante, en el pasado, cuando se producen materiales compuestos de poliolefina mediante la incorporación de nanotubos de carbono, el enmarañado de los nanotubos y la consiguiente aleatorización de las orientaciones de los nanotubos ha dado lugar a problemas (véase M. S. P. Shaffer, X. Fan, A. H. Windle, "Dispersion of carbon nanotubes: polimeric analogies", cartel 39, p. 317 en Proceedings of Polymer '98", septiembre de 1998, Brighton (R. U.) ; P. M. Ajayan, "Aligned carbon nanotubes in thin polymer films", Adv. Mater., 7, 489, 1995; H. D. Wagner, O. Lourie, Y. Feldman y R. Tenne, "Stress-induced fragmentation of multi-wall carbon nanotubes in a polymer matrix", Appl. Phys. Lett., 72 (2) , 188, 1998; y K. Yase, N. Tanigaki, M. Kyotani, M. Yomura, K. Uchida, S. Oshima, Y. Kuriki y F. Ikazaki, Mat. Res. Soc. Symp. Proc., vol. 359, 81, 1995) . En particular, el enmarañado puede dar lugar a una reducción en la homogeneidad de las combinaciones de nanotubos/ polímero, debido a que es difícil que los nanotubos se distribuyan a sí mismos de manera uniforme dentro de la matriz de polímero circundante. Esto reduce la resistencia mecánica y la conductividad eléctrica de las combinaciones, debido a que la falta de homogeneidad introduce puntos débiles en una combinación, en unas posiciones en las que, por ejemplo, hay una concentración relativamente baja de los nanotubos y una concentración alta de polímero. Además, la aleatorización de la orientación de los nanotubos también reduce la resistencia mecánica de las combinaciones. Esto se debe (por ejemplo) a que la resistencia máxima a la deformación en una dirección dada se conseguirá cuando la totalidad de los nanotubos en la combinación se orienten con sus ejes longitudinales alineados en esa dirección. Cuanto más se desvía una combinación con respecto a una orientación ideal de este tipo, menor es la resistencia a la deformación de la combinación en esa dirección. No obstante, hasta la actualidad no ha sido posible controlar la orientación de los nanotubos en un grado suficiente como para mejorar las propiedades mecánicas.

Hay una necesidad de materiales compuestos que ofrezcan un buen equilibrio de propiedades eléctricas y mecánicas, así como unas buenas capacidades de procesamiento.

Es un objeto de la presente invención la preparación de un material compuesto que tenga una buena conductividad eléctrica.

Es también un objeto de la presente invención la preparación de un material compuesto que tenga unas buenas propiedades mecánicas, en particular, unas buenas propiedades de tracción.

Es un objeto adicional de la presente invención la producción de un material compuesto que sea fácil de procesar.

Es otro objeto más de la presente invención la producción de un material compuesto que tenga una buena conductividad térmica.

Por consiguiente, la presente invención proporciona un material polimérico reforzado con nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) o nanotubos de carbono de pared múltiple (MWNT) y preparado mediante mezclado en el estado fundido, caracterizado porque dichos nanotubos de carbono están libres de partículas de soporte y de catalizador.

Por parcialmente purificado, se pretende indicar a través de la totalidad de la presente descripción que las partículas de catalizador, si las hay presentes, y las partículas de soporte, si las hay presentes, se retiran de los nanotubos de carbono mientras que se retiene el componente de carbono pirolítico. Es posible preparar unos nanotubos de carbono que están libres de catalizador o de partículas de soporte: caso en el que no es necesaria la purificación.

La presente invención también da a conocer un procedimiento para preparar dicho material polimérico reforzado, que comprende las etapas de:

a) proporcionar una matriz polimérica, b) proporcionar nanotubos de carbono parcialmente purificados, c) dispersar los nanotubos de carbono parcialmente purificados en la matriz de polímero mediante mezclado en el estado fundido, d) orientar opcionalmente la mezcla de polímero/ nanotubos de la etapa c) mediante estiramiento en el estado fundido o en sólido estado.

La presente invención da a conocer, adicionalmente, el uso de dichos nanotubos parcialmente purificados con el fin de producir un material polimérico reforzado que tiene un buen equilibrio de propiedades eléctricas y mecánicas.

En la presente invención, el polímero no está particularmente limitado. En una realización preferente, el polímero es preferentemente una poliolefina, tal como un homopolímero o un copolímero de etileno o de... [Seguir leyendo]

1. Un material polimérico reforzado con nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) o nanotubos de carbono de pared múltiple (MWNT) y preparado mediante mezclado en disolución, caracterizado porque dichos nanotubos de carbono están libres de partículas de soporte y de catalizador, teniendo dicho material polimérico reforzado unas propiedades eléctricas y mecánicas mejoradas de forma simultánea.

2. El material polimérico reforzado de la reivindicación 1, en el que el material polimérico es una poliolefina.

3. El material polimérico reforzado de la reivindicación 2, en el que la poliolefina es un homopolímero o copolímero atáctico, isotáctico o sindiotáctico de propileno.

4. El material polimérico reforzado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los nanotubos de carbono tienen una razón de aspecto de al menos 100.

5. El material polimérico reforzado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la cantidad de nanotubos de carbono que se añade es de de un 0, 1 a un 20 % en base al peso, basándose en el peso del polímero.

6. El material polimérico reforzado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que está adicionalmente orientado.

7. El material polimérico reforzado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los nanotubos de carbono están libres de contenido en carbono pirolítico.

8. El material polimérico reforzado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los nanotubos de carbono están funcionalizados.

9. El material polimérico reforzado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende negro de carbono.

10. Un procedimiento para preparar el material polimérico reforzado de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 9, que comprende las etapas de:

a) proporcionar una matriz polimérica, b) proporcionar nanotubos de carbono libres de partículas de soporte y de catalizador, c) dispersar dichos nanotubos de carbono en la matriz de polímero en la que el polímero y las cargas se disuelven en un disolvente y se mezclan íntimamente, seguido de la evaporación del disolvente, d) orientar opcionalmente la mezcla de polímero/ nanotubos de la etapa c) mediante estiramiento en el estado fundido o en el estado sólido.

11. Uso de nanotubos de carbono libres de partículas de soporte y de catalizador para preparar material polimérico reforzado de acuerdo con una cualquiera de reivindicaciones 1 a 7 y la reivindicación 9, teniendo dicho material polimérico un equilibrio mejorado de propiedades eléctricas y mecánicas.

12. Uso de nanotubos de carbono funcionalizados libres de partículas de soporte y de catalizador para preparar material polimérico reforzado de acuerdo con una cualquiera de reivindicaciones 1 a 7 y la reivindicación 9, teniendo dicho material polimérico un equilibrio mejorado de propiedades eléctricas y mecánicas.

13. Material eléctricamente disipativo para aplicaciones de automoción, materiales textiles u otras, preparado con el material polimérico reforzado de acuerdo con una cualquiera de reivindicaciones 1 a 9.

14. Protecciones para hilos y cables preparados con el material polimérico reforzado de acuerdo con una cualquiera de reivindicaciones 1 a 9.