Uso de materiales de cambio de fase en polímeros termoplásticos.
Uso de materiales de cambio de fase en polímeros termoplásticos.
La presente invención se refiere a piezas conformadas por una resina termoplástica caracterizada porque en su matriz y/o en su superficie comprende al menos un material inorgánico con cambio de fase y porque la temperatura de transición vítrea de la resina termoplástica (calculada por DSC) es de 2 a 20ºC mayor que la temperatura de fusión del material inorgánico con cambio de fase.
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201400435.
Solicitante: UNIVERSIDAD DE CANTABRIA.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: GUTIERREZ-SOLANA SALCEDO,FEDERICO, POLANCO MADRAZO,JUAN ANTONIO, CARRASCAL VAQUERO,ISIDRO ALFONSO, CASADO DEL PRADO,JOSE ANTONIO, DIEGO CAVIA,Soraya.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- C08K3/10 QUIMICA; METALURGIA. › C08 COMPUESTOS MACROMOLECULARES ORGANICOS; SU PREPARACION O PRODUCCION QUIMICA; COMPOSICIONES BASADAS EN COMPUESTOS MACROMOLECULARES. › C08K UTILIZACION DE SUSTANCIAS INORGANICAS U ORGANICAS NO MACROMOLECULARES COMO INGREDIENTES DE LA COMPOSICION (colorantes, pinturas, pulimentos, resinas naturales, adhesivos C09). › C08K 3/00 Utilización de sustancias inorgánicas como aditivos de la composición polimérica. › Compuestos metálicos.
- C08K3/18 C08K 3/00 […] › Compuestos que contienen oxígeno, p. ej. carbonilos metálicos.
- C08L77/00 C08 […] › C08L COMPOSICIONES DE COMPUESTOS MACROMOLECULARES (composiciones basadas en monómeros polimerizables C08F, C08G; pinturas, tintas, barnices, colorantes, pulimentos, adhesivos D01F; filamentos o fibras artificiales D06). › Composiciones de poliamidas obtenidas por reacciones que forman una amida carboxílica unida en la cadena principal (de polihidrazidas C08L 79/06; de poliamida-imidas o poliamida-ácidos C08L 79/08 ); Composiciones de los derivados de tales polímeros.
- E01B3/00 CONSTRUCCIONES FIJAS. › E01 CONSTRUCCION DE CARRETERAS, VIAS FERREAS O PUENTES. › E01B VIAS FERREAS; HERRAMIENTAS PARA VIAS FERREAS; MAQUINAS PARA LA CONSTRUCCION DE VIAS FERREAS DE CUALQUIER TIPO (dispositivos descarriladores o para situar los vehículos en la vía, frenos de vía o dispositivos ralentizadores B61K; retirada de materia indeseable de las vías de ferrocarril, control de la vegetación, applicación de líquidos E01H). › Traviesas o durmientes (para agujas o cruces E01B 7/22 ); Otros soportes de carriles reposando directamente sobre el balasto.
Fragmento de la descripción:
USO DE MATERIALES DE CAMBIO DE FASE EN POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS
La presente invención se refiere al uso de materiales de cambio de fase en polímeros termoplásticos. Por tanto, la invención se podría encuadrar en el campo de la ciencia y tecnología de materiales más concretamente en el campo de los materiales poliméricos termoplásticos.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Los polímeros termoplásticos sometidos a esfuerzos mecánicos cíclicos pueden ver mermada su resistencia a la fatiga por la aparición de fisuras. El esfuerzo mecánico cíclico produce un aumento de la temperatura que modifica la flexibilidad y el comportamiento mecánico de estos materiales.
La utilización de polímeros termoplásticos en piezas ingeníenles queda restringida cuando se alcanzan valores de temperatura que exceden la de transición vitrea Tg, característica de cada material. Por ejemplo, en el caso de la poliamida 6.6 (PA 6.6) seca, la Tg (calculada por DSC, del inglés Differencial Scanning Temperature, con una rampa de calentamiento de 10°C/min en atmosfera de nitrógeno) se establece en 53 °C, lo que quiere decir que cuando la pieza alcanza temperaturas superiores, pueden aparecer defecto que empeoren las propiedades mecánicas de la misma.
En general, cuando se emplean piezas poliméricas, es habitual para aumentar su temperatura de utilización recurrir al incremento del porcentaje de su refuerzo fibrado, por ejemplo con fibras de vidrio, si bien, esta circunstancia penaliza la tenacidad del material compuesto.
Por tanto, es necesario aumentar el intervalo de temperaturas operacionales de piezas poliméricas ingenieriles de una manera que no implique un aumento de fragilidad del mismo.
Los materiales con cambio de fase (PCM, del inglés Phase Change Material) son materiales con alto calor latente que a la temperatura de cambio de fase (sólido <-> líquido) almacenan o liberan grandes cantidades de energía. Durante el cambio de fase, la temperatura se mantiene constante mientras que el material va absorbiendo o liberando energía. La principal aplicación de estos PCM es su uso en construcción para la acumulación de energía térmica (Sharmaef al., Renewable and Sustainable Energy Reviews 13, (2009), 318- 345).
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere al uso de materiales de cambio de fase en polímeros termoplásticos.
Las piezas de la invención tienen las siguientes ventajas:
- presentan mayor resistencia a la fatiga que piezas de la misma reina termoplástica sin materiales inorgánicos con cambio de fase;
- los materiales con cambio de fase que se pueden utilizar en la invención son abundantes;
- el procedimiento de obtención de las piezas de la invención es simple y no requiere grandes adaptaciones en la producción de dichas piezas;
- la pequeña cantidad del material con cambio de fase a incorporar, no influiría de forma significativa en el coste final de las piezas.
Por tanto, un primer aspecto de la presente invención se refiere a una pieza conformada por una resina termoplástica caracterizada porque en su matriz y/o en su superficie comprende al menos un material inorgánico con cambio de fase; y
la temperatura de transición vitrea de la resina termoplástica, calculada por DSC con una rampa de calentamiento de 10°C/m¡n en atmósfera de nitrógeno,
es de 2 a 20°C mayor que la temperatura de fusión del material inorgánico con cambio de fase.
Por material inorgánico con cambio de fase se entiende materiales inorgánicos con alto calor latente que a la temperatura de cambio de fase almacenan o liberan grandes cantidades de energía. Se clasifican entre hidratos y metales.
En una realización del primer aspecto de la presente invención, la temperatura de transición vitrea de la resina termoplástica, calculada por DSC con una rampa de calentamiento de 10°C/min en atmósfera de nitrógeno, es de 5°C a 10°C mayor que la temperatura de fusión del material inorgánico con cambio de fase.
En una realización del primer aspecto de la presente invención, la resina termoplástica se selecciona de poliamida, polioximetileno, polietileno, polipropileno, poliestireno, acrilonitrilo-butadieno-estireno,
poliacrilonitriloacrilonitrilo-estireno-acrilato, policloruro de vinilo, polifenileno sulfuro, polimetilmetacrilato, policarbonatos, polietilenotereftalato, tereftalato de polibutileno, elastómeros termoplásticos y cualquiera de sus mezclas, preferiblemente la resina termoplástica se selecciona de acrilonitrilo- butadieno-estireno, poliacrilonitrilo, poliestireno, policloruro de vinilo, polifenileno sulfuro, polietilenotereftalato, polimetilmetacrilato y poliamida, más preferiblemente la resina termoplástica es poliamida, y aún más preferiblemente la resina termoplástica se selecciona de poliamida 6.6, poliamida 11 y poliamida 6.10.
En una realización del primer aspecto de la presente invención, la resina termoplástica es poliamida reforzada con fibra de vidrio, ya que es un polímero ingenieril habitualmente empleado en aplicaciones técnicas de alta responsabilidad.
En una realización del primer aspecto de la presente invención, el material inorgánico con cambio de fase es un hidrato. Preferiblemente el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de los hidratos de la siguiente lista, y cualquiera de sus combinaciones:
| PCM inorgánico hidrato | Tf* (°C) |
| MgCl2.6H20 | 117,0 |
| KAI(S04)2.12H20 | 91,0 |
| Mg(N03)2.6H20 | 89,9 |
| Ba(0H)2.8H20 | 78,0 |
| AI(N03)2.9H20 | 72,0 |
| L¡CH3C00.2H20 | 70,0 |
| Na3P04.12H20 | 65,0 |
| Na0H.H20 | 64,3 |
| NaAI(SO4)2.10H2O | 61,0 |
| Fe(N03)2.2H20 | 60,5 |
| CH3C00Na.3H20 | 58,0 |
| MgCI2.4H20 | 58,0 |
| MnCI2.4H20 | 58,0 |
| Ni(N03)2.6H20 | 57,0 |
| FeCI3.2H20 | 56,0 |
| Zn(N03)2-2H20 | 55,0 |
| Ca(N03)2.3H20 | 51,0 |
| Na2S203.5H20 | 48,5 |
| MgS04.7H20 | 48,5 |
| K2HPO4.3H2O | 48,0 |
| Na2Si03.5H20 | 48,0 |
| Fe(N03)3.9H20 | 47,0 |
| Ca(N03).4H20 | 47,0 |
| Mg(N03)2.4H20 | 47,0 |
| Zn(N03)2.4H20 | 45,0 |
| K2HPO4.7H2O | 45,0 |
| Cal2.6H20 | 42,0 |
| Mgl2.8H20 | 42,0 |
| KF.2H2O | 42,0 |
| CoS04.7H20 | 40,7 |
| Na2HP04.12H20 | 40,0 |
| Mn(N03)2.4H20 | 37,1 |
| FeCI3.6H20 | 37,0 |
| Zn(N03)2.6H20 | 36,1 |
| LiBr2.2H20 | 34,0 |
| CaBr2.6H20 | 34,0 |
| KFe(S04)2-12H20 | 33,0 |
| Na2SO4.10H2O | 32,4 |
| Na2CO3.10H2O | 32,0 |
| LÍNO3.3H2O | 30,0 |
| LÍNO3.2H2O | 30,0 |
| CaCl2.12H20 | 29,8 |
| FeBr3.6H20 | 27,0 |
| Mn(N03)2.6H20 | 25,5 |
| K2HPO4.6H2O | 14,0 |
*Tí: temperatura de fusión
En la tabla 1 se muestran combinaciones de resinas termoplásticas y de los 5 materiales inorgánicos con cambio de fase que se pueden emplear con cada resina termoplástica para mejorar las propiedades mecánicas de la misma:
| Termoplástico ...
Reivindicaciones:1.-Pieza conformada por una resina termoplástica caracterizada porque: en su matriz y/o en su superficie comprende al menos un material inorgánico con cambio de fase; y la temperatura de transición vitrea de la resina termoplástica, calculada por DSC con una rampa de calentamiento de 10°C/min en atmósfera de nitrógeno, es de 2 a 20°C mayor que la temperatura de fusión del material inorgánico con cambio de fase. 2.- Pieza según la reivindicación anterior, donde la temperatura de transición vitrea de la resina termoplástica, calculada por DSC con una rampa de calentamiento de 10°C/min en atmósfera de nitrógeno, es de 5°C a 10°C mayor que la temperatura de fusión del material inorgánico con cambio de fase. 3.- La según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la resina termoplástica se selecciona de poliamida, polioximetileno, polietileno, polipropileno, poliestireno, acrilonitrilo-butadieno-estireno, poliacrilonitrilo acrilonitrilo-estireno-acrilato, policloruro de vinilo, polifenileno sulfuro, polimetilmetacrilato, policarbonatos, polietileno tereftalato, tereftalato de polibutileno, elastómeros termoplásticos y cualquiera de sus mezclas. 4.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el material inorgánico con cambio de fase es un hidrato. 5.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la resina termoplástica es acrilonitrilo-butadieno-estirero y el material inorgánico con cambio de fase es KAI(S04)2-12H20. 6.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la resina termoplástica es poliacrilonitrilo y el material inorgánico con cambio de fase es Mg(N03)2-6H20. 7.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la resina termoplástica es poliestireno y el material inorgánico con cambio de fase es Mg(N03)2-6H20. 8.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la resina termoplástica es policloruro de vinilo y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de Ba(0H)2.8H20 , AI(N03)2.9H20, LÍCH3COO.2H2O y cualquiera de sus mezclas. 9.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la resina termoplástica es polifenileno sulfuro y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de Ba(0H)2.8H20, AI(N03)2.9H20, LiCH3C00.2H20Na3P04.12H20 y cualquiera de sus mezclas. 10.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la resina termoplástica es polietileno tereftalato y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de Na3P04.12H20, NaOH.hfeO, NaAI(SC>4)2,10H2O, Fe(N03)2.2H20, CH3C00Na.3H20, MgCl2.4H20, MnCl2.4H20, Ni(N03)2.6H20, FeCl3.2H20, Zn(N03)2.2H20, Ca(N03)2.3H20 y cualquiera de sus mezclas. 11.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la resina termoplástica es polimetilmetacrllato y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de CH3C00Na.3H20, MgCl2.4H20, MnCMhfeO, Ni(N03)2.6H20,FeCl3.2H20, Zn(N03)2.2H20, Ca(N03)2.3H20, Na2S203.5H20, MgS04.7H20, K2HP04.3H20, Na2Si03.5H20, Fe(N03)3.9H20, Ca(N03).4H20, Mg(N03)2.4H20, Zn(N03)2.4H20, K2HPO4.7H2O, Cal2.6H20, Mgl2.8H20, KF.2H2O, C0SO4.7H2O, Na2HP04.12H20 y cualquiera de sus mezclas. 12.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la resina termoplástica es poliamida 6.6 y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de Ca(N03)2.3H20, MgS04.7H20, Na2S203.5H20, K2HPO4.3H2O, Na2Si03.5H20, Fe(N03)3.9H20, Ca(N03).4H20, Mg(N03)2.4H20, Zn(N03)2.4H20, K2HPO4.7H2O, Cal2.6H20, Mgl2.8H20, KF.2H20, CoS04.7H20,Na2HP04.12H20, Mn(N03)2.4H20, FeCl3.6H20, Zn(N03)2.6H20, LiBr2.2H20, CaBr2.6H20, KFe(S04)2.12H20 y cualquiera de sus mezclas. 13.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la resina termoplástica es poliamida 11 y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de Cal2.6H20, Mgl2.8H20, KF.2H2O, C0SO4.7H2O, Na2H PO4.12H20, Mn(N03)2.4H20, FeCl3.6H20, Zn(N03)2.6H20, LiBr2.2H20, CaBr2.6H20, Na2SO4.10H2O, Na2CO3.10H2O, KFe(S04)2.12H20, LÍNO3.3H2O, LiN03.2H20, CaCl2.12H20, FeBr3.6H20, Mn(N03)2.6H20 y cualquiera de sus mezclas. 14.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la resina termoplástica es poliamida 6.10 y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de Mn(N03)2.4H20, FeCl3.6H20, Zn(N03)2.6H20, LiBr2.2H20, CaBr2.6H20, KFe(S04)2.12H20, Na2SO4.10H2O, Na2CO3.10H2O, UNO3.3H2O, LÍNO3.2H2O, CaCl2.12H20, FeBr3.6H20, Mn(N03)2.6H20 y cualquiera de sus mezclas. 15.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la pieza se selecciona de tope, bisagra, engranaje, tornillo, grapa de fijación, conector y pinza. 16.- La pieza según la reivindicación anterior, donde la pieza es un tope en un sistema de sujeción carril-traviesa. 17.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque en su matriz comprende el material inorgánico de cambio de fase. 18.- La pieza según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizada porque en su superficie comprende el material inorgánico de cambio de fase. 19.- Uso de un material inorgánico con cambio de fase para la fabricación de una pieza resistente a la fatiga conformada por una resina termoplástica. 20.- Procedimiento de obtención de la pieza según las reivindicaciones 1 a 17 que comprende las etapas de: - mezclado de la resina termoplástica con al menos un material inorgánico con cambio de fase, donde el material inorgánico con cambio de fase está disperso en la matriz polimérica; y - conformado de la pieza.. 21.- Procedimiento de obtención de la pieza según las reivindicaciones 1 a 16 y 18 que comprende las etapas de: - conformado con la resina termoplástica de la pieza con intersticios: - llenado de los intersticios con al menos un material inorgánico con cambio de fase; - sellado de los intersticios. 22.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 o 21 donde la resina termoplástica se selecciona de poliamida, polioximetileno, polietileno, polipropileno, poliestireno, acrilonitrilo-butadieno-estireno, poliacrilonitrilo acrilonitrilo-estireno-acrilato, policloruro de vinilo, polifenileno sulfuro, polimetilmetacrilato, policarbonatos, polietileno tereftalato, tereftalato de polibutileno, elastómeros termoplásticos y cualquiera de sus mezclas. 23.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 22, donde la temperatura de transición vitrea de la resina termoplástica (calculada por DSC) es de 2 a 20°C mayor que la temperatura de fusión del material inorgánico con cambio de fase. 24.- Procedimiento según la reivindicación anterior, donde la temperatura de transición vitrea de la resina termoplástica (calculada por DSC) es de 5°C a 10°C mayor que la temperatura de fusión del material inorgánico con cambio de fase. 25.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 24 donde el material inorgánico con cambio de fase es un hidrato. 26.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, donde la resina termoplástica es acrilonitrilo-butadieno-estirero y el material inorgánico con cambio de fase es KAI(S04)2-12H20. 27.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, donde la resina termoplástica es poliacrilonitrilo y el material inorgánico con cambio de fase es Mg(N03)2-6H20. 28.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, donde la resina termoplástica es poliestireno y el material inorgánico con cambio de fase es Mg(NC>3)2-6H20. 29.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, donde la resina termoplástica es policloruro de vinilo y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de Ba(0H)2.8H20 , AI(N03)2.9H20, UCH3COO.2H2O y cualquiera de sus mezclas. - Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, donde la resina termoplástica es polifenileno sulfuro y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de Ba(0H)2.8H20, AI(N03)2.9H20, L¡CH3C00.2H20Na3PC>4.12H20 y cualquiera de sus mezclas. 31.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, donde la resina termoplástica es polietileno tereftalato y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de Na3P04.12H20, NaOH.HEO, NaAI(SO4)2,10H2O, Fe(N03)2.2H20, CH3C00Na.3H20, MgCl2.4H20, MnCl2.4H20, FeCl3.2H20, Zn(N03)2.2H20, Ca(NÜ3)2.3H20 y cualquiera de sus mezclas. 32.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, donde la resina termoplástica es polimetilmetacrilato y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de CH3C00Na.3H20, MgCl2.4H20, MnCl2.4H20, FeCl3.2H20, Zn(N03)2.2H20, Ca(N03)2.3H20, Na2S203*5H20, MgS04.7H20, K2HPO4.3H2O, Na2Si03.5H20, Fe(N03)3.9H20, Ca(N03).4H20, Mg(N03)2.4H20, Zn(N03)2.4H20, K2HPO4.7H2O, Cal2.6H20, Mgl2.8H20, KF.2H2O, Na2HP04.12H20 y cualquiera de sus mezclas. 33.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, donde la resina termoplástica es poliamida 6.6 y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de Ca(N03)2.3H20, MgS04.7H20, Na2S203.5H20, K2HPO4.3H2O, Na2Si03.5H20, Fe(N03)3.9H20, Ca(N03).4H20, Mg(N03)2.4H20, Zn(N03)2.4H20, K2HP04.7H20, Cal2.6H20, Mgl2.8H20, KF.2H2O, Na2HPO4.12H20, Mn(N03)2.4H20, FeCI3.6H20, Zn(N03)2.6H20, LiBr2.2H20, CaBr2.6H20, KFe(S04)2.12H20 y cualquiera de sus mezclas. 34.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, donde la resina termoplástica es poliamida 11 y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de Cal2.6H20, Mgl2.8H20, KF.2H2O, Na2HP04.12H20, Mn(N03)2.4H20, FeCl3.6H20, Zn(N03)2.6H20, LiBr2.2H20, CaBr2.6H20, Na2SO4.10H2O, Na2CO3.10H2O, KFe(S04)2.12H20, LiN03.3H20, UNO3.2H2O, CaCl2.12H20, FeBr3.6H20, Mn(N03)2.6H20 y cualquiera de sus mezclas. 35.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, donde la 5 resina termoplástica es poliamida 6.10 y el material inorgánico con cambio de fase se selecciona de Mn(N03)2.4H20, FeCl3.6H20, Zn(N03)2.6H20, LiBr2.2H20, CaBr2.6H20, KFe(S04)2.12H20, Na2SO4.10H2O, Na2CO3.10H2O, LiN03.3H20, UNO3.2H2O, CaCl2.12H20, FeBr3.6H20, Mn(N03)2.6H20 y cualquiera de sus mezclas.
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