ES2661904B1 - Material poroso o en celosía de reducido peso y reducida conductividad acústica y térmica - Google Patents
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Description
DESCRIPCIÓN
MATERIAL POROSO O EN CELOSÍA DE REDUCIDO PESO Y REDUCIDA
CONDUCTIVIDAD ACÚSTICA Y TÉRMICA
SECTOR DE LA TÉCNICA
La invención se sitúa en los sectores del transporte, construcción y textil; en el desarrollo de materiales ligeros que ayudan en la disminución del peso de los elementos estructurales o aislantes, reduciendo también su conductividad térmica y mejorando sus propiedades como aislantes acústicos.
ESTADO DE LA TÉCNICA
En la actualidad existe un gran interés en el desarrollo de nuevas materiales porosos o de celosía que permitan la reducción de la masa de los mismos. Este cometido es especialmente importante en aplicaciones aeronáuticas ya que la más mínima disminución en el peso de las aeronaves es muy significativo. Materiales como microlattice, US9162416 B1, "Basal plane reinforced microlattice”, se presenta como un material en celosía ultra ligero para estructuras de aeronaves. Existen numerosas líneas de investigación en el desarrollo de este tipo de materiales como por ejemplo el Massachusetts Institute of Technology y Lawrence Livermore National Laboratory, que han desarrollado materiales nanoestructurados que presentan una enorme resistencia a pesar de su baja densidad (X. Zheng et al., Science 344 (2014) 1373-1377). Por otro lado la NASA lleva décadas desarrollando materiales porosos. Entre otros los aerogeles, materiales típicamente mesoporosos con un alto volumen de poro en su interior y que son utilizados en aplicaciones espaciales. Otra aplicación de estos materiales es la de aislante térmico en prendas de abrigo. La empresa OROS presenta una colección de prendas haciendo uso de aerogeles.
El gran volumen de poro de estos materiales, hace que el fluido contenido en sus poros represente un considerable porcentaje de su masa total. Por ello la eliminación de este material puede significar una reducción importante en la masa total.
El desarrollo de paneles con vacío en su interior para aumentar la capacidad como aislante térmico de los mismos ha sido ampliamente estudiado. Incluso como se ejemplifica en la patente US 5674916 A "Extruded, open-cell microcellular alkenylaromatic polymer foams and process for making”, se han desarrollado materiales porosos para que sean contenidos en estos paneles.
Sin embargo no se conoce desarrollo de materiales porosos o en celosía con vacío en su interior con el objetivo de reducir su masa total.
DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓN
La presente invención describe un material poroso de reducido peso y reducida conductividad acústica y térmica. Este material poroso está sellado en superficie conservando el vacío en el interior de sus poros o cavidades.
Esta mejora supone una reducción en el peso y la conductividad térmica, así como una mejora en el aislamiento acústico.
Los materiales se sellan en superficie dentro de una cámara a vacío mediante: la deposición de partículas en los poros superficiales (perimetrales); impregnación de una resina impermeable a los gases en la superficie del material que forme una capa continua; adhesión de una lámina de material impermeable en la superficie; la fusión de parte del material poroso o en celosía de tal modo que este genere una capa continua e impermeable en el perímetro del mismo.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
La presente invención describe un material poroso caracterizado porque comprende una matriz porosa constituida por poros que se encuentran al vacio y donde dicho material poroso se encuentra sellado en superficie mediante una capa impermeable constituida por la propia matriz porosa fundida en superficie o mediante un elemento sellante seleccionado de un grupo que consiste en partículas depositadas en poros superficiales
de la matriz porosa, al menos una lámina rígida impermeable a gases y una capa continua constituida por una resina impermeable a gases.
La matriz porosa que comprende el material objeto de la invención está hecha de un material que se puede seleccionar del grupo que consiste en un polímero, biopolímero, carbono, óxido de sílice, óxido de cinc, óxido de titanio, metal, aleación ligera, fibra de carbono, grafeno, fibra de vidrio y mezcla de alguno de los metales expuestos.
En función del tamaño del poro, la matriz que comprende el material objeto de la invención se puede seleccionar del grupo que consiste en matriz macroporosa, matriz mesoporosa o matriz microporosa.
El sellado del material puede realizarse de distintas formas. Una forma de sellado es, en una realización de la presente invención, cuando el material poroso comprende la matriz porosa y dicha matriz puede estar fundida en su superficie creando una capa impermeable con el fin de sellar la superficie del material poroso e impedir el paso de los gases al interior de los poros de dicho material. Otra forma de sellado es cuando el material poroso puede comprender un elemento sellante que impide el paso de gas al interior de los poros del material objeto de la invención.
En una realización preferida, la matriz porosa tiene estructura en celosía.
Los materiales porosos y celosías son utilizados con fines estructurales y de aislamiento térmico y/o acústico. A pesar de su ligereza, la materia contenida en sus poros puede representar un importante porcentaje de su masa total. Por ello la eliminación de esa materia y sellado de la superficie del material, puede significar una considerable reducción en la masa global de los materiales. Este hecho puede ser de especial importancia en aplicaciones donde el peso de los materiales sea significante. El hecho de que se elimine el material gaseoso de los poros y cavidades disminuye también su conductividad térmica y acústica, ya que en el vacío, el calor se transmite solamente por radiación, y el sonido, no puede viajar.
Además, la presente invención también se refiere al método de obtención del material poroso descrito en el presente documento que comprende sellar la superficie de dicho material poroso dentro de una cámara a vacio.
La materia contenida en los poros puede ser fácilmente eliminada mediante la manipulación de los mismos dentro de una cámara a vacío, pero para evitar su nuevo llenado con los fluidos circundantes es necesario el sallado de la superficie de los mismos. Para ello puede emplearse partículas que bloqueen los poros en la zona superficial (perimetral) del material poroso o celosía, tal y como se esquematiza en la Figura 1. Otra opción es fundir el propio material de la matriz de forma que cree una capa continua e impermeable en la superficie de la matriz o celosía, tal y como se esquematiza en la Figura 2. Esta capa también puede ser la de una resina impermeable a los gases que se aplica en la superficie Figura 3. Por último, se puede colocar una lámina que haga las funciones impermeabilizantes tal y como se esquematiza en la Figura 4.
Otro objeto de la invención también se refiere al uso de dicho material poroso para la fabricación de los elementos estructurales ligeros, aislantes acústicos o aislantes térmicos.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de figuras en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1: Diagrama esquemático de la estructura del material en caso de sellado con partículas que bloquean los poros superficiales (perimetrales).
Figura 2: Diagrama esquemático de la estructura del material en caso de sellado con material fundido en superficie.
Figura 3: Diagrama esquemático de la estructura del material en caso de sellado con una resina impermeable a gases.
Figura 4: Diagrama esquemático de la estructura del material en caso de sellado con lámina en superficie.
Figura 5: Aerogel de sílice.
Figura 6: Aerogel de sílice con vacío en sus poros y lámina de composición 20% poliamida y 70% polietileno en su superficie.
Figura 7: Aerogel de sílice con vacío en sus poros y cristales de cloruro de sodio en los poros próximos a la superficie.
Figura 8: Microcelosía de composición 20% poliamida y 70% polietileno.
Figura 9: Microcelosía de composición 20% poliamida y 70% polietileno con capa de la misma fundida en superficie.
A continuación se proporciona una lista de los signos de referencia representados en las figuras que se integran la invención:
1. Matriz porosa
2. Poro vacío/Vacío
3. Partículas bloqueando los poros superficiales (perimetrales)
4. Material fundido en superficie
5. Resina impermeable a los gases
6. Lámina en superficie
7. Matriz porosa de óxido de sílice
8. Aire
9. Lámina de composición 20% poliamida y 70% polietileno
10. Cristales de cloruro de sodio
11. Microcelosía de composición 20% poliamida y 70% polietileno
12. Capa de composición 20% poliamida y 70% polietileno en superficie
EJEMPLOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
Con objeto de contribuir a una mejor comprensión de la invención, y de acuerdo con una realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de esta descripción una serie de ejemplos que tienen carácter ilustrativo y nunca limitativo de la invención.
- Los aerogeles son materiales que presentan propiedades muy interesantes como una alta superficie específica (500-1200 m2/g); alta porosidad (80-99.8%) o baja densidad (0.0011-0.650 g/cm3). Esto hace de ellos materiales muy atractivos para diferentes aplicaciones: aislantes térmicos, relleno, detectores de partículas, catalizadores, desecantes, o soportes para fármacos entre otros. Además, la opción de crear aerogeles híbridos hace casi todas las propiedades y requisitos alcanzables.
En el caso de los aerogeles de óxido de sílice, estos contienen una porosidad de incluso el 99%, siendo por tanto de por sí muy ligeros. Ahora bien, al ser tan porosos, el aire que ocupa sus poros representa un alto porcentaje de su masa total. Por tanto en aplicaciones donde la reducción del peso supone una ventaja, evitar ese contenido en aire puede ser una mejora significativa. En la Figura 5, se representa un monolito cilíndrico de aerogel de sílice; en la Figura 6 se presenta el mismo monolito tras hacer vacío en una bolsa de composición 20% poliamida y 70% polietileno. La poliamida proporciona a la bolsa su estanqueidad mientras que el polietileno permite su soldadura. La masa del conjunto fue disminuida en un 15% tras el proceso de vacío y sellado.
- Se prepara una disolución saturada acuosa de cloruro de sodio y en una cámara de guantes a vacío, se procede a depositar gotas de la disolución en la superficie del aerogel. El líquido por capilaridad rellena los poros más próximos a la superficie donde tras la evaporación del agua precipitan los cristales de la sal que sellan estos poros tal y como se muestra en la Figura 7.
- Se parte de una micro celosía con forma de prisma de composición 20% poliamida y 70% polietileno Figura 8. Se trabaja en una cámara de guantes a vacío. Dentro de la cámara se apoyan los bordes de la micro celosía en una superficie plana caliente a 150°C que permite la fusión del material en superficie. A continuación se aparta de la superficie caliente, formándose una capa sólida lisa en la superficie de la micro celosía. Se repite la misma metodología para cada una de las caras del prisma resultando la Figura 9.
Claims (7)
1. Material poroso caracterizado porque comprende una matriz porosa constituida por poros que se encuentran al vacio y donde dicho material poroso se encuentra sellado en superficie mediante una capa impermeable constituida por la propia matriz porosa fundida en superficie o mediante un elemento sellante seleccionado de un grupo que consiste en partículas depositadas en poros superficiales de la matriz porosa, al menos una lámina rígida impermeable a gases y una capa continua constituida por una resina impermeable a gases.
2. Material poroso de acuerdo con la reivindicación 1, donde la matriz porosa está hecha de un material que se selecciona de un grupo que consiste en un polímero, biopolímero, carbono, óxido de sílice, óxido de cinc, óxido de titanio, metal, aleación ligera, fibra de carbono, grafeno y fibra de vidrio, o una combinación de alguno de los materiales expuestos.
3. Material poroso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, donde la matriz porosa se selecciona de un grupo que consiste en matriz macroporosa, matriz mesoporosa o matriz microporosa.
4. Material poroso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, donde la matriz porosa tiene estructura en celosia.
5. Método de obtención de un material poroso de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 que comprende sellar la superficie de dicho material poroso.
6. Método de obtención de un material poroso de acuerdo con la reivindicación 5, donde el sellado se lleva a cabo por adhesión de al menos una lámina impermeable a gases.
7. Uso de un material poroso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 para la fabricación de materiales ligeros estructurales o aislantes.
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