ES2435801B1 - Procedure for obtaining a composite material consisting of carbon nanomaterial and polyether ether ketone - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la obtención de un material compuesto formado por nanomaterial de carbono y poliéter éter cetona.#La presente invención se refiere a un procedimiento para la obtención de un material compuesto formado por nanomaterial de carbono (nanotubos de carbono CNTs del inglés carbon nanotubes o nanofibras de carbono CNFs del inglés carbon nanofibers o grafeno) y poliéter éter cetona (PEEK del inglés polyether ether ketone) basado en la funcionalización del nanomaterial de carbono con los monómeros que participan en la síntesis de PEEK. El nanomaterial de carbono (CNTs, CNFs o grafeno) es funcionalizado e incorporado al inicio del proceso de fabricación del PEEK, tomando parte en la formación de la estructura polimérica del PEEK, quedando el nanomaterial de carbono unido mediante enlaces covalentes a la matriz polimérica, maximizando de este modo la transferencia de propiedades.Method for obtaining a composite material formed by carbon nanomaterial and polyether ether ketone. # The present invention relates to a process for obtaining a composite material formed by carbon nanomaterial (CNTs carbon nanotubes of the English carbon nanotubes or nanofibers Carbon CNFs from English carbon nanofibers or graphene) and polyether ether ketone (PEEK) based on the functionalization of the carbon nanomaterial with the monomers involved in the synthesis of PEEK. The carbon nanomaterial (CNTs, CNFs or graphene) is functionalized and incorporated at the beginning of the PEEK manufacturing process, taking part in the formation of the PEEK polymer structure, leaving the carbon nanomaterial bonded by covalent bonds to the polymer matrix, maximizing in this way the transfer of properties.
Description
DESCRIPCIÓN DESCRIPTION
La presente invención se refiere a un procedimiento para la obtención de un material compuesto formado por 5 nanomaterial de carbono (nanotubos de carbono CNTs del inglés carbon nanotubes o nanofibras de carbono CNFs del inglés carbon nanofibers o grafeno) y poliéter éter cetona (PEEK del inglés polyether ether ketone) basado en la funcionalización del material de carbono con los monómeros que participan en la síntesis de PEEK. The present invention relates to a process for obtaining a composite material consisting of 5 carbon nanomaterials (carbon nanotubes CNTs of English carbon nanotubes or carbon nanofibers CNFs of English carbon nanofibers or graphene) and polyether ether ketone (PEEK of English polyether ether ketone) based on the functionalization of the carbon material with the monomers that participate in the synthesis of PEEK.
Por tanto, la invención se podría encuadrar en el área de los materiales compuestos y, en particular, en el campo de 10 la funcionalización de CNTs, CNFs o grafeno. Therefore, the invention could be framed in the area of composites and, in particular, in the field of functionalization of CNTs, CNFs or graphene.
La incorporación de nanomateriales de carbono (CNMs del inglés carbon nanomaterials) en matrices poliméricas, ha 15 sido ampliamente estudiada porque mejora las propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas de los materiales plásticos y permite ampliar el rango de sus aplicaciones. Sin embargo, la integración de los CNMs a las matrices poliméricas es generalmente complicada. Es necesaria una buena dispersión del refuerzo dentro de la matriz, así como una fuerte adhesión interfacial entre las dos fases del compuesto para que las propiedades de los nanomateriales se transfieran eficazmente al polímero. Los CNMs tienen gran tendencia a formar aglomerados y, 20 por tanto, es difícil distribuirlos homogéneamente en la matriz polimérica. The incorporation of carbon nanomaterials (CNMs of the English carbon nanomaterials) in polymeric matrices, has been widely studied because it improves the mechanical, electrical and thermal properties of plastic materials and allows to extend the range of their applications. However, the integration of CNMs into polymeric matrices is generally complicated. A good dispersion of the reinforcement within the matrix is necessary, as well as a strong interfacial adhesion between the two phases of the compound so that the properties of the nanomaterials are effectively transferred to the polymer. CNMs have a great tendency to form agglomerates and, therefore, it is difficult to distribute them homogeneously in the polymer matrix.
Las estrategias utilizadas generalmente para solventar estos problemas se pueden dividir en i) Integración de los CNMs en una disolución de polímero, donde se utilizan ultrasonidos para mejorar la dispersión de los CNMs, ii) Mezcla en fase sólida utilizando equipos de molienda para la mejora de la dispersión y su posterior conformado, iii) 25 Incorporación de los CNMs en el polímero fundido mediante técnicas convencionales de extrusión, convenientemente modificadas y/o adaptadas para conseguir una dispersión eficaz y iv) Polimerización in situ en presencia de los CNMs, donde se pueden formar enlaces covalentes entre la matriz y el CNM y de este modo maximizar la adhesión y transferencia de propiedades a la matriz polimérica. The strategies generally used to solve these problems can be divided into i) Integration of the CNMs in a polymer solution, where ultrasound is used to improve the dispersion of the CNMs, ii) Solid phase mixing using grinding equipment to improve the dispersion and its subsequent shaping, iii) 25 Incorporation of the CNMs in the molten polymer by conventional extrusion techniques, conveniently modified and / or adapted to achieve an effective dispersion and iv) On-site polymerization in the presence of the CNMs, where they can be form covalent bonds between the matrix and the CNM and thereby maximize adhesion and transfer of properties to the polymer matrix.
30 30
El PEEK es un polímero termoplástico semicristalino e incoloro que ofrece una combinación única de altas propiedades mecánicas, resistencia a la temperatura y excelente resistencia química. Por el conjunto de sus características distintivas es un material adecuado para aplicaciones que requieren altas prestaciones mecánicas bajo condiciones extremas de temperatura, agresividad química o alta energía radiante. Consecuentemente es empleado en todas las industrias en general, y más aún en los sectores de alta tecnología, como los de la industria 35 aeroespacial, nuclear, química, eléctrica y alimenticia. PEEK is a semi-crystalline and colorless thermoplastic polymer that offers a unique combination of high mechanical properties, temperature resistance and excellent chemical resistance. Due to its distinctive features, it is a suitable material for applications that require high mechanical performance under extreme conditions of temperature, chemical aggressiveness or high radiant energy. Consequently, it is used in all industries in general, and even more so in high-tech sectors, such as those in the aerospace, nuclear, chemical, electrical and food industries.
El PEEK se obtiene mediante policondensación de bisfenolato con dihaluros activados en presencia de una base. Una reacción típica de obtención es la de 4,4-difluorobenzofenona con la sal disódica de hidroquinona, que se genera in situ mediante desprotonación con carbonato de sodio. La reacción se lleva a cabo alrededor de 300ºC en 40 disolventes polares apróticos, como difenilsulfona. PEEK is obtained by polycondensation of bisphenolate with activated dihalides in the presence of a base. A typical reaction is that of 4,4-difluorobenzophenone with the hydroquinone disodium salt, which is generated in situ by deprotonation with sodium carbonate. The reaction is carried out around 300 ° C in 40 aprotic polar solvents, such as diphenylsulfone.
Esquema de la síntesis industrial del PEEK 45 Scheme of the industrial synthesis of PEEK 45
La incorporación de CNMs en el refuerzo de matrices de PEEK es objeto de interés en la actualidad debido al enorme potencial de estos materiales y porque su incorporación no es inmediata. The incorporation of CNMs in PEEK matrix reinforcement is currently an object of interest due to the enormous potential of these materials and because their incorporation is not immediate.
Por un lado, la falta de solubilidad de PEEK en disolventes orgánicos convencionales imposibilita la integración de 50 los CNMs en solución. Por otro, los procesos de mezclado en fundido y mezclado en estado sólido y posterior conformado, aún siendo los más estudiados, presentan dificultades técnicas por tener que llevarse a cabo a muy altas temperaturas. Por último, la adhesión del nanomaterial de carbono a la matriz no es óptima. On the one hand, the lack of solubility of PEEK in conventional organic solvents makes it impossible to integrate 50 CNMs in solution. On the other hand, the processes of mixing in melting and mixing in solid state and later formed, even being the most studied, present technical difficulties due to having to be carried out at very high temperatures. Finally, the adhesion of the carbon nanomaterial to the matrix is not optimal.
La esterificación del PEEK reducido con CNMs oxidados da buenos resultados, pero su integración en las líneas de producción industrial es compleja ya que requiere, por una parte, la reducción del PEEK, por otra, la funcionalización 55 The esterification of the reduced PEEK with oxidized CNMs gives good results, but its integration in the industrial production lines is complex since it requires, on the one hand, the reduction of the PEEK, on the other, the functionalization 55
de los CNMs con grupos oxigenados y, por último, la reacción del PEEK reducido con los CNMs funcionalizados [“Material nanocompuesto reforzado con un derivado polimerico injertado en un material de carbono” A. M. Diez Pascual et al. Patente WO2011/161294, “Novel nanocomposites reinforced with hydroxylated poly(ether ether ketone)-grafted carbon nanotubes” A. M. Diez Pascual et al. J. Mater. Chem. (2010) 20, 38, 8247-8256, “Grafting of Hydroxylated Poly(ether ether ketone) to the Surface of Single-Walled Carbon Nanotubes” A. M. Diez Pascual et al. 5 J. Mater. Chem. 20, 38, 8285-8296, 2010]. of the CNMs with oxygenated groups and, finally, the reaction of the reduced PEEK with the functionalized CNMs ["Nanocomposite material reinforced with a polymer derivative grafted into a carbon material" A. M. Diez Pascual et al. WO2011 / 161294, "Novel nanocomposites reinforced with hydroxylated poly (ether ether ketone) -grafted carbon nanotubes" A. M. Diez Pascual et al. J. Mater. Chem. (2010) 20, 38, 8247-8256, “Grafting of Hydroxylated Poly (ether ether ketone) to the Surface of Single-Walled Carbon Nanotubes” A. M. Diez Pascual et al. 5 J. Mater. Chem. 20, 38, 8285-8296, 2010].
Otra alternativa reportada trata de la funcionalización de los CNTs y las CNFs con polieter cetona (PEK) de estructura similar al PEEK y que sirve como compatibilizante [“Carbon nanofibers and Nanotubes grafted with a hyperbranched poly (Ether-Cetona) and its derivates” L.S. Tan et al. Patent US 8, 173, 763, “Solubilization of Carbon 10 Nanofibers with a Covalently Attached Hyperbranched Poly(ether ketone)” Y.-D. H. Wang et al. Chemistry of Materials, 2008, 20 (4), 1502-1515.]. Este método consiste en una acilación de Friedel Kraft en presencia de ácido 2, 4, 6 –trimetil-fenoxi-benzoico utilizando el ácido polifosfórico (PPA) como ácido de Lewis. Another reported alternative deals with the functionalization of CNTs and CNFs with polyether ketone (PEK) with a structure similar to PEEK and which serves as a compatibilizer ["Carbon nanofibers and Nanotubes grafted with a hyperbranched poly (Ether-Ketone) and its derivates" L.S. Tan et al. Patent US 8, 173, 763, "Solubilization of Carbon 10 Nanofibers with a Covalently Attached Hyperbranched Poly (ether ketone)" Y.-D. H. Wang et al. Chemistry of Materials, 2008, 20 (4), 1502-1515.]. This method consists of a Friedel Kraft acylation in the presence of 2,4,6-trimethyl-phenoxy-benzoic acid using polyphosphoric acid (PPA) as Lewis acid.
Esta alternativa presenta ciertos inconvenientes. Por una parte, la alta viscosidad del PPA hace muy difícil la 15 dispersión de los CNTs y las CNFs en el medio de reacción, por otra, la eliminación del PPA una vez realizada la funcionalización requiere cantidades ingentes de agua para su eliminación, que no llega a ser total. Por ello, es difícil de implementar a escala industrial y requiere un paso final adicional de mezclado con el PEEK. This alternative has certain drawbacks. On the one hand, the high viscosity of the PPA makes the dispersion of CNTs and CNFs in the reaction medium very difficult, on the other, the elimination of the PPA once the functionalization is carried out requires huge amounts of water for its elimination, which It becomes total. Therefore, it is difficult to implement on an industrial scale and requires an additional final step of mixing with the PEEK.
Por tanto, es de interés encontrar un proceso sencillo y de fácil implantación industrial que incorpore los CNTs, las 20 CNFs o el grafeno en matrices poliméricas de PEEK. Therefore, it is of interest to find a simple and easily implemented industrial process that incorporates CNTs, 20 CNFs or graphene in polymeric matrices of PEEK.
En la presente invención se describe un procedimiento para la obtención de un material compuesto formado por nanomaterial de carbono (CNTs o CNFs o grafeno) y PEEK basado en la funcionalización del material de carbono 25 con los monómeros 1 ó 2 y su incorporación al inicio del proceso de síntesis del PEEK. The present invention describes a process for obtaining a composite material formed by carbon nanomaterial (CNTs or CNFs or graphene) and PEEK based on the functionalization of carbon material 25 with monomers 1 or 2 and its incorporation at the beginning of the PEEK synthesis process.
Por “material compuesto” se entiende, en la presente invención, materiales formados por dos o más componentes distinguibles entre sí, que poseen propiedades que se obtienen de las combinaciones de sus componentes, siendo superiores a la de los materiales que los forman por separado. 30 By "composite material" is meant, in the present invention, materials formed by two or more components distinguishable from each other, which possess properties that are obtained from combinations of their components, being superior to that of the materials that form them separately. 30
El término “nanomaterial de carbono” (CNM del inglés carbon nanomaterial) se refiere, en la presente invención, a aquel material de carbono cuyo tamaño es nanométrico. En la presente invención este término engloba los nanotubos de carbono, las nanofibras de carbono y el grafeno. The term "carbon nanomaterial" (CNM of the English carbon nanomaterial) refers, in the present invention, to that carbon material whose size is nanometric. In the present invention this term encompasses carbon nanotubes, carbon nanofibers and graphene.
35 35
En la presente invención, el término “grafeno” se refiere a una forma alotrópica de carbono consistente en una lámina bidimensional plana formada por átomos de carbono unidos covalentemente entre ellos en una estructura hexagonal. El espesor de la lámina de grafeno es el de un solo átomo de carbono y su superficie variable según el método de producción utilizado. In the present invention, the term "graphene" refers to an allotropic form of carbon consisting of a flat two-dimensional sheet formed by carbon atoms covalently bonded together in a hexagonal structure. The thickness of the graphene sheet is that of a single carbon atom and its variable surface according to the production method used.
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El término “nanotubos del carbono” (CNT) se refiere, en la presente invención, a una forma alotrópica del carbono, cuya unidad básica es un plano grafítico enrollado que forma un cilindro, formando unos tubos cuyo diámetro es del orden de algunos nanómetros. La estructura puede considerarse procedente de una lámina de grafeno enrollada sobre sí misma. Dependiendo del grado de enrollamiento, y la manera como se conforma la lámina original, el resultado puede llevar a nanotubos de distinto diámetro y geometría interna. 45 The term "carbon nanotubes" (CNT) refers, in the present invention, to an allotropic form of carbon, whose basic unit is a rolled graphite plane that forms a cylinder, forming tubes whose diameter is of the order of some nanometers. The structure can be considered as coming from a sheet of graphene rolled on itself. Depending on the degree of winding, and the way the original sheet is formed, the result can lead to nanotubes of different diameter and internal geometry. Four. Five
En la presente invención, el término “nanofibras de carbono” (CNF) se refiere a materiales intermedios entre las fibras micrométricas y los CNTs. In the present invention, the term "carbon nanofibers" (CNF) refers to intermediate materials between micrometric fibers and CNTs.
El procedimiento de la presente invención no se limita a un solo tipo de CNT, puede ser aplicado a cualquier tipo de 50 CNTs, CNTs de capa única, de capa doble o de capa múltiple. The process of the present invention is not limited to a single type of CNT, it can be applied to any type of 50 CNTs, single layer, double layer or multiple layer CNTs.
Se entiende por “nanotubo de carbono de capa única” (CNT de capa única o CNT monocapa)”, en la presente invención, por aquel CNT formado por un solo tubo. En inglés los nanotubos de carbono de una sola capa se denominan single wall carbon nanotubes (SWCNTS), nanotubos de carbono de una única pared. 55 "Single layer carbon nanotube" (single layer CNT or monolayer CNT), in the present invention, is understood as that CNT formed by a single tube. In English, single-layer carbon nanotubes are called single wall carbon nanotubes (SWCNTS), single-wall carbon nanotubes. 55
Se entiende por “nanotubo de carbono de capa doble” (CNT de capa doble o CNT doble capa), en la presente invención, por aquellos CNT formados por dos nanotubos concéntricos. En inglés, los nanotubos de carbono de capa doble se denominan double wall carbon nanotubes (DWCNTs). "Double layer carbon nanotube" (double layer CNT or double layer CNT), in the present invention, is understood as those CNT formed by two concentric nanotubes. In English, double-layer carbon nanotubes are called double wall carbon nanotubes (DWCNTs).
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El término “nanotubo de carbono de capa múltiple” (CNT de capa múltiple o multicapa) se refiere a aquel CNT formado por varios tubos organizados en forma concéntrica. En inglés, los nanotubos de carbono multicapa se denominan multiple wall carbon nanotubes (MWCNT), nanotubos de carbono de múltiples paredes. The term "multi-layer carbon nanotube" (multi-layer or multi-layer CNT) refers to that CNT formed by several concentrically organized tubes. In English, multilayer carbon nanotubes are called multiple wall carbon nanotubes (MWCNT), multi-walled carbon nanotubes.
En la presente invención, el nanomaterial de carbono se incorpora a la matriz de PEEK mediante una polimerización in situ llevada a cabo en presencia de CNTs o CNFs o grafeno funcionalizados con los monómeros de la reacción, hecho que permite la incorporación de elevadas cargas del nanomaterial de carbono manteniendo una buena dispersión dentro de la matriz. In the present invention, the carbon nanomaterial is incorporated into the PEEK matrix by an in situ polymerization carried out in the presence of CNTs or CNFs or graphene functionalized with the reaction monomers, which allows the incorporation of high nanomaterial loads of carbon maintaining a good dispersion within the matrix.
5 5
Durante el proceso de la presente invención, los CNTs, las CNFs y el grafeno son funcionalizados con cada uno de los dos monómeros que se usan en la reacción de polimerización del PEEK. Estos grupos funcionales unidos covalentemente al material de carbono participan activamente en la reacción de polimerización in situ llevada a cabo con CNTs o CNFs o grafeno funcionalizados con los respectivos monómeros, hecho que da lugar a una buena dispersión y una transferencia eficaz de las propiedades del material de carbono a la matriz PEEK. 10 During the process of the present invention, CNTs, CNFs and graphene are functionalized with each of the two monomers that are used in the PEEK polymerization reaction. These functional groups covalently bonded to the carbon material actively participate in the in situ polymerization reaction carried out with CNTs or CNFs or graphene functionalized with the respective monomers, which results in good dispersion and efficient transfer of material properties. carbon to the PEEK matrix. 10
El hecho de que se utilicen monómeros funcionalizados con CNTs o CNFs o grafeno durante el proceso de síntesis del material compuesto NanoMaterial de Carbono (CNTs o CNFs o grafeno) - PEEK, descrito en la presente invención, simplifica enormemente su implantación industrial porque las líneas de producción existentes no precisan de modificaciones sustanciales. 15 The fact that monomers functionalized with CNTs or CNFs or graphene are used during the synthesis process of the NanoMaterial Carbon composite material (CNTs or CNFs or graphene) - PEEK, described in the present invention, greatly simplifies its industrial implementation because the lines of Existing production does not require substantial modifications. fifteen
En un primer aspecto, la invención se refiere al procedimiento de obtención de un material compuesto de PEEK y nanomaterial de carbono que comprende la polimerización del monómero de fórmula (I) In a first aspect, the invention relates to the process for obtaining a PEEK and carbon nanomaterial composite material comprising the polymerization of the monomer of formula (I)
20 twenty
o el monómero de fórmula (II) or the monomer of formula (II)
25 25
con el compuesto de fórmula (III) with the compound of formula (III)
o el compuesto de fórmula (IV) respectivamente, 30 or the compound of formula (IV) respectively,
en presencia de una base fuerte y un disolvente polar aprótico, donde R1 y R4 son un catión monovalente respectivamente, y R2 y R3 son, de manera independiente, halógenos. in the presence of a strong base and an aprotic polar solvent, where R1 and R4 are a monovalent cation respectively, and R2 and R3 are, independently, halogens.
Por “halógeno” se entiende en la presente invención bromo, cloro, yodo o flúor. 5 By "halogen" is meant in the present invention bromine, chlorine, iodine or fluorine. 5
En una realización preferida, el catión monovalente se selecciona de la lista que comprende Na+, K+ y Li+. In a preferred embodiment, the monovalent cation is selected from the list comprising Na +, K + and Li +.
En otra realización preferida, el nanomaterial de carbono se selecciona de la lista que comprende CNF, SWCNTs, DWCNTs, MWCNTs y grafeno. 10 In another preferred embodiment, the carbon nanomaterial is selected from the list comprising CNF, SWCNTs, DWCNTs, MWCNTs and graphene. 10
En otra realización preferida, la base fuerte se selecciona de la lista que comprende Na2CO3, K2CO3, KOH, NaOH y NH4OH. In another preferred embodiment, the strong base is selected from the list comprising Na2CO3, K2CO3, KOH, NaOH and NH4OH.
En otra realización preferida, el disolvente polar aprótico se selecciona de la lista que comprende 1,2-15 diclorobenceno, dimetilformamida (DMF), difenilsulfona, dimetilsulfóxido, acetonitrilo, acetato de etilo, acetona y N-metil pirrolidona (NMP). In another preferred embodiment, the aprotic polar solvent is selected from the list comprising 1,2-15 dichlorobenzene, dimethylformamide (DMF), diphenylsulfone, dimethyl sulfoxide, acetonitrile, ethyl acetate, acetone and N-methyl pyrrolidone (NMP).
En otra realización preferida, la duración de la polimerización tiene un valor de entre 15 y 120 minutos. In another preferred embodiment, the duration of the polymerization has a value between 15 and 120 minutes.
20 twenty
En otra realización más preferida, la duración de la polimerización tiene un valor de entre 45 y 90 minutos. In another more preferred embodiment, the duration of the polymerization has a value between 45 and 90 minutes.
En otra realización preferida, la temperatura de la polimerización tiene un valor de entre 100ºC a 500ºC. In another preferred embodiment, the polymerization temperature has a value between 100 ° C to 500 ° C.
En otra realización más preferida, la temperatura de la polimerización tiene un valor de entre 250ºC y 350 ºC. 25 In another more preferred embodiment, the polymerization temperature has a value between 250 ° C and 350 ° C. 25
En otra realización preferida, la proporción del nanomaterial de carbono en la matriz polimérica PEEK está comprendida entre un 0.05% (p) y 50% (p). In another preferred embodiment, the proportion of the carbon nanomaterial in the PEEK polymer matrix is between 0.05% (p) and 50% (p).
En otra realización más preferida, la proporción del nanomaterial de carbono en la matriz polimérica PEEK está 30 comprendida entre un 0.1% (p) y un 15% (p). In another more preferred embodiment, the proportion of the carbon nanomaterial in the PEEK polymer matrix is between 0.1% (p) and 15% (p).
El segundo aspecto de la invención se refiere al procedimiento de obtención del monómero de fórmula (I) mediante una secuencia de reacciones que comprende las siguientes etapas: The second aspect of the invention relates to the process for obtaining the monomer of formula (I) by a sequence of reactions comprising the following steps:
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a) Reacción de funcionalización del nanomaterial de carbono con 4-aminophenol en presencia de un nitrito y un disolvente para dar el compuesto de fórmula (V). a) Functionalization reaction of the carbon nanomaterial with 4-aminophenol in the presence of a nitrite and a solvent to give the compound of formula (V).
b) Obtención del monómero funcionalizado de fórmula (I) a partir de la reacción del compuesto de fórmula (V) con una base fuerte. b) Obtaining the functionalized monomer of formula (I) from the reaction of the compound of formula (V) with a strong base.
En una realización preferida, el nitrito de la etapa a) es nitrito de isoamilo. In a preferred embodiment, the nitrite of step a) is isoamyl nitrite.
5 5
En otra realización más preferida, el disolvente de la etapa a) se selecciona de la lista que comprende dimetilformamida (DMF) y N-metil pirrolidona (NMP). In another more preferred embodiment, the solvent of step a) is selected from the list comprising dimethylformamide (DMF) and N-methyl pyrrolidone (NMP).
En otra realización preferida, el nitrito de la etapa a) es nitrito sódico. In another preferred embodiment, the nitrite of step a) is sodium nitrite.
10 10
En otra realización más preferida, el disolvente de la etapa a) es ácido clorhídrico. In another more preferred embodiment, the solvent of step a) is hydrochloric acid.
En otra realización preferida, la etapa a) se realiza a una temperatura de 20ºC a 90ºC. In another preferred embodiment, step a) is performed at a temperature of 20 ° C to 90 ° C.
En otra realización más preferida, la etapa a) se realiza a una temperatura de 40ºC a 70ºC. 15 In another more preferred embodiment, step a) is performed at a temperature of 40 ° C to 70 ° C. fifteen
En otra realización preferida, el tiempo de reacción de la etapa a) tiene una duración comprendida entre 1 y 24 horas. In another preferred embodiment, the reaction time of step a) has a duration between 1 and 24 hours.
En otra realización más preferida, el tiempo de reacción de la etapa a) tiene una duración comprendida entre 10 y 15 20 horas. In another more preferred embodiment, the reaction time of step a) has a duration between 10 and 15 hours.
En otra realización preferida, la base fuerte de la etapa b) se selecciona de la lista que comprende Na2CO3, K2CO3, KOH, NaOH y NH4OH. In another preferred embodiment, the strong base of step b) is selected from the list comprising Na2CO3, K2CO3, KOH, NaOH and NH4OH.
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En otra realización preferida, el tiempo de reacción de la etapa b) tiene una duración comprendida entre 1 y 72 horas. In another preferred embodiment, the reaction time of step b) has a duration between 1 and 72 hours.
En otra realización más preferida, el tiempo de reacción de la etapa b) tiene una duración comprendida entre 36 y 60 horas. 30 In another more preferred embodiment, the reaction time of step b) has a duration between 36 and 60 hours. 30
El tercer aspecto de la invención se refiere al procedimiento de obtención del monómero de fórmula (II) se obtiene a partir de la reacción del monómero de fórmula (I) con el compuesto de fórmula (III) en presencia de un disolvente. The third aspect of the invention relates to the process for obtaining the monomer of formula (II) is obtained from the reaction of the monomer of formula (I) with the compound of formula (III) in the presence of a solvent.
En una realización preferida, el disolvente se selecciona de la lista que comprende N-metil pirrolidona (NMP), 35 difenilsulfona, cloroformo y diclorometano. In a preferred embodiment, the solvent is selected from the list comprising N-methyl pyrrolidone (NMP), diphenylsulfone, chloroform and dichloromethane.
En otra realización preferida, el tiempo de la reacción tiene una duración comprendida entre 1 y 24 horas. In another preferred embodiment, the reaction time lasts between 1 and 24 hours.
En otra realización más preferida, el tiempo de la reacción tiene una duración comprendida entre 2 y 12 horas. 40 In another more preferred embodiment, the reaction time lasts between 2 and 12 hours. 40
En otra realización preferida, la reacción se realiza a una temperatura de 50ºC a 250ºC. In another preferred embodiment, the reaction is carried out at a temperature of 50 ° C to 250 ° C.
En otra realización más preferida, la reacción se realiza a una temperatura de 90ºC a 200ºC. In another more preferred embodiment, the reaction is carried out at a temperature of 90 ° C to 200 ° C.
45 Four. Five
Los compuestos de la presente invención, pueden incluir isómeros, dependiendo de la presencia de enlaces múltiples (por ejemplo, Z, E), incluyendo isómeros ópticos o enantiómeros, dependiendo de la presencia de centros quirales. Los isómeros, enantiómeros o diastereoisómeros individuales y las mezclas de los mismos caen dentro del alcance de la presente invención. Los enantiómeros o diastereoisómeros individuales, así como sus mezclas, pueden separarse mediante técnicas convencionales. 50 The compounds of the present invention may include isomers, depending on the presence of multiple bonds (eg, Z, E), including optical isomers or enantiomers, depending on the presence of chiral centers. The individual isomers, enantiomers or diastereoisomers and mixtures thereof fall within the scope of the present invention. The individual enantiomers or diastereoisomers, as well as mixtures thereof, can be separated by conventional techniques. fifty
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y figuras se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la 55 presente invención. Throughout the description and the claims the word "comprises" and its variants are not intended to exclude other technical characteristics, additives, components or steps. For those skilled in the art, other objects, advantages and features of the invention will be derived partly from the description and partly from the practice of the invention. The following examples and figures are provided by way of illustration, and are not intended to be limiting of the present invention.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Figura 1. Esquema de la funcionalización de los CNTs con los monómeros que participan en la síntesis del PEEK 60 Figure 1. Scheme of the functionalization of CNTs with the monomers that participate in the synthesis of PEEK 60
Figura 2. Espectro FTIR de la primera etapa de la funcionalización 1. Figure 2. FTIR spectrum of the first stage of functionalization 1.
Figura 3. TGA del producto obtenido en la primera etapa de funcionalización1. Figure 3. TGA of the product obtained in the first stage of functionalization1.
Figura 4. Espectros FTIR de los CNT de partida, del producto obtenido en la etapa 1 y del producto de la etapa 2 de la funcionalización 1. Figure 4. FTIR spectra of the starting CNTs, of the product obtained in stage 1 and of the product of stage 2 of functionalization 1.
Figura 5. Esquema de obtención de materiales compuestos de PEEK y CNM/PEEK mediante polimerización in situ con CNTs, CNFs o grafeno funcionalizados con los monómeros precursores del PEEK. 5 Figure 5. Scheme for obtaining PEEK and CNM / PEEK composites by in situ polymerization with CNTs, CNFs or graphene functionalized with the PEEK precursor monomers. 5
Figura 6. Termogramas de los oligómeros de PEEK obtenidos mediante polimerización in situ. Figure 6. Thermograms of the PEEK oligomers obtained by in situ polymerization.
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Reacción del anclado de los grupos fenólicos a la superficie de los CNTs. Primera etapa de funcionalización 1. Reaction of the anchoring of the phenolic groups to the surface of the CNTs. First stage of functionalization 1.
En una reacción tipo se mezclan 250 mg de CNTs previamente dispersados en el disolvente de reacción (DMF 100 mL) en baño de ultrasonidos (30 min) con 25 mmol de 4-aminophenol y 2 mL de nitrito de isoamilo. Se calienta la 20 reacción a 60ºC durante 12 h para obtener los CNTs funcionalizados (grupos fenoles) tal y como indica el esquema. El producto obtenido se filtra con una membrana Ominopore de 0.1 micras de tamaño de poro y se lava con DMF y metanol. El producto obtenido se seca en la estufa a 60ºC. El producto obtenido pesa unos 373 mg. In a type reaction, 250 mg of CNTs previously dispersed in the reaction solvent (DMF 100 mL) are mixed in an ultrasonic bath (30 min) with 25 mmol of 4-aminophenol and 2 mL of isoamyl nitrite. The reaction is heated at 60 ° C for 12 h to obtain the functionalized CNTs (phenol groups) as indicated in the scheme. The product obtained is filtered with a 0.1 micron pore size Ominopore membrane and washed with DMF and methanol. The product obtained is dried in the oven at 60 ° C. The product obtained weighs about 373 mg.
El material obtenido en esta etapa fue caracterizado mediante FTIR y termogravimetría confirmando la presencia de 25 los grupos fenoles en la superficie del CNT. El espectro FTIR confirmó el anclaje del grupo fenol (1017 cm-1) tal y como se puede observar en la Figura 2. Los datos de TGA permitieron calcular el rendimiento de la reacción (un 11% de ganancia en peso correspondiente a los grupos funcionales Figura 3). The material obtained at this stage was characterized by FTIR and thermogravimetry confirming the presence of the phenolic groups on the surface of the CNT. The FTIR spectrum confirmed the anchoring of the phenol group (1017 cm-1) as can be seen in Figure 2. The TGA data allowed to calculate the reaction performance (11% weight gain corresponding to the functional groups Figure 3).
Conversión de los grupos fenoles anclados a los CNTs a fenolatos. Segunda etapa de funcionalización 1. 30 Funcionalización con monómero número 1 Conversion of phenolic groups anchored to CNTs to phenolates. Second stage of functionalization 1. 30 Functionalization with monomer number 1
Los grupos fenoles se transforman en fenolatos en una disolución de carbonato sódico. En una reacción tipo 100 mg 35 de CNTs funcionalizados se dispersan en 100 mL de una disolución de carbonato sódico 0.05 M sonicando durante 30 min. La reacción se mantiene en agitación durante 48h. Una vez transcurrido el tiempo se filtra y se lava abundantemente con agua. Se obtienen unos 105 mg de producto seco. The phenol groups are transformed into phenolates in a sodium carbonate solution. In a 100 mg type reaction of functionalized CNTs are dispersed in 100 mL of a 0.05 M sodium carbonate solution sonicating for 30 min. The reaction is kept under stirring for 48h. After the time has elapsed, it is filtered and washed thoroughly with water. About 105 mg of dry product are obtained.
El material obtenido fue caracterizado mediante FTIR y TGA. El espectro FTIR muestra la desaparición de la banda 40 a 1017 cm-1 asociada a la vibración del OH indicando la completa conversión a fenolato (Figure 4). The material obtained was characterized by FTIR and TGA. The FTIR spectrum shows the disappearance of the band 40 to 1017 cm-1 associated with the vibration of OH indicating complete conversion to phenolate (Figure 4).
Reacción de anclado de dihaluros a la superficie de los CNTs. Funcionalización con el monómero número 2 Anchoring reaction of dihalides to the surface of the CNTs. Functionalization with monomer number 2
Para la funcionalización de los CNTs con el monómero número 2 se partió del material funcionalizado con el monómero 1. Obtenido tal y como se ha descrito anteriormente y se hizo reaccionar con 4,4-difluorobenzofenona (DFBP) usada en la síntesis del PEEK. El esquema de la reacción se adjunta a continuación. 5 For the functionalization of the CNTs with monomer number 2, the material functionalized with monomer 1 was obtained. Obtained as described above and reacted with 4,4-difluorobenzophenone (DFBP) used in the synthesis of PEEK. The reaction scheme is attached below. 5
Se hizo reaccionar 200ml de una dispersión de 2mg/ml de fenolato en NMP con 400 mg de DFBP a 160ºC a tres 10 tiempos de reacción distintos: 2, 4 y 12 horas. 200ml of a 2mg / ml dispersion of phenolate in NMP was reacted with 400 mg of DFBP at 160 ° C at three different reaction times: 2, 4 and 12 hours.
La mezcla de reacción se filtra al vacío usando un filtro OMNIPORE 0,1 µm. El precipitado se lava con DMF (200 ml) y con MeOH (400ml). The reaction mixture is filtered under vacuum using a 0.1 µm OMNIPORE filter. The precipitate is washed with DMF (200 ml) and with MeOH (400 ml).
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El producto obtenido se seca en estufa a 60ºC durante 24 horas. The product obtained is dried in an oven at 60 ° C for 24 hours.
El material obtenido en esta etapa fue caracterizado mediante FTIR y termogravimetría confirmando la presencia de los grupos fluorados en la superficie del CNT. The material obtained at this stage was characterized by FTIR and thermogravimetry confirming the presence of fluorinated groups on the surface of the CNT.
20 twenty
Obtención de CNM/PEEK materiales compuestos a través de una polimerizacón in situ. Obtaining CNM / PEEK composite materials through in situ polymerization.
El esquema de la obtención de materiales compuestos CNM/PEEK a través de una polimerizacón in situ con los CNTs, las CNFs o grafeno funcionalizados con los monómeros precursores del PEEK se muestra en la figura 5. The scheme for obtaining CNM / PEEK composite materials through in situ polymerization with CNTs, CNFs or graphene functionalized with the PEEK precursor monomers is shown in Figure 5.
25 25
Los materiales obtenidos mostraron una estabilidad térmica notablemente mejorada debido a la efectiva transferencia de propiedades de los CNMs hacía la matriz. The materials obtained showed a markedly improved thermal stability due to the effective transfer of properties of the CNMs to the matrix.
Es destacable también la posibilidad de obtención de materiales compuestos que presentan una buena dispersión con cargas del 5, 10, 15 y 25 %, e incluso superiores, las cuales no son posibles mediante métodos de mezclado en 30 fundido. Also noteworthy is the possibility of obtaining composite materials that have a good dispersion with loads of 5, 10, 15 and 25%, and even higher, which are not possible by mixing methods in melt.
Los materiales compuestos obtenidos fueron estudiados mediante termogravimetría y resonancia magnética en estado sólido para determinar la formación de enlaces entre el CNM y la matriz. En la figura 6 se muestras los termogramas de TGA de unos oligómeros de PEEK obtenidos según el esquema anterior. En dichos termogramas 35 se puede apreciar el aumento significativo en la estabilidad térmica debido a la presencia de CNMs funcionalizados. The composite materials obtained were studied by thermogravimetry and solid-state magnetic resonance imaging to determine the formation of bonds between the CNM and the matrix. Figure 6 shows the TGA thermograms of PEEK oligomers obtained according to the previous scheme. In said thermograms 35 the significant increase in thermal stability can be seen due to the presence of functionalized CNMs.
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