Compuesto de polímero de grafeno.

Un material nanocompuesto que comprende:

un sustrato;

grafeno o grafeno funcionalizado;

un componente adhesivo opcional para adherir el grafeno o grafeno funcionalizado al sustrato; y

una capa de protección opcional para cubrir el grafeno o grafeno funcionalizado;

en donde el grafeno o grafeno funcionalizado es al menos 3 μm de longitud.

Compuesto de polímero de grafeno

La presente invención se relaciona con materiales nanocompuestos nuevos, los métodos para fabricar los nanocompuestos y el uso de los materiales nanocompuestos.

El grafeno es uno de los materiales más duros conocidos, con un módulo de Young de 1 TPa, haciéndolo un candidato ideal para el uso como reforzamiento en compuestos de alto rendimiento. Nosotros hemos encontrado que materiales novedosos que tienen una variedad de propiedades ventajosas pueden derivarse del grafeno y análogos del grafeno. Nosotros también hemos demostrado sin ambigüedad que la transferencia de esfuerzotiene lugar desde la matriz del polímero a la monocapa de grafeno, mostrando que el grafeno actúa como una fase de reforzamiento. Nosotros también hemos modelado el comportamiento usando la teoría de cizalla-rezago, mostrando que los nanocompuestos de monocapas de grafeno pueden analizarse usando la mecánica continua. Adicionalmente, nosotros hemos sido capaces de monitorear la eficiencia de transferencia de esfuerzo y la descomposición de la interface grafeno/polímero.

Dado que el grafeno se aisló por primera vez en 24 [1,2] la mayoría del esfuerzo investigativo se ha concentrado en sus propiedades electrónicas orientado a aplicaciones tales como los dispositivos electrónicos. [3,4] Un estudio reciente ha investigado las propiedades mecánicas elásticas de las monocapas de grafenousando la nanohendidura por microscopía de fuerza atómica. [5] Se ha mostrado que el material tiene un módulo de Young del orden de 1 TPa y una resistencia intrínseca de unos 13 GPa, haciéndolo el material más fuerte que se haya medido.

Los nanotubos de carbono se encuentran bajo una investigación activa como reforzamientos en nanocompuestos [6,7] y se ha establecido bien que los reforzamientos de plaqueta, tales como las nanoarcillas exfoliadas [8,9], pueden ser empleadas como aditivos para mejorar las propiedades mecánicas, y otras, de los polímeros. Recientemente, se ha demostrado que los nanocompuestos en base a polímeros, con óxido de grafeno tratado químicamente como reforzamiento, pueden mostrar un dramático mejoramiento de ambas propiedades, electrónica [1] y mecánica [11] (así se consigue un incremento en 3 K en la temperatura de transición vitrea para solo un 1% de carga en peso del óxido de grafeno tratado químicamente en una matriz de poli(metil metacrilato)). Sin embargo, las cuestiones que surgen en estas técnicas anteriores de los sistemas de nanocompuestos, incluyen la dificultad en dispersar las fases de reforzamiento y la transferencia de esfuerzo en la interface entre la fase dispersada y la matriz del polímero. Hasta la fecha, no ha sido posible producir compuestos de polímeros sin la modificación química del grafeno. Nosotros creemos que ello puede ser debido a la dificultad esperada por la incompatibilidad de los materiales.

Ahora se ha establecido bien que la espectroscopia Raman puede ser usada para seguir la transferencia de esfuerzo en una variedad de compuestos reforzados con materiales en base a carbono, tales como las fibras de carbono [12,13] y los nanotubos de carbono de simple y doble pared. [14-16] Tales reforzamientos tienen espectros Raman bien definidos y se ha visto que sus bandas Raman se desplazan con el esfuerzo, lo que permite monitorear la transferencia de esfuerzo entre la matriz y la fase de reforzamiento. Más aún, se ha establecido una calibración universal entre la velocidad del desplazamiento de las bandas Raman del carbono G' con la tensión [14], que permite pueda estimarse el módulo de Young efectivo del reforzamiento de carbono. Estudios recientes han mostrado que dado que la dispersión Raman de estos materiales en base a carbono son reforzadas de forma resonante se pueden obtener espectros bien definidos e intensos de cantidades muy pequeñas de los materiales de carbono, por ejemplo, de nanotubos de carbono individuales, o bien aislados sobre un sustrato [17] o desagrupados y aislados dentro de nanofibras de polímero. [18,19]

La espectroscopia Raman también ha sido empleada para caracterizar la estructura y deformación del grafeno. Se ha demostrado que la técnica puede ser usada para determinar el número de capas de las películas de grafeno [2]. Las monocapas de grafeno tienen un espectro característico en que la banda G' (también denominada banda 2D) puede ajustarse con un solo pico, mientras que la banda G' en bicapas consta de 4 picos [2], lo que es una consecuencia de la diferencia entre la estructura electrónica de los dos tipos de muestras. Varios artículos recientes han establecido que las bandas Raman del grafeno monocapa se desplazan durante la deformación. [22-25] El grafeno se deforma por tensión, o bien por su estiramiento [22,23] o por compresión [24] sobre un sustrato de PDMS [22] o o viga de PMMA. [23,24] También se ha encontrado que la banda G sufre ambos un desplazamiento a menores números de onda por la tensión y un desdoblamiento. La banda G' sufre un desplazamiento por encima de -5 cm"1/% tensión, lo que es consistente con su módulo de Young de más de 1 TPa [14]. Un estudio reciente [25] de grafeno sometido a presión hidrostática ha mostrado que las bandas Raman se desplazan a mayores números de onda para este modo de deformación y que el comportamiento puede ser predicho a partir del conocimiento de los desplazamientos de la banda en una tensión no axial.

En la presente aplicación nosotros hemos preparado y probado compuestos en base a grafeno. Nosotros hemos usado la

espectroscopia Raman para monitorear la transferencia de esfuerzo en un compuesto modelo consistente en una capa fina de matriz de polímero y una monocapa simple de grafeno separada mecánicamente, usando la banda G' del grafeno sensible al esfuerzo. Ello nos permitió verificar las propiedades beneficiosas de nuestros compuestos.

De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona un material de nanocompuesto que comprende tanto: un sustrato;

grafeno o grafeno funcionalizado;

un componente adhesivo opcional para adherir el grafeno o grafeno funcionalizado al sustrato; y una capa de protección opcional para cubrir el grafeno o grafeno funcionalizado; o en donde el grafeno o grafeno funcionalizado es al menos 3 pm de longitud.

En una modalidad, el material nanocompuesto comprende un sustrato; grafeno o grafeno funcionalizado; un componente adhesivo opcional para adherir el grafeno o grafeno funcionalizado al sustrato; y una capa de protección opcional para cubrir el grafeno o grafeno funcionalizado.

En una modalidad, el material nanocompuesto comprende grafeno o grafeno funcionalizado unido al sustrato. En una modalidad alternativa, el material nanocompuesto está en la forma de un sustrato en el que se distribuye el grafeno o grafeno funcionalizado. Por ejemplo, el grafeno o grafeno funcionalizado pueden añadirse a una mezcla de polímero, antes de la extrusión, para formar el sustrato.

En una modalidad, el material nanocompuesto comprende un componente adhesivo. En una modalidad, el material nanocompuesto comprende una capa protectora para cubrir el grafeno o grafeno funcionalizado. En una modalidad, el material nanocompuesto comprende grafeno o grafeno funcionalizado unido al sustrato, un componente adhesivo y una capa protectora para cubrir el grafeno o grafeno funcionalizado. En una modalidad, el material nanocompuesto no comprende una capa protectora para cubrir el grafeno o grafeno funcionalizado. En una modalidad, el material nanocompuesto comprende grafeno o grafeno funcionalizado unido al sustrato y un componente adhesivo (y no incluye una capa protectora para cubrir el grafeno o grafeno funcionalizado).

En una modalidad, el sustrato del material nanocompuesto puede adherirse por sí mismo a otro material estructural. El término "material estructural" incluye los materiales de construcción (p.ej. aceros o linteles de concreto) y también partes de estructuras existentes, tales como puentes, edificios, aviones u otras estructuras grandes.

En una modalidad, el material nanocompuesto comprende grafeno unido a un sustrato, en donde el grafeno no ha sido químicamente modificado.

En una modalidad, el grafeno o grafeno funcionalizado está unido al sustrato por un componente adhesivo. La elección del componente adhesivo dependerá del tipo de sustrato y del componente de grafeno (p.ej. en dependencia de que el componente de grafeno esté funcionalizado o no y, si está funcionalizado, del tipo y cantidad de la funcionalización). Con respecto a esto, es posible modular la interface entre el componente de grafeno y el componente adhesivo mediante la selección de un adhesivo apropiado. El componente adhesivo puede incluir adhesivos de contacto (p.ej. adhesivos que trabajan a... [Seguir leyendo]

1. Un material nanocompuesto que comprende: un sustrato;

grafeno o grafeno funcionalizado;

un componente adhesivo opcional para adherir el grafeno o grafeno funcionalizado al sustrato; y una capa de protección opcional para cubrir el grafeno o grafeno funcionalizado; en donde el grafeno o grafeno funcionalizado es al menos 3 pm de longitud.

2. Un material nanocompuesto como se reivindica en la reivindicación 1, en donde el material comprende un sustrato; grafeno o grafeno funcionalizado; un componente adhesivo opcional para adherir el grafeno o grafeno funcionalizado al sustrato; y una capa de protección opcional para cubrir el grafeno o grafeno funcionalizado.

3. Un material nanocompuesto como se reivindica en la reivindicación 1 o 2 en donde el material comprende grafeno o grafeno funcionalizado unido al sustrato; opcionalmente en donde el componente de grafeno del nanocompuesto está presente como una capa de grosor de un átomo sobre el sustrato.

4. Un material nanocompuesto como se reivindica en cualquier reivindicación anterior, en donde el material nanocompuesto comprende un componente adhesivo.

5. Un material nanocompuesto como se reivindica en cualquier reivindicación anterior, en donde el material comprende una capa protectora para cubrir el grafeno o grafeno funcionalizado.

6. Un material nanocompuesto como se reivindica en cualquier reivindicación anterior, en donde el material se adhiere en sí mismo a otro material estructural.

7. Un material nanocompuesto como se reivindica en cualquier reivindicación anterior, en donde el material comprende de 2 a 7 capas.

8. Un material nanocompuesto como se reivindica en cualquier reivindicación anterior, en donde el sustrato es un polímero seleccionado del grupo que comprende: poliolefinas, tales como poliletilenos y polilpropilenos, poliacrilatos, polimetacrilatos, poliacri lonitrilos, poliamidas, polivinilacetatos, poliletilenoóxidos, poliletileno, tereftalatos, poliésteres, poliuretanos y polivinilcloruros; opcionalmente en donde el grosor del sustrato puede ser de 1 pm a 1 mm.

9. Un material nanocompuesto como se reivindica en la reivindicación 1 o 2, en donde el material está en forma de un sustrato en el que el grafeno o grafeno funcionalizado se distribuye.

1. Un uso de un material nanocompuesto como un sensor de tensión, el material nanocompuesto comprende:

un sustrato;

grafeno o grafeno funcionalizado; en donde el grafeno o grafeno funcionalizado es al menos de 3 pm de longitud;

un componente adhesivo opcional para adherir el grafeno o grafeno funcionalizado al sustrato; y una capa de protección opcional para cubrir el grafeno o grafeno funcionalizado.

11. Un método para determinar la tensión o deformación de una monocapa de grafeno o grafeno funcionalizado en un nanocompuesto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, el método comprende las etapas de:

proporcionar un nanocompuesto de grafeno o grafeno funcionalizado , someter el nanocompuesto a espectroscopia Raman, y analizar los datos registrados.

12. Un método para el monitoreo remoto de la tensión de un nanocompuesto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 por mediciones Raman en inclusiones de grafeno o grafeno funcionalizado dentro del nanocompuesto.

14.

Un método para determinar la tensión residual impartida a un producto plástico durante su fabricación, el método comprende:

(a) añadir grafeno o grafeno funcionalizado al material plástico para formar un material nanocompuesto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9;

(b) someter el material plástico a una o más etapas de fabricación;

(c) someter el material plástico a espectroscopia Raman; y

(d) analizar los datos registrados.

Un método para mejorar las propiedades mecánicas de un material nanocompuesto de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, el método comprende uno o más ciclos de impartir tensión al material nanocompuesto.

El uso de un material nanocompuesto como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 para la producción de un material estructural.

Tiempo (mirJl

Figure 1

Figura 2

Posición del pico

Posición del pico D