BR112014032285B1 - materiais ajustáveis - Google Patents

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Abstract

MATERIAIS AJUSTÁVEIS. São reveladas, no campo dos materiais, uma ou mais técnicas para um método para material grafítico funcionalizado compreendendo os passos para: 1) fornecer um material grafítico; 2) proporcionar uma primeira molécula compreendendo um primeiro grupo, um espaçador, e um segundo grupo; 3) fornecer uma segunda molécula compreendendo um terceiro grupo, um espaçador e um quarto grupo, em que o referido terceiro grupo é um grupo diferente do referido primeiro grupo; e 4) ligar a primeira e a segunda moléculas ao material grafítico. Também é descrita uma composição de material ajustável, compreendendo os nanotubos de carbono funcionalizados ou grafeno funcionalizado preparados pelos métodos aqui descritos.

Description

[0001] Esta solicitação reivindica a prioridade com n° de Série nos EUA 61/850.561, intitulada MATERIAIS AJUSTÁVEIS, submetida em 20 de fevereiro de 2013 e n° de Série na Finlândia 201201980993, intitulada MATERIAIS AJUSTÁVEIS, submetida em 21 de junho de 2012, aqui incorporadas para referência.
ANTECEDENTES
[0002] Os compostos podem ser fabricados com plásticos termoendurecíveis, como epóxi, poliuretanos e silicones. Os epóxis podem ser produzidos por reação de uma resina epóxi e um endurecedor. Os polímeros de poliuretano podem ser formados por reação de um isocianato com um poliol. Os silicones podem compreender siloxanos polimerizados com grupos laterais orgânicos.
[0003] Os nanotubos de carbono (CNT) e grafeno são usados para reforçar os plásticos termoendurecíveis, como epóxis, poliuretanos, silicones e outras resinas e polímeros. Os CNTs, os CNTs funcionalizados (ou CNTs híbridos, HNTs denotados), o grafeno e o grafeno funcionalizado podem ser coletivamente referidos como materiais de grafite híbridos (HGMs). Estes HGMs podem ser incorporados em qualquer um dos componentes epóxi, como a resina epóxi e o endurecedor. Os HGMs podem também ser incorporados em poliuretanos e silicones.
[0004] Os plásticos termoendurecíveis, os nanotubos de carbono, o grafeno e HNTs podem aumentar os módulos e a resistência, mas a elasticidade pode ser preferida para certos compostos de plástico. A fim de aumentar a elasticidade, pode-se adicionar siloxano. A espinha dorsal do siloxano pode ser enrolada e pode ser coberta por grupos de alquilo ou arilo em silicones. Assim, os silicones podem ser muito flexíveis e hidrófobos. A hidrofobicidade pode ser aumentada por funcionalização com grupos, como os grupos de alquilo ou arilo fluorados.
[0005] Foram desenvolvidos vários métodos de funcionalização para os nanotubos de carbono. Eles incluem a oxidação de ácido nítrico/ácido sulfúrico dos CNTs, a adição de radicais de arilo aos CNTs, um moinho de bolas induz a adição de aminas e de sulfuretos nos CNTs, o butil-lítio ativado se combina aos halogenetos de alquilo, além da adição assistida de vibração ultrassônica de diversos reagentes, incluindo aminas e epóxis. Melhorar as reações mecanoquímicas, como o corte mecânico ou de ultrassom, pode induzir reações químicas nos CNTs.
[0006] Um revestimento anticorrosivo pode conter as partículas de metal de sacrifício, como as partículas de zinco. A concentração das partículas pode exceder o limite de percolação, que é cerca de 30% para as partículas esféricas. A alta concentração destas partículas pode reduzir a integridade do revestimento, especialmente se as partículas não estiverem ligadas quimicamente com o polímero. Os revestimentos anticorrosivos podem usar partículas de metal de sacrifício que são eletricamente conectadas com uma superfície de metal revestido por uma rede de CNT ou grafeno. Usar a rede de CNT ou grafeno pode exigir menos partículas de metal de sacrifício dentro de um revestimento anticorrosivo. Além disso, o material de grafite pode ser revestido com uma camada de metal. A camada de metal pode ser constituída por micropartículas ou nanopartículas. As partículas de metal podem ser revestidas com uma fina camada de óxido, a menos que o material de grafite seja revestido na ausência de oxigênio. Com as nanopartículas, a camada de óxido pode ser uma parte relativamente grande da partícula. A camada de óxido pode ser também uma grande porção do revestimento de metal em torno do CNT. Além de metálicas, as partículas podem também ser cerâmicas.
RESUMO
[0007] Este resumo é fornecido para introduzir uma variedade de conceitos de forma simplificada que são, ainda, descritos abaixo na Descrição Detalhada. Este resumo não se destina a identificar elementos-chave ou características essenciais da matéria reivindicada, nem se destina a ser utilizado para limitar o âmbito da matéria reivindicada.
[0008] Em uma forma de implementação, um método de modificar um material de grafite que inclui os passos para: 1) fornecer um material de grafite; 2) proporcionar uma primeira molécula compreendendo um primeiro grupo, um espaçador, e um segundo grupo; 3) fornecer uma segunda molécula compreendendo um terceiro grupo, um espaçador e um quarto grupo, em que o referido terceiro grupo é um grupo diferente do referido primeiro grupo; e 4) ligar a primeira e a segunda moléculas ao material grafítico.
[0009] Para a realização do exposto e seus fins relacionados, a seguinte descrição e desenhos anexos definem certos aspectos ilustrativos e implementações. Eles são indicativos de apenas algumas das várias maneiras em que podem ser empregados um ou mais aspectos. Outros aspectos, vantagens e novas características da presente descrição serão evidentes a partir da seguinte descrição detalhada, quando considerada em conjugação com os desenhos anexos.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0010] O assunto aqui descrito pode tomar a forma física em certas partes e disposição de partes, sendo descrito em pormenor nesta especificação e ilustrado nos desenhos anexos que fazem parte da invenção, e em que:
[0011] A FIGURA 1 é uma vista em planta do processo aqui descrito.
[0012] A FIGURA 2 ilustra, esquematicamente, o que se encontra aqui descrito.
[0013] A FIGURA 3 ilustra, esquematicamente, o que se encontra aqui descrito.
[0014] A FIGURA 4 ilustra, esquematicamente, o que se encontra aqui descrito.
[0015] A FIGURA 5 ilustra, esquematicamente, o que se encontra aqui descrito.
[0016] A FIGURA 6 ilustra, esquematicamente, o que se encontra aqui descrito.
[0017] A FIGURA 7 ilustra, esquematicamente, o que se encontra aqui descrito.
[0018] A FIGURA 8 ilustra, esquematicamente, o que se encontra aqui descrito.
[0019] A FIGURA 9 ilustra, esquematicamente, o que se encontra aqui descrito.
[0020] A FIGURA 10 ilustra, esquematicamente, o que se encontra aqui descrito.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[0021] O assunto reivindicado será agora descrito com referência aos desenhos, para os quais números de referência semelhantes são geralmente usados para referir- se a elementos semelhantes. Na descrição a seguir, para fins de explicação, vários detalhes específicos são apresentados a fim de proporcionar uma compreensão profunda da matéria reivindicada. Pode ser evidente, no entanto, que a matéria reivindicada pode ser praticada sem estes detalhes específicos. Em outros casos, são mostrados estruturas e dispositivos na forma de diagrama de blocos, a fim de facilitar a descrição do objeto reivindicado.
[0022] A palavra "exemplar"é aqui utilizada para significar que serve como um exemplo, caso ou ilustração. Qualquer aspecto ou desenho aqui descrito como "exemplar"não deve ser necessariamente interpretado como vantajoso em relação a outros aspectos ou desenhos. Pelo contrário, o uso da palavra exemplar destina-se a apresentar conceitos de uma forma concreta. Tal como utilizado nesta solicitação, o termo "ou" pretende significar um "ou" inclusivo, em vez de um exclusivo. Isto é, a menos que especificado de outra forma, ou claro a partir do contexto, "X emprega A ou B"é entendido como significando qualquer das alternativas inclusivas naturais. Isto é, se X emprega A; X emprega B; ou X emprega ambos A e B, portanto, "X emprega A ou B" satisfaz qualquer uma das instâncias anteriores. Além disso, pelo menos um entre A e B e/ou semelhantes geralmente significa A ou B ou A e B. Além disso, os artigos "um" e "uma", como utilizados neste pedido e nas reivindicações anexas podem, geralmente, ser interpretados como significando "um ou mais", a menos que especificado de outra forma ou claro a partir do contexto como sendo forma singular.
[0023] Embora o objeto tenha sido descrito na linguagem específica para as características estruturais e/ou atos metodológicos, deve-se entender que a matéria definida nas reivindicações anexas não está necessariamente limitada às características ou atos específicos descritos acima. Em vez disso, as características e atos específicos descritos acima são divulgados como exemplo das formas de implementação das reivindicações. Naturalmente, os peritos na arte reconhecerão que muitas modificações podem ser feitas a esta configuração sem se sair do âmbito ou espírito da matéria reivindicada.
[0024] Além disso, embora o assunto tenha sido mostrado e descrito, com respeito a uma ou mais implementações, alterações e modificações equivalentes irão ocorrer a outros peritos na arte, com base em uma leitura e compreensão desta especificação e os desenhos anexos. A divulgação inclui todas essas modificações e alterações e só é limitada pelo âmbito das seguintes reivindicações. Em particular respeito às diferentes funções executadas pelos componentes acima descritos (por exemplo, elementos, recursos, etc.), os termos utilizados para descrever esses componentes destinam-se à correspondência, a menos que indicado de outra forma, de qualquer componente que desempenhe a função especificada do componente descrito (por exemplo, que seja funcionalmente equivalente), embora não estruturalmente equivalente à estrutura descrita, que executa a função nas implementações exemplares aqui ilustradas da divulgação.
[0025] Além disso, enquanto uma característica particular da divulgação pode ter sido divulgada com respeito a apenas uma das várias implementações, tal característica pode ser combinada com uma ou mais outras características das outras implementações conforme desejado e vantajoso para qualquer aplicação particular ou específica. Além disso, na medida em que os termos "compreende", "tendo", "tem", "com", ou as suas variantes forem utilizados, quer na descrição detalhada quer nas reivindicações, os termos destinam-se a ser inclusivos de maneira semelhante ao termo "compreendendo".
[0026] Tanto os nanotubos de carbono (também referidos como CNTs) quanto o grafeno são materiais de grafite. São substâncias compostas essencialmente por carbono puro. As bordas dos CNTs e grafeno podem ter outros elementos, como o hidrogênio e oxigênio. O grafeno pode ter átomos dispostos segundo um padrão regular hexangular, semelhante à grafite, mas uma cama fixa de um átomo. O grafeno pode ser constituído por átomos de carbono, em que cada átomo de carbono está ligado com três outros átomos de carbono. O átomo de carbono pode formar quatro ligações covalentes, onde cada carbono tem tanto uma ligação simples quanto dupla. Essas ligações covalentes podem fornecer força no interior do material de grafeno. Pode ser muito leve em peso, mas pode fornecer força como material. Mesmo com pequenas quantidades de materiais de grafite adicionados a um composto, a resistência à tração do composto pode ser aumentada. Além da força, os materiais de grafite também são conhecidos pela sua condutância eletrônica.
[0027] Geralmente, os materiais de grafite podem ser lisos e em forma regular, mas podem escorregar facilmente dentro do nanocomposto. O deslizamento poderá ser impedido por materiais de grafite funcionalizados. A funcionalização adequada pode permitir a formação de ligações covalentes, de coordenação ou formação ou iônica entre o material funcionalizado de grafite, várias partículas, polímeros e a superfície a ser protegida pelo revestimento.
[0028] O grafeno pode ser fabricado de duas maneiras diferentes, seja a partir de blocos menores de construção (de baixo para cima) seja pela esfoliação da grafite (de cima para baixo). O método de baixo para cima permite a fabricação de camadas de grafeno contínuas sobre um substrato. Ele é o método ideal para a fabricação de transístores e circuitos eletrônicos. Para a fabricação de materiais de grande escala, a esfoliação de grafite pode ser uma abordagem mais adequada. A esfoliação pode ser feita por separação das camadas de grafeno intercalando hidrogênio ou outros átomos ou íons em grafite ou por vibração ultrassônica. A borda da camada de grafeno contém outros átomos de carbono, por exemplo, hidrogênio ou oxigênio. A borda pode ser funcionalizada deliberadamente por qualquer grupo funcional.
[0029] Os nanotubos de carbono também são um material de grafite, mas com uma estrutura cilíndrica. Cada CNT é uma molécula com uma determinada estrutura, que pode ou pode não ser exatamente conhecida. Os nanotubos de carbono podem ser duráveis e resistir ao nanocraqueamento devido à expansão térmica e outros ciclos de contração, quando usados em composições ou revestimentos. Os nanotubos de carbono podem ter uma elevada resistência à tração em comparação com muitos outros materiais. Eles também podem aumentar a resistência à tração dos compostos, mesmo quando eles são adicionados aos compostos em pequenas quantidades. Além disso, os nanotubos de carbono podem ter um maior comprimento de persistência. O comprimento de persistência é uma medida da propriedade mecânica para quantificar a rigidez de um polímero. A maioria dos polímeros pode ter um comprimento de persistência de cerca de 1 nm a 2 nm. No entanto, os nanotubos de carbono de múltiplas paredes (NTCM) podem ter comprimento de persistência de mais do que cerca de 100 nm. Os nanotubos de carbono de parede única (SWNTs) e os nanotubos de carbono de parede dupla (DWNTs) podem ter também um aumento do comprimento de persistência. Tanto a elevada resistência à tração quanto o comprimento de persistência podem permitir que os materiais de grafite proporcionem uma resistência à tração de nanocompostos, especialmente se eles poderem ser ligados quimicamente com um polímero ou partículas que possam fazer parte da composição aqui descrita.
[0030] Os CNTs funcionalizados podem ser fundamentalmente diferentes dos CNTs que podem ser utilizados como material de partida. Os CNTs funcionalizados também podem ser diferentes dos CNTs que não tenham sido funcionalizados. Os CNTs funcionalizados podem ser moléculas que podem ter diferentes estruturas químicas, propriedades químicas e físicas dos CNTs. Para comparação, a celulose e as celuloses funcionalizadas, como carboximetil celulose (CMC), podem ter propriedades diferentes. A CMC pode ser quimicamente derivada da celulose, mas pode não funcionar como celulose. A CMC tem propriedades químicas e físicas totalmente diferentes.
[0031] A FIGURA 1 mostra um processo para modificar o material de grafite, que compreende os passos de: 1) fornecer um material de grafite; 2) proporcionar uma primeira molécula compreendendo um primeiro grupo, um espaçador, e um segundo grupo; 3) fornecer uma segunda molécula compreendendo um terceiro grupo, um espaçador e um quarto grupo, em que o referido terceiro grupo é um grupo diferente do referido primeiro grupo; e 4) ligar a primeira e a segunda moléculas ao material grafítico. Dentro do processo, o primeiro grupo pode compreender pelo menos um grupo de hidroxilo, tiol, amino, epóxi, carboxilo e sililo, e o segundo grupo pode compreender pelo menos um grupo de amino, epóxi, hidroxilo, carboxilo, sililo e tiol . Também no âmbito do processo aqui descrito, o terceiro grupo pode compreender pelo menos um grupo de tiol, carboxilo, trialcoxisililo, éster de fosforilo, éter coroa, criptante, dioxima, e N-heterociclo, e o quarto grupo pode compreender pelo menos um grupo de amino, epóxi, hidroxilo, carboxilo, sililo, e tiol. O primeiro grupo pode ser diferente do terceiro grupo de grafite no interior do material. A primeira molécula pode ser ligada ao material de grafite antes da segunda molécula, ou a segunda molécula pode ser ligada ao material de grafite antes da primeira molécula. Além disso, a primeira molécula compreendendo um primeiro grupo, um espaçador e um segundo grupo pode ligada simultaneamente à segunda molécula, compreendendo um terceiro grupo, um espaçador e um quarto grupo, como descrito no método anterior. A primeira molécula pode compreender, pelo menos, uma molécula de composto diamino, composto diepoxi e composto amino álcool. A segunda molécula pode compreender, pelo menos, uma molécula de um diéster de O-fosforiletanolamina e aminopropil trialcoxissilano.
[0032] Dentro do método mostrado na FIGURA 1, o material de grafite pode ser funcionalizado. O material de grafite pode ser, pelo menos, um material grafítico de grafeno e nanotubos de carbono. Para FIGURA 1, um CNT 101 pode ser representado como o material de grafite.
[0033] O primeiro grupo 102 (denominado Y) pode ser constituído por, pelo menos, um grupo de hidroxilo, tiol, amino, epóxi, carboxilo e sililo. Os exemplos do primeiro grupo 102 de sililo podem incluir, entre outros, dimetilsililo e difenilsililo.
[0034] O terceiro grupo 103 (denominado W) pode ser constituído por, pelo menos, um grupo de tiol, carboxilo, trialcoxisililo, éster de fosforilo, éter coroa, ciclopetadienil, criptante, dioxima, e N-heterociclo. Os exemplos do terceiro grupo 103 podem incluir, mas não estão limitados a, difosforilo (tricloroetilo) éster, fosforilo di(cianoetil)ésteres, 18-coroa-6, 2,2,2-criptante, 2,1,1-criptante, dimetilglioxima, e fenantrolinil. Para os metais específicos, o ciclopentadienilo pode ligar-se ao ferro, o imidazolilo pode ligar-se ao ferro, o 18-coroa-6 pode ligar-se ao magnésio, o 2,2,2-criptante pode ligar-se ao zinco, o imidazolilo pode ligar-se ao zinco, o 2,1,1- criptante pode ligar-se ao magnésio, a dimetilglioxima pode ligar-se ao níquel, o imidazolilo pode ligar ao cobre e o fenantrolinil pode ligar ao cobre. Podem também ser utilizados vários outros ligantes bem conhecidos na arte.
[0035] O segundo grupo 104 (designado por Z) e o quarto grupo 105 (indicado como X) compreende, pelo menos, um grupo de amino, epóxi, hidroxilo, carboxilo, sililo e tiol. Exemplos do segundo grupo 104 e quarto grupo 105 para o sililo podem incluir, entre outros, o dimetilsililo e o difetilsililo.
[0036] Dentro da primeira molécula, um espaçador 106 pode ser ligado entre o primeiro grupo 102 (denominado Y) e o segundo grupo 104 (denominado Z). O espaçador 106 da primeira molécula pode variar. O espaçador pode ser diferente para a primeira e segunda moléculas. Por exemplo, o espaçador pode ser um espaçador de propileno, tal como mostrado na FIGURA 1. O espaçador 106 pode ter menos do que cerca de 1 nm. O comprimento do espaçador 106 pode ainda permitir o encapsulamento de elétrons, quando o espaçador 106 for menor do que cerca de 1 nm. Além disso, o primeiro grupo Y 102, o terceiro grupo W 103 ou ambos o primeiro grupo Y 102 e o terceiro grupo W 103 podem ser ligados ao espaçador 106 de tal modo que o primeiro grupo Y 102, o terceiro grupo W 103, ou ambos o primeiro grupo Y 102 e o terceiro grupo W 103 possam estar em contato com o CNT 101.
[0037] O espaçador 107 da segunda molécula pode variar. Dentro da segunda molécula, um espaçador 107 pode ser ligado entre o terceiro grupo 103 (denominado W) e o quarto grupo 105 (denominado X). Por exemplo, o espaçador pode ser um espaçador de propileno, tal como mostrado na FIGURA 1. O espaçador 107 pode ter menos do que cerca de 1 nm. O comprimento do espaçador 107 pode também permitir o encapsulamento de elétrons, quando o espaçador 107 for menor do que cerca de 1 nm. Além disso, o primeiro grupo Y 102, o terceiro grupo W 103 ou ambos o primeiro grupo Y 102 e o terceiro grupo W 103 podem ser ligados ao espaçador 107 de tal modo que o primeiro grupo Y 102, o terceiro grupo W 103, ou ambos o primeiro grupo Y 102 e o terceiro grupo W 103 possam estar em contato com o CNT 101.
[0038] Além disso, a polimerização pode ocorrer no primeiro grupo Y 102. A polimerização também pode ocorrer no terceiro grupo W 103, a menos que o terceiro grupo W 103 possa ser um ligante metal específico. A polimerização pode incluir um poliuretano, uma resina epóxi ou um silicone. Uma partícula do metal de sacrifício pode ser ligada ao terceiro grupo W 103. A partícula do metal de sacrifício pode compreender, pelo menos, um metal de zinco, magnésio, níquel, alumínio e cobalto. Dentro dos métodos aqui descritos, a partícula do metal de sacrifício pode estar em contato eléctrico com o material de grafite. Dentro do contato elétrico, o espaçador pode ter menos do que cerca de 1 nm de comprimento e o encapsulamento de elétrons pode ocorrer.
[0039] O método aqui descrito na FIGURA 1 pode permitir que, pelo menos, dois tipos diferentes de moléculas sejam ligados a um material de grafite. A ligação pode ser proporcionada por, pelo menos, um método de moagem mecânica, vibração ultrassônica e injeção de alta pressão de microfluidos. Em vez de fornecer uma mistura de materiais de grafite, onde apenas um tipo de molécula pode ser ligado a um material de grafite, o método aqui descrito pode permitir que um único material grafítico funcionalizado seja utilizado. A quantidade e a proporção de ligação, tanto para a primeira e segunda moléculas pode ser adaptada para uma aplicação específica.
[0040] O material de grafite funcionalizado pode também ser incorporado em um composto de plástico. O composto de plástico pode ser de termoendurecível. O composto de plástico compreende, pelo menos, uma resina de epóxi, poliacrilato, poliuretano e fenolformaldeído. O composto de plástico pode ser uma composição de material ajustável. O material ajustável pode compreender: 1) um plástico termoendurecido; e 2) um material grafítico preparado pelo método compreendendo os passos para: a) proporcionar um material de grafite; b) proporcionar uma primeira molécula, compreendendo um primeiro grupo, um espaçador e um segundo grupo; c) proporcionar uma segunda molécula, compreendendo um terceiro grupo, um espaçador e um quarto grupo, em que o referido terceiro grupo é um grupo diferente do referido primeiro grupo; e d) ligar a primeira e a segunda moléculas ao material de grafite. Dentro do processo para proporcionar a primeira molécula, o primeiro grupo pode compreender pelo menos um grupo de hidroxilo, tiol, amino, epóxi, carboxilo e sililo, e o segundo grupo pode compreender pelo menos um grupo de amino, epóxi, hidroxilo, carboxilo, sililo e tiol. Também no âmbito do processo aqui descrito para proporcionar a segunda molécula, o terceiro grupo pode compreender pelo menos um grupo de tiol, carboxilo, trialcoxisililo, éster de fosforilo, éter coroa, criptante, dioxima, e N-heterociclo, e o quarto grupo pode compreender pelo menos um grupo de amino, epóxi, hidroxilo, carboxilo, sililo, e tiol. O primeiro grupo pode ser diferente do terceiro grupo de grafite no interior do material. A composição do material ajustável pode ser usada em revestimentos anticorrosivos em escudos eletromagnéticos de interferência, blindagem magnética, condutores, supercapacitores, compostos pré-impregnados, epóxis, poliacrilatos e poliuretanos. A composição pode também compreender um silicone.
[0041] Dentro da composição descrita acima, o plástico termoendurecível pode ser, pelo menos, um plástico de um epóxi, poliacrilato, poliuretano e fenolformaldeído. O material de grafite pode ser, pelo menos, um átomo de carbono de nanotubos de carbono e grafeno. Além disso, o material de grafite pode ser funcionalizado. O material de grafite pode ser funcionalizado com, pelo menos, um endurecedor de diaminobenzeno, óxido etileno diamina, óxido polipropileno diamina, derivados de ciclo- hexano diamina e aminado de tall-oil. O material de grafite pode ser funcionalizado na ausência de oxigênio e água.
[0042] A composição descrita acima pode ainda compreender, pelo menos, uma partícula de macropartículas, micropartículas e nanopartículas. As macropartículas podem compreender, pelo menos, uma macropartícula de areia, vidro, basalto, alumina, sílica, dióxido de titânio, cerâmica e fibras de grafite. As micropartículas compreendem, pelo menos, uma micropartícula de dióxido de titânio, sílica, cerâmica, grafite, fosfato de ferro, alumina, níquel, cobalto, zinco, alumínio e magnésio. As nanopartículas compreendem, pelo menos, uma nanopartícula de dióxido de titânio, óxido de cobre, fosfato de ferro, prata, sílica e alumina.
[0043] A FIGURA 2 também fornece uma forma de realização do método aqui descrito para um processo de modificação de carbono grafítico, compreendendo os passos para: 1) fornecer um material de grafite; 2) proporcionar uma primeira molécula compreendendo um primeiro grupo amino, um espaçador e um grupo trialcoxidossiloxano; 3) fornecimento de uma segunda molécula, que compreende um segundo grupo amino, um espaçador e um terceiro grupo amino; e 4) ligação do primeiro grupo amino e o segundo grupo amino ao material de grafite. Alternativamente, o método da Figura 2 aqui descrito pode ser um processo de modificação de carbono grafítico, compreendendo os passos para: 1) fornecer um material de grafite; 2) proporcionar uma primeira molécula compreendendo um segundo grupo amino, um espaçador e um terceiro grupo de amino; 3) fornecimento de uma segunda molécula, que compreende um primeiro grupo amino, um espaçador e um grupo de trialcoxidossiloxano; e 4) ligação do primeiro grupo amino e o segundo grupo amino ao material de grafite. Além disso, a molécula pode compreender um primeiro grupo amino, um espaçador e um grupo de trialcoxidossiloxano pode ser adicionado simultaneamente com a molécula que compreende um segundo grupo amino, um espaçador e um terceiro grupo amino, ambos descritos nos dois métodos acima descritos. A primeira molécula pode ser ligada ao material de grafite antes da segunda molécula, ou a segunda molécula pode ser ligada ao material de grafite antes da primeira molécula. Além disso, a primeira molécula compreendendo um primeiro grupo, um espaçador e um segundo grupo pode ser ligada simultaneamente à segunda molécula, compreendendo um terceiro grupo, um espaçador e um quarto grupo, como descrito no método anterior. A ligação pode ser proporcionada por, pelo menos, um método de moagem mecânica, vibração ultrassônica e injeção de alta pressão de microfluidos.
[0044] Dentro do método mostrado na FIGURA 2, o material de grafite pode ser funcionalizado. O material de grafite pode ser, pelo menos, um material grafítico de grafeno e nanotubos de carbono. Para FIGURA 2, um CNT 201 pode ser representado como o material de grafite.
[0045] A ilustração superior na FIGURA 2 proporciona a introdução, tanto do grupo amino quanto do grupo 202 quanto do grupo trialcoxidossiloxano 203 para o CNT 201. Dentro do método, tanto o grupo amino 202 quanto o grupo trialcoxidossiloxano 203 podem, então, ser ligados ao CNT 201 com um espaçador (206 e 207), como mostra a ilustração inferior na FIGURA 2. Especificamente, o composto diamino pode ligar-se através do grupo amina 204 ao CNT 201 para formar um grupo amino secundário 208. De forma similar, a segunda molécula pode ligar-se através do grupo amina 205 ao CNT 201 para formar um grupo amino secundário 209.
[0046] A porção do espaçador da molécula pode variar. Por exemplo, o espaçador pode ser um espaçador de propileno, tal como mostrado na FIGURA 2. O espaçador pode ser diferente para a primeira e segunda moléculas. A ligação de tanto o grupo amino 202 quanto o grupo trialcoxidossiloxano 203 pode ocorrer devido à funcionalização de um grupo amino com tanto o grupo amino 202 quanto o grupo trialcoxidossiloxano 203. O grupo amino pode estar ligado diretamente ao CNT 201, permitindo que tanto o grupo amino 202 quanto o grupo trialcoxidossiloxano 203 funcionalizem o CNT 201.
[0047] O grupo amino 202 pode, em seguida, proporcionar um ponto de partida para outras funcionalidades epóxi e uretano, e o grupo trialcoxidossiloxano 203 pode proporcionar um ponto de partida para funcionalidades de silicone. As funcionalidades de epóxi e uretano, bem como outras funcionalidades de amino podem fornecer rigidez e dureza ao CNT 201, enquanto as funcionalidades de silicone podem proporcionar suavidade e flexibilidade para o CNT 201. Em conjunto, as funcionalidades múltiplas dentro do CNT 201 podem proporcionar propriedades desejadas e também um meio para ajustar as propriedades de uma aplicação específica. Por exemplo, um grupo amino pode ser polimerizado com um monômero de epóxi, oligômero de epóxi, monômero de uretano ou oligômero de uretano. Além disso, o grupo de trialcoxidossiloxano pode ser polimerizado com um monômero ou oligômero de silicone.
[0048] O material de grafite pode ser funcionalizado com, pelo menos, um endurecedor de diaminobenzeno, óxido polipropileno diamina, derivados de ciclo- hexano diamina e aminado de tall-oil. O material de grafite pode também ser funcionalizado com um outro agente de cura. O material de grafite pode também ser funcionalizado na ausência de oxigênio e água.
[0049] A FIGURA 3 mostra várias versões de CNT funcionalizados com polímeros. Um polímero pode ser ligado através de um grupo amino primário ou secundário, um grupo hidroxilo ou um grupo epóxi. O grupo hidroxilo pode incluir um grupo hidroxilo fenólico. Estas funcionalidades podem servir como pontos de partida para o poliuretano, poliacrilato, poliureia, resina epóxi, resina de fenol-formaldeído, poliacrilatos ou outros polímeros. Uma concretização do princípio geral do método aqui descrito é um CNT ou folha de grafeno funcionalizado com alcoxissilano ou funcionalidades amino ou simultaneamente com ambos.
[0050] Cada CNT funcionalizado ou folha de grafeno pode conter dezenas ou centenas de grupos funcionais capazes de ligar cada partícula várias vezes. Cada CNT funcionalizado ou folha de grafeno também pode ligar múltiplas partículas. Do mesmo modo, cada CNT funcionalizado ou folha de grafeno pode ligar múltiplas cadeias de polímero. Estas funcionalidades podem ser diretamente ligadas com os CNTs ou grafeno, podendo também ser utilizados espaçadores. O espaçador pode conter partes de alifático, aromático ou heterocíclico.
[0051] Na Figura 3A, o CNT 301 pode ser funcionalizado com apenas o grupo trialcoxidossiloxano 304. Se apenas o grupo trialcoxidossiloxano 304 puder ser utilizado, apenas as funções de silicone podem ser ligadas. Na Figura 3B, o CNT 302 pode ser funcionalizado com apenas o grupo amino 305. Se apenas o grupo amino 305 puder ser utilizado, apenas as funcionalidades epóxi, uretano e outras funcionalidades amino podem ser ligadas. Embora uma mistura do CNT 302 e CNT 302 funcionalizados possa ser utilizada em uma aplicação, nenhuma delas fornece tanto o grupo amino grupo 305 e o grupo trialcoxidossiloxano 304 dentro de um único CNT ou outro material de grafite. A FIGURA 3C mostra o método aqui descrito, em que o CNT 303 pode ser funcionalizado com tanto o grupo amino 305 quanto o grupo trialcoxidossiloxano 304.
[0052] A FIGURA 4 pode ilustrar como as cadeias laterais podem ser cultivadas no material de grafite. No início da reação mostrada no topo da figura 4, o CNT 401 pode conter tanto o grupo amino e quanto o grupo trialcoxidossiloxano ligado a ele. Neste exemplo, o silicone 403 pode ser reagido na presença de uma quantidade catalítica de água. A reação ilustrada na Figura 4 pode permitir a posterior polimerização de epóxido 402 e o silicone 403, mas o poliuretano pode também ser polimerizado em lugar do epóxi 402. A partir desta reação, tanto a funcionalidade epóxi 405 e a funcionalidade de silicone 404 podem, em seguida, fornecer propriedades diferentes para o CNT 401.
[0053] A FIGURA 5 pode proporcionar três representações pictóricas diferentes de como as cadeias podem ser cultivadas no material de grafite. Nesta figura, o material de grafite pode ser o CNT 501. Na Figura 5A, o CNT 501 pode ter várias cadeias laterais do grupo de silicone 504. Na Figura 5B, o CNT 502 pode ter várias cadeias laterais de epóxi ou poliuretano 505. A Figura 5C mostra a CNT 503 que pode incluir cadeias laterais de epóxi ou poliuretano 505 e cadeias laterais do grupo de silicone 504. Em geral, estas várias cadeias laterais podem ser enxertadas ao CNT. As cadeias laterais podem ser ramificadas. Se as cadeias de polímeros forem suficientemente diferentes fisicamente, quimicamente ou fisicamente e quimicamente, tal como na Figura 5C, o CNT 503 pode separar-se e formar a estrutura em camadas, conforme a seguir descrito na Figura 6. Estas camadas podem ser fracamente ou fortemente ligadas, se um CNT bifásico for incluído a uma composição. Este tipo de CNT bifásico pode conter, pelo menos, dois tipos de ramificações, que são capazes de interagir fortemente com ambas as camadas, podendo permitir a fabricação de revestimentos de autoestratificação.
[0054] Aqui descrito na FIGURA 5C, pode permitir a combinação de ambos os materiais compostos de plástico duro e mole e materiais de revestimento com os CNTs funcionalizados. O composto de plástico pode ser termoendurecível. Os compostos de plástico podem incluir epóxis, poliuretanos, poliacrilatos e fenolformaldeído. Estes revestimentos podem ser resistentes a impactos e trincas. Embora a resistência à abrasão possa ser aceitável, ela pode ser melhorada através da ligação covalente de nanopartículas ou micropartículas.
[0055] Na FIGURA 6, podem ser demonstradas as múltiplas camadas de CNTs. Os CNTs (601, 602 e 603) são exibidos dentro da figura. As camadas separadas de CNTs funcionalizados, rotulados como 608 e 610 dentro da figura, podem ser resultado da estratificação dos CNTs. Uma área intermediária 609 pode ser localizada no interior das camadas separadas de CNT 608 e 610. A camada intermediária 609 pode ser usada para ligar as camadas de CNT funcionalizadas separadas 608 e 610 em conjunto. As camadas podem se formar quando a camada de silicone 608 se separa da camada de epóxi 610. Especificamente, os grupos metilo dentro do silicone podem proporcionar as camadas. No entanto, os grupos fenilo no silicone podem evitar a formação de camadas, especialmente se os grupos fenilo têm substituintes polares, como o metoxi. Podem existir apenas grupos metilo no âmbito dos grupos de silicone ou apenas fenilo dentro do silicone. Também podem existir dois grupos metilo e fenilo dentro do silicone. Se puderem ser formadas camadas, elas podem ter espessura de até 10 nm. As camadas podem também ter de cerca de 50 nm a cerca de 50 μm.
[0056] O grau de funcionalização de nanotubos de carbono pode ser ajustado em uma ampla gama de porções de ligação covalentes por micrômetro de um nanotubo de carbono. Por exemplo, as funcionalidades podem ser grupos amino que podem iniciar a polimerização de um composto de epóxi. As funcionalidades podem também ser grupos amino que podem iniciar a polimerização de um composto de poliuretano. As funcionalidades podem ser grupos trialcoxidossiloxano que podem iniciar a polimerização de um silicone.
[0057] Dentro das camadas, poderá haver uma interação entre as cadeias laterais do grupo amino 605, 607 e as cadeias laterais do grupo trialcoxidossiloxano 604 e 606. Devido a estas interações, pode haver ligação e reticulação entre os CNTs funcionalizados.
[0058] A estrutura em camadas fornecida na FIGURA 6 pode permitir revestimentos que resistem ao craqueamento, uma vez que podem ser menos rígidas em decorrência dos grupos de silicone. A estrutura em camadas pode também ser útil em aplicações em que elas forem vantajosas. Por exemplo, essas estruturas em camadas podem ser usadas em revestimentos de navios em que as cracas podem descolar pelo menos uma camada do revestimento de cada vez, mas a estrutura em camadas pode permanecer dentro do revestimento. Os agentes de cura aromáticos ou alifáticos também podem ser usados dentro da estrutura em camadas.
[0059] O material de grafite funcionalizado pode ser ligado com um polímero, uma partícula de metal ou ambos. O método aqui descrito pode permitir mais condução elétrica do que uma simples mistura dos componentes. Se o contato elétrico entre um material de partículas de grafite for desejado, o espaçador pode ser curto.
[0060] A FIGURA 7 pode fornecer uma forma de realização de uma representação estrutural de um revestimento composto de plástico ou ajustável. Os revestimentos anticorrosivos podem ser uma aplicação do processo aqui descrito. A composição do material ajustável na FIGURA 7 pode compreender: 1) um plástico termoendurecido; 2) silicone; e 3) pelo menos, um material grafítico funcionalizado de nanotubos de carbono e grafeno preparados pelo método compreendendo os passos para: 1) fornecer um material de grafite; 2) proporcionar uma primeira molécula compreendendo um primeiro grupo amino, um espaçador e um grupo trialcoxidossiloxano; 3) fornecimento de uma segunda molécula, que compreende um segundo grupo amino, um espaçador e um terceiro grupo amino; e 4) ligação do primeiro grupo amino e o segundo grupo amino ao material de grafite. Alternativamente, o método para fornecer, pelo menos, um material de grafite funcionalizado pode ser preparado por outros métodos descritos acima na FIGURA 2. A primeira molécula pode ser ligada ao material de grafite antes da segunda molécula, ou a segunda molécula pode ser ligada ao material de grafite antes da primeira molécula. Além disso, a primeira molécula compreendendo um primeiro grupo amino, um espaçador e um segundo grupo trialcoxidossiloxano pode ligar-se, simultaneamente, à segunda molécula, compreendendo um segundo grupo amino, um espaçador e um terceiro grupo amino, como descrito no método anterior.
[0061] A FIGURA 7 pode descrever as ligações moleculares para os métodos aqui descritos. O polímero elástico 704 pode ser representado como uma mola (anteriormente descrito em círculos na Figura 5A). O polímero elástico 704 pode incluir funcionalidades de siloxano. O polímero mais rígido 705 pode ser representado com triângulos na Figura 7. O polímero mais rígido 705 pode incluir epóxi, poliuretano, poliacrilatos e fenolformaldeído. Os três tipos de nanotubos de carbono funcionalizado 701, 702, e 703 podem corresponder a 501, 502, e 503 na figura 5. As cadeias de polímeros, incluindo o polímero elástico 704 e o polímero mais rígido 705, podem formar uma ponte entre dois nanotubos de carbono funcionalizados ou ligar o CNT funcionalizado a uma partícula 706 e 707. As partículas 706 e 707 podem ser ligadas aos CNTs funcionalizados através de um pequeno espaçador. As setas mostram a ligação de polímeros (704 e 705) ou os CNTs funcionalizados (701, 702, e 703) com as partículas (706 e 707) ou substrato 709. As cadeias de polímero podem ser reticuladas. Se as reações de polimerização forem ortogonais, nenhum polímero em bloco ou de enxerto pode ser formado.
[0062] A presente descrição pode proporcionar ainda um método para preparar revestimentos. Este método pode compreender os passos para: 1) funcionalizar CNTs ou grafeno com endurecedor de amina, aminopropil-trimetoxisilano, macropartículas, micropartículas, nanopartículas ou, 2) misturar o CNT funcionalizado com epóxi para formar uma mistura, 3) revestir o molde com a mistura, 4) injetar a mistura de epóxi em grandes quantidades ao molde, e 4) a cura da mistura.
[0063] Os segmentos de siloxano 704 dentro da FIGURA 7 podem ser formados a partir de monômeros, ou podem ser oligômeros, que podem ser parcialmente pré- polimerizados. Esses componentes podem ser misturados com o endurecedor ou epóxi ou ambos. Os monômeros apropriados podem incluir di(metoxifenil), dimetoxisilano, dianisil dimetoxisilano, dimetil-dimetoxi-silano, difenil dietoxisilano, aminopropil trimetoxisilano (também conhecido como APTMS) e tetraetoxisilicato (também conhecido como TES). No entanto, os monômeros podem também incluir praticamente qualquer parte alifática ou aromática, bem como algumas das suas formas funcionalizadas, como derivados clorados e fluorados. Esses monômeros podem ser polimerizados se puder haver uma quantidade catalítica de água presente. O APTMS e o TES podem fornecer pontos de ramificação na cadeia de siloxano. O APTMS pode, além disso, servir como um ponto de partida e final para a polimerização do siloxano. Um número demasiado de contatos epóxi covalentes pode reduzir ou eliminar a elasticidade de siloxano, sendo que a concentração de APTMS livres onde não puder ser ligado a CNTs funcionalizados ou nanopartículas, pode ser menos do que cerca de 10% de todos os componentes de silano. Outro tipo de polímero de silicone pode ser formado, por exemplo, a partir de vinil dimetilsilano, na presença de uma quantidade catalítica de platina. Variando os grupos laterais, muitos outros monômeros análogos podem ser utilizados. Para proporcionar um ponto de partida em um nanotubo de carbono funcionalizado, pode ser utilizado o aminopropilo dimetilsilano. O ponto final pode ser funcionalizado com metilsilano vinil aminopropilo. Várias moléculas análogas podem ser utilizadas em vez destes exemplos. Além disso, um grupo amino pode servir como ponto inicial e final para a polimerização de epóxi.
[0064] Dentro de uma composição compreendendo um material de grafite e de partículas de metal, o contato elétrico entre a partícula de metal e o material de grafite pode ser fraco. Esta deficiência pode ser em decorrência de uma camada de polímero enrolada em torno da partícula do metal, o material de grafite ou de ambos. O método aqui descrito pode aumentar o contato elétrico e pode também fornecer o mecanismo para contato químico entre as partículas de metal e de polímero. Ao incorporar materiais de grafite funcionalizados, uma conexão elétrica mais forte pode existir entre a partícula de metal e o substrato metálico. As partículas de metal podem ser nanopartículas ou micropartículas. Dentro do método aqui descrito, as químicas ortogonais podem ajudar na fixação de partículas de metal e polímeros com o material grafítico através de ligação covalente. As químicas ortogonais não podem interferir umas nas outras. As químicas ortogonais pode acontecer em condições ambientais. No entanto, as químicas ortogonais também podem usar UV, IR ou algum outro método de cura.
[0065] A FIGURA 8 pode proporcionar um meio no qual se ligam as partículas de cerâmica ou metálicas ao material grafítico funcionalizado. Além da ligação polimérica descrita acima, as partículas individuais também podem ser ligadas. Na FIGURA 8, é exibido o CNT 801. Tanto a sílica (SiO2) 802 quanto o óxido de alumínio (Al2O3) 803 podem ser ligados ao CNT 801 através do grupo trialcoxidossiloxano. Os grupos trimetoxisilano podem também ser capazes de ligar a sílica ou óxido de alumínio. Além disso, uma partícula do metal de sacrifício pode estar ligada ao grupo trialcoxidossiloxano. A partícula do metal de sacrifício pode compreender, pelo menos, um metal de zinco, magnésio, níquel, alumínio e cobalto. Dentro dos métodos aqui descritos, a partícula do metal de sacrifício pode estar em contato eléctrico com o material de grafite. Dentro do contato elétrico, o espaçador pode ter menos do que cerca de 1 nm de comprimento, podendo o encapsulamento de elétrons ocorrer entre o CNT 801 e uma partícula metálica.
[0066] O método aqui descrito pode proporcionar um meio para evitar a passivação das partículas sacrificiais. A maioria dos grupos de ligação (por exemplo, o terceiro grupo 103 na Figura 1) não pode ser ligada por partículas de sacrifício. Se a distância entre estes grupos for de cerca de 0,4 nm a cerca de 2 nm em média, a transferência de cátions de metal pode ser possível através da condutância iônica. Com condutância iônica, os cátions de metais de sacrifício podem ser removidos da superfície da partícula após a reação oxidativa e a superfície de metal ativo pode então ser exposta. Os terceiros grupos (mostrado como 103 na Figura 1) podem ser seletivos para os cátions de metais de sacrifício. Este método pode permitir a condutância iônica e eletrônica ao longo do material de grafite funcionalizado. No entanto, um elevado grau de funcionalização pode diminuir a condutância elétrica, especialmente se forem utilizados CNTs com paredes simples. O efeito pode ser menor para os CNTs de parede dupla e os CNTs de paredes múltiplas. A densidade de ligantes pode ser menor se os condutores iônicos poliméricos forem anexados ao material grafítico. Os exemplos não limitantes de polímeros condutores iônicos podem ser óxido de polietileno diamino, polialilamina, e polipirrolidona.
[0067] A figura 9 pode proporcionar uma vista pictórica de uma forma de realização do material ajustável 801, tal como aqui descrito. A composição do material ajustável pode incluir: 1) um plástico termoendurecido; 2) silicone; e 3) pelo menos, um material grafítico funcionalizado de nanotubos de carbono e grafeno preparados pelo método compreendendo os passos para: 1) fornecer um material de grafite; 2) proporcionar uma primeira molécula compreendendo um primeiro grupo amino, um espaçador e um grupo trialcoxidossiloxano; 3) fornecimento de uma segunda molécula, que compreende um segundo grupo amino, um espaçador e um terceiro grupo amino; e 4) ligação do primeiro grupo amino e o segundo grupo amino ao material de grafite. Alternativamente, o método para fornecer, pelo menos, um material de grafite funcionalizado pode ser preparado por outros métodos descritos acima na FIGURA 2. A primeira molécula compreendendo um primeiro grupo amino, um espaçador e um grupo trialcoxidossiloxano pode ser ligado ao material de grafite antes da segunda molécula que compreende um segundo grupo amino, um espaçador e um terceiro grupo amino ou a segunda molécula pode ser ligada ao material de grafite antes da primeira molécula. Além disso, a primeira molécula compreendendo um primeiro grupo amino, um espaçador e um segundo grupo trialcoxidossiloxano pode ligar-se, simultaneamente, à segunda molécula, compreendendo um segundo grupo amino, um espaçador e um terceiro grupo amino, como descrito no método anterior. Além disso, também podem ser utilizadas combinações dos métodos acima. Como também descrito na FIGURA 7, outros materiais podem ser incluídos na composição da FIGURA 7. O material sintonizável 901 pode também conter, pelo menos, uma partícula de macropartículas 902, micropartículas 903 e nanopartículas 904; um plástico termoendurecido; silicone; pelo menos um material de grafite de nanotubos de carbono e grafeno; e um meio para proporcionar, pelo menos, um material grafítico de nanotubos de carbono e grafeno por injeção de alta pressão hidrodinâmica.
[0068] Dentro do material ajustável 901 na FIGURA 9, as macropartículas 902, micropartículas 903 e nanopartículas 904 podem ser dispersadas através do plástico termoendurecível 905. O plástico termoendurecível pode incluir, pelo menos, um plástico de uma resina epóxi, um poliuretano, um poliacrilato e um fenolformaldeído. Na FIGURA 9, podem ser adicionadas, pelo menos, uma partícula de macropartículas 902, micropartículas 903, e nanopartículas 904. As macropartículas 902 podem ter dimensões entre 100 μm a aproximadamente 2 mm. As micropartículas 903 podem ter de 200 nm a 100 μm, aproximadamente. As nanopartículas 904 podem ter cerca de 1 nm a 200 nm. As macropartículas 902 podem compreender, pelo menos, uma macropartícula de areia, vidro, basalto, alumina, sílica, dióxido de titânio, cerâmica, fibras de grafite e outras partículas de metal. As micropartículas 903 podem compreender, pelo menos, uma micropartícula de dióxido de titânio, sílica, cerâmica, grafite, fosfato de ferro, alumina, níquel, cobalto, zinco, alumínio, magnésio, e outras partículas de metal. As nanopartículas 904 podem compreender, pelo menos, nanopartículas de dióxido de titânio, óxido de cobre, fosfato de ferro, prata, sílica, alumina e outras partículas de metal. As macropartículas 902, as micropartículas 903 e as nanopartículas 904 podem também fornecer as características desejadas para o material sintonizável 901, dependendo da aplicação. Por exemplo, as partículas de dióxido de titânio, sílica e alumina podem aumentar a rigidez e a dureza da superfície. Além disso, o dióxido de titânio pode ser usado para fornecer o material sintonizável 901 com uma propriedade de autolimpeza e o efeito Lotus. Além disso, uma partícula do metal de sacrifício pode ser adicionada ao material ajustável, onde a partícula metálica sacrificial pode compreender, pelo menos, um metal de zinco, magnésio, níquel, alumínio e cobalto.
[0069] Além disso, as fibras de vidro e de basalto podem ser silicatos de metais que contenham, principalmente, metais alcalinos, metais alcalinos terrosos e alumínio. O vidro pode conter borato, enquanto a fibra de basalto pode conter vários outros cátions metálicos. O APTMS pode ligar-se ao ácido silícico ou cátions de metal. O APTMS pode reagir lentamente com a forma ionizada de ácido silícico. Assim, o tratamento do vidro e fibra de basalto com um ácido, gasoso ou líquido, pode melhorar o tempo de reação. Estes ácidos podem incluir, entre outros, o clorídrico diluído, ácido sulfúrico, ácido fórmico e ácido acético. O tratamento curto com um ácido fluorídrico ou fluoreto de amônio também é possível. A fibra de carbono no interior do material ajustável 801 pode ter oxigênio contendo funcionalidades, como grupos carboxílicos e hidroxílicos e o grupo trimetoxisilano de APTMS pode ser capaz de se ligar a estas funcionalidades.
[0070] O material sintonizável 901 pode também compreender, pelo menos, um material grafítico funcionalizado, incluindo os nanotubos de carbono e grafeno preparados a partir dos métodos aqui descritos. O material de grafite funcionalizado pode ser utilizado para reforçar resinas termofixas, incluindo, entre outras, resinas epóxi e de poliuretano. O material grafítico funcionalizado, por exemplo, os nanotubos de carbono funcionalizado, pode proporcionar uma elevada resistência à tração e rigidez. A resistência à tração e rigidez aprimoradas podem compensar o plástico termofixo moldável 905.
[0071] Dentro do material sintonizável 901, o silicone também pode ser adicionado. O silicone no interior do material ajustável 901 pode ser utilizado para ajustar a elasticidade dentro do material. O silicone no interior do material ajustável 901 pode conter uma estrutura de siloxano, que pode ser suave e deformável. A quantidade de silicone no interior do material ajustável 901 pode ser ajustada para proporcionar um material durável.
[0072] Cada componente do material ajustável 901 presente pode fornecer a funcionalidade. Uma resina termoendurecível 905 pode constituir mais do que cerca de 90% da massa total do composto. A variação das macropartículas 902, micropartículas 903 e das nanopartículas 904 pode ser de cerca de 5% a cerca de 80%, dependendo da dureza desejada. A variação das macropartículas 902, micropartículas 903 e das nanopartículas 904 pode ser, também, de cerca de 10% a cerca de 35%. O siloxano pode ter concentrações de cerca de 0,05%, onde pode atuar dentro da interface da matriz e partículas. Quando o siloxano puder atuar como um componente da matriz do material ajustável 901, ele pode variar de cerca de 0,1% a cerca de 50%, dependendo da elasticidade desejada. O grafeno funcionalizado pode ser de cerca de 0,1% a cerca de 5%. As propriedades mecânicas podem melhorar entre cerca de 0,3% e cerca de 0,8%, mas a condutividade elétrica pode melhorar em cerca de 2%. Dentro do material ajustável 901, a composição pode variar, dependendo da aplicação e as características desejadas.
[0073] Dentro da composição do material ajustável aqui descrito, as nanopartículas de dióxido de titânio podem ativar eletronicamente as moléculas de oxigênio à luz. O oxigênio ativado pode ser capaz de oxidar as impurezas orgânicas na superfície. Assim, a fabricação de superfícies autolimpantes pode ser possível. No entanto, a própria superfície pode se oxidar. Dois métodos podem ser utilizados para prevenir a oxidação da superfície. O primeiro método pode ser aumentar a concentração de partículas inorgânicas. O segundo método pode ser adicionar compostos fluorados, como ácidos carboxílicos, álcoois polifluorados ou compostos aromáticos quimicamente ligados, por exemplo, com os nanotubos de carbono funcionalizados ou silicone.
[0074] As partículas podem aumentar a dureza e resistência à abrasão de uma superfície. Podem também ser utilizados pigmentos para se obter uma determinada cor. Por exemplo, as macropartículas e micropartículas de dióxido de titânio podem proporcionar uma cor branca, apesar da presença de nanotubos de carbono funcionalizado preto. As nanopartículas de dióxido de titânio podem também proporcionar uma superfície autolimpante.
[0075] Dentro do material ajustável 901, pode haver uma ligação covalente dentro de todos os componentes, incluindo o plástico termoendurecível 905, o siloxano, nanotubos de carbono funcionalizado, macropartículas 902, micropartículas 903 e nanopartículas 904, incluindo sílica, alumina, óxido de titânio, óxido de cobre, fosfato de ferro, carbono, vidro e fibra de basalto se estes componentes estiverem presentes. Em um material sintonizável 901, os componentes podem estar em proximidade um do outro, e cada componente pode proporcionar um acoplamento químico de nível molecular, com o componente vizinho. Os grupos trimetoxisilano podem também ser capazes de se ligar à fibra de vidro ou fibra de basalto, quando a mistura líquida do epóxi e endurecedor puder ser colocada em contato com essas fibras, funcionalizando os nanotubos de carbono. Isso pode ser obtido pela mistura de APTMS com um endurecedor de diamina ou poliamina antes da funcionalização.
[0076] A superfície pode conter macropartículas 902, que são incorporadas e quimicamente ligadas a uma matriz de polímero. As macropartículas 902 podem ser areia, pó de vidro, basalto, sílica, alumina, dióxido de titânio, fibras de grafite ou quase qualquer material cerâmico. As micropartículas 903 podem preencher os vazios entre as macropartículas 902 e ajudar a tornar a superfície mais lisa. A superfície pode ter tanto de rugosidade de escala de micro e nano partículas. A rugosidade de escala micro pode ajudar na aerodinâmica e rugosidade de escala nano pode proporcionar uma superfície hidrofóbica ou efeito Lotus. A rugosidade de escala nano pode ser obtida com nanopartículas 904.
[0077] No âmbito do processo aqui descrito, a preparação do grafeno ou CNT também pode incorporar, pelo menos, uma partícula de nanopartículas e micropartículas na dispersão de carbono, e, pelo menos, uma partícula de nanopartículas e micropartículas dentro da segunda dispersão de carbono. Tanto as nanopartículas quanto as micropartículas podem ajudar com a esfoliação do grafeno ou CNT e podem impedir a remontagem de grafeno de volta ao grafite. A adição de, pelo menos, uma das nanopartículas e micropartículas pode incluir sílica, alumina, nanotubos de carbono e carbono amorfo.
[0078] A FIGURA 10 proporciona uma vista esquemática de uma estrutura de superfície de um revestimento resistente à abrasão e à corrosão 1001. O esquema na FIGURA 10 pode mostrar tanto a rugosidade da superfície em escala micro quanto nano. Este tipo de estrutura pode ser útil em certas aplicações, tais como as pás de moinhos de vento. A microestrutura pode reduzir a fricção contra a água 1004 e o fluxo de ar. O ar pode então circular nos bolsos micronizados 1005, podendo agir como um rolamento de esferas entre as superfícies sólidas. As nanopartículas 1003 dentro da superfície de revestimento 1002 podem criar uma nano-ondulação que reduz a interação entre a água e a superfície 1006 sob o revestimento. A tensão superficial da água 1006 pode evitar que a água siga as variações da escala nano. Devido à interação fraca em escala nano, a água pode não ser capaz de seguir até mesmo a corrugação em escala micro, de modo a que a adesão de água 1006 pode ser ainda mais reduzida e a água 1006 pode não ser capaz de penetrar no revestimento resistente à corrosão 1001. Assim, a água 1006 pode ser totalmente removida da superfície do revestimento 1002, bem como o próprio revestimento 1001 sobre o substrato. Pode ser necessária a remoção de água 1006, tanto em ambientes úmidos quanto em frios, onde a formação de gelo pode dificultar o revestimento 1001.
[0079] Os materiais de revestimento 1001 podem incluir epóxis e poliuretanos convencionais. Além disso, os materiais do revestimento 1001 podem ser resistentes à corrosão, bem como tanto quimicamente quanto fisicamente duráveis. Em revestimentos típicos, os líquidos corrosivos, como água, ácidos e álcalis, podem escoar através de nanorrachaduras e corroer a superfície subjacente, potencialmente provocando o descolamento do revestimento. Este processo pode ser reduzido ou evitado pela utilização do presente revestimento aqui descrito. Os ciclos de expansão e contração térmica no interior do revestimento 1001 aqui descrito podem não causar nanorrachaduras porque os nanotubos de carbono dentro do revestimento 1001 podem evitar esta fissuração. Além disso, o siloxano pode ajudar o epóxi ou o poliuretano a ser mais plástico e resistir a qualquer fissuração. Se o revestimento 1001 for usado para proteger a superfície contra a água, incluindo água salgada, pode ser necessário utilizar camadas adicionais de proteção. Os nanotubos de carbono e grafeno podem tornar o revestimento 1001 eletricamente condutor, embora a concentração de nanotubos de carbono e nanotubos de carbono e CNTs de grafeno e grafeno possa ser mantida tão baixa que a resistência se torna alta.
[0080] Além do revestimento sintonizável aqui descrito, um sistema de revestimentos resistentes à corrosão pode ser proporcionado em que o revestimento ajustável pode ser incorporado ao sistema. Uma forma de realização do método de fabricação de um sistema de revestimento resistente à corrosão pode compreender os passos para: 1) gerar um substrato; 2) aplicar ao substrato uma primeira camada de uma composição de material ajustável que compreende um plástico termoendurecido; e, pelo menos, um material grafítico funcionalizado de nanotubos de carbono e grafeno preparados pelo método compreendendo os passos para: proporcionar um material de grafite; gerar uma primeira molécula compreendendo um primeiro grupo, um espaçador e um segundo grupo; gerar uma segunda molécula compreendendo um terceiro grupo, um espaçador e um quarto grupo, em que o referido terceiro grupo é um grupo diferente do referido primeiro grupo; e a ligação do segundo grupo e o quarto grupo ao material de grafite; 2) aplicação de uma segunda camada que compreende um material isolante eletricamente com a primeira camada; e 3) aplicação à segunda camada de uma terceira camada de uma composição de material de ajustável, compreendendo um plástico termoendurecido; e, pelo menos, um material grafítico funcionalizado de nanotubos de carbono e grafeno preparados pelo método compreendendo os passos para: proporcionar um material de grafite; com uma primeira molécula compreendendo um primeiro grupo, um espaçador e um segundo grupo; uma segunda molécula compreendendo um terceiro grupo, um espaçador e um quarto grupo, em que o referido terceiro grupo é um grupo diferente do referido primeiro grupo; e a ligação do segundo grupo e o quarto grupo ao material de grafite. Dentro do processo, o primeiro grupo pode compreender pelo menos um grupo de hidroxilo, tiol, amino, epóxi, carboxilo e sililo, e o segundo grupo pode compreender pelo menos um grupo de amino, epóxi, hidroxilo, carboxilo, sililo e tiol. Também no âmbito do processo aqui descrito, o terceiro grupo pode compreender pelo menos um grupo de tiol, carboxilo, trialcoxisililo, éster de fosforilo, éter coroa, criptante, dioxima, e N-heterociclo, e o quarto grupo pode compreender pelo menos um grupo de amino, epóxi, hidroxilo, carboxilo, sililo, e tiol.
[0081] Outra forma de realização do método de fabricação do sistema de revestimento resistente à corrosão pode compreender os passos para: 1) gerar um substrato; 2) aplicar ao substrato uma primeira camada de uma composição de material ajustável que compreende um plástico termoendurecido; silicone e, pelo menos, um material grafítico funcionalizado de nanotubos de carbono e grafeno preparados pelo método compreendendo os passos para: proporcionar um material de grafite; gerar uma primeira molécula compreendendo um primeiro grupo amino, um espaçador e um grupo trialcoxidossiloxano; gerar uma segunda molécula compreendendo um segundo grupo amino, um espaçador e um terceiro grupo amino, ligando o primeiro grupo amino e o segundo grupo amino ao material de grafite; 3) aplicação de uma segunda camada que compreende um material isolante eletricamente com a primeira camada; e 4) aplicação à segunda camada de uma terceira camada de uma composição de material de ajustável, compreendendo um plástico termoendurecido; silicone e, pelo menos, um material grafítico funcionalizado de nanotubos de carbono e grafeno preparados pelo método compreendendo os passos para: proporcionar um material de grafite; com uma primeira molécula compreendendo um primeiro grupo amino, um espaçador e um grupo trialcoxidossiloxano; uma segunda molécula compreendendo um segundo grupo amino, um espaçador e um terceiro grupo amino e a ligação do primeiro grupo amino e o segundo grupo amino ao material de grafite. Alternativamente, o método de fabricação do sistema de revestimento resistente à corrosão pode compreender os passos para: 1) gerar um substrato; 2) aplicar ao substrato uma primeira camada de uma composição de material ajustável que compreende um plástico termoendurecido; silicone e, pelo menos, um material grafítico funcionalizado de nanotubos de carbono e grafeno preparados pelo método compreendendo os passos para: proporcionar um material de grafite; gerar uma primeira molécula compreendendo um segundo grupo amino, um espaçador e um terceiro grupo amino; gerar uma segunda molécula compreendendo um primeiro grupo amino, um espaçador e um grupo trialcoxidossiloxano, ligando o primeiro grupo amino e o segundo grupo amino ao material de grafite; 3) aplicação de uma segunda camada que compreende um material isolante eletricamente com a primeira camada; e 4) aplicação à segunda camada de uma terceira camada de uma composição de material de ajustável, compreendendo um plástico termoendurecido; silicone e, pelo menos, um material grafítico funcionalizado de nanotubos de carbono e grafeno preparados pelo método compreendendo os passos para: proporcionar um material de grafite; com uma primeira molécula compreendendo um segundo grupo amino, um espaçador e um terceiro grupo amino; uma segunda molécula compreendendo um primeiro grupo amino, um espaçador e um grupo trialcoxidossiloxano e a ligação do primeiro grupo amino e o segundo grupo amino ao material de grafite. Dentro do material grafítico funcionalizado de nanotubos de carbono e grafeno preparados pelos métodos aqui descritos, a molécula que compreende um grupo amino, um espaçador, e um grupo trialcoxidossiloxano pode ser adicionada simultaneamente com a molécula que compreende um grupo amino, um espaçador e um grupo amino adicional. Além disso, também podem ser utilizadas combinações dos métodos acima.
[0082] O fundo (primeira camada inferior) não pode sacrificar a integridade física do revestimento. A primeira camada inferior pode compreender uma primeira composição de materiais ajustáveis. O fundo pode também conter, pelo menos, uma partícula do metal de sacrifício de magnésio, zinco, níquel e cobalto. Esta primeira camada inferior pode fornecer proteção contra a corrosão galvânica. A camada do meio, ou segunda camada, pode ser eletricamente isolante e pode conter reforços, incluindo, entre outros, pelo menos, um material de reforço de whiskers de carboneto de silício, óxido de alumínio, fibras ou tubos, grafeno hidrogenado, nanotubos hidrogenados e nanotubos de carbono. O revestimento superior, ou a terceira camada, pode conter, pelo menos, um material grafítico de nanotubos de carbono e grafeno que pode ser funcionalizado no interior da segunda composição do material ajustável. O revestimento superior, ou a terceira camada, pode também conter, opcionalmente, um composto biocídico, bem como partículas que podem fazer o revestimento autorrecuperável e resistente à corrosão. O revestimento superior, ou a terceira camada, pode ou não ser idêntico à primeira camada inferior, compreendendo a primeira composição de materiais ajustáveis.
[0083] O presente revestimento descrito nas Figuras 9 e 10 e aqui pode ser usado, entre outras, em aplicações em veículos, barcos, navios, tubulações de petróleo e gás e pás de moinhos. A composição do material ajustável é utilizada em revestimentos anticorrosivos em escudos de interferência eletromagnética, blindagem magnética, condutores, supercapacitores, compostos pré-impregnados.
[0084] Os exemplos seguintes ilustram os métodos presentes em uma forma que pode ser praticada, mas como tal, estes exemplos não devem ser interpretados como limitações ao âmbito geral dos métodos aqui descritos.
Exemplo 1.
[0085] Os CNTs de múltiplas paredes (10g, Baytubes, Bayer, Alemanha) e 10g de aminopropil-trimetoxisilano foram sonicados em 1000g de endurecedor Jeffamine ED- 900 (Huntsman, EUA), utilizando 1g de tripropóxido de alumínio como catalisador. A potência foi de 800 W e o tempo foi de cerca de 10 min. Este endurecedor, denominado endurecedor HNT, estava pronto para ser usado com o epóxi bisfenol A que continha 80 ml de dimetil-dimetoxi-silano e 20 g de difenil-dimetoxi-silano.
Exemplo 2.
[0086] CNTs de múltiplas paredes (10g, Baytubes, Bayer, Alemanha), 5g de sílica e 5g de nanopartículas de alumina e 10g de aminopropil-trimetoxisilano foram triturados por cerca de 30 minutos em um almofariz em 100 ml de endurecedor Jeffamine ED-900 (Huntsman, EUA). Este endurecedor foi diluído a 1000g com Jeffamine HK-511 puro e denominado endurecedor HNT-NP, pronto para ser usado com 1450g de epóxi bisfenol A, que continha 80 ml de dimetil-dimetoxi-silano e 20 g de difenil-dimetoxi-silano.
Exemplo 3.
[0087] O material do Exemplo 2 foi diluído com 200 ml de isopropanol, filtrado e lavado com 100 ml de isopropanol. O sólido foi seco sob vácuo. Os CNTs funcionalizados foram dispersos em 1000 ml de 3,3'-dimetil-4,4'- diaminodiciclohexilmetano.
Exemplo 4.
[0088] Em 1 kg de éter bisfenol A diglicidil, foram adicionados 10g de pó de grafite (malha 200, Alfa Aesar), UTILIZANDO um misturador mecânico. A mistura foi desgaseificada com um banho de ultrassons sob atmosfera de nitrogênio. A dispersão de grafite bruto foi processada com um LV1 Microfluidizer Processor IDEX - Material Processing Technologies Group) três vezes, usando pressão de 1500000 mmHg (2500 bar).
Exemplo 5.
[0089] O produto do Exemplo 3 foi misturado com 100g de pó de zinco em uma lata de metal fechada, UTILIZANDO um misturador de rolos. O pó de zinco revestido foi ainda misturado com um misturador mecânico de alta velocidade com Epon 828. O agente de cura de melamina foi adicionado e seis placas de teste foram revestidas com uma camada de 20 micrômetros deste material de revestimento. O acabamento de poliuretano foi aplicado sobre estas placas. Seis placas de referência foram igualmente revestidas com uma composição que continha os mesmos componentes, mas os CNTs foram utilizados em vez do CNT amino-trimetoxi. As placas foram testadas em uma câmara de névoa salina por 1.000 horas. A ferrugem foi medida colorimetricamente. As placas que foram revestidas com este método tiveram cerca de 24 ± 11% menor formação de ferrugem.
[0090] As implementações foram descritas, anteriormente. Será evidente para os peritos na arte que os métodos e aparelhos anteriores podem incorporar alterações e modificações sem nos afastarmos do escopo geral destes métodos. Pretende-se incluir todas essas modificações e alterações na medida em que estiverem dentro do âmbito das reivindicações anexas ou equivalentes.

Claims (8)

1. PROCESSO PARA PREPARAR UM REVESTIMENTO ANTICORROSIVO caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: fornecer um substrato; fornecer uma partícula do metal de sacrifício selecionada do grupo que consiste de zinco, magnésio, níquel, alumínio, cobalto e combinações do mesmos; ligar quimicamente um material grafítico a uma primeira molécula, que compreende um primeiro grupo, um primeiro espaçador e um segundo grupo, em que o primeiro grupo compreende pelo menos um dentre hidroxila, tiol, amino, epóxi, carboxila e silila, em que o segundo grupo compreende pelo menos um dentre amino, epóxi, hidroxila, carboxila, silila e tiol; ligar quimicamente o dito material grafítico uma segunda molécula, que compreende um terceiro grupo, um segundo espaçador e um quarto grupo, em que o terceiro grupo é um grupo diferente do dito primeiro grupo, em que o dito terceiro grupo compreende pelo menos um dentre tiol, carboxila, trialcoxisilila, fosforil-éster, éter coroa, criptante, dioxima e N-heterociclo, em que o quarto grupo compreende pelo menos um dentre amino, epóxi, hidroxila, carboxila, silila e tiol; ligar a dita partícula do metal de sacrifício ao dito primeiro grupo ou ao dito terceiro grupo; ligar o dito primeiro grupo ou o dito terceiro grupo com o substrato, em que o dito grupo que se liga ao dito substrato é diferente do dito grupo que se liga à partícula metálica de sacrifício; quimicamente ligar o dito segundo grupo e o dito quarto grupo ao dito material grafítico; cultivar resina termoendurecível com cadeias laterais no dito material grafítico; e cultivar siloxano com cadeias laterais no dito material grafítico, em que o processo compreende adicionalmente os passos de fornecer um segundo material grafítico; ligar o primeiro grupo e o terceiro grupo ao segundo material grafítico, formando uma primeira camada de material funcionalizado de grafite; fornecer uma segunda camada de material funcionalizado de grafite; e fornecer uma terceira camada de material funcionalizado de grafite entre a primeira camada e a segunda camada de material funcionalizado de grafite, em que a terceira camada de material funcionalizado de grafite une-se com a primeira camada e a segunda camada de material funcionalizado de grafite.
2. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito material grafítico compreende pelo menos um material dentre um nanotubo de carbono e grafeno, em que o primeiro espaçador e o segundo espaçador são menores que 1 nm, em que o terceiro grupo compreende pelo menos um éter coroa, criptante, dioxima e N-heterociclo.
3. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida primeira molécula compreende, pelo menos, uma molécula de composto de diamino, composto diepoxi e composto amino álcool.
4. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita segunda molécula compreende, pelo menos, uma molécula selecionada do grupo que consiste em um diéster de O-fosforiletanolamina e aminopropil trialcoxissilano, em que o primeiro grupo e o segundo espaçadores são menores que 1 nm.
5. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da dita ligação ser proporcionada por, pelo menos, um método de moagem mecânica, vibração ultrassônica e injeção de microfluidos de alta pressão.
6. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1,, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente a etapa de: polimerizar o primeiro grupo e o terceiro grupo.
7. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser feito um contato elétrico entre a dita partícula de metal de sacrifício e o dito material grafítico funcionalizado.
8. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do substrato ser macroscópico e as referidas partículas metálicas de sacrifício serem microscópicas.
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