IT8224347A1 - Strutture composite costituite da una matrice organica rinforzata - Google Patents
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Description
D E S C R I Z I O N E
dell ' invenzione industriale dal titolo:
"Strutture composite costituite da una matrice organica rinforzata con grafite intercalata"
R I A S S U N T O
L'incorporazione di carbonio/grafite intercalata in una qualsiasi delle sue forme come per esempio polve re, scaglie oppure fibre in una matrice organica porta come risultato ad una struttura composita dotata di elevata resistenza, di peso leggero, con una conduttivit? elettrica considerevolmente pi? elevata rispetto ad un prodotto simile preparato con grafite non intercalata. Si pu? usare una gran variet? di polimeri organici come per esempio resine epossidiche, materiali termopia_ stici e rasine termoindurite. A seconda della forma della grafite intercalata, per fabbricare le parti da queste strutture composite si possono adottare tecniche di fabbricazione di estrusione, di applicazione, di stampaggio ad iniezione e di pressatura. Da questo
tipo di struttura composita ? disponibile un ampio spettro di propriet? in termini di resistenza e conduttivit? le quali propriet? saranno utili per quelle applicazioni ampiamente variabili come strutture
di aeroplani e schermaggio di apparecchiature elettroniche.
D E S C R I Z I O N E
Questa ? una continuazione in parte della domanda di brevetto US in corso NO. di serie 141,586 depositata il 18 Aprile 1980.
' La presente domanda di brevetto riguarda una struttura composita altamente conduttrice che ? a base di grafite. Pi? in particolare, la presente invenzione riguarda una struttura composita di una matrice polirne ra organica e di un composto di grafite intercalato costituito da grafite a da un acido forte, un alogenuro di un metallo oppure un acido di Bronsted e un aloge nuro di un metallo.
Materiali di grafite intercalata stanno diventando noti nel settore, vedere per esempio A. R. Ubbeholde, proc. Roy. soc., A304r 25'1968 e brevetto US 3.409.563, Questi materiali di grafite intercalata sono altamente conduttori ma non possiedono caratteristiche fisiche forti ancora flessibili necessarie per molte applicazioni di conduttivit?.
Pertanto uno scopo della presente invenzione ? quello di sviluppare un materiale di grafite interca lata altamente conduttore, ancora flessibile forte che pu? venire usato per applicazioni elettriche.
Questi e altri scopi vengono realizzati dalla presente invenzione che riguarda una struttura composita altamente conduttrice che comprende una matrice di un polimero organico con un composto di grafite intercalata costituito da grafite e da un acido ossidante forte, da grafite e da un sale alogenuro oppure da grafite, un acido di Bronsted e un alogenuro di un metallo, in generale, l'acido ossidante forte ? un qualsiasi ^cido protonico inorganico oppure organico avente un elevato grado di dissociazione e in grado di ossidare carbonio come per esempio un ossoacido oppure un peros^ si-acido, il sale alogenuro pu? essere uno qualsiasi che si legher? con legame di coordinazione con un anione alogenuro, in generale, questi comprendono alo genuri di elementi di transizione, di elementi del gruppo ???? e di elementi costituiti da metalli oppure metalloidi del gruppo IVA, VA e VIA. L'acido di Bronsted ? un qualsiasi composto capace di donare un protone e di formare in acqua una soluzione acida.
L'alogenuro di un metallo pu? venire scelto tra tria logenuro di boro, un tetraalogenuro di un elemento del? gruppo IV della Tabella periodica oppure un pentaalo genuro di un elemento del gruppo V della Tabella Periodica.
La struttura composita della presente invenzione produce una nuova sostanza elettricamente conduttrice dotata di propriet? fisiche molto simili a quelle di un materiale organico rinforzato con carbonio in particelle ma con una conduttivit? elettrica notevolmente aumentata. La struttura composita pu? venire sottoposta a lavorazione adottando una grande variet? di tecniche di fabbricazione come per esempio estrusione, stratificazione, stampaggio ad iniezione e pressatura. La struttura composita pu? venire usata in un'ampia variet? di strutture che in precedenza si riteneva richiedessero metalli come aeroplani, rivestimenti per apparecchiature elettroniche, gabbie di Faraday e altre applicazioni simili che possono riguardare uno schermaggio, piastre di terra e l'accumulo di elettricit? statica.
Il polimero organico pu? venire combinato con grafite intercalata sotto forma di una scaglia, una fibra o polvere, una realizzazione preferita che produce notevoli aumenti nella conduttivit? ? una forma ottenuta da grafite intercalata impiegando
Un?altra forma di realizzazione preferita che produce ulteriori aumenti nella conduttivit? ? quella in cui un agente dotato di effetto correttivo polarizzabile che fornisce una conduzione del tipo "p? viene usato con la matrice organica, poliparafenilene corretto con pentafluoruro di arsenico ? una combinazione particolarmente efficace, inoltre, si possono realizzare aumenti nella conduttivit? anche combinando successivamente scaglie o polvere di grafite intercalata oppure pura con la struttura composita di fibra di gra fite intercalata e di una matrice organica.
La Figura 1 ? un diagramma dei dati della Tabella I. I composti di grafite intercalata costituiti da grafite e da un acido forte, da grafite e da un sale alogenuro oppure da grafite, da un acido di Bronsted e un alogenuro di un metallo che vengono usati per preparare le strutture composite della presente invenzione sono in parte descritte e preparate secondo la domanda di brevetto US No. di serie 499-834 depositata il 23 Agosto 1974 e la domanda di brevetto US No. di serie 206.647 depositata il 13 Novembre 1980 che vengono qui incorporate come riferimento. Almeno alcuni esempi di ciascun tipo sono noti nel settore.
in generale, gli acidi ossidanti forti comprendono acidi minerali come
e anche un acido perossitri
?
fluoroacetico e altri acidi protonici ossidanti simili.
in generale, i sali alogenuri usati nei composti di grafite intercalata sono quelli che si legheranno con legame di coordinazione con un alogenuro oppure con un anione simile e formeranno un complesso di anione. Tali sale comprendono gli alogenuri degli elementi di transizione, degli elementi del gruppo IIIA e "dei metalli e metalloidi del gruppo IVA, VA e VIA.
Esempi comprendono S
e simili.
in generale, gli alogenuri di metalli usati nei composti di grafite intercalata sono quegli alogenuri di metalli del gruppo IV e V della Tabella periodica di quei metalli che sono riportati nella Tabella sotto le testate IVA , IVB , VA e VB della "Tabella periodica degli elementi" pubblicata in The condensed Chemical Dictionary, settima Edizione, facing p. 1 , Reinhold (1966 ). Oltre a questi si ? trovato che sono utili trialogenuri di boro, in particolare trifluoruro di boro (BF ), . Si ?. trovato che ? preferibile usare BF ,
Entro l'ambito della presente invenzione vi sono anche miscele di questi e altri pollaiogenuri di metalli.
I composti di grafite intercalata vengono preparati combinando un acido forte, un vapore oppure una soluzione di un sale alogenuro oppure un sistema alogenuro di un metallo-acido di Bronsted, qui di seguito denominati reagenti, con grafite avente un grado di cristallinit? relativamente elevato. Il sistema dell'acido di Bronsted preferibilmente comprende il donatore di protone che ? un acido di Bronsted come acido fluoridrico, acido cloridrico, acido bromidrico oppure acido nitrico, nitroso, solforico oppure perci? rico e un alogenuro di un metallo accettore di elettroni come un acido di Lewis come un trialogenuro di boro, un tetraalogenuro di un metallo del gruppo IV oppure un petaalogenuro di un metallo del gruppo V. Sebbene non sia critico, questo sistema di solito comprende l'acido di Bronsted e uno degli acidi di Lewis di cui sopra in proporzioni circa equimolari. Tuttavia, il rapporto molare tra acido di Lewis e acido di Bronsted pu? variare tra circa 0,01:1 e 100:1.
Poich? molti di questi materiali sono volatili e altamente reattivi, si deve aver cura di escludere l'umi dit? e l'ossigeno ed essi vengono manipolati nel modo migliore in una atmosfera inerte sostanzialmente priva di umidit?. Si ? trovato che ? particolarmente pratico combinare i reagenti e la grafite in condizioni iner ti. In modo tipico, si preferisce impiegare un'apparec-. chiatura come per esempio una scatola di essiccamento, questa apparecchiatura fa si che i reagenti e i materiali di grafite possano venire posti separatamente in contenitori sigillati in una camera chiusa che viene sottoposta ad un flusso con un gas inerte come per esem pio argon o azoto anidrificati. L?accesso alla camera viene'realizzato mediante guanti a tenuta di gas. Quindi i contenitori sigillati vengono aperti sotto una atmosfera inerte e si pu? effettuare,la miscelazione dei reagenti e della grafite senza rischio di contaminazione,
I materiali di grafite da combinare con i reagenti possono essere sotto forma di cristalli grandi, sotto forma di una polvere cristallina, sotto forma di carbonio oppure di filamenti di grafite sotto forma di carbonio in polvere, sotto forma di grafite in massa oppure sinte rizzata. Una regola generale ? che quanto pi? perfetto ? il materiale di partenza costituito da grafite tanto migliore ? la conduttivit? del composto di grafite in tercalata ottenuto. Quindi ? preferibile impiegare gra fite dotata di un grado di purezza relativamente eievato e che ha un elevato grado di cristallinit?. Tuttavia si sono ottenuti risultati soddisfacenti con grafiti aventi gradi di purezza inferiori e gradi di cristallinit? inferiori. Nel caso di filamenti di car bonio e di carbonio in polvere, il materiale viene preferibilmente grafitizzato mediante metodi noti prima della combinazione con i reagenti.
La formazione del composto di grafite intercala ta viene realizzata esponendo la grafite ai reagenti, descritti sopra che preferibilmente sono allo stato liquido oppure allo stato di soluzione. Cos? si realizzer? una praticit? nella manipolazione e anche nella efficienza della reazione. Tuttavia la reazione di intercalazione pu? anche venire effettuata esponendo la grafite ad un reagente che ? in fase vapore,
I tempi di reazione sono compresi tra pochi minuti e diverse ore, a seconda se la grafite ? sotto forma di polvere, di cristalli grandi, di filamenti ecc, si ? trovato che tempi di reazione ottimali sono compresi tra 1 minuto e 30 minuti con i filamenti e con le polveri e sono compresi tra 0,1 ore e 3 ore con cristalli grandi. In generale il tempo di reazione ? circa 20 minuti per la massima parte dei composti in tercalati.
Temperature in corrispondenza delle quali la reazione del reagente costituito da grafite pu? venire effettuata sono comprese tra circa 10?C e 200?C. Il limite superiore ? determinato dal punto di ebollizione dei reagenti e se la reazione viene effettuata in fase liquida oppure in fase vapore, si ? trovato'che la conduttivit? ottenuta del composto intercalato varia un poco con la temperatura di reazione. Per esempio quando i reagenti impiegati sono costituiti da una miscela gaasosa equimolare di HF e BF3 e la grafite ? grafite "Thornel 75" (prodotta dalla Union Carbide corporation), un trattamento a temperatura ambiente dar? come risultato un rapporto di resistivit? medio tra la grafite originale e il composto intercalato di circa 14 mentre la reazione a 55?C produrr? un rapporto di circa 25.
Se si desidera una reazione in fase liquida e la temperatura di reazione ? superiore al punto di ebollizione dei reagenti, la reazione pu? venire effettuata a pressioni elevate per assicurare che i reagenti siano in fase liquida.
A causa della natura corrosiva dei reagenti impiegati in questo procedimento, ? consigliabile che l'apparecchiatura e i recipienti di trattamento che vengono a contatto con i reagenti siano costruiti con materiali inerti. Esempi tipici di tali materiali sono acciaio inossidabile tipo 316 "Monel" (disponibile presso la Huntington Alloy Products Division of th? International Nickel Co. , ine. ) , "Teflon" (E .I . Dupont de Nemours & Co. ) , e il polimero "Kel-F" (3M Company).
. In generale, la preparazione dei composti interca ' lati di grafite e acido forte e la preparazione dei composti intercalati di grafite e sale alogenuro avverr? secondo i procedimenti precedenti, in modo tipico questi procedimenti comportano l'esposizione di grafite all'acido forte oppure al sale alogenuro sotto forma di un liquido puro oppure in soluzione con un solvente inerte a concentrazioni calcolate tali da liberare la quantit? desiderata di acido oppure di sale alogenuro rispetto alla grafite. In una variante preferita si preparano i tipicon acidi forti mediante il procedimento a quattro fasi riportato di seguito che evita uno sfaldamento. I tipicon acidi di Bronsted verranno preparati in particolare mediante i procedimenti precedenti.
per preparare una struttura composita della presente invenzione, i composti di .grafite intercalata vengono preformati separatamente secondo i procedimenti precedenti oppure mediante procedimenti noti a coloro che sono esperti nel settore. Quindi il composto di grafite intercalata sotto forma di particelle solide (scaglie, fibre, polvere oppure un prodotto solido suddiviso simile) viene aggiunto ad un polimero organico in modo da formare una miscela dei due ingredienti.
La miscela pu? essere un solido oppure pu? essere liquida in cui si usano polimeri solidi oppure liquidi opportuni e inoltre pu? essere contenuta sotto forma di una dispersione in un solvente inerte. Il polimero pu? essere oppure pu? non essere solubile nel solvente; l'effetto desiderato ? la produzione di una distribuzione sostanzialmente uniforme degli ingredienti. La fase finale nella lavorazione della miscela ? la fusione insieme degli ingredienti in modo da formare una matrice solida del composto nel polimero. Ci? pu? venire realizzato adottando una pressione e/o una.temperatura come per esempio si ottiene mediante stampaggio ad inie_ zione, estrusione, pressatura, lavorazione al maglio, tornitura, riscaldamento, impasto, riscaldamento e simili. quando la miscela ? stata sciolta, l?allontanamento del solvente in condizioni in cui la miscela viene formata nella forma desiderata produrr? quindi la struttura composita. Si possono aggiungere anche agenti di insufflazione, plastificanti, agenti indurenti e altri additivi polimeri noti.
Come alternativa, il composto intercalato pu? venire mescolato con il monomero da polimerizzare e la reazione di polimerizzazione pu? venire effettuata in presenza di un composto disperso. Una estrusione, una pressatura, una formatura, una stratificazione, un indurimento, uno stampaggio mediante iniezione oppure un altro tipo di stampaggio della miscela di polimerizzazione produrranno la struttura composita, inoltre, una miscela di un polimero lineare/di composti intercalati pu? venire formata sotto forma di un solido, un liquido, una dispersione oppure una soluzione e pu? venire successivamente reticolata, vulcanizzata oppure ulteriormente polimerizzata per produrre la struttura composita.
Si possono adottare anche procedimenti termici per preparare la struttura composita purch? la temperatura richiesta per il rammollimento del polimero non distrugga il composto intercalato. Gli ingredienti come scaglie, polvere, blocchi, fibre, fogli oppure forme solide simili vengono combinati in un'apparecchiatura di riscaldamento, vengono riscaldati fino a che il polimero si rammollisce, il composto viene disperso nel polimero rammollito e la struttura composita calda viene lasciata passare in uno stampo oppure attraverso ad uno stampo di raffreddamento che determina la forma.
Come variante, il polimero da solo pu? venire rammollito e pu? venir fatto passare attraverso oppure in uno stampo che-determina la forma. Come il polimero viene fatto passare, il composto, preferibilmente con orientamento dimensionale tra le particelle del composto, viene introdotto nel polimero. Come si forma la struttura composita ottenuta, si applica una pressione, una flessione, una sollecitazione oppure una miscelazione simile per distribuire il composto e formare la matrice.
La temperatura adottata nei procedimenti pu? essere una qualsiasi che non influisca sul composto intercalato. In modo tipico si adotteranno temperature comprese tra circa la temperatura ambiente e circa 160?C. Durante la lavorazione preferibilmente si adotter? una atmosfera inerte.
Esempi di procedimenti tipici comprendono i seguenti: si mescola il composto solido e le particelle di polimero dopo di che si applica una pressione in modo da formare la matrice di composto nel polimero; si mescola il composto nel polimero liquido, semiliquido oppure rammollito a cui si fa seguire l'indurimento oppure l'applicazione in uno stampo che d? la forma; si stratificano strati di composto e di polimero a cui si fa seguire la fusione insieme mediante applicazione di
pressione oppure usando temperature di riscaldamento che fanno rammollire il polimero; si sottopone a stampaggio mediante iniezione oppure ad estrusione una miscela solido-solido, una miscela solido-liquido degli ingredienti oppure una dispersione oppure una soluzione degli ingredienti in un solvente inerte; si sottopone a pressatura una miscela in particelle oppure rammollita degli ingredienti,simescolano gli ingredienti in un solvente inerte adatto a cui si fa seguire l'allontanamento del solvente e/il conferimento della forma della struttura composita; si riscalda per far rammollire oppure per far liquefare il polimero e si mescolano gli ingredienti a cui si fa seguire il raffreddamente; e si reticola oppure si polimerizza una miscela rispettivamente di un polimero lineare oppure di un mono mero e del composto in condizioni che vengono applicate in modo tipico ad un polimero lineare oppure ad un mono mero da solo ma che non influiscono in modo negativo sul composto.
Come ingrediente per la struttura composita funzioner? qualsiasi polimero organico che forma una miscela sostanzialmente uniforme con il composto di grafite intercalata' Le propriet? del polimero possono venire scelte come si desidera allo scopo di ottenere propriet? come plasticit?, flessibilit?, resistenza, rigidit?, densit? elevata oppure densit? bassa, termoindurimento, termoplasticit?, resistenza alla temperatura, elasticit?, deformabilit?, adesivit?, appiccicosit?, legame polimero, cristallinit? oppure non cristallinit? e/o peso molecola re elevato oppure basso. I polimeri che hanno una qualsiasi di queste propriet? oppure un certo numero di queste propriet? opportunamente riunite e i metodi per fabbricarli sono ben noti a coloro che sono esperti nel settore dei polimeri, in generale, tali polimeri comprendono resine epossidiche, resine termopla stiche, resine termoindurenti, resine di aldeidi, resi^ ne aromatiche, poliesteri, poliammidi, poliolefine di peso molecolare elevato e basso e con gradi variabili di reticolazione, policarbonati, olefine polifluorurate, poliuretani, polieteri e simili.
Dopo che ? stata formata la struttura composita di una matrice organica e di una grafite intercalata, la struttura composita ha essenzialmente le propriet? meccaniche del materiale della matrice organica con una conduttivit? elettrica enormemente aumentata. In modo tipico, la conduttivit? elettrica sar? migliorata rispetto alle strutture composite costituite da matrice organica-grafite di un fattore di circa 100 come viene illustrato dagli Esempi che seguono.
In generale la conduttivit? della struttura composita dipender? dal fattore di riempimento. Il fattore di riempimento ? il rapporto tra il volume della grafite intercalata diviso per il volume della struttura composita, ossia la grafite intercalata nella matrice organica. Mentre qualsiasi quantit? di riempimento della matrice organica dar? come risultato una conduttivit? elettrica aumentata, si preferisce in particolare un fattore di riempimento compreso tra 0,10 e 0,65 in volume poich? esso realizza una struttura composita particolarmente altamente conduttrice. La percentuale corrispondente del fattore di riempimento si trova moltipl]L cando il fattore per 100. Cosi la percentuale di riempimento preferita ? compresa tra circa 10% e circa 65% in volume. L'orientamento delle fibre oppure delle scaglie deve venire mantenuto anche dorante il riempimento.
La conduttivit? della struttura rcomposita pu? inoltre venire significativamente migliorata mediante l'impiego di agenti dotati di effetto correttivo che realizzano una conduzione del tipo "p" in combinazione con la matrice organica, questi agenti,correttivi del tipo "p" sono composti inorganici che sono in grado di accettare elettroni. Esempi sono pentafluoruro di antimonio, pentaf luoruro di arsenico, bromo, iodio e altri sali del gruppo III, IV e V che possono agire come acidi di Lewis come quelli riportati in modo specifico nella descrizione precedente di alogenuri di metalli, un esempio particolarmente preferito di una matrice organica contenente un agente dotato di effetto correttivo ? po li(parafenilene) corretto con pentafluoruro di arsenico.
Un altro aumento nella conduttivit? pu? venire realizzato combinando scaglie di grafite intercalata oppure pura con la struttura composita precedentemente preparata da un materiale di fibre di grafite interca lata. Vale anche l'inverso; ossia la conduttivit? della struttura composita pu? venire migliorata aggiungendo fibre di grafite intercalata oppure pura ad una struttura composita contenente scaglie di grafite inter calata. Un aumento della conduttivit? pu? verificarsi anche se l'una o l'altra delle strutture composite di cui sopra con ulteriori fibre o scaglie aggiunte hanno matrici organiche che sono corrette con un agente dotato di effetto correttivo del tipo p.
Quando si impiega un composto di grafite interca lata che ? soggetto ad uno sfaldamento, per ottenere vantaggi si pu? adottare una variante del procedimento generale per preparare la struttura composita, in questa variante, la grafite viene dapprima esposta all'agente di intercalazione ad una temperatura controllata, in secondo luogo dopo che si ? realizzata l'intercala zione nella misura desiderata, si introduce un gas iner te oppure un gas attivo ad una pressione di circa 1 atmo sfera. In terzo luogo la pressione dell'atmosfera che circonda la grafite che viene intercalata viene diminuita a circa 10 pollici di mercurio. Alla fine la grafite intercalata viene mantenuta in un armadietto di essiccamento ad atmosfera inerte fino a che ? completa la produzione della struttura composita matrice organica-composto di grafite intercalata. In particolare quando per intercalare si usano HF e AsF5, sar? desiderabile una temperatura di circa 23?C. Se per intercalare si usa HNO3, ? desiderabile una temperatura di reazione di circa 20?C. E' anche vantaggioso diminuire la pressione da i atmosfera fino alla pressione inferiore desiderata per un periodo di tempo di diverse ore.
Il vantaggio di usare grafite intercalata ? sottolineato dal fatto che nella struttura composita si ha un aumento nella conduttivit? elettrica maggiore rispetto ad un aumento proporzionale,rispetto ad una struttura composita formata con grafite pura, ossia con grafite che non ? stata intercalata. Ossia, se la conduttivit? elettrica di una struttura composita di matri_ ce organica rinforzata con grafite pura viene aumentata di un ordine di grandezza, la conduttivit? della corrispondente struttura composita preparata da grafite
intercalata pu? venire aumentata di diversi ordini di grandezza, inoltre, gli aumenti nella conduttivit? elettrica della struttura composita vengono realizzati senza sacrificio della resistenza meccanica, della rigidit? e di altre propriet? intrinseche del polimero organico usato per formare la matrice.
La struttura composita pu? venire usata come rivestimento esterno, come sostanza di riempimento, come legante, come adesivo oppure come colla per prevenire oppure controllare l'ingresso oppure la perdita di una radiazione elettromagnetica. Cos? la struttura composita della presente invenzione pu? venire impiegata come rivestimento per un'apparecchiatura radar oppure come adesivo o colla in combinazione con un rivestimento metallico. La struttura composita pu? anche venire usata come rivestimento per un tostapane oppure per altre apparecchiature domestiche, in breve, la presente invenzione realizza un nuovo materiale composito che pu? avere un intervallo di conduttivit? ampiamente regolabile e che pu? venire usato in una grande variet? di applicazioni che variano tra rivestimenti per aeroplani fino a colle e adesivi in cui sono importanti propriet? come flessibilit?, resistenza, adesivit?, elasticit? ed altre propriet? dei polimeri organici e anche la possibilit? di regolare la conduttivit? elettrica, la capacit? elettromagnetica e la capacit? di schermaggio.
Mentre l'invenzione ? stata descritta con una certa variet? di materiali, varianti saranno facilmente e videnti a coloro che sono esperti nel settore. Si intende che tali varianti rientrano nell 'ambito delle rivendicazioni allegate.
Le preparazioni e gli Esempi che seguono vengono forniti per illustrare ulteriormente.forme di realizzazione della presente invenzione. Risulter? evidente che vi ? un maggior numero di forme di realizzazione entro l'ambito della presente invenzione rispetto a quelle riportate di seguito e questa invenzione non intende essere limitata dagli Esempi.
preparazione 1
Composto di intercalazione acido fluoridrico, trifluoruro di boro, grafite
Filamenti di grafite sono stati intercalati esponendoli ad una miscela gassosa di BF3 e HF in condizioni anidre in una atmosfera inerte. Le fibre impiegate erano fibre di grafite Thornel 75 poste in commercio dalla Union Carbide Corp., e avevano un diametro di circa 10 micron, una camera di reazione avente un'volume inferiore a 1 litro, di acciaio inossidabile del tipo 316 ? stata lavata a fondo con azoto anidro ad una portata di 1 litro/minuto per 30 minuti. La camera, contenente le fibre di grafite, ? stata riscaldata a circa 57?C dopo di che si sono introdotti BF3 e HF ad una portata di 3,5 litri/minuto e 3 litri/minuto per circa 30 minuti. I filamenti intercalati sono stati quindi rimossi dall 'apparecchiatura, sono stati lavati successivamente con acqua distillata e con acetone e sono stati essiccati a temperatura ambiente.
preparazione 2
Composto di intercalazione acido fluoridrico, ?pentafluoruro di fosforo, grafite_
25 mi di una miscela equimolare di PF5 e di HF anidro ? stata preparata mediante condensazione a -80?C in un tubo di Kel-F. La miscela condensata ? stata quindi fatta evaporare sotto una atmosfera di azoto in un tubo di reazione contiguo che conteneva circa 5 g di polvere di grafite (poco Graphite, Ine.), , e si ? lasciato reagire a circa 25?C per circa 10 minuti. Il tubo di reazione ? stato quindi lavato con azoto e la polvere di grafite intercalata ? stata ricuperata.
preparazione 3
Composto di intercalazione acido fluoridrico, pentafluoruro di antimonio, grafite_
Si ? preparata una miscela di sbF e HF pesando 6l ,5 g di SbF,. in un tubo di reazione di Kel-F rivestito di catrame. Filamenti di grafite simili a quelli della preparazione i sono stati quindi immersi in 25 mi della miscela SbF^/HF di cui sopra a temperatura ambiente per circa 15 minuti. I filamenti intercalati ottenuti sono stati lavati con acqua distillata, quindi con acetone e sono stati essiccati a temperatura ambiente.
preparazione 4
Composto di intercalazione acido fluoridrico, tetraf luoruro di silicio, grafite_
Si prepara una miscela equimolare di SiF4 e HF facendo condensare SiF4 in HF liquido a -80?C. Circa 25 mi di questa miscela vengono evaporati in una camera di reazione.contenente 5 g di polvere di grafite poco. La polvere eil gas vengono lasciati reagire a circa 25?C per 10 minuti sottoponendo ad agitazione occasionale in modo da esporre superfici fresche di grafite. Il gas in eccesso viene quindi fatto defluire dal tubo e si rimuove la polvere intercalata.
Esempio 1
preparazione generale di una struttura composita di una matrice organica di resina epossidica con composti di intercalazione di grafite _
1. Materiali e preparazione
Composti di intercalazione di grafite
Le reazioni di intercalazione sono state effettuate direttamente su fibre di grafite come indicato nella descrizione precedente oppure seguendo questa descrizione ma sostituendo l' opportuno agente di intercalazione. Si sono preparati composti da fibre di grafi_ te e da acqua ragia (quantit? equimolari di oltre a quelli preparati sopra. L ' acido nitrico ? stato preparato in laboratorio distillando acido nitrico da una miscela di
Si ? usato commerciale senza ulte-
riare purificazione.
Strutture composite
Le strutture composite possono venire preparate mescolando la percentuale in volume desiderata di poli^ mero organico e di composto intercalato insieme in una atmosfera inerte in modo da ottenere una dispersione del composto e del polimero, uno qualsiasi dei composti illustrati nelle preparazioni precedenti pu? venire impiegato in questo metodo. La miscela viene quindi pressata, sottoposta ad estrusione, stampata, riscaldata oppure altrimenti sagomata in modo da pr?parare la forma di struttura composita desiderata, per esempio un filo, una barra, una lastra, un foglio e simili. In un esempio particolare, strati alternati di matrice polim?ra e di composto orientato vengono posti in una pressa, si applica una pressione e la miscela viene fatta indurire ottenendo una matrice essenzialmente omogenea della struttura composita. Come alternativa, il polimero pu? venire sciolto in una quantit? minima di un solvente inerte basso-bollente, il composto intercalato pu? venire aggiunto, il solvente viene allontanato in condizioni che non influiscano sul composto intercalato e la struttura composita ottenuta viene fatta indurire.
in particolare, strutture composite costituite da resina epossidica-fibre sono state preparate da una resina epossidica commerciale Stycast No. 1264. Nei primi esperimenti, strutture composite uniassiali di 10-30% in volume di fibre sono state stratificate a mano e sono state fatte indurire a temperatura ambiente sotto un carico nominale di 5 libbre (2,27 kg). Successivamente i campioni sono stati fatti indurire sotto un carico di 2000 libbre (908 kg) in una pressa Carver a temperatura ambiente. Quest'ultima tecnica ha reso possibile la preparazione di campioni di quasi 50% in volume di fibra.
2. Apparecchiatura di intercalazione
Si ? fabbricata un'apparecchiatura per intercala zione in fase gassosa di fibre di grafite. In pratica questa ? una elaborazione dell?apparecchiatura nota che ? stata usata per studi sulle propriet? cinetiche di intercalazione di cristalli HOPG.
Essenzialmente, l'unit? di intercalazione era costituita da un collettore del vuoto di vetro collegato ad una camera di intercalazione, un serbatoio dei reagenti liquidi, un'apparecchiatura di alimentazione dei reagenti gassosi, un manometro di mercurio (protetto con uno strato di 3 cm di olio), un collettore del vuoto e trappole di azoto liquido. La camera di intercalazione era dotata di un piattello di quarzo collegato ad una bilancia a molla di quarzo. L'aumento in peso di un cristallo HOPG-oppure di un pezzo di fibra di grafite poteva venire controllato seguendo l'allungamento della molla con un catetometro. Inoltre, la camera di intercalazione era dotata di una rastrelliera di vetro sulla quale si potevano avvolgere in modo lasco quantit? pi? grandi di una stoppa di fibre di grafite. Si ? stabilito sperimentalmente che il pezzo corto di stoppa restante sul piattello di quarzo presentava il medesimo aumento in peso relativo della stoppa grande in corrispondenza del fondo della camera di intercalazione, pertanto, non vi era alcun significativo gradiente di concentrazione del gas intercalante nel reattore e la velocit? di reazione non ? stata controllata dalla diffusione del gas verso la superficie della fibra.
3. Resistivit?: Teoria e sperimentazione
Lo studio sperimentale della resistivit? elettrica in strutture composite di matrice epossidica hanno dimostrato che vi era - una notevole dipendenza dal fattore di riempimento f. 11 fattore di riempimento viene definito come il volume del composto intercalato rispetto al volume della struttura composita. La resistivit? varia come "1/f" in cui n ? un numero che va da 7 a 12 compreso, sembra che il valore n dipenda dall'orientamento delle fibre nella matrice e dal tipo di materiale. si ? trovato che n ? uguale a 12 per fibre di grafite orientate in modo unidirezionale (180?) e n ? uguale a 9,5 per fibre in corrispondenza di 90?.
La Tabella I riassume i risultati degli studi di resistivit? effettuati su una struttura composita di grafite intercalata con acido nitrico in una matrice organica epossidica preparata con un fattore di riempimento variabile come .indicato nella descrizione precedente..Nella Figura 1 viene mostrato un diagramma del fattore di riempimento verso la resistivit? costruito in base ai dati della Tabella i.
Tabella 1
Riassunto dei risultati della resistivit?
delle strutture composite
Misurazioni dirette della resi stivit? di fibre di grafite
Misurazioni di strutture composite
Per stabilire che gli esperimenti di intercalazione erano riproducibili, si sono effettuate quattro prove con ciascuna delle due fibre nelle medesime condizioni (temperatura delle fibre = 30?C, temperatura dell?acido = 25?C). Si ? osservato un periodo di induzione irregolare. Dal momento in cui ? iniziata l'intercalazione tuttavia il peso percento era riproducibile di circa ? 15% per qualsiasi tempo di reazione.
La velocit? di intercalazione di HNO3 nel reticolo di grafite ? stata studiata in una fibra GY-70 e in una fibra a base di pece per determinare se la velocit? ? controllata dalla diffusione. Si ? trovato che poich? la velocit? di intercalazione della fibra di grafite GY-70 era pi? lenta rispetto alla velocit? per la fibra a base di pece, le velocit? devono venire controllate dalla diffusione attraverso carbonio amorfo verso i punti cristallini. La differenza nella velocit? di intercalazione tra la fibra GY-70 e la,fibra a base di
pece pu? venire spiegata con la differenza nell'orientamento dei cristalliti.
Nella fibra GY-70 gli assi-a sono paralleli all'as^ se della fibra e sono perpendicolari alla superficie della fibra. Ci? rende le zone cristalline della fibra a base di pece pi? accessibili al composto di interca lazione, almeno sulla superficie della fibra rispetto alla fibra GY-70.
In un procedimento a quattro fasi tipico per
evitare lo sfaldamento, fibre di grafite vengono intercalate nello stadio 2 con acido nitrico e quindi le mo lecole distanziatrici neutre (HNO^) sono state rimosse sotto vuoto ottenendo un composto della fase 4 (come viene determinato mediante un netto aumento di peso).
Il vuoto nella camera di intercalazione ? stato quindi interrotto con ASF5 e la pressione di AsF5 ? stata portata fino a met? di una atmosfera.
Il AsF5 si ? quindi intercalato rapidamente e la reazione ? stata interrotta in corrispondenza di un composto della fase 3 (come viene determinato mediante aumento di peso) e L 'espressione "fase" viene qui usata in modo molto impreciso poich? il composto di intercalazione misto di HNO3 e AsF5 non ? stato caratteri zzato, ? semplicemente noto che questo composto dimostra un'eccellente conduttivit? elettrica quando viene formato da HOPG.
La reazione con AsF5 era completa dopo 1 ora. Risulta evidente quindi che l'intercalazione di HNO3 ? la fase critica nella cinetica del processo.
Uno studio sull'effetto della temperatura sulle velocit? di intercalazione di HNO3 su HOPG e su
fibre a base di pece e su fibre GY-70 hanno dimostrato che le velocit? di intercalazione potrebbero venire aumentate di un fattore di 5 effettuando la reazione ad una pressione prossima ad una atmosfera, ad una temperatura della fibra di 80?C e ad una temperatura dell'acido di 77?c (il punto normale di ebollizione dell'acido nitrico ? 80?C). Tuttavia ci? ha provocato una difficolt? inaspettata. Quando si ? applicato un vuoto sul sistema per allontanare l'acido nitrico labile dal reticolo, la pressione interna di queste molecole distanzi atrici neutre di acido nitrico ? cos? elevata che si verifica un notevole sfaldamento del reticolo.
4. processo di intercalazione impiegando diversi tipi di grafite
Negli esperimenti iniziali con grafite pirolitica altamente orientata (HOPG), si ? stabilito che la migliore conduttivit? elettrica della grafite poteva venire ottenuta intercalando dapprima il cristallo verso la fase 4 con acido nitrico quindi allontanando la mole cola di acido nitrico labile sotto vuoto e intercalando di nuovo con ASF5.
Un secondo gruppo di prove ? stato effettuato per confrontare le caratteristiche cinetiche dell'intercala zione in fase vapore di fibra di grafite con acido ni trico con quella per cristalli di HOPG. Tranne che per le velocit? di intercalazione, la reazione tra acido nitrico e fibre di grafite ha mostrato tutte le caratteristiche della medesima reazione effettuata con HOPG. Dopo un periodo di induzione di 1-20 minuti, si ? sviluppato gas di colore scuro in corrispondenza della superficie della stoppa e il campione sospeso dal quarzo cominciava ad aumentare di peso. Tuttavia la fibra -di grafite in effetti si ? intercalata molto pi? lentamente rispetto a HOPG. Pertanto in generale per un determinato gruppo di condizioni si ? trovato che la velocit? di intercalazione della fibra GY-70 era circa (l/20) di quella di HOPG e che quella della fi bra a base di pece era soltanto (1/3) di quella per HOPG.
Esempio 2
Preparazione di una struttura composita impiegando polvere di grafite intercalata con CuCl2
Una certa quantit? della grafite dello stadio
III intercalata con cloruro di rame ?. stata preparata nel modo seguente: ad una quantit? pesata di polvere di gra fite si ? aggiunto il 110% in peso di Questa quantit? ? sufficiente a formare il composto dello stadio 1 con una stechiometria I due ingredienti in polvere sono stati mescolati a fondo, sono stati introdotti in un recipiente di reazione di vetro e sono stati riscaldati a 125?C per 25 ore facendo passare un flusso di azoto anidro per allontanare l'acqua. Successivamente la temperatura del recipiente di reazione ? stata fatta salire a 500?C, il flusso di azoto gassoso anidro ? stato interrotto ed ? stato sostituito con cloro anidro a pressione atmosferica pi? una sovrapressione di 3-6 pollici di acqua. Si ? fatta proseguire la reazione per 2 giorni fino a che le linee di diffrazione ai raggi x 001 del campione in esame hanno dimostrato una prevalenza del composto dello stadio III.
In modo tipico questo trattamento ha portato come risultato ad ottenere una resistivit? della polvere pressata della grafite intercalata di circa 500
microohm cm in confronto a 2000 microohm per la polvere di grafite pressata.
I due tipi di polvere (grafite e grafite intercalata con C sono stati incorporati separatamente in strutture composite costituite da matrici organiche. Un certo volume di polvere..di grafite oppure di polvere di grafite intercalata ? stato mescolato a fondo con un certo vo lume di polvere di nailon avente una dimensione delle particelle valutata di i micron (10*^ cm). Le miscele sono state quindi pressate in modo da ottenere dischi aventi un diametro di 2,54 cm uno spessore di circa 3 mm e pri ? determin /ata la resistivit? elettrica mediante un metodo di induzione rf come descritto da Yogel, Carbon, 17 , 255 (l979) ottenendo i seguenti risultati:
questi ri sultati non vengono considerati come le migliori conduttivit? elettriche ottenibili da questo sistema ma piuttosto, in accordo con le strutture composite di fibre precedentemente descritte, una dimostrazi one che in corr ispondenza di carichi pi? elevati, si pu? ottenere un aumento maggiore di quello proporzionale nella conduttivit? elettrica di una struttura composita polimero-grafite a causa della intercala zione della grafite in confronto all ? aumento nella conduttivit? elettrica della grafite da sola, a causa della
Claims (14)
1. Struttura composita elettricamente conduttrice che comprende un composto di grafite intercalato in una matrice costituita da un polimero organico, in cui il composto intercalato viene scelto tra grafite e un acido forte, grafite e un sale alogenuro oppure grafite, un acido di Bronsted e un alogenuro di un metallo.
. 2. Struttura composita secondo la rivendicazione 1 in cui l'acido forte viene scelto tra
3. Struttura composita secondo la rivendicazione 1 in cui il sale alogenuro si lega con legame di coordinazione con un anione alogenuro in modo da formare un complesso anionico.
4. struttura composita secondo la rivendicazione 3 in cui il sale alogenuro ? un alogenuro di un elemento di transizione, di un elemento del gruppo IIIA oppure di un metallo-o metalloide..del gruppo IVA, VA oppure VIA.
5. struttura composita secondo la rivendicazione 1 in cui l'acido di Bronsted ? scelto tra
H
6. Struttura composita secondo la rivendicazione -\. in cui l' alogenuro di un metallo viene scelto tra tria logenuro di boro, un tetraalogenuro di un elemento del gruppo IV oppure un pentaalogenuro di un elemento del gruppo V.
7. struttura composita secondo la rivendicazione 1 in cui il polimero organico ? corretto con un elemento del gruppo III oppure del gruppo V, oppure con un sale, con un acido di Lewis oppure con un acido protonico.
8. Struttura composita secondo la rivendicazione 1 in cui la grafite ? sotto forma di una fibra, di una scaglia oppure di una polvere.
9. Struttura composita secondo la rivendicazione 1 in cui il polimero organico viene scelto dal gruppo costituito da resine epossidiche, resine termoplastiche, resine termoindurenti, resine aromatiche, poliolefine, poliesteri, polieteri, poliammidi, policarbonati, poliu retani , resine di aldeidi condensate, olefine polifluo rurate, loro miscele e loro copolimeri.
10. Struttura composita secondo la rivendicazione 1 in cui la percentuale in volume del composto intercalato rispetto al volume della struttura composita ? compresa tra circa 10% e circa 65%.
11. struttura composita secondo la rivendicazione 7 in cui l'agente dotato di effetto correttivo ? un elemento del gruppo ili oppure V oppure un sale.
12. Struttura composita secondo la rivendicazione 8 che comprende inoltre il composto intercalato sotto forma di una fibra e inoltre grafite pura sotto forma di scaglie combinati nella matrice organica.
13. Struttura composita secondo la rivendicazione 8 che comprende ulteriormente il composto intercalato sotto forma di una scaglia e ulteriore grafite pura sotto forma di fibra combinati nella matrice organica.
14. procedimento per produrre una struttura composita secondo la rivendicazione i, il quale consiste nell 'intercalare grafite ad una temperatura controllata compresa fra circa 0?C e circa 90?C ;
nell1 esporre la grafite intercalata ad un gas inerte oppure ad un gas attivo ad una pressione di circa una atmosfera;
nel far diminuire lentamente la pressione dell'atmo sfera circostante la grafite intercalata fino ad una pressione di circa 10-4? pollici di mercurio; e
nel mescolare la grafite intercalata e un polimero organico in una atmosfera inerte in modo da produrre una dispersione sostanzialmente uniforme e in modo da mantenere un orientamento della grafite intercalata.
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