ES2404780A1 - Procedimiento de fabricación de composites eléctricamente conductores - Google Patents

Procedimiento de fabricación de composites eléctricamente conductores

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Abstract

Procedimiento de fabricación de composites eléctricamente conductores, para formar materiales compuestos por una matriz polimérica y un refuerzo conductor que confiere conductividad eléctrica, comprendiendo una fase (A) de disolución de un polímero (1) en un disolvente (2); una fase (B) independiente de suspensión de un aditivo conductor (3) en un disolvente (4), con asistencia de agitación por sonda de ultrasonidos; una fase (C) de mezclado de la disolución del polímero (1) y la suspensión del aditivo conductor (3), con asistencia también de agitación por sonda de ultrasonidos; una fase (D) de precipitación del material compuesto que resulta de la mezcla anterior; una fase (E) de filtrado para separar el sólido precipitado del disolvente líquido; y una fase (F) de evaporación del disolvente contenido en el material sólido separado en el filtrado.

Description

Procedimiento de fabricación de composites eléctricamente conductores.
Sector de la técnica
La presente invención está relacionada con los materiales denominados composites formados por una matriz plástica aditivados con nano-materiales con elevada conductividad eléctrica, proponiendo un procedimiento que permite la fabricación de materiales ese tipo con resultados ventajosos en relación con la composición y las características de los materiales que se obtienen mediante otros métodos de fabricación convencionales.
Estado de la técnica
Los plásticos en general son materiales aislantes eléctricos, es decir que no conducen la electricidad. Para ciertas aplicaciones tecnológicas resulta sin embargo deseable la utilización de plásticos dotados de una cierta conductividad eléctrica. Típicamente, los rangos de conductividad eléctrica de los materiales plásticos y sus composites se dividen en tres categorías de uso industrial:
- Antiestático: 106-1012 Ωcm
- Disipación electroestática (ESD): 106-10 4 Ωcm
-
Apantallamiento electro-magnético (EMI): < 104 Ωcm
En algunas aplicaciones industriales y de consumo donde se requieren materiales conductores eléctricos, los materiales plásticos pueden ser preferibles a los metales, por razones de economía, ligereza y facilidad de conformación. Por ejemplo, las fibras textiles conductoras calefactables se fabrican hoy en día con micro-hilos metálicos de plata, cobre o acero inoxidable. Sin embargo estos materiales son sensibles a la oxidación o a la fatiga mecánica, por lo que resultaría de interés disponer de fibras conductoras de matriz plástica de elevada conductividad eléctrica y alta flexibilidad para este mismo fin.
Otro ejemplo de aplicación son los dispositivos electrónicos. A medida que se hacen más pequeños y más rápidos, su sensibilidad a las cargas electrostáticas aumenta, requiriendo de protecciones disipadoras de dichas cargas electrostáticas, para lo cual los polímeros en el rango EDS resultan materiales muy deseados. Finalmente, en aplicaciones donde se requiere apantallar radiación electromagnética del exterior, por ejemplo señales radar, los plásticos conductores resultan materiales atractivos, siempre que alcancen el rango de conductividad eléctrica EMI.
A tal efecto se han desarrollado estudios encaminados a la obtención de materiales compuestos, de los denominados composites, con una matriz polimérica tratada para que resulte con conductividad eléctrica, mediante la adición de nano y micro partículas conductores a base de metales, sales metálicas o aditivos de carbono; habiéndose obtenido resultados de materiales compuestos con distintos grados de conductividad eléctrica, casi siempre en el rango antiestático.
En soluciones desarrolladas en ese sentido, se han utilizado como aditivos conductores fibras de carbono o fibras
graníticas derivadas de poliacrilonitrilo y brea, con diámetros superiores a 2 μm; pero dichas fibras, debido a su gran
tamaño, producen el detrimento de otras propiedades de la matriz polimérica de los materiales compuestos, como la resistencia al impacto o la flexibilidad.
También se han utilizado aditivos conductores formados por nanopartículas tales como nanotubos de carbono; presentando estas soluciones un problema importante por la dificultad de conseguir una buena dispersión de las nanopartículas del aditivo conductor en la matriz polimérica del material compuesto, debido a la acusada tendencia de las nanopartículas a formar aglomerados, los cual no permite obtener conductividades eléctricas más allá del rango EDS.
Objeto de la invención
De acuerdo con la invención se propone un procedimiento que resulta ventajoso para la fabricación de materiales con matriz polimérica y aditivos conductores, permitiendo obtener materiales composites con mejores características de conductividad eléctrica incorporando menos cantidad de aditivos. La principal virtud del proceso preconizado estriba en la elevada dispersión que alcanzan las nanopartículas conductoras añadidas a los plásticos que se fabrican, lo cual maximiza las propiedades de conductividad eléctrica obtenidas.
El procedimiento objeto de la invención comprende las fases de proceso siguientes:
Disolución de un polímero en un disolvente, manteniéndose en agitación a una temperatura determinada durante un tiempo suficiente. Fase A.
Preparación de una suspensión de un aditivo conductor en un disolvente igual al de la fase anterior, con asistencia de agitación por sonda de ultrasonidos. Fase B.
Mezclado de la disolución de polímero y la suspensión del aditivo conductor, con asistencia de agitación por sonda de ultrasonidos. Fase C.
Precipitación del material compuesto que resulta de la mezcla anterior, mediante precipitación controlada en un disolvente. Fase D.
Filtrado para separar y recuperar el disolvente respecto del material precipitado. Fase E.
Secado del material sólido obtenido en el filtrado. Fase F. Como polímero se utilizan materiales como polipropileno (PP), poliamida (PA), polimetilmetacrilato (PMMA), poliuretano termoplástico (TPU), poliestireno (PS), policarbonato (PC), polietileno-eterketona (PEEK), cuya disolución completa se obtiene en un rango de temperatura entre 20-380ºC, con agitación durante 10 minutos a 3 horas.
Como aditivo conductor se utiliza nanotubos de carbono (CNT) o grafeno, como elemento principal, el cual se puede complementar con nanopartículas conductoras de relleno, de negro de carbono, plata, cobre, oro, mezclándose previamente el aditivo conductor con una cantidad de disolvente para que resulte una suspensión con 0,005-10% en peso respecto al disolvente de la fase (B). Tal suspensión se asiste con una sonda de ultrasonidos durante un tiempo de 1-3 horas.
Con este método se obtiene una mejor dispersión del aditivo conductor en la matriz polimérica, ya que se producen menos aglomerados de las nanopartículas. De este modo se han conseguido composites con matriz de PP, PMMA, PA, TPU, PS, PC o PEEK y un porcentaje en masa de refuerzo conductor entre 5-10%, con resistividades de 1-10 Ωcm y conductividades de 1-0,1 S/cm (siemens por centímetro), manteniendo unas propiedades mecánicas (reología, inyectabilidad, flexibilidad, etc.) como las de los polímeros sin aditivar. El composite así obtenido se puede extruir en fibras o cintas, o conformar en piezas de geometrías variadas.
Descripción de las figuras
La figura 1 muestra un diagrama en fases del procedimiento de fabricación de composites según la invención.
Descripción detallada de la invención
El objeto de la invención se refiere a un procedimiento de fabricación de composites con matriz polimérica y complemento con un aditivo conductor eléctrico que confiere cualidades de conductividad al material compuesto, obteniéndose conductividades relativamente altas con porcentajes relativamente bajos de refuerzo conductor en relación con la masa de la matriz polimérica.
El procedimiento de fabricación según la invención comprende las fases siguientes:
Una fase (A) de disolución, en la cual se disuelve un polímero (1), tal como PP, PMMA, PA, TPU, PS, PC o PEEK, empleando en cada caso disolventes (2) tales como acetona, dimetilformamida, tolueno, cloroformo, xileno, mesetileno, di-clorometano, acido fórmico, acido fluorídico, ácido triflico, ácido sulfúrico, Difenilsulfona (DPS), Fenol, 1,2,4-triclorobenceno, Benzofenona, o similares, y temperaturas adecuados, para garantizar la completa disolución, manteniéndose con agitación mecánica durante 15 min - 3 horas.
Una fase (B), en la cual un aditivo conductor (3), formado por CNT o grafeno y una posible adición complementaria de nanopartículas de negro de carbono y/o plata, cobre u oro, se mezcla con una cantidad de disolvente (4) adecuada para obtener una suspensión de 0,005-10% en peso de aditivo conductor (3) respecto del disolvente (4) y particularmente de 0,05-3%, asistiéndose la suspensión con agitación por sonda de ultrasonidos durante 1-3 horas.
Una fase (C) de mezclado, en la cual se mezclan la disolución del polímero (1) y la suspensión del aditivo conductor (3), asistiéndose la mezcla con agitación por sonda de ultrasonidos durante un periodo de tiempo entre 15 minutos y 5 horas, particularmente entre 30 minutos y 2 horas. En esta fase (C) el aporte energético de la sonda de ultrasonidos puede aplicarse directamente sobre el reactor de mezclado (configuración en continuo), o sobre una celda, de volumen inferior al del reactor de mezclado, incorporada en un circuito de recirculación (configuración en recirculación).
Una fase (D) de precipitación, en la cual se añade la mezcla de la fase anterior sobre un agente precipitante, tal como metanol, etanol, isopropanol, agua o similares, con concentraciones volumétricas de disolvente/precipitante entre 1:1 y 1:10, con lo cual se obtiene una precipitación rápida del compuesto formado por el polímero (1) y el aditivo conductor (3).
Una fase (E) de filtración, en la cual se realiza un filtrado de separación del sólido precipitado en la fase anterior, respecto del disolvente líquido.
Una fase (F) de secado, en la cual el sólido separado en la fase anterior se seca en una estufa de vacío a una 5 temperatura de entre temperatura ambiente a 350ºC, hasta evaporar completamente el disolvente contenido aún en el material sólido obtenido de la filtración anterior.
Con este procedimiento, gracias a la asistencia de agitación por sonda de ultrasonidos de la suspensión del aditivo conductor (3) y de su mezcla con la dispersión del polímero (1), se consigue mejorar de forma muy significativa la
10 dispersión de las nanopartículas del aditivo conductor (3) en la matriz de polímero (1), obteniéndose un material compuesto que, con menos cantidad del aditivo conductor (3), mejora la conductividad eléctrica, manteniendo unas buenas características reológicas y de conformado.

Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    1.-Procedimiento de fabricación de composites eléctricamente conductores, para formar materiales compuestos por una matriz polimérica y un refuerzo conductor que confiere conductividad eléctrica, caracterizado porque comprende una fase (A) de disolución de un polímero (1), tal como PP, PMMA, PA, TPU, PS, PC o PEEK, en un disolvente (2) tal como acetona, dimetilformamida, tolueno, cloroformo, xileno, mesetileno, di-clorometano, acido fórmico, acido fluorídico, ácido triflico, ácido sulfúrico, Difenilsulfona (DPS), Fenol, 1,2,4-triclorobenceno, Benzofenona, o similares; una fase (B) independiente de formación de una suspensión de un aditivo conductor (3), formado por nanotubos de carbono o grafeno y una posible adición de nanopartículas conductoras, en un disolvente (4) similar al empleado en la fase A, realizándose esta suspensión con asistencia de agitación por sonda de ultrasonidos; una fase (C) de mezclado, con asistencia de agitación por sonda de ultrasonidos, de la disolución del polímero (1) y la suspensión del aditivo conductor (3); una fase (D) de precipitación del material compuesto que resulta de la mezcla anterior, mediante adición de la mezcla sobre un precipitante; una fase (E) de filtrado, para separar el sólido precipitado en la fase anterior, respecto del disolvente líquido; y una fase (F), para evaporar el disolvente contenido en el material sólido obtenido del filtrado anterior.
  2. 2.- Procedimiento de fabricación de composites eléctricamente conductores, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado porque los aditivos conductores son nanotubos de carbono o grafeno, que pueden ser complementados con nanopartículas conductoras de negro de carbono, plata, cobre u oro.
  3. 3.- Procedimiento de fabricación de composites eléctricamente conductores, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado porque la suspensión de la fase (B) presenta una concentración en peso de aditivo conductor (3), respecto del disolvente (4), del 0.005-10%, particularmente de 0.05-3%.
  4. 4.- Procedimiento de fabricación de composites eléctricamente conductores, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado porque la mezcla de la fase (C) se realiza mediante agitación asistida por sonda de ultrasonidos, en configuración en continuo o en recirculación, durante 15 minutos – 5 horas, particularmente entre 30 min-2 horas.
  5. 5.- Procedimiento de fabricación de composites eléctricamente conductores, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado porque la precipitación de la fase (D) se realiza con concentraciones volumétricas de disolvente/precipitante entre 1:1 y 1:10, particularmente entre 1:1 y 1:5.
  6. 6.- Procedimiento de fabricación de composites eléctricamente conductores, de acuerdo con la primera reivindicación caracterizado porque el secado de la fase (F) se realiza entre temperatura ambiente y 350ºC.
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 201330431
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 25.03.2013
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : Ver Hoja Adicional
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    X
    US 20050070657 A1 (M. ELKOVITCH et al.) 31.03.2005, párrafos [0011],[0118][0119]; ejemplos 1,2; reivindicaciones 23-41. 1-6
    X
    CN 102643470 A (UNIV. BEIJING SCIENCE&TECHNOLOGY) 22.08.2012, (resumen), World Patent Index [en línea]. Londres (Reino Unido): Derwent Publications Ltd. [recuperado el 08.05.2013]. Recuperado de: EPODOC, EPO, DW 201327, Nº de acceso: 2012-Q17521. 1-6
    X
    CN 101173051 A (UNIV. XIBEI POLYTHECHNIC) 07.05.2008, (resumen), World Patent Index [en línea]. Londres (Reino Unido): Derwent Publications Ltd. [recuperado el 08.05.2013]. Recuperado de: EPODOC, EPO, DW 200868, Nº de acceso: 2008-L53723. 1-6
    A
    F. MARTIN et al., “Fibras y recubrimientos reforzados por nanotubos de carbono”, Ingeniería química, 2011, vol. 43, nº 499, páginas 92-95, ver Apartado 5. 1-6
    A
    WO 03080513 A2 (UNIV. PENNSYLVANIA) 02.10.2003, reivindicaciones. 1-6
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 13.05.2013
    Examinador E. Dávila Muro Página 1/4
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud: 201330431
    CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD
    C08L23/02 (2006.01) B82Y30/00 (2011.01) C08K3/04 (2006.01) C08J3/215 (2006.01) H01B1/24 (2006.01)
    Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación)
    C08J, H01B
    Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados)
    INVENES, EPODOC
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201330431
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 13.05.2013
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 3-6 1,2 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-6 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201330431
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    US 20050070657 A1 (M. ELKOVITCH et al.) 31.03.2005
    D02
    CN 102643470 A (UNIV. BEIJING SCIENCE&TECHNOLOGY) 22.08.2012
    D03
    CN 101173051 A (UNIV. XIBEI POLYTHECHNIC) 07.05.2008
    D04
    F. MARTIN et al., “Fibras y recubrimientos reforzados por nanotubos de carbono”, Ingeniería química, 2011, vol. 43, nº 499, páginas 92-95, ver Apartado 5.
    D05
    WO 03/080513 A2 (UNIV. PENNSYLVANIA) 02.10.2003
  7. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    La invención se refiere a un procedimiento de fabricación de composites eléctricamente conductores formados por una matriz polimérica de PP, PMMA, PA, TPU, PS, PC o PEEK, y como aditivo conductor nanotubos de carbono o grafeno y opcionalmente nanopartículas conductoras de negro de carbono, Ag, Cu, Au. El proceso comprende las fases: (A) disolución del polímero en un disolvente orgánico, (B) formación de una suspensión del aditivo conductor en un disolvente con agitación por sonda de ultrasonidos, (C) mezclado de ambas soluciones con agitación por sonda de ultrasonidos, (D) precipitación por adición de un precipitante, (E) filtrado para separar el sólido y (F) evaporación del disolvente contenido en el sólido. El documento D01 divulga composiciones termoplásticas eléctricamente conductoras que comprenden un polímero orgánico y un aditivo conductor formado por una composición de nanotubos de carbono (SWCNT, MWCNT) con más de 0,1% de impurezas y un refuerzo de nanopartículas conductoras (negro de carbón, grafito, partículas metálicas, óxidos metálicos, etc.) (ver párrafos [0011],[0013],[0087],[0098],[0118],[0119]). En el ejemplo 1 (ver párrafos [0144] y [0145]) se recoge el procedimiento de obtención de estas composiciones que supone la formación de una suspensión de nanotubos de carbono en isopropanol con agitación por sonda de ultrasonidos, adición de negro de carbono y continuando con la agitación por ultrasonidos; esta suspensión se mezcla con una solución de policarbonato en 1,2-diclorometano y la mezcla se somete de nuevo a agitación por sonda de ultrasonidos, según se menciona en D01, para favorecer la dispersión de los aditivos conductores en la matriz polimérica; finalmente el sólido obtenido es secado y sometido a extrusión. El documento D02 divulga composites eléctricamente conductores formados por un 50-70% en peso de una matriz polimérica (PE, PP, copolímeros etileno-acetato de vinilo o etileno-acrilato de etilo), 1-10% en peso de nanotubos de carbono (MWCNT, MWCNF, grafeno) y un 20-50% de negro de carbono, como aditivos conductores. El procedimiento de obtención comprende la formación de una suspensión de nanotubos de carbono en xileno con agitación por ultrasonidos, adición del polímero continuando con la agitación, calentamiento de la mezcla, adición de alcohol etílico como precipitante, filtrado y secado del sólido obtenido. El documento D03 divulga composites eléctricamente conductores formados por mezclas de polímeros (HDPE,PP) y nanotubos de carbono siguiendo un procedimiento similar a los anteriores de disolución del polímero en un disolvente (tolueno, xileno, o-diclorobenzeno, decahidronaftaleno) y mezclado de dicha solución con una suspensión de nanotubos de carbono (SWCNT, MWCNT) dispersados en un disolvente con agitación por ultrasonidos y manteniendo dicha agitación hasta conseguir la dispersión homogénea de los nanotubos de carbono en el polímero. El sólido obtenido se filtra y se seca. Las características de la reivindicación independiente 1 y dependiente 2 ya son conocidas a partir de lo que divulgan los documentos D01-D03. Por lo tanto, estas reivindicaciones no se consideran nuevas ni con actividad inventiva a la vista del estado de la técnica conocido (artículos 6.1 y 8.1 LP 11/1986). Las reivindicaciones dependientes 3-6 se refieren a condiciones experimentales y proporciones de los reactivos en las distintas fases del proceso que están dentro del alcance de la práctica habitual seguida por el experto en la materia, teniendo en cuenta además que los rangos numéricos especificados en la solicitud no difieren sustancialmente de los divulgados en los documentos D01-D03. Por lo tanto, estas reivindicaciones no se consideran con actividad inventiva a la vista del estado de la técnica conocido (artículos 6.1 y 8.1 LP 11/1986).
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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