Espuma de carbono monolítica de alta resistencia.

Un artículo de espuma de carbono monolítica que comprende una espuma de carbono que tiene unadistribución de poros tal que un volumen de espuma del mismo está ocupado entre 65 % y 95 % por poros,

y en elque al menos 90 % de los poros tienen un diámetro entre 10 y 150 μm y al menos 1 % de los poros tiene undiámetro entre 0,8 y 3,5 μm, en el que además los poros de la espuma de carbono tienen, como media, una relaciónde dimensiones entre 1,0 y 1,5, y dicho artículo tiene una permeabilidad no mayor de 2,96 μm2 (3,0 darcys).

Espuma de carbono monolítica de alta resistencia

CAMPO TÉCNICO

La presente invención se refiere a espumas de carbono monolíticas de alta resistencia útiles para aplicaciones que incluyen el mecanizado de materiales compuestos. Más en particular, la presente invención se refiere a espumas de carbono que presentan características mejoradas de resistencia, peso y densidad.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las espumas de carbono han atraído una actividad considerable reciente debido a sus propiedades de baja densidad, junto con una conductividad térmica muy alta o baja. Tradicionalmente, las espumas de carbono se preparan por dos rutas generales. Las espumas altamente grafitizables se han producido por tratamiento térmico de breas de mesofase a alta presión. Estas espumas tienden a tener altas conductividades térmica y eléctrica. Por ejemplo, en la patente de EE.UU. nº 6.033.506 de Klett, la brea de mesofase se calienta mientras se somete a una presión de 6, 9 MPa para producir una espuma de celdas abiertas que contiene poros interconectados con un tamaño en el intervalo de 90 – 200 micrómetros. De acuerdo con Klett, después de tratamiento térmico a 2800 ºC, la parte sólida de la espuma se desarrolla a una estructura grafítica altamente cristalina con un espaciado entre capas de 0, 366 nm. Se afirma que la espuma tiene resistencias a la compresión mayores que las espumas previas (3, 4 MPa para una densidad de 0, 53 g/cc) .

Hardcastle y col. (patente de EE.UU. nº 6.776.936) producen espumas de carbono con densidades en el intervalo de 0, 678 – 1, 5 g/cc calentando brea en un molde a presiones de hasta 5, 5 MPa. Se alega que la espuma es altamente grafitizable y proporciona una alta conductividad térmica (250 W/m ºK) .

De acuerdo con H. J. Anderson y col. en las actas del 43th International SAMPE Meeting, pág. 756 (1998) , la espuma de carbono se produce a partir de brea de mesofase seguido de termoendurecimiento oxidativo y carbonización a 900 ºC. La espuma tiene una estructura de celdas abiertas de poros interconectados con formas variadas y con diámetros de poros que están en el intervalo de 39 a más de 480 micrómetros.

Rogers y col., en las actas de la 45th SAMPE Conference, pág. 293 (2000) , describe la preparación de espumas de carbono a partir de precursores basados en carbón, por tratamiento térmico a alta presión para dar materiales con densidades de 0, 35 – 0, 45 g/cc con resistencias a la compresión de 13, 8 MPa – 20, 7 MPa (por lo tanto, una relación de resistencia/densidad de aproximadamente 41 MPa/g/cc) . Estas espumas tienen una estructura de celdas abiertas de poros interconectados con tamaños de poros en el intervalo de hasta 1000 micrómetros. A diferencia de las espumas de brea de mesofase descritas antes, no son altamente grafitizables. En una publicación reciente se describen las propiedades de este tipo de espuma (High Performance Composites September 2004, pág. 25) . La espuma tiene una resistencia a la compresión de 5, 5 MPa con una densidad de 0, 27 g/cc o una relación de resistencia a densidad de 20 MPa/g/cc.

Stiller y col. (patente de EE.UU. nº 5.888.469) describen la producción de espumas de carbono por tratamiento con calor y presión de un extracto de carbón tratado con hidrógeno. Se reivindica que estos materiales tienen altas resistencias a la compresión de 4, 1 MPa para densidades de 0, 2 – 0, 4 g/cc (relación resistencia/densidad de 10, 3 MPa/g/cc – 20, 5 MPa/g/cc) . Se sugiere que estas espumas son más fuertes que las que tienen una naturaleza de carbono tipo vidrio o vítrea que no son grafitizables.

Las espumas de carbono también se pueden producir por carbonización directa de polímeros o mezclas de precursores de polímeros. Mitchell, en la patente de EE.UU. nº 3.302.999, discute la preparación de espumas de carbono por calentamiento de una espuma de polímero de poliuretano a 200 – 255 ºC en aire, seguido de carbonización en una atmósfera inerte a 900 ºC. Estas espumas tienen densidades de 0, 085 – 0, 387 g/cc y resistencias a la compresión de 0, 9 – 14, 1 MPa (relación de resistencia/densidad 10, 6 MPa/g/cc – 36, 4 MPa/g/cc) .

En la patente de EE.UU. nº 5.945.084, Droege describía la preparación de espumas de carbono de celdas abiertas por tratamiento térmico de geles orgánicos derivados de bencenos hidroxilados y aldehídos (precursores de resinas fenólicas) . Las espumas tienen densidades de 0, 3 – 0, 9 g/cc y están compuestas de mesoporos pequeños con un tamaño en el intervalo de 2 a 50 nm.

Mercuri y col. (Actas de la 9th Carbon Conference, pág. 206 (1969) ) han preparado espumas de carbono por pirólisis de resinas fenólicas. Para las espumas con un intervalo de densidad de 0, 1 – 0, 4 g/cc, las relaciones de resistencia a la compresión a densidad eran de 16, 4 – 45, 6 MPa/g/cc. Los poros eran de forma elipsoidal con diámetros de poros de 25 – 75 micrómetros, para una espuma de carbono con una densidad de 0, 25 g/cc.

Stankiewicz (patente de EE.UU. nº 6.103.149) prepara espumas de carbono con una relación de dimensiones controlada de 0, 6 – 1, 2. Los titulares de la patente señalan que los usuarios a menudo requieren una espuma completamente isotrópica para unas propiedades superiores, siendo ideal una relación de dimensiones de 1, 0. Se produce una espuma de carbono de celdas abiertas por impregnación de una espuma de poliuretano con una resina de carbonización seguido de curado térmico y carbonización. Por lo tanto, la relación de dimensiones de los poros de la espuma de poliuretano original ha cambiado de 1, 3 – 1, 4 a 0, 6 – 1, 2.

El documento US 2004/180187 describe una espuma de carbono basada en carbón que se produce por el calentamiento controlado de partículas de carbón bituminoso con contenido muy alto de material volátil, en un “molde” y en una atmósfera no oxidante.

El documento JP 3083637 describe una estructura de aislamiento térmico para usar en la distribución de baja temperatura.

El documento US4.205.055 describe un carbono y grafito de estructura de poros doble que consiste esencialmente en una aglomeración de macroporos de granos de microporos fuertemente unidos, de carbono o grafito, siendo los radios de los macroporos de la misma sustancialmente de 10 a 350 !m y los de los microporos sustancialmente de 0, 2 a 1, 0 !m, uniéndose los macroporos por canales intercomunicados que forman una estructura permeable fluida.

El documento US 3.666.526 describe cuerpos porosos refractarios.

El documento WO 03/042286 describe una espuma que consiste en al menos 70 % en peso de carbono, que tiene un tamaño medio de celdas mayor de 30 !m, porosidad entre 35 % y 99, 7 %, un porcentaje de celdas abiertas mayor de 90 %, y que comprende elementos de unión entre las celdas, las cuales vistas en corte transversal, forman un triángulo con lados curvados hacia el interior.

Desgraciadamente, las espumas de carbono producidas por los procedimientos de la técnica anterior no son eficaces para muchas aplicaciones a alta temperatura, tales como el mecanizado de materiales compuestos. Las espumas disponibles en general no son monolíticas y no tienen los requisitos de resistencia y de relación de resistencia a densidad para dicha aplicación. Además, las espumas de celdas abiertas con poros muy interconectados tienen porosidades que las dejan mal situadas para dichas aplicaciones.

Por lo tanto, lo que se desea es una espuma de carbono que sea monolítica y tenga una estructura de celdas controlable, en la que la estructura de celdas, la resistencia y la relación de resistencia a densidad haga a la espuma adecuada para usar en el mecanizado de materiales compuestos así como en otras aplicaciones. De hecho se ha encontrado que es necesaria una combinación de características, incluyendo relaciones de resistencia a densidad mayores que las contempladas en la técnica anterior, para el uso de una espuma de carbono en aplicaciones de mecanizado de materiales compuestos.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

De acuerdo con la presente invención, se proporciona un artículo de espuma de carbono monolítica que comprende una espuma de carbono que tiene una distribución de poros de modo que un volumen de espuma del mismo está ocupado por entre 65 % y 95 % con poros, y en el que al menos 90 % de los poros tienen un diámetro entre 10 y 150 !m y al menos 1 % de los poros tienen un diámetro entre 0, 8 y 3, 5 !m, además en el que los poros de la espuma de carbono tienen, como media, una relación de dimensiones entre 1, 0 y 1, 5, y dicho artículo tiene una permeabilidad no mayor de 2, 96 !m2 (3,... [Seguir leyendo]

1. Un artículo de espuma de carbono monolítica que comprende una espuma de carbono que tiene una distribución de poros tal que un volumen de espuma del mismo está ocupado entre 65 % y 95 % por poros, y en el

que al menos 90 % de los poros tienen un diámetro entre 10 y 150 !m y al menos 1 % de los poros tiene un diámetro entre 0, 8 y 3, 5 !m, en el que además los poros de la espuma de carbono tienen, como media, una relación de dimensiones entre 1, 0 y 1, 5, y dicho artículo tiene una permeabilidad no mayor de 2, 96 !m2 (3, 0 darcys) .

2. El artículo de la reivindicación 1, en el que al menos 95 % de los poros tienen un diámetro entre 25 y 10 95 !m.

3. El artículo de la reivindicación 1, en el que de 2 % a 10 % de los poros tienen un diámetro de 1 a 2 !m.

4. El artículo de la reivindicación 1, en el que la espuma de carbono tiene una relación de resistencia a la 15 compresión a densidad de al menos 48, 3 MPa/g/cc.

5. El artículo de la reivindicación 4, en el que la espuma de carbono tiene una relación de resistencia a la compresión a densidad de al menos 55, 2 MPa/g/cc.

6. El artículo de la reivindicación 1, en el que la espuma de carbono tiene una densidad de 0, 1 g/cc a 0, 4 g/cc.

7. El artículo de la reivindicación 5, en el que la espuma de carbono tiene una densidad de 0, 05 g/cc a 0, 4 g/cc y una resistencia a la compresión de al menos 13, 8 MPa.