ES2290787T3 - Material compuesto de arcilla exfoliada en hollin y su preparacion. - Google Patents
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Abstract
Un compuesto que comprende al menos una arcilla exfoliada soportada en una matriz carbonizada, en la que la arcilla exfoliada exhibe un número promedio de apilamiento de plaquetas no mayor que 100 plaquetas por difracción de rayos X.
Description
Material compuesto de arcilla exfoliada en
hollín y su preparación.
Cargas de refuerzo tales como negros de carbón,
fibras de vidrio, arcillas, carbonato de calcio, silicatos de
calcio, sílice, alúmina y zeolitas, se usan ampliamente para mejorar
las propiedades mecánicas, térmicas y de barrera de los polímeros y
para reducir los costes de composición. El refuerzo aumenta la
dureza y el módulo, resistencia a la abrasión y el desgarro y
fatiga y propiedades de envejecimiento de los polímeros. Además,
las cargas pueden impartir atributos funcionales que mejoren otras
propiedades de los polímeros tales como estabilidad a UV, humedad y
térmica, además de retardancia de llama.
Los negros de carbono encuentran una particular
utilidad como cargas en los elastómeros. Por ejemplo, se conocen
por aumentar la fortaleza de tensión y la resistencia contra roturas
de los neumáticos. Los negros de carbono son deseables debido a su
facilidad de preparación y su compatibilidad con polímeros
orgánicos. La mayoría de los negros de carbono se producen por
combustión parcial de gas natural o aceite y dan por resultado
partículas esféricas que contienen placas grafíticas. Las
partículas están unidas para formar un collar como agregado de
partículas que está referido como negros estructurados, que tienen
mayor área de superficie y mayor anisotropía -dando por resultado
mayor módulo de elastómero y rigidez- que las cargas esféricas. Por
otro lado, los negros de carbono de alta área de superficie son
difíciles de dispersar; además incluso donde se alcanza la
dispersión adecuada, se notan los efectos perjudiciales tales como
dureza reducida de los elastómeros. (Refer Carbon Black, Eds: J. B.
Donnet, R. P. Bansal y M. J. Wang, Marcel Dekker Inc. 1993).
Las arcillas multilaminares con alta relación de
dimensiones, que tienen típicamente al menos dos a tres veces la
dureza de los negros de carbono, también se conocen como cargas de
refuerzo. Las arcillas pueden mejorar las propiedades mecánicas
poliméricas tales como módulo y fortaleza de rendimiento cuando se
deslaminan y dispersan en la matriz polimérica. Sin embargo, a
diferencia de los negros de carbono, la arcilla típicamente
hidrofílica no es compatible de forma inherente con un polímero
orgánico típicamente hidrofóbico En consecuencia, el deslaminado y
la dispersión eficaz necesita que una arcilla se pretrate con un
reactivo compatibilizador, normalmente un silano o agente de
acoplamiento ácido o una sal de amonio cuaternario. (Véase
"Polymer-Clay Nanocomposites", Eds. T. J.
Pinnavaia, G. W. Beal, Wiley Series in Polymer Science, 2001). Como
se describe en los documentos de EE.UU. 4.889.885 y 4.810.734, el
pretratamiento de silanos hincha y en cierto grado separa las capas
de la arcilla, promoviendo así la dispersión de la arcilla con
apilamiento reducido en el elastómero. No obstante, mientras las
propiedades mecánicas del elastómero se mejoran a través del cada
vez más eficaz decapado de la arcilla, esta mejora se contrarresta
por una plastificación indeseable resultante de la
compatibilización.
La carga ideal para un elastómero,
particularmente para la industria del neumático, mejoraría las
propiedades mecánicas mientras que proporcionaría otros beneficios
tales como baja resistencia al rodamiento, menor abrasión y mayor
resistencia al clima. Aunque los negros de carbono del
estado-de-la-técnica
ofrecen un medio de bajo coste para proporcionar estas mejoras de
propiedad, necesitan materias primas no renovables. Por
consiguiente, sería deseable encontrar un material de carga que
mejore las propiedades que sea derivable de forma ventajosa de
fuentes renovables, que sea barato de hacer y fácil de usar.
Por consiguiente, la presente invención trata
una necesidad proporcionando, en primer lugar, un material compuesto
que comprende al menos una arcilla exfoliada soportada en una
matriz carbonizada, en la que la arcilla exfoliada muestra un
apilamiento de plaquetas promedio en número de no más que 100
plaquetas por difracción de
rayos X.
rayos X.
En un segundo aspecto, la presente invención se
refiere a un método para formar un material compuesto que comprenda
las etapas de a) dispersar y exfoliar una arcilla multilaminar en
una matriz que contiene un material orgánico carbonizable para
formar un material compuesto precursor, en el que la matriz tiene
una viscosidad suficiente para inhibir el colapso de la arcilla
dispersa y exfoliada; y b) calentar el material compuesto precursor
en condiciones tales que formen una dispersión soportada en una
arcilla exfoliada en una matriz carbonizada.
La presente invención ofrece una forma barata de
mejorar propiedades mecánicas de un polímero usando un material que
es derivable de fuentes renovables de energía.
Las Figuras 1a, 2a y 3a son espectros XRD de
materiales compuestos de hollín de arcilla.
Las Figuras 1b, 2b y 3b son fotografías TEM de
materiales compuestos de hollín de arcilla.
La composición de la presente invención puede
prepararse dispersando primero y exfoliando al menos una arcilla en
una matriz en presencia de cortadura para crear un precursor de
material compuesto. La arcilla puede darse de forma natural, por
ejemplo, en una o mas de vermiculitas, micas y esmectitas tales como
hectoritas, saponitas y montmorillonitas, o sintética, por ejemplo
en una o más de hidrotalcitas, hectoritas sintéticas y
fluorohectoritas. Ejemplos de arcillas adecuadas disponibles
comercialmente incluyen arcillas de silicato de magnesio hídrico
Laponite^{TM} (una marca registrada de Rockwood Additives Ltd.
Corp.), y arcillas de montmorillonita sódica Cloisita^{TM} (una
marca registrada de Southern Clay Products, Inc.). La arcilla puede
modificarse, por ejemplo, con una sal orgánica de amonio
cuaternario, o no modificarse; se prefiere usar una arcilla no
modificada.
La arcilla puede ser una arcilla de alta
relación de dimensiones, una arcilla de baja relación de dimensiones
o una de sus combinaciones. Como se usa en este documento, el
término relación de dimensiones se refiere a la relación de la
dimensión más larga en el plano xy de una única plaqueta de arcilla
al espesor de las placas multilaminares en la dirección z. Como se
usa en este documento, el término arcilla de baja relación de
dimensiones se refiere a una arcilla que tiene una relación de
dimensiones en el intervalo de aproximadamente 10:1 a
aproximadamente 50:1. Como se usa en este documento, el término
arcilla de alta relación de dimensiones se refiere a una arcilla
que tiene una relación de dimensiones en el intervalo de
aproximadamente 100:1 a aproximadamente 1000:1.
Además, la palabra arcilla se usa en este
documento para significar uno o más tipos de arcilla, a menos que
se afirme otra cosa. Por ejemplo, la arcilla exfoliada soportada
puede ser una combinación de una o más arcillas de baja relación de
dimensiones exfoliadas soportadas y una o más arcillas de alta
relación de dimensiones exfoliadas soportadas, o una combinación de
una o más arcillas atacables con ácido y una o más arcillas que son
resistentes al ataque de ácidos, etc.
La matriz es preferiblemente un agente
gelificante o un polímero carbonizable. El agente gelificante es o
contiene un material orgánico carbonizable, esto es, un material
orgánico capaz de formar una matriz carbonizada (hollín), y se
caracteriza por tener una constante dieléctrica de preferiblemente
al menos aproximadamente 5, más preferiblemente al menos
aproximadamente 10, y lo más preferible al menos 20, y una
viscosidad suficientemente alta para inhibir el colapso de la
arcilla exfoliada; preferiblemente el agente gelificante tiene una
viscosidad intrínseca de al menos 100 cps, más preferiblemente al
menos 1000 cps, y lo más preferiblemente al menos 5000 cps. Agentes
gelificantes adecuados incluyen disolventes orgánicos hidrófilos de
baja presión de vapor tales como polioles que incluyen polioles de
poliéter; poli(óxidos de alquileno) tales como poli(óxidos de
etileno), poli(óxidos de propileno), poli(óxidos de butileno), y
sus mezclas y copolímeros; y disoluciones de uno o más sólidos
disueltos en un vehículo líquido tal como disoluciones acuosas de
materiales biorenovables que incluyen almidones, gelatinas,
azúcares, ciclodextrinas y éteres de celulosa tales como celulosa de
metilo, celulosa de etilo y celulosa de hidroxipropilmetilo, y sus
combinaciones. Se prefieren disoluciones acuosas de materiales
biorenovables.
La concentración de arcilla en el componente
orgánico del agente gelificante es dependiente de la aplicación,
aunque es preferiblemente no menor que aproximadamente 2, y más
preferiblemente no menor que aproximadamente 5, y lo más
preferiblemente no menor que aproximadamente 10 por ciento en peso;
y no más que aproximadamente 50, más preferiblemente no más que 40
por ciento en peso, en base al peso de la arcilla y el agente
gelificante.
Otros reactivos pueden añadirse en la primera
etapa del método de la presente invención. Ejemplos de dichos
reactivos incluyen modificadores de arcillas tales como agentes
acopladores de silano o sales de amonio cuaternario para producir
una arcilla orgánicamente modificada. Otros reactivos incluyen
agentes retardantes del fuego tales como poli(fosfato de
sodio), y pigmentos inorgánicos tales como óxido de titanio. Sin
embargo, el método de la presente invención puede llevarse a cabo,
y se lleva a cabo preferiblemente, en ausencia de dichos agentes y
modificadores.
Como se sugiere anteriormente, también es
posible y, en algunos casos, deseable dispersar dentro del agente
gelificante una combinación de arcillas que difieran en su relación
de dimensiones. Así, al menos una arcilla de baja relación de
dimensiones tal como una saponita o una hectorita puede dispersarse
en el agente gelificante junto con al menos una arcilla de alta
relación de dimensiones tales como una montmorillonita, una
fluoromica, una fluorohectoritas, o una magadiita. Esta combinación
es ventajosa porque una arcilla de baja relación de dimensiones que
se exfolia en el agente gelificante tiende a permanecer en el estado
exfoliado mientras la arcilla de alta relación de dimensiones
tiende a colapsar al menos parcialmente; sin embargo, cuando se
combinan, la arcilla de baja relación de dimensiones actúa como un
espaciador para evitar el colapso de la arcilla de alta relación de
dimensiones. Por otro lado, la arcilla de baja relación de
dimensiones por si misma, no proporciona un refuerzo tan bueno como
lo hace la arcilla de alta relación de dimensiones. Así, la
combinación de al menos una arcilla de baja relación de dimensiones
y al menos una arcilla de alta relación de dimensiones proporciona
propiedades mecánicas óptimas. La proporción
peso-a-peso de la arcilla de alta
relación de dimensiones a la arcilla de baja relación de
dimensiones está preferiblemente en el intervalo de aproximadamente
1:1, más preferiblemente de aproximadamente 1:2, y lo más
preferiblemente a aproximadamente 1:3, a aproximadamente 1:100, más
preferiblemente a aproximadamente 1:50, y lo más preferiblemente a
aproximadamente 1:10.
Un material compuesto carbonizado altamente
poroso puede prepararse dispersando una arcilla atacable por ácido
en la matriz, carbonizando la matriz para formar el material
compuesto, después moliendo el material compuesto para formar una
dispersión soportada de tamaño de micras o submicras. Ejemplos de
arcillas atacables por ácido incluyen saponitas, hectoritas,
fluoromicas y fluorohectoritas. La dispersión molida puede después
ponerse en contacto con un disolvente para disolver la arcilla y
extraer al menos parte de la arcilla, dejando así huecos (poros)
donde solía estar la arcilla. Disolventes adecuados incluyen ácidos
tales como HF, HCl, HBr, HI, H_{3}PO_{4}, HNO_{3},
H_{2}SO_{4} y sus combinaciones.
También es posible y, en algunos casos, deseable
dispersar en la matriz una combinación de arcillas que difieran en
sus respuestas al ataque del ácido. Por ejemplo, cualquiera de las
arcillas atacables por ácido mencionadas anteriormente puede
dispersarse en la matriz junto con una arcilla que sea resistente al
ataque del ácido tal como montmorillonitas y magdiitas. Un material
compuesto reforzado con plaquetas altamente porosas puede
prepararse dispersando en la matriz al menos una arcilla atacable
por ácido y al menos una arcilla resistente al ataque con ácido;
luego, después de las etapas de carbonizado y molido, al menos
algunas, preferiblemente esencialmente todas las plaquetas de
arcilla atacables por ácido pueden eliminarse mientras se dejan al
menos algunas, preferiblemente esencialmente todas las plaquetas de
arcilla resistentes al ácido en el material compuesto. Este método
de crear un material compuesto reforzado de alta área de superficie
permite mucho mayor control de densidad de poro y refuerzo en
comparación con el método donde solo se dispersa una arcilla
atacable por ácido en la matriz. Donde se usan arcillas tanto
atacables como no atacables, la proporción
peso-a-peso de la arcilla atacable
a la arcilla no atacable está preferiblemente en el intervalo de
aproximadamente 10:1 a aproximadamente 1:10.
La arcilla se dispersa preferiblemente en el
agente gelificante bajo alta cizalladura, por ejemplo, por giro,
agitación o extrusión, prefiriéndose el giro y la extrusión. Las
velocidades de cizalladura varían dependiendo del tipo del modo de
cizalladura usado. Por ejemplo, cuando se usa el giro, la velocidad
de giro preferida (velocidad de cizalladura en paréntesis) es
preferiblemente no menor que 1200 rpm (20 s^{-1}), más
preferiblemente no menor que 2400 rpm (40 s^{-1}), y
preferiblemente no más que 12000 rpm (200 s^{-1}) y más
preferiblemente no más que 6000 rpm (100 s^{-1}). Cuando se usa
la extrusión, la velocidad de cizalladura es preferiblemente no
menor que 200 s^{-1}, más preferiblemente no menor que 500
s^{-1}, y preferiblemente no más que 1500 s^{-1} y más
preferiblemente no más que 1000 s^{-1}.
El agente gelificante en el material compuesto
precursor soporta la arcilla, esto es, el agente tanto separa las
plaquetas de arcilla como evita su colapso a la estructura
multilaminar original. En esta etapa, el número medio de
apilamiento de capas de la arcilla en el material compuesto
precursor, como se determina por difracción de rayos X (XRD), se ha
reducido a no más que 100, preferiblemente no mayor que 50, más
preferiblemente no mayor que 20, y lo más preferiblemente no mayor
que 10 capas por pila. Esto es particularmente cierto para arcillas
de baja relación de dimensiones; las arcillas de alta relación de
dimensiones tienden a ser más difíciles de exfoliar que las
arcillas de baja relación de dimensiones.
En una segunda etapa, el material compuesto
precursor se calienta en condiciones tales que se forma una
dispersión de arcilla exfoliada soportada en una matriz
carbonizada, preferiblemente sin convertir el componente orgánico
del material compuesto precursor completamente a grafito. El
material compuesto precursor se calienta a una temperatura de
preferiblemente al menos 200ºC, y más preferiblemente al menos
300ºC, y preferiblemente no mayor que 700ºC, más preferiblemente no
mayor que 600ºC, y durante un tiempo suficiente para alcanzar el
grado deseado de carbonización, preferiblemente en el intervalo de
aproximadamente 1 a aproximadamente 120 minutos. Como se usa en
este documento, el término matriz carbonizada se refiere al resto
(hollín) resultante de una pérdida de peso (carbonización) de la
parte orgánica del agente gelificante. El grado de pérdida de peso
en preferiblemente al menos aproximadamente 30, más preferiblemente
al menos aproximadamente 40, y lo más preferiblemente al menos
aproximadamente 50; y preferiblemente menos que aproximadamente 90,
más preferiblemente menos que aproximadamente 80 por ciento en peso
del componente orgánico del agente gelificante.
La conversión a hollín puede lograrse por
cualquier método adecuado incluyendo pirolisis por pulverización y
pirolisis por volumen, y se lleva a cabo ventajosamente en presencia
de un gas de transporte tal como aire, argón o nitrógeno. La
muestra pirolizada, que es ahora un material compuesto, se muele
preferiblemente para formar una dispersión soportada de tamaño de
micras o submicras de la arcilla exfoliada en una matriz
carbonizada. Este material compuesto no es meramente una mezcla
física de arcilla y hollín - más bien, la arcilla exfoliada se
incrusta en el hollín, esto es, no puede separarse de la matriz
carbonizada por cribado. La concentración de la arcilla exfoliada
en la matriz carbonizada es dependiente de la aplicación, aunque
generalmente varía de aproximadamente 5 a 90 por ciento en peso en
base al peso de la arcilla y la matriz carbonizada.
Sorprendentemente, la arcilla incrustada en un estado exfoliado en
el hollín sin materiales auxiliares tales como grandes policationes
metálicos o polioxometalatos o sin tener que modificar
orgánicamente la arcilla. Es decir, el material compuesto preferido
consiste esencialmente en arcilla exfoliada y la matriz
carbonizada.
Como se usa en este documento, la exfoliación se
refiere a una separación de la arcilla multilaminar en pilas
menores, preferiblemente plaquetas individuales. Un alto grado de
separación puede alcanzarse fácilmente por el método de la presente
invención como se determina por TEM (microscopía electrónica de
transmisión). El número promedio de apilamiento de plaquetas
-entendido fácilmente por una persona normalmente experta en la
técnica que se calcula a partir del ancho del pico a la mitad del
máximo de la reflexión basal de la arcilla por XRD- no es mayor que
100 plaquetas, preferiblemente no mayor que 50 plaquetas, más
preferiblemente no mayor que 20 plaquetas, y lo más preferiblemente
no mayor que 10 plaquetas por pila.
La matriz carbonizada de alta área superficial
puede usarse como una membrana para separaciones
gas-gas, gas-líquido o
líquido-líquido o como un aditivo para promover la
resistencia a la ignición.
Puede ser deseable calentar la dispersión o
material compuesto de la arcilla a una temperatura más allá de
donde tiene lugar la mera carbonización del agente gelificante; es
decir, es posible volatilizar completamente el agente gelificante
para crear una espuma cerámica que comprende cristales exfoliados
distribuidos en una matriz de sílice. En este aspecto de la
presente invención, la arcilla se convierte preferiblemente en
hollín, después se calienta a una temperatura suficiente para
formar una espuma cerámica porosa. Preferiblemente, el hollín se
muele primero a una dispersión de tamaño de micra o submicra,
después se coloca en una boquilla, después se calienta a una
temperatura en el intervalo de aproximadamente 800ºC, más
preferiblemente de aproximadamente 1000ºC a aproximadamente
1500ºC.
Aún otro camino para hacer la espuma cerámica es
exfoliar arcilla en un porágeno basado en agua, preferiblemente un
látex a) eliminar agua, b) dar forma al polvo seco en una boquilla,
y c) quemar el material hasta una temperatura suficiente para hacer
la espuma cerámica. Un ejemplo de un látex adecuado es un látex de
poliestireno.
El material compuesto de la presente invención
es útil como un aditivo en una variedad de materiales para mejorar
a) las propiedades mecánicas tales como módulo y dureza; b)
propiedades de barrera para humedad, oxígeno y ácido; c)
resistencia a la ignición; d) capacidad de pintarse y disipación
electrostática; e) propiedades de envejecimiento; f) resistencia a
UV. Materiales adecuados incluyen polímeros tales como
termoplásticos (que incluyen elastómeros) y termoendurecibles. El
material compuesto de material reforzado puede usarse en una
variedad de aplicaciones que incluyen revestimientos, adhesivos,
espumas, automoción (neumáticos) y construcción de edificios.
Los siguientes ejemplos son sólo para fines
ilustrativos, y no pretenden limitar el alcance de la invención.
Ejemplo
1
Arcilla Laponite^{TM} no modificada (2,5 g),
un almidón soluble en agua (10,0 g) y agua (35,0 g) se mezclaron
juntos en una taza, que después se cargó en un centrifugador
SpeedMixer DAC 150-FVZ-K (disponible
de FlackTek, Inc.) y giró a 3000 rpm durante 15 minutos para formar
un gel. Una muestra de este gel (26,03 g) se transfirió entonces a
una cubeta de aluminio calentada a 400ºC en nitrógeno durante 20
minutos para formar un material compuesto
arcilla-hollín (2,86 g, 66,7% en peso de arcilla, en
base al peso de hollín y arcilla). La espectroscopia XRD, ilustrada
en la Fig. 1a, muestra un número de capas por pila que es
aproximadamente 2, indicando la completa o casi completa
exfoliación de la arcilla en el hollín. El análisis TEM de la
muestra, ilustrada en la Fig. 1b, confirma la exfoliación
esencialmente completa de la arcilla.
Ejemplo
2
El procedimiento descrito en el Ejemplo I se
sigue, excepto que las proporciones de materiales de partida fueron
arcilla Laponita^{TM} (7,5 g, disponible de Continental Clay Co.),
almidón soluble en agua (12,5 g) y agua (30,0 g). El gel en este
ejemplo (28,60 g) se convirtió al material compuesto
arcilla-hollín (6,18 g, 69,5% en peso de arcilla,
basado en el peso de hollín y arcilla). La espectroscopia XRD de
este material compuesto, ilustrado en la Fig. 2a muestra un número
de capas por pila que es aproximadamente 4, y el TEM, ilustrado en
la Fig. 2b, confirma la exfoliación esencial de la arcilla.
Ejemplo
3
El procedimiento descrito en el Ejemplo 2 se
sigue excepto en que la arcilla es arcilla Cloisita^{TM} Na^{c}
(disponible de Continental Clay Co.). El gel en este ejemplo (23,57
g) se convirtió al material compuesto
arcilla-hollín (4,78 g, 74,0% en peso de arcilla,
basado en el peso de hollín y arcilla). Como fue el caso para los
ejemplos anteriores, la espectroscopia XRD de este material
compuesto, ilustrado en la Fig. 3a muestra un número de capas por
pila que es aproximadamente 9, y el TEM, ilustrado en la Fig. 3b,
confirma la exfoliación esencial de la arcilla.
Ejemplo
4
La arcilla Laponita (0,5 g), arcilla Cloisita
Na^{+} (1,0 g), y almidón (8,5 g) se combinaron y secaron al
vacío a 90ºC durante 24 horas. La mezcla se cargó en una botella
de plástico y se molió durante 72 horas, después se transfirió a
una taza junto con agua DI (40,0 g). Los contenidos se centrifugaron
a 3000 rpm durante 10 minutos, después de lo que se obtuvo el gel.
Una parte de la arcilla se carbonizó en aire a 400ºC durante 45
minutos. Los datos de XRD mostraron la exfoliación completa o casi
completa de la arcilla Laponita y un apilamiento promedio de 8
capas/pila para la arcilla Cloisita Na^{+}.
\newpage
Ejemplo
5
El procedimiento del Ejemplo 4 se repitió
excepto que se usaron 3,5 g de arcilla Laponita. En este caso, los
datos de XRD mostraron un apilamiento promedio de 2 capas/pila para
la arcilla Cloisita Na^{+} además de la exfoliación completa para
la arcilla Laponita.
Ejemplo
6
La arcilla Cloisita Na^{+} (1,0 g), arcilla
Laponita (3,5 g), almidón de maíz (19 g), y agua DI (40 g) se
colocaron en una taza de mezcla y se cortaron a 3000 rpm durante 15
min para formar un gel. El gel se extendió en láminas de estaño y
se quemó a 320ºC durante 35 min. La relación arcilla a hollín se
encontró que era aproximadamente 1:1. El material se picó y molió
para obtener un material con un número de tamaño de partícula
promedio de aproximadamente 5 \mum. El material molido se mezcló
con un volumen igual de HCl al 37% y se calentó a 60ºC con
sonicación. El material se centrifugó fuera de la suspensión y la
adición de HCl, calentamiento y sonicación se repitió dos veces más
durante un total de tres lavados. El material de arcilla atacada y
hollín se centrifugó y el HCl se decantó, y se añadió agua DI y se
centrifugó fuera hasta que la muestra no fue ácida. El material se
secó al vacío a 90ºC y se molió a un tamaño de partícula
promedio por debajo de 100 \mum, determinado por cribado. Las
áreas superficiales BET de las muestras tanto no atacadas como
atacadas se determinaron usando el Analizador Micromeritics Gemini
2360 y un Analizador Micromeritics FlowPrep 060. Se secaron muestras
de aproximadamente 0,5 g a 65ºC en el Analizador FlowPrep 060 en
una purga de nitrógeno durante 1,5 h. Las muestras se eliminaron y
colocaron en el Analizador Gemini 2360 donde las áreas superficiales
se determinaron. Dos marchas de las muestras no atacadas mostraron
un área superficial promedio de 4,3 m^{2}/g (Marcha 1 = 4,3;
Marcha 2 = 4,2), mientras dos marchas de las muestras atacadas
mostraron un área superficial promedio de 14,1 m^{2}/g (Marcha 1
= 14,2; Marcha 2 = 13,9).
Ejemplo
7
Una carga 70:30 de arcilla a almidón se preparó
como sigue: Agua (32 g), almidón (14,4 g), arcilla Cloisita
Na^{+} (7,8 g) y fluorohectorita Somasif (25,8 g, disponible de
UnicoOP, Tokio, Japón) se combinaron en mezclador de velocidad
durante 10 minutos a 3000 rpm. Una vez mezclada, la muestra se
transportó a una hoja de estaño y se presionó a 10 toneladas de
presión para alisar el material. El material se quemó a 320ºC
durante una hora para formar un hollín, que se encontró que
constituía el 9% de la muestra. La muestra se molió durante 2
minutos usando un molinillo de café.
El polvo HPMC (celulosa de hidroxipropilmetilo,
0,4 g) se disolvió en agua hirviendo (10 mL D1), con lo cual se
añadió agua adicional (10 mL DI) a temperatura ambiente (20ºC) con
agitación para hacer una disolución homogénea. Después, la
disolución se añadió al hollín de arcilla preparado en la etapa A.
(19,6 g) y la mezcla se mezcló durante 5 minutos en un mezclador de
velocidad a 3000 rpm. La muestra se transportó entonces a un vaso
de plástico y se colocó en una estufa de vacío a 95ºC a secar toda
la noche. La muestra seca se molió entonces y se dio forma usando
una boquilla. La muestra se presionó usando una Prensa del
Laboratorio Carver (5000 lbs) y se dio forma, después se quemó en
un horno a 1000ºC para incinerar los materiales orgánicos y cocer
las arcillas. El perfil de calentamiento para la muestra fue: 20ºC -
1000ºC en 100 minutos; mantenido a 1000ºC durante 20 horas; 1000ºC
- 20ºC en 2-3 horas. El tamaño de poro promedio de
la muestra se encontró que era 1,06 \mum; la densidad por volumen
se encontró que era 1,64 g/mL; la densidad aparente se encontró que
era 2,53 g/mL; y el porcentaje de porosidad se encontró que era
35,1%.
Claims (20)
1. Un material compuesto que comprende al menos
una arcilla exfoliada soportada en una matriz carbonizada, en la
que la arcilla exfoliada exhibe un número promedio de apilamiento de
plaquetas no mayor que 100 plaquetas por difracción de rayos X.
2. El material compuesto según la reivindicación
1, en que el número promedio de apilamientos de plaquetas no es
mayor que 10.
3. El material compuesto según la reivindicación
1, en el que la arcilla incluye al menos una arcilla de baja
relación de dimensiones que tiene una relación de dimensiones en el
intervalo de aproximadamente 10:1 a aproximadamente 50:1 y al menos
una arcilla multilaminar de alta relación de dimensiones que tiene
una relación de dimensiones en el intervalo de aproximadamente
100:1 a aproximadamente 1000:1.
4. El material compuesto según la reivindicación
3, en el que la arcilla de baja relación de dimensiones se
selecciona del grupo que consiste en saponitas y hectoritas
exfoliadas; y la arcilla de alta relación de dimensiones se
selecciona del grupo que consiste en montmorillonitas, floromicas,
fluorohectoritas y magadiitas exfoliadas.
5. El material compuesto según la reivindicación
1, que está disperso en un polímero.
6. Un método para formar un material compuesto
que comprende las etapas de a) dispersar y exfoliar una arcilla
multilaminar en una matriz que contiene un material orgánico
carbonizable para formar un material compuesto precursor, en el que
la matriz tiene una viscosidad suficiente para inhibir el colapso de
la arcilla dispersa y exfoliada; y b) calentar el material
compuesto precursor en condiciones tales que formen una dispersión
soportada en una arcilla exfoliada en una matriz carbonizada.
7. El método según la reivindicación 6, en el
que la matriz es un agente gelificante que tiene una constante
dieléctrica de al menos 5.
8. El método según la reivindicación 7, en el
que el agente gelificante es una disolución acuosa de uno o más
sólidos seleccionados del grupo que consiste en almidones,
ciclodextrinas, gelatinas, azúcares y éteres de celulosa.
9. El método según la reivindicación 8, en el
que el agente gelificante es una disolución acuosa de un
almidón.
10. El método según la reivindicación 6, en el
que la matriz es un polímero seleccionado del grupo que consiste en
polioles de poliéter y poli(óxidos de alquileno).
11. El método según la reivindicación 6, que
incluye adicionalmente después de la etapa (b) la etapa (c) moler
el material compuesto para formar una dispersión soportada de tamaño
de micras o submicras de la arcilla exfoliada en la matriz
carbonizada.
12. El método según la reivindicación 11, que
incluye adicionalmente después de la etapa (c) la etapa de calentar
la dispersión soportada a suficiente temperatura para quemar la
matriz carbonizada y para formar una espuma cerámica porosa.
13. El método según la reivindicación 6, en el
que en la etapa (b) el material compuesto precursor se calienta a
temperatura de al menos 300ºC, y no mayor que 600ºC.
14. El método según la reivindicación 7, en el
que el material compuesto precursor se calienta en condiciones
tales para alcanzar una pérdida de peso de al menos aproximadamente
50 y no más que aproximadamente 90 por ciento en peso del material
orgánico carbonizable del agente gelificante.
15. El método según la reivindicación 11, que
incluye adicionalmente después de la etapa (c) la etapa de disolver
la arcilla en un disolvente para la arcilla y extraer al menos algo
de la arcilla del material compuesto para formar una matriz porosa
de material compuesto carbonizado.
16. El método según la reivindicación 15, en el
que el disolvente es ácido y en el que la arcilla incluye al menos
una arcilla atacable por ácido y al menos una arcilla que es
resistente al ataque de ácido.
17. El método según la reivindicación 16, en el
que la menos una arcilla atacable por ácido se selecciona del grupo
que consiste en saponitas, hectoritas, fluoromicas y
florohectoritas; y al menos una arcilla que es resistente al ataque
del ácido se selecciona del grupo que consiste en montmorillonitas y
magadiitas.
18. El método según la reivindicación 17, que
incluye la etapa de dispersar la matriz carbonizada porosa en un
polímero.
\newpage
19. El método según la reivindicación 6, en el
que la arcilla incluye al menos una arcilla de baja relación de
dimensiones que tiene una relación de dimensiones en el intervalo de
aproximadamente 10:1 a aproximadamente 50:1 y al menos una arcilla
multilaminar de alta relación de dimensiones que tiene una relación
de dimensiones en el intervalo de aproximadamente 100:1 a
aproximadamente 1000:1.
20. El método según la reivindicación 19, en el
que la arcilla multilaminar de baja relación de dimensiones se
selecciona del grupo que consiste en saponitas y hectoritas; y la
arcilla multilaminar de alta relación de dimensiones se selecciona
del grupo que consiste en montmorillonitas, floromicas,
fluorohectoritas y magadiitas.
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