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 estado fundido,

caracterizado porque dichos nanotubos de carbono, preparados mediante el uso de catalizadores en soporte, están exentos de partículas de soporte y de catalizador y tienen un componente de carbono pirolítico retenido, teniendo dicho material polimérico reforzado simultáneamente propiedades eléctricas y mecánicas mejoradas.

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

Es conocido desde hace muchos años que el mezclado de fibras, tales como fibras de carbono, con polímeros puede mejorar significativamente las propiedades mecánicas de las mezclas (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 divulga un procedimiento de refuerzo de polímeros mediante la incorporación de fibras largas de material tales como metal, vidrio o amianto. La ventaja de las fibras de carbono es que son muy ligeras, pero a pesar de ello muestran una resistencia mecánica relativamente grande. En particular, muestran una rigidez muy alta.

Es conocido también desde hace muchos años la dispersión de negro de carbono en matrices poliméricas para aumentar su conductividad eléctrica. La cantidad de carga de negro de carbono necesaria para lograr el efecto deseado es, no obstante, muy elevada, del orden del 10 al 25 % en peso, reduciendo de este modo las propiedades mecánicas y de procesamiento del material compuesto.

Más recientemente, desde el descubrimiento del buckminsterfullereno (C60) , se ha hallado que existen tubos de carbono (a menudo denominados nanotubos de carbono debido a sus diminutas dimensiones) que tienen una estructura relacionada con la estructura de C60, por lo que se pueden usar de un modo similar a las fibras de carbono. En particular, la estructura de los nanotubos de carbono hace que su relación de aspecto (longitud/diámetro, L/D) sea comparable a la de las fibras largas. Normalmente, la relación de aspecto de los nanotubos de carbono puede ser de hasta 500 o superior. Por lo tanto, la relación de aspecto de los nanotubos de carbono es generalmente muy superior a la de fibras cortas convencionales, tales como fibras de vidrio cortas y fibras de carbono cortas. Además, los tubos pueden ser potencialmente 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 Raton, Florida 1997) .

En función de su diámetro, helicidad y número de capas (pared simple o pared múltiple) , los nanotubos de carbono tienen unas propiedades eléctricas entre las de conductores y las de semiconductores. Por lo tanto, pueden añadirse a un polímero aislado eléctricamente para aumentar su conductividad. El documento WO 97/15934 divulga una composición polimérica conductora eléctrica que contiene nanotubos de carbono. Además, los nanotubos de carbono tienen una resistencia mecánica elevada, habiéndose indicado que tienen unos valores de módulo de flexión de 1.000-5.000 GPa. Además, se han mencionado con respecto a micromecanismos de fractura nuevos muy eficaces que evitarían un fallo por fragilidad puro con una deformación reducida concomitante. Por lo tanto, los nanotubos de carbono se han previsto para usar en muchas aplicaciones en los últimos años (véase P. Calvert "Potential application of nanotubes" en Carbon Nanotubes, Editor T. W. Ebbeson, 297, CRC, Boca Raton, 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) .

Sin embargo, en el pasado, cuando se han producido materiales compuestos de poliolefina incorporando nanotubos de carbono, el enmarañado de los nanotubos y la consiguiente aleatorización de las orientaciones de los nanotubos ha causado problemas (véase M. S. P. Shaffer, X. Fan, A. H. Windle, "Dispersion of carbon nanotubes: polymeric analogies", póster 39, p. 317 en Proceedings of Polymer â?98", septiembre 1998, Brighton (RU) ; 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. lkazaki, Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol. 359, 81, 1995) . En particular, el enmarañado puede provocar una reducción de la homogeneidad de las mezclas de nanotubos/polímero, ya que es difícil que los nanotubos se distribuyan por sí mismos uniformemente dentro de la matriz polimérica circundante. Esto reduce la resistencia mecánica y la conductividad eléctrica de las mezclas, ya que la falta de homogeneidad introduce puntos débiles en una mezcla en posiciones en las que, por ejemplo, existe una concentración relativamente baja de nanotubos y una concentración alta de polímero. Además, la aleatorización de la orientación de los nanotubos también reduce la resistencia mecánica de las mezclas. Esto es debido (por ejemplo) a que la resistencia máxima a la deformación en una dirección dada se logrará cuando todos los nanotubos de la mezcla estén orientados con sus ejes longitudinales alineados en esa dirección. Cuando más se desvía una mezcla de dicha orientación ideal, menor será la resistencia a la deformación de la mezcla en esa dirección. No obstante, hasta el momento presente no ha sido posible controlar la orientación de los nanotubos hasta un grado suficiente como para mejorar las propiedades mecánicas.

El documento EP 1 052 654 A1 describe un cable que comprende uno o más conductores eléctricos o medios de comunicaciones o un núcleo de dos o más conductores eléctricos o medios de comunicaciones, estando circundado cada conductor eléctrico, medio de comunicaciones o núcleo por una capa. La capa comprende (a) polietileno;

polipropileno; o mezclas de los mismos; (b) nanotubos de carbono; (c) opcionalmente, un negro de carbono conductor distinto a los nanotubos de carbono; y (d) opcionalmente, un copolímero de acrilonitrilo y butadieno. El acrilonitrilo está presente en una cantidad de aproximadamente el 30 a aproximadamente el 60 por ciento en peso del copolímero o un caucho de silicona.

Existe la necesidad de materiales compuestos que ofrezcan un equilibrio bueno de propiedades eléctricas y mecánicas, así como capacidades de procesamiento buenas.

Es un objetivo de la presente invención preparar un material compuesto que tenga una buena conductividad eléctrica.

También es un objetivo de la presente invención preparar un material compuesto que tenga unas buenas propiedades mecánicas, en particular buenas propiedades de tracción.

Otro objetivo de la presente invención es producir un material compuesto que sea fácil de procesar.

Otro objetivo más de la presente invención es producir un material compuesto que tenga una buena conductividad térmica.

En consecuencia, 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 estado fundido, caracterizado porque dichos nanotubos de carbono, preparados mediante el uso de catalizadores en soporte, están exentos de particular de soporte y de catalizador y tienen un componente de carbono pirolítico retenido, teniendo dicho material polimérico reforzado simultáneamente propiedades eléctricas y mecánicas mejoradas.

Las realizaciones preferentes del material polimérico reforzado se caracterizan en las reivindicaciones 2 a 6 y en la presente descripción.

Por parcialmente purificadas se quiere decir a lo largo de la presente descripción que las partículas de catalizador, si están presentes, y las partículas de soporte, si están presentes, se eliminan de los nanotubos de carbono a la vez que se retiene el componente de carbono pirolítico. Es posible preparar nanotubos de carbono que están exentos de partículas de catalizador y de soporte: en ese caso no es necesaria ninguna purificación.

La presente invención también divulga un procedimiento para preparar dicho material polimérico reforzado que comprende las etapas de:

a) proporcionar una matriz polimérica, b) proporcionar nanotubos de carbono que están exentos de partículas de soporte y de catalizador y que tiene un componente de carbono pirolítico retenido, c) dispersar los nanotubos de carbono parcialmente purificados en la matriz polimérica mediante mezclado en estado fundido, d) opcionalmente, orientar la mezcla 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 estado fundido, caracterizado porque dichos nanotubos de carbono, preparados mediante el uso de catalizadores en soporte, están exentos de partículas de soporte y de catalizador y tienen un componente de carbono pirolítico retenido, teniendo dicho material polimérico reforzado simultáneamente propiedades eléctricas y mecánicas mejoradas.

2. El material polimérico reforzado de la reivindicación 1, siendo el material polimérico una poliolefina.

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

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

5. El material polimérico reforzado según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la cantidad de nanotubos de carbono añadida es del 0, 1 al 20 % en peso en base al peso del polímero y dichos nanotubos de carbono están exentos de partículas de soporte y de catalizador y tienen un componente de carbono pirolítico retenido.

6. El material polimérico reforzado según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores que está además orientado.

7. Un procedimiento de preparación del material polimérico reforzado según las reivindicaciones 1 a 6 que comprende las etapas de:

a) proporcionar una matriz polimérica, b) proporcionar nanotubos de carbono que están exentos de partículas de soporte y de catalizador y que tienen un componente de carbono pirolítico retenido, c) dispersar los nanotubos de carbono parcialmente purificados en la matriz polimérica mediante mezclado en estado fundido, d) opcionalmente, orientar la mezcla de polímero/nanotubos de la etapa c) mediante estiramiento en estado fundido o en estado sólido.

8. Uso de nanotubos de carbono, preparados mediante el uso de catalizadores en soporte, que están exentos de partículas de soporte y de catalizador y que tienen un componente de carbono pirolítico retenido para preparar material polimérico reforzado según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, teniendo dicho material polimérico un equilibrio mejorado de propiedades eléctricas y mecánicas.

9. Uso de nanotubos de carbono, preparados mediante el uso de catalizadores en soporte, que están exentos de partículas de soporte y de catalizador, purificados adicionalmente para eliminar el componente de carbono pirolítico, para preparar material polimérico reforzado, teniendo dicho material polimérico un equilibrio mejorado de propiedades eléctricas y mecánicas.

10. Uso de nanotubos de carbono, preparados mediante el uso de catalizadores en soporte, que están exentos de partículas de soporte y de catalizador, purificados adicionalmente para eliminar el componente de carbono pirolítico y después funcionalizados para preparar material polimérico reforzado, teniendo dicho material polimérico un equilibrio mejorado de propiedades eléctricas y mecánicas.

11. Material disipativo eléctrico para aplicaciones de automoción, textiles o de otro tipo preparado con el material polimérico reforzado según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.

12. Blindajes para hilos y cables preparados con el material polimérico reforzado según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.