Materiales para apantallamiento electromagnético.

Materiales para apantallamiento electromagnético.

La presente invención se relaciona con materiales compuestos que comprende un polímero termoestable,

y nanocompuestos de carbono seleccionados de nanofibras de carbono, nanotubos de carbono y mezclas de los mismos, en donde los nanocompuestos de carbono presentan en su superficie nanopartículas de compuestos inorgánicos cuya permitividad relativa es superior a 15, su procedimiento de obtención, uso de dichos materiales y dispositivos que los comprenden.

Materiales para apantallamiento electromagnético Campo de la invención

La presente invención pertenece al campo de los nanocompuestos y su uso en el apantallamiento electromagnético.

Antecedentes de la invención

Un dispositivo electrónico es compatible con el entorno cuando sus emisiones no afectan a otros dispositivos y cuando él mismo no se ve afectado por las emisiones externas. Por ello, es de gran importancia minimizar las interferencias y proteger los dispositivos electrónicos. Las interferencias electromagnéticas se suelen minimizar mediante el diseño adecuado de circuitos o mediante el empleo de filtros. La protección de los dispositivos electrónicos se suele realizar sin embargo, empleando recubrimientos o carcasas generalmente metálicas o materiales compuestos poliméricos conductores. En los dos primeros casos, el mecanismo de apantallamiento está relacionado con la reflexión de la radiación mientras que en el último con la absorción.

La elección del material apantanante depende de la aplicación final, por ejemplo, en tecnologías que precisan de apantallamiento en la zona de 1 GHz a 20 GHz se precisan materiales con bajas pérdidas por reflexión y altas pérdidas por absorción, en la industria aeroespacial se precisa, además, que los materiales sean ligeros.

Hay tres mecanismos básicos para apantallar radiaciones electromagnéticas: absorción, reflexión y reflexión múltiple. En buenos conductores, la contribución más importante es la reflexión y las pérdidas están relacionadas con el cociente entre la conductividad y permeabilidad (o/p). En materiales menos conductores, como por ejemplo los materiales compuestos, la absorción, que depende del producto entre conductividad y permeabilidad (op), es el principal mecanismo de apantallamiento. El tercer mecanismo está relacionado con el espesor de piel, despreciable a frecuencias elevadas del orden de los GHz. En consecuencia, en la protección de dispositivos electrónicos frente a la radiación externa, el mecanismo más importante es la reflexión, por lo que se requiere que el material presente una elevada conductividad y una baja permeabilidad. Por el contrario, cuando la aplicación

requiere disipar la radiación (por ejemplo, en forma de calor) se requiere una baja reflexión y una elevada absorción

Las nanofibras de carbono (CNF) y los nanotubos de carbono (CNT) se llevan incorporando en matrices poliméricas desde los años ochenta aproximadamente. Su elevada conductividad eléctrica y su gran relación de aspecto permiten la fabricación de materiales con buena conductividad y buenas propiedades de apantallamiente con pequeñas cantidades de carga.

Las CNF se han incorporado a una gran variedad de polímeros, desde espumas de polipropileno [Antunes M. et al, Carbón 2011, 49, 708-717] a polímeros cristal líquido [Yang S. et al., Compos: Parí A 2005, 36, 691-697], También se han combinado con partículas magnéticas por electrohilatura alcanzando valores de apantal lamiente del orden de 30-40 dB a frecuencias entre 1 y 4 GHz, concretamente se describe la combinación de CNT y CoFe204, en ausencia de polímero [Che R.C. et al., Appl. Phys. Lett. 2006, 88, 033105], la combinación una resina fenólica con óxido de grafeno, y-Fe2C>3 y fibras de carbono [Sing A.P. et al., Carbón 2012, 50, 3868-3875] y la combinación de CNF y una pequeña cantidad de CNT en una matriz de poliestireno [Yang Y. et al., Nanotechnology 2007, 18, 354701].

Los CNT también se han combinado con polímeros tales como poliuretano, con pérdidas próximas a 20 dB [Liu Z. et al., Carbón 2007, 45, 821-827]; poliestireno, con pérdidas menores de 12 dB en la banda X del espectro electromagnético [Mahmoodi M. et al., Carbón 2012, 50, 1455-1464; y Yang Y. et al., Nano. Lett. 2005, 5, 2131-2134]; policarbonato, con pérdidas próximas a 20 dB para un 5% de carga [Arjmand M. et al., Carbón 2011, 49, 3430- 3440]; y acetato de polivinilo/ácido poliacrílico (PVA/PAAc), con absorciones muy elevadas con contenidos de CNT de hasta el 72% [Yun J. et al., Euro. Polym. J. 2010, 46, 900-909].

Cuando un material compuesto de base polimérica se carga con nanopartículas conductoras como CNT, CNF o láminas de grafeno, las cargas tienden a asociarse formando agregados de partículas o clústeres dispersos por todo el material. Cuando la cantidad de carga supera un cierto valor umbral, llamado límite de percolación, además de clústeres dispersos se forma un camino conductor que conecta puntos macroscópicamente distantes del material. El valor del límite de percolación depende de la razón de aspecto de la nanocarga, entre otros factores. Por ejemplo, para nanocargas esféricas rígidas cuya razón de aspecto es la unidad, el límite de percolación teórico para una dispersión uniforme, homogénea y sin

direcciones preferentes se encuentra en el 16 % en volumen. Sin embargo, para nanocargas

con razones de aspecto muy grandes, superiores a 100, el límite de percolación se sitúa, típicamente, en un valor comprendido entre 0,01 y 5% en volumen. A partir del límite de percolación la conductividad y otras propiedades de transporte sufren un incremento muy brusco, en torno a 10 órdenes de magnitud para la conductividad eléctrica.

La presente invención proporciona un material compuesto de base polimérica con excelentes propiedades de apantallamiento electromagnético, a la vez que mantiene las propiedades mecánicas de la base polimérica.

Sumario de la invención

Sorprendentemente, los inventores han descubierto que materiales compuestos que comprenden un polímero termoestable, y nanocompuestos de carbono que presentan en su superficie nanopartículas de compuestos inorgánicos con elevada permitividad relativa, superior a 15, tiene un efecto sinérgico en el apantallamiento de frecuencias comprendidas en el rango de 7 a 20 GHz, tanto frente al apantallamiento de los materiales compuestos que comprenden dicho polímero y nanocompuestos de carbono sin nanopartículas, como frente al apantallamiento de materiales compuestos que comprenden un dicho polímero y las nanopartículas anteriores en ausencia del nanocompuesto de carbono.

En el estado de la técnica Che R.C. et al., Appl. Phys. Lett. 2006, 88, 033105] se describe la combinación de CNT con una ferrita de hierro y cobalto, CoFe204, como catalizador de nanotubos de carbono. Dichas partículas quedan en el interior de los nanotubos y los autores encuentran un cierto efecto sinérgico por la citada combinación. Sin embargo, la presente invención muestra las siguientes ventajas: no es necesario que las nanopartículas tengan las propiedades catalíticas necesarias para crecer nanotubos, se pueden emplear nanofibras o nanotubos comerciales de cualquier fabricante, se pueden emplear nanopartículas comerciales de cualquier fabricante, se puede controlar y/o modificar la cantidad de nanopartículas de material dieléctrico en la superficie de nanotubos o nanofibras con mucha facilidad y obtener así una amplia gama de materiales con propiedades diferentes.

Por ello, en un primer aspecto, la invención se relaciona con un material compuesto que comprende un polímero termoestable, y nanocompuestos de carbono seleccionados de nanofibras de carbono, nanotubos de carbono y mezclas de los mismos, en donde los

nanocompuestos de carbono presentan en su superficie nanopartículas de compuestos inorgánicos cuya permitividad relativa es superior a 15.

En un segundo aspecto, la invención se relaciona con un procedimiento de obtención del material compuesto según se ha definido en el primer aspecto que comprende:

a) proveer los nanocompuestos de carbono que presentan en su superficie nanopartículas de compuestos inorgánicos cuya permitividad relativa es superior a 15;

b) proveer prepolímeros que constituyen el polímero termoestable según se ha definido en el primer aspecto;

c) proveer un agente de curado;

d) mezclar los nanocompuestos de carbono de la etapa a), los prepolímeros de la etapa b) y el agente de curado de la etapa c); y

e) curar la mezcla de la etapa d).

En un tercer aspecto, la invención se dirige a un material compuesto obtenible según el procedimiento definido en el segundo aspecto de la invención.

En un cuarto aspecto, la invención se relaciona con un dispositivo que comprende un material compuesto según se ha definido en cualquiera de los aspectos primero y tercero.

En un quinto aspecto, la invención se relaciona con el uso de un material compuesto según se ha definido en cualquiera de los aspectos primero y tercero en la absorción de radiación electromagnética de frecuencias comprendidas en el rango de 7 a 20 GHz.

Descripción de los dibujos

La... [Seguir leyendo]

1. Material compuesto que comprende un polímero termoestable y nanocompuestos de carbono seleccionados de nanofibras de carbono, nanotubos de carbono y mezclas de los mismos, en donde los nanocompuestos de carbono presentan en su superficie nanopartículas de compuestos inorgánicos cuya permitividad relativa es superior a 15.

2. Material compuesto según la reivindicación 1, en donde el polímero termoestable se selecciona de resinas epoxi, resinas de poliéster, poliuretanos y poliimidas.

3. Material compuesto según la reivindicación 2, en donde el polímero termoestable es una resina epoxi.

4. Material compuesto según la reivindicación 3, en donde la resina epoxi es obtenible a partir de un prepolímero de resina epoxi de fórmula (I) con un agente de curado:

OH

1 /O

o-x-och2-ch-ch2- -ox-och2-<j

J n

(I)

en donde

n se selecciona de un número comprendido en el rango de 0 a 0,25; y el fragmento -O-X-O- proviene de un monómero HO-X-OH que se selecciona del grupo que consiste en bisfenol A hidrogenado, bisfenol A, bisfenol AP, bisfenol AF, bisfenol B, bisfenol BP, bisfenol C, bisfenol E, bisfenol G, bisfenol M, bisfenol S, bisfenol P, bisfenol PH, bisfenol TMC, bisfenol Z, y bis(4-hidroxifenil)-2,3-dicloroetileno.

5. Material compuesto según la reivindicación 4, en donde el fragmento -O-X-O- proviene de un monómero HO-X-OH de bisfenol A hidrogenado.

6. Material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 5, en donde el agente de curado se selecciona de alquilpoliaminas, alrilalquilpoliaminas, arilpoliaminas; anhídridos cíclicos, alquilpolioles, arilalquilpolioles, arilpolioles, alquilpolitioles, arilalquilpolitioles y arilpolioles.

O.

1>ch2'

7. Material compuesto según la reivindicación 6, en donde el agente de curado es una arilalquildiamina de fórmula (II):

en donde n y m se seleccionan independientemente de 1, 2 y 3.

8. Material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el compuesto inorgánico se selecciona de dióxido de titanio, titanato de bario, niobato de sodio y bario, niobato de titanio y bario, wolframato de bario, zirconato de bario, molibdato de calcio, nitrato de calcio, niobato de cobalto, óxido ferrosoférrico , niobato de estroncio y potasio, tantalato niobato de potasio, tantalato de potasio, niobato de litio, tantalato de litio,niobato de magnesio, titanato de magnesio, tungstato de magnesio, niobato de manganeso, dióxido de manganeso, niobato de sodio, niobato de níquel, wolframato de plomo y cobalto, niobato de plomo y magnesio, molibdato de plomo, niobato de plomo, óxido de plomo, titanato de plomo, wolframato de plomo, zirconato de plomo, nitrato de rubidio, molibdato de estroncio, niobato de estroncio, titanato de estroncio, wolframato de estroncio y trióxido de wolframio.

9. Material compuesto según la reivindicación 8, en donde el compuesto inorgánico es óxido ferrosoférrico.

10. Material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los nanocompuestos de carbono son nanofibras de carbono.

11. Material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la proporción de nanocompuestos de carbono respecto a nanopartículas de compuestos inorgánicos está comprendida entre 20:80 en peso y 80:20 en peso.

12. Material compuesto según la reivindicación 11, en donde la proporción de nanocompuestos de carbono respecto a nanopartículas de compuestos inorgánicos está comprendida entre 40:60 en peso y 60:40 en peso.

(II)

13. Material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el peso de nanocompuestos de carbono y nanopartículas de compuestos inorgánicos representa entre el 0,5% y el 30% del peso total del material compuesto.

14. Material compuesto según la reivindicación 13, en donde el peso de nanocompuestos de carbono y nanopartículas de compuestos inorgánicos representa entre el 0,5% y el 15% del peso total del material compuesto.

15. Procedimiento de obtención del material compuesto según se ha definido en cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende:

a) proveer los nanocompuestos de carbono que presentan en su superficie nanopartículas de compuestos inorgánicos cuya permitividad relativa es superior a 15;

b) proveer el prepolímero que constituye el polímero termoestable según se ha definido en cualquiera de las reivindicaciones anteriores;

c) proveer un agente de curado;

d) mezclar los nanocompuestos de carbono de la etapa a), el prepolímero de la etapa b), y el agente de curado de la etapa c); y

e) curar la mezcla de la etapa d).

16. Procedimiento según la reivindicación 15, en donde el prepolímero de la etapa b) es una prepolímero de resina epoxi y el agente de curado de la etapa c) se selecciona de alquilpoliaminas, alrilalquilpoliaminas, arilpoliaminas anhídridos cíclicos, alquilpolioles, arilalquilpolioles, arilpolioles, alquilpolitioles, arilalquilpolitioles y arilpolioles.

17. Procedimiento según la reivindicación 16, en donde el agente de curado de la etapa c) es una arilalquildiamina de fórmula (II):

en donde n y m se seleccionan independientemente de 1, 2 y 3.

18. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 15 a 17, en donde la etapa a) comprende:

a1) proveer una dispersión de los nanocompuestos de carbono en un disolvente;

(II)

a2) proveer una dispersión de las nanopartículas de compuestos inorgánicos cuya permitividad relativa es superior a 15 en un disolvente; a3) mezclar las dispersiones de la etapa a) y de la etapa b);

a4) aislar los nanocompuestos de carbono que presentan en su superficie nanopartículas de compuestos inorgánicos cuya permitividad relativa es superior a 15.

19. Material compuesto obtenible según el procedimiento definido en cualquiera de las reivindicaciones 15 a 18.

20. Dispositivo que comprende un material compuesto según se ha definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14 y 19.

21. Dispositivo según la reivindicación 20, en donde dicho dispositivo se selecciona de dispositivos electrónicos, vehículos, instalaciones y edificios.

22. Uso de un material compuesto según se ha definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14 y 19 en la absorción de radiación electromagnética de frecuencias comprendidas en el rango de 7 GHz a 20 GHz.