Materiales nanocompuestos de poliamidas y fulerenos inorgánicos con propiedades térmicas,

tribológicas y mecano-dinámicas mejoradas y su aplicación como recubrimientos.Composición polimérica que comprende una matriz de poliamida conteniendo nanopartículas de fulerenos inorgánicos, donde dichas nanopartículas tienen al menos dos dimensiones reducidas de un tamaño inferior a 200nm. Además, la invención se refiere al procedimiento de obtención de dicha composición y a su uso en la fabricación de piezas de plástico o en el recubrimiento de materiales

Materiales nanocompuestos de poliamidas y fulerenos inorgánicos con propiedades térmicas, tribológicas y mecano-dinámicas mejoradas y su aplicación como recubrimientos.

La presente invención se encuadra dentro del campo de la industria de los plásticos y, en particular, en el sector de los nanocompuestos poliméricos dedicado a la obtención de materiales más ligeros y de más altas prestaciones térmicas, mecánicas y tribológicas.

Estado de la técnica

Los materiales nanocompuestos o nanocomposites, son aquellos formados por un material matriz al que se añade un segundo componente en forma de partículas de dimensión nanométrica que mejoran las propiedades de dicha matriz. De forma general, la utilización de cargas minerales del tipo talco, mica, carbonato de calcio, etc., para reforzar un polímero permite mejorar de manera notable las propiedades mecánicas tales como la rigidez, pero reduce la tenacidad, la transparencia y la calidad superficial, a la vez que aumenta el peso y la viscosidad del fundido. Por el contrario, la reducción de tamaño de la partícula (a escala nanométrica), así como del porcentaje de carga incorporado (inferior al 10%), produce resultados tangibles al aumentar las propiedades del nanocompuesto, tales como la rigidez, la resistencia al fuego, la estabilidad térmica y dimensional, y las propiedades de barrera, sin sacrificar otras propiedades como el peso, la tenacidad y la transparencia. En este sentido, se puede encontrar en el mercado productos de nanocompuestos listos para usar, especialmente las formulaciones basadas en Nylon y partículas laminares. Desde que en 1988 el grupo de "Toyota's Central Research and Development Laboratories" desarrollara los primeros nanocompuestos de polímeros con arcillas, donde se presentaba la síntesis de los nanocompuestos de nylon-6/montmorillonita (cfr. US 4,739,007), en los que, con pequeñas cantidades del compuesto inorgánico, se obtenía una sustancial mejora de las propiedades, otros proveedores como Bayer (Durethan KU2-2601, Nylon 6), Honeywell Polymer (Aegis NC, Nylon 6), Foster Corporation (SET nanocomposite, Nylon 12), Natualnano (Nylon/nanotubos de arcilla del tipo halloisita) y PolyOne (Nylon 6/nanoarcillas mediante polimerización in-situ) ofrecen una amplia gama de nanocompuestos basados en Nylon según la/s propiedad/es que se pretenda/n potenciar. En cuanto a los nanocompuestos basados en nanotubos de carbono, la mayor parte de coches producidos en los EE. UU. desde finales de los años 90 contienen nanotubos de carbono mezclados con el Nylon para protegerse contra la electricidad estática en el sistema de combustible. En este sentido, se han publicado algunos artículos generales en forma de revisiones que hacen referencia a nanocompuestos poliméricos (cfr. Moniruzzaman, M.; Winey, K. I. Macromolecules 39, 5194-5205 (2006); Pavlidou, S.; Papaspyrides, C. D. Prog. Polym. Sci. 33, 1119-1198 (2008)). Sin embargo, el progreso en este tipo de materiales se está limitando debido al papel fundamental de las etapas de modificación de las nanocargas, que tienen un impacto significativo sobre el coste del producto acabado.

Además se conocen otros productos, como por ejemplo, los del proveedor Quadrant EPP basados en Nylon 6 y las laminas o partículas laminares de MoS₂. El producto se denomina, Nylatron®, y ofrece una amplia gama de aplicaciones de ingeniería como ruedas dentadas, cojinetes, engranajes y cojines anti-desgaste. También, Nylatron® se utiliza en numerosos sectores, como en el sector marítimo, la minería, los ferrocarriles, las fundiciones de acero, etc.

Por otro lado, estudios previos sobre la incorporación de nanopartículas de fulerenos inorgánicos de WS₂ en polímeros termoplásticos como polipropileno isotáctico (iPP) y del polisulfuro de fenileno (PPS), han mostrado la influencia de las nanopartículas de fulerenos inorgánico en las propiedades térmicas y mecánicas del material resultante (cfr. Naffakh, M., et al., J. Polym. Sci. Part B: Polym. Phys. 45, 2309-2321 (2007); Naffakh, M., et al., J. Phys. Chem. B. 113, 7107-7115 (2009))

Otros estudios sobre matrices poliméricas de epoxi y poliéter éter cetona (PEEK) han mostrado la mejora de las propiedades tribológicas (cfr. Rapoport, L. et al., Adv. Eng. Mat. 6, 44-48 (2004); Hou, X., et al., Surf. Coat. Technol., 202, 2287 (2008)).

Existe por consiguiente, la necesidad de una alternativa en la búsqueda de materiales que podrían emplearse para producir nuevos nanocompuestos poliméricos avanzados mediante métodos sencillos con un bajo coste.

Descripción de la invención

La presente invención se refiere a un nuevo tipo de nanocompuestos poliméricos basados en poliamidas y en nanopartículas de fulerenos inorgánicos (Fl), obteniéndose los resultados más espectaculares en cuanto a mejora de propiedades físicas en general para materiales de este tipo. Es particular los inventores han observado una mejora significativa de las propiedades mecánicas, térmicas y tribológicas de las poliamidas al añadir nanopartículas de fulerenos inorgánicos.

La utilización de fulerenos inorgánicos como nanopartículas para la obtención de los nanocompuestos, presenta ventajas con respecto a los otro tipo de partículas de fulerenos ya utilizadas en el estado de la técnica, como son la mejora de las propiedades intrínsecas de las partículas tipo fulereno, al no tener problemas de alta anisotropía como las partículas laminares de calcogenuros, y también porque el mezclado y dispersión de partículas casi esféricas es mucho mejor que la de las partículas laminares.

Por tanto, un primer aspecto de la invención se refiere a un material compuesto polimérico (a partir de ahora composición de la invención) formado por un polímero de la familia de las poliamidas, que actúa como material matriz, conteniendo nanopartículas de fulerenos inorgánicos, donde dichas nanopartículas tienen al menos dos dimensiones reducidas de un tamaño nanométrico o inferior a 200 nm.

Una realización preferida de la composición de la invención, comprende una proporción de nanopartículas menor de un 10% en peso con respecto a la composición total. Más preferiblemente, está en una proporción menor a un 5% en peso y aún más preferiblemente está en una proporción de entre un 1 y 2% en peso.

Los materiales nanocompuestos o nanocomposites, son aquellos formados por un material matriz al que se añade un segundo componente en forma de partículas de dimensión nanométrica. En la presente invención, el polímero que actúa como matriz pertenece a la familia de las poliamidas, caracterizado por contener grupos químicos amida (-CONH-).

Estas poliamidas se pueden encontrar en la naturaleza, como la lana o la seda, y también ser sintéticas y se pueden seleccionar de entre los distintos tipos de nylon conocidos por cualquier experto en la materia, como por ejemplo pero sin limitarse a nylon-6, nylon-11 o nylon-66 y las aramidas o poliamidas aromáticas, entre las que se encuentran por ejemplo, pero sin limitarse a, kevlar® (poliparafenileno tereftalamida) o nomex®.

Las nanopartículas que se incorporan para formar el compuesto de la invención son fulerenos inorgánicos, entendiéndose como "fulerenos" las estructuras formadas por planos basales curvados que se cierran sobre si mismos, y por "fulerenos inorgánicos" aquellos fulerenos en cuya composición no entra el elemento carbono, y que en condiciones normales presenta una estructura laminar de apilamiento de planos basales, pero que en condiciones especiales de síntesis da lugar a planos basales curvados que se cierran sobre sí mismos. Las estructuras fulereno pueden dar lugar a estructuras cerradas esféricas, elipsoidales o de nanotubo. Las nanopartículas de fulereno inorgánico deben de tener al menos dos dimensiones reducidas de tamaño nanométrico, teniendo forma de nanotubos cuando presentan dos dimensiones reducidas y una extendía, forma de nanoelipsoides cuando las tres dimensiones son reducidas pero no iguales, y de nanoesferas cuando las tres dimensiones son reducidas e iguales entre sí.

Con respecto a la naturaleza química del fulereno inorgánico pueden ser calcogenuros, es decir compuestos binarios de los elementos calcógenos (O, S, Se, Te) en estado de oxidación (-2) y estructura laminar, o halogenuros laminares, es decir compuestos binarios de los halógenos (F, Cl, Br, I) en estado de oxidación (-1). De forma general, pero sin pretender ser una limitación, los compuestos más comunes... [Seguir leyendo]

1. Composición polimérica que comprende una matriz de poliamida conteniendo nanopartículas de fulerenos inorgánicos, donde dichas nanopartículas tienen al menos dos dimensiones reducidas de un tamaño inferior a 200 nm.

2. Composición según la reivindicación 1, donde la poliamida es nylon o una aramida.

3. Composición según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, donde las nanopartículas tienen forma de nanotubos, nanoesferas o nanoelipsoides.

4. Composición según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde las nanopartículas son sulfuras o selenuros de elementos de transición.

5. Composición según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde las nanopartículas están en una proporción menor de un 10% en peso de la composición final.

6. Composición según la reivindicación 5, donde las nanopartículas están en una proporción menor de un 5% en peso de la composición final.

7. Procedimiento para la obtención de la composición según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por el mezclado a alta temperatura de una poliamida en estado fundido y las nanopartículas de fulereno inorgánico.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, que además comprende la adición de compatibilizantes y surfactantes.

9. Uso de la composición según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, para la fabricación de piezas de plástico.

10. Uso de la composición según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, para la fabricación de artículos mediante técnicas de conformado, moldeo, extrusión o inyección.

11. Uso de la composición según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, como recubrimiento polimérico tribológico de materiales.

12. Uso de la composición según la reivindicación 11, donde los materiales son piezas planas o curvadas que se seleccionan de entre plástico, cerámicas o metálicas.

13. Procedimiento para recubrir un material que comprende la aplicación de filmes de espesor entre 1 y 100 micras de la composición descrita en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en estado fundido o semifundido, sobre las superficies planas o curvadas de la pieza de dicho material a recubrir.

14. Procedimiento según la reivindicación 13, donde el material es plástico, cerámica o metal.