BR112017028216B1 - Material compósito condutivo, e, método para fabricação de um material compósito condutivo - Google Patents

Material compósito condutivo, e, método para fabricação de um material compósito condutivo Download PDF

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Abstract

MATERIAL COMPÓSITO CONDUTIVO, E, MÉTODO PARA FABRICAÇÃO DE UM MATERIAL COMPÓSITO CONDUTIVO. A presente invenção se refere à fabricação de compósitos funcionais (condutores elétricos, condutores térmicos, etc.) produzidos a partir de pós revestidos.

Description

Introdução
[001] A presente invenção refere-se à fabricação de materiais compósitos funcionais (condutores elétricos, condutores térmicos, etc.) os quais são produzidos a partir de pós revestidos. O material compósito em questão é composto de uma fase orgânica, que pode ser um polímero, e de uma fase termicamente e/ou eletricamente condutiva. Esta fase condutiva permite um material orgânico, que é geralmente isolante, ser dotada com a característica da condutividade térmica e/ou elétrica.
[002] No presente momento, estas propriedades de condutividade são obtidas por meio de misturação de cargas condutivas, cargas especialmente metálicas ou cerâmicas, com uma base orgânica. Consequentemente, vários tipos de cargas são empregados, em proporções altamente variáveis, para produzir um valor de condutividade elétrica e/ou térmica desejado.
[003] Nos processos de fabricação empregados na técnica anterior, os processos de ajustamento para a obtenção de um material termicamente e/ou eletricamente condutivo são como segue: - as naturezas das cargas incorporadas na matriz orgânica, - suas morfologias (formas), - seus tamanhos de partículas, e - a proporção em massa das cargas condutivas em relação ao peso total da mistura de cargas condutivas e matriz orgânica.
[004] Quando o desejo é para valores de alta condutividade, as proporções em massa das cargas a serem incorporadas na matriz orgânica podem ser muito substanciais.
[005] A título de exemplo, a fim de obter resistividades elétricas de menos do que 1 ohm.cm em um material orgânico, as proporções em massa das cargas de um material condutivo, tal como prata pode exceder 50% em relação ao peso total da mistura.
[006] A diminuição na resistividade elétrica neste tipo de material é em seguida obtida pela formação de uma rede interligada de partículas condutivas dentro da matriz orgânica. Isto, portanto, implica na presença, uniformemente distribuída, de uma fração substancial de volume, necessariamente elevada, das ditas partículas condutivas.
[007] O objetivo da presente invenção é reduzir substancialmente a proporção de fase condutiva na matriz orgânica ao mesmo tempo que obtém altas características de condutividade. Isto é feito possível pelo uso de pós revestidos, em que um material condutivo A reveste um material orgânico pulverulento B, como mostrado na figura 1.
Descrição da Invenção
[008] Mais particularmente, a presente invenção provê um material compósito condutivo que compreende uma rede interligada de partículas condutivas, em que as ditas partículas condutivas compreendem um núcleo de material orgânico revestido com pelo menos uma camada de um material condutor térmico e/ou elétrico, distinguido pelo fato de que a totalidade das partículas é interligada dentro da estrutura interna do dito material compósito condutivo conformado, deste modo formando uma rede tridimensional contínua de material condutivo, e pelo fato de que a proporção em massa do elemento de revestimento condutivo do dito material compósito condutivo representa entre 1% e 30% em peso do peso total do peso do material compósito condutivo.
[009] Uma rede tridimensional contínua para os propósitos da presente invenção significa uma rede formada pela existência de contatos entre as coberturas condutivas de cada uma das partículas condutivas.
[0010] Preferivelmente, a proporção em massa do elemento de revestimento condutivo do material compósito condutivo pode representar entre 5% e 20% em peso do peso total do peso do material compósito condutivo.
[0011] O material compósito condutivo pode, preferivelmente, ser na forma de uma película ou um objeto tridimensional.
[0012] Um objeto tridimensional é entendido para os presentes propósitos a serem um objeto de volume que não é uma película.
[0013] Cada uma das partículas condutivas compreende um núcleo de material orgânico e pelo menos uma camada de um material condutivo.
[0014] A camada ou as camadas de material condutivo podem vantajosamente ser feitas de material metálico ou cerâmico ou orgânico.
[0015] De acordo com uma primeira variante, o material condutivo (revestimento do núcleo de material orgânico das partículas condutivas) pode compreender pelo menos um metal selecionado a partir de prata, ouro, cobre, alumínio, titânio, níquel, cobalto, e ferro.
[0016] De acordo com uma segunda variante, o material condutivo (revestimento do núcleo de material orgânico das partículas condutivas) pode ser uma cerâmica selecionada a partir de óxidos de metal e a partir de nitretos, carbonetos, compostos com base em silício, e compostos mistos com base em estanho, tais como por exemplo, ITO, que é uma mistura de óxido de índio e óxido de estanho.
[0017] De acordo com uma terceira variante, o material condutivo (revestimento do núcleo de material orgânico das partículas condutivas) pode ser um material orgânico tipo polímero condutivo selecionado a partir das classes de poliacetilenos, polipirróis, e polianilinas.
[0018] Desde que o núcleo de material orgânico é envolvido, pode vantajosamente ser selecionado a partir de: - termoplásticos tais como polietilenos (PE), polipropilenos (PP), polieteretercetonas (PEEK), polietercetonacetona (PEKK), cloretos de polivinilas (PVC), fluoretos de polivinilideno (PVDF), politetrafluoroetilenos (PTFE), e silicones, e - termoendurecedores, tais como epóxis, poliésteres, poliuretanos, e acrílicos.
[0019] O núcleo de material orgânico pode, vantajosamente, possuir um tamanho de partícula de entre 300 nm e 10 mm, e preferivelmente entre 5 μm e 300 μm.
[0020] Para obter as partículas condutivas revestidas, os pós de material orgânico, com qualquer tipo de morfologia, tamanho de partícula, e natureza, são submetidos às camadas por revestimento.
[0021] O núcleo de material orgânico pode, vantajosamente, ser em uma forma lamelar ou esférica ou na forma de um floco, uma rosca, ou um grânulo com uma forma irregular, esponjosa.
[0022] O material compósito condutivo de acordo com a invenção pode, vantajosamente, apresentar uma resistividade elétrica de entre 16,10-9 Q.m e 100 Q.m.
[0023] O material compósito condutivo de acordo com a invenção pode, vantajosamente, apresentar uma condutividade térmica de entre 2 W.m-1.K-1 e 50 W.m-1.K-1, e, preferivelmente, entre 5 W.m-1.K-1 e 10 W.m- 1.K-1.
[0024] O núcleo de material orgânico pode, vantajosamente, compreender cargas termicamente e/ou eletricamente condutivas.
[0025] Estas cargas termicamente e/ou eletricamente condutivas podem ser revestidas com um material condutor elétrico e/ou térmico como aqueles definidos na descrição.
[0026] Estas cargas termicamente e/ou eletricamente condutivas podem, preferivelmente, ser revestidas com um material condutor elétrico e/ou térmico de grafite, grafeno, nanotubo de carbono, fibra vegetal ou tipo polímero condutivo.
[0027] A invenção demonstra a vantagem do uso de pós revestidos para produção de materiais compósitos funcionais (condutibilidades térmicas e/ou elétricas).
[0028] A funcionalidade da condutividade é muito realçada em virtude da presença da fase condutiva na superfície da partícula.
[0029] As microestruturas ideais são observadas com a presença de uma rede condutiva interligada, como um tipo de malha tridimensional.
[0030] Assim como o aspecto do ganho econômico representado por esse conceito, permitindo assim a aquisição das características de alta condutividade para baixas proporções de carga, o uso de tal pó simplifica o uso do mesmo por evitar as operações complexas e delicadas de misturação de componentes, que levam inevitavelmente aos problemas de não homogeneidade.
[0031] Além disso, as condutibilidades térmicas dos materiais compósitos obtidos de acordo com a invenção com pós revestidos com prata são superiores ao valores dos melhores materiais compósitos dos dias de hoje (1 W.m-1.K-1 a 3 W.m-1.K-1) e situa entre 2 W.m-1.K-1 e 50 W.m-1.K- 15 W m-1 K-1 e referivelmente entre 5 W m-1 K-1 e 10 W m-1 K-1 .m . , e, pre er ve men e, en re .m . e .m . .
[0032] Os materiais compósitos podem ser fabricados como um componente acabado (sinterização, moldagem por injeção, etc.), ou como um faixa, ou como uma película, as quais são deformáveis por termoformação, por exemplo.
[0033] Estes pós podem ser empregados, tais como para a produção de camadas funcionais por camadas de pó. Os pós do compósito revestido também podem ser empregados na impregnação de têxteis industriais.
[0034] Também deve ser observado que os materiais que absorvem ondas de radar (ou RAM: “RADAR ABSORBENT MATERIALS”, em português “materiais absorvedores de radar) podem ser produzidos.
[0035] A presente invenção da mesma maneira provê um método para fabricação de um material compósito condutivo como definido de acordo com a invenção, que compreende as seguintes etapas: a) fornecer e/ou produzir partículas orgânicas carregadas ou não carregadas; b) revestir as ditas partículas orgânicas com uma ou mais camadas de pelo menos um material condutor térmico e/ou elétrico, para formar partículas condutivas, c) conformar as ditas partículas condutivas para formar uma película condutiva ou um componente cujo formato terá sido definido de antemão, o método sendo distinguido pelo fato de que a etapa b) de revestir as ditas partículas orgânicas é realizada: - ou empregando uma tecnologia de tratamento de superfície seca, as ditas partículas sendo colocadas na suspensão em um leito fluidificado de duas fases, ou por meios mecânicos de rotação ou vibração; - ou por empregar uma tecnologia de tratamento de superfície úmida que envolve reações de oxidação-redução de precipitação ou de polimerização na superfície das partículas, as ditas partículas sendo colocadas na suspensão em um leito fluidificado de três fases, ou por meios mecânicos ou magnéticos de agitação.
[0036] Assim como métodos de revestimento químico seco, pode ser feita menção em particular de métodos de revestimento físico ou químico e também tratamentos termoquímicos com dispersão.
[0037] O revestimento das partículas orgânicas (etapa b) é seguido pela conformação das partículas condutivas deste modo obtidas (etapa c).
[0038] A conformação destas partículas de compósitos por várias técnicas, geralmente empregadas no campo da tecnologia de plásticos, leva à produção de componentes acabados ou semi-acabados tendo estruturas bastantes particulares. Isto é porque a presença da fase condutiva na superfície das partículas orgânicas naturalmente permite uma rede condutiva tridimensional ser obtida, a qual é interligada após a densificação, como mostrado esquematicamente na figura 2.
[0039] A etapa c) de conformar as partículas condutivas revestidas pode, vantajosamente, ser realizada por meio de técnicas selecionadas de sinterização seguida de rolamento, prototipagem, termoformação, ou pulverização térmica.
[0040] As vantagens e características adicionais da presente invenção aparecerão mais claramente a partir da leitura da descrição a seguir, que é dada como um exemplo ilustrativo e não limitante, e que se refere às figuras anexas, em que: - a figura 1 mostra uma vista esquemática das partículas condutivas de acordo com a invenção; - a figura 2 mostra uma vista esquemática da estrutura obtida após a conformação das partículas condutivas; - a figura 3A mostra uma visão microscópica dos núcleos de polietileno orgânicos antes do revestimento; - a figura 3B mostra uma visão microscópica das partículas de polietileno após o revestimento com prata por camada química; - a figura 4A mostra uma vista secional microscópica dos núcleos de polietileno orgânico revestidos com 20% em massa de prata; - a figura 4B mostra a vista secional microscópica dos núcleos de polietileno orgânico revestidos com 20% em massa de prata; - as figuras 5A e 5B mostram as vistas secionais microscópicas dos núcleos de PTFE orgânico revestidos com 40% em massa de prata; - as figuras 6A e 6B mostram as vistas secionais microscópicas dos núcleos de PEKK orgânico revestidos com 30% em massa de óxido de estanho; - a figura 7 ilustra um componente obtido após a sinterização das partículas de polietileno (PE) revestidas com prata; - a figura 8 ilustra a microestrutura do componente resultante após a sinterização das partículas de PE revestidas com prata; - a figura 9 ilustra a microestrutura de um material condutivo obtido a partir de uma mistura de pó de polietileno e pó de prata.
[0041] Nestes exemplos, a não ser que de outra forma indicado, todas as porcentagens e partes são expressas como porcentagens em massa.
Exemplos Exemplo 1, inventivo
[0042] Os testes de revestimento com prata foram realizados em um pó de polietileno de baixa densidade com um tamanho de partícula de entre 50 e 500 μm e uma morfologia irregular. A camada de prata é conduzida em um banho químico autocatalítico (leito fluidificado de três fases).
[0043] As proporções em massa de prata de 10% (exemplo 1B) e 20% (exemplo 1A) em relação ao peso total da mistura de polietileno + prata são aplicadas na forma de uma camada uniforme para a superfície das partículas de polietileno (PE), como demonstrado pelas imagens apresentadas nas figuras 3A, 3B, 4A e 4B.
[0044] Após a análise do corte transversal das partículas revestidas com 20% em massa de prata, a presença é encontrada de uma camada de prata contínua e densa de aproximadamente 1 μm na superfície das partículas de polietileno (figuras 4A e 4B).
[0045] Estes pós revestidos podem ser empregados como qualquer componente de acordo com as categorias convencionais na tecnologia de plásticos. A conformação destes pós produz produtos acabados ou semiacabados pelas técnicas, tais como extrusão, moldagem por injeção, sinterização, prototipagem, etc. Deve ser observado que as tecnologias de formação que dão origem às tensões de cisalhamento elevado no material não são mais adequadas para a obtenção de desempenho de ideal condutividade.
[0046] As partículas de polietileno revestidas como indicado acima são subsequentemente conformadas pela sinterização (moldagem) sob carga, para produzir um disco com um diâmetro de 30 mm e uma espessura de 5 mm. A conformação é realizada em uma temperatura de 160°C para o polietileno. O objetivo destes testes preliminares é caracterizar a estrutura dos materiais, de um lado, e suas resistividades elétricas, por outro (e, por esse motivo, suas condutibilidades elétricas). O componente obtido é mostrado na figura 7.
[0047] A microestrutura do material é analisada por meio de microscopia óptica após o polimento de sua superfície. As imagens são mostradas na figura 8. O polimento do material com base em polietileno é dificultado por causa de sua elasticidade, o que dá origem aos fenômenos de fluxo de plástico durante a operação. Uma microestrutura clara não é, por esse motivo, fácil de demonstrar. No entanto, a presença da prata na periferia das partículas pode ser obtida, e lá também forma uma rede interligada e tridimensional.
Exemplo 2, comparativo
[0048] Para comparação, um material compósito condutivo foi produzido a partir de uma mistura convencional de pó de polietileno e um pó de prata. A proporção em massa de pó de prata foi ajustada em 70% em relação ao peso total da mistura. Uma mistura deste tipo produz um material compósito condutivo tendo propriedades de condutividade equivalentes ao material compósito produzido de acordo com a invenção, a saber, compreendendo partículas orgânicas revestidas com prata, mas com uma proporção muito grande de pó de prata. A microestrutura de um tal material é mostrada na figura 9. Claramente evidente é a presença da prata na forma pulverulenta em proporção substancial. Uma proporção em volume de prata deste tipo permite a formação aqui de uma rede suficientemente contínua das partículas de prata para produzir uma baixa resistividade dentro do material. Comparação das propriedades dos materiais compósitos condutivos do exemplo inventivo 1 e do exemplo comparativo
[0049] A resistência elétrica foi medida por meio de um micro ohmímetro, com uma distância entre eletrodos de 2 cm e sem pressão de contato. Os resultados obtidos são registrados na tabela 1 abaixo: Tabela 1
Figure img0001
[0050] A Tabela 2 abaixo lista os valores da resistividade elétrica e condutividade térmica de alguns materiais a título de exemplo: Tabela 2
Figure img0002
[0051] A Tabela 1 demonstra os resultados das medições da resistência em vários materiais condutivos (inventivos ou não).
[0052] A resistência muito baixa (ou resistividade) dos materiais testados é notada. É observado que para os compósitos produzidos a partir dos pós revestidos, uma proporção muito baixa de prata é suficiente para garantir máxima condutividade elétrica. Por meio de comparação, 3,5 vezes mais prata é necessária em um material convencional (exemplo 2) produzido a partir de uma mistura de pó do que em um material compósito de acordo com a invenção (exemplo 1), para obter uma resistividade da mesma ordem. Além do mais, também pode ser notado que um ganho muito substancial em termos da densidade destes materiais compósitos é obtido, esta sendo a consequência direta de uma menor proporção de prata. Para uma determinada resistividade, a densidade muda de 3,1 g/cm3 para o compósito a 6,3 g/cm3 para a mistura de pós.
[0053] Por fim, a característica mecânica da flexibilidade no polietileno é apenas um pouco afetada para o material compósito, considerando que o material obtido por meio de misturação tende a se tornar bastante rígido.
[0054] Deve ser observado que diferentes pós de suporte também podem ser considerados para cobertura, a fim de produzir os materiais compósitos mais ou menos elásticos e/ou mais ou menos duros (termoplásticos, termoendurecedores e elastômeros com massas moleculares variáveis e densidade variáveis, como, por exemplo, PEs, PPs, PEEK, PEKK, PVC, PVDF, PTFE, silicone, epóxis, poliésteres, poliuretanos, etc.).
[0055] Vários revestimentos nas partículas são possíveis que não sejam Ag: Cu, Nb, SnO2, AlN, Ti, etc.
[0056] Alguns destes compósitos produzidos desse modo são muito receptivos à usinagem.
Exemplo 3, inventivo
[0057] Os testes de revestimento com prata foram realizados em um pó de PTFE tendo um tamanho de partícula de entre 10 μm e 100 μm e uma morfologia irregular. A aplicação de prata é realizada em um banho químico autocatalítico (leito fluidificado de três fases).
[0058] Uma proporção em massa de prata de 40% em relação ao peso total da mistura de PTFE + prata é aplicada na forma de um revestimento, com uma espessura de aproximadamente 1 μm, que é densa e contínua na superfície das partículas de PTFE, como demonstrado pelas análises de corte transversal mostradas nas figuras 5A e 5B.
[0059] A conformação destas partículas revestidas pelas técnicas, tais como sinterização, como descrito acima, permite o material ser dotado não apenas com a condutividade elétrica associada com a prata, mas também com o caráter antiaderente e auto-lubrificante inerente ao PTFE.
Exemplo 4, inventivo
[0060] Os testes de revestimento com óxido de estanho foram realizados em um pó de PEKK (polietercetonacetona) tendo um tamanho de partícula de entre 50 μm e 300 μm e uma morfologia esponjosa. A aplicação de óxido de estanho é obtida Poe meio de precipitação úmida (leito fluidificado de três fases).
[0061] Uma proporção em massa de óxido de estanho de 30% em relação ao peso total da mistura de PEKK + óxido de estanho é aplicada na forma de um revestimento, com uma espessura de entre 1 e 2 μm, que é uniforme na superfície das partículas de PEKK, como demonstrado pelas análises do corte transversal mostradas nas figuras 6A e 6B.
[0062] A conformação destas partículas revestidas pelas técnicas, tais como sinterização, como descrito acima, permite o material ser dotado com um caráter antiestático, associado com a presença de um óxido de estanho, e permite uma temperatura máxima de serviço permissível muito elevada (~250°C continuamente) a ser obtida, que é uma das características inerentes de PEKK.

Claims (10)

1. Material compósito condutivo denso sinterizado que compreende uma rede interligada de partículas condutivas, em que as ditas partículas condutivas compreendem um núcleo de material orgânico revestido com pelo menos uma camada de um material condutor térmico e/ou elétrico, caracterizado pelo fato de que a totalidade das partículas é interligada dentro da estrutura interna do dito material compósito condutivo, deste modo formando uma rede tridimensional contínua de material condutivo, em que o núcleo de material orgânico possui um tamanho de partícula entre 50 μm e 300 μm, em que o núcleo de material orgânico é um termoplástico selecionado de polietilenos (PE), polipropilenos (PP), polieteretercetonas (PEEK), polietercetonacetona (PEKK), cloretos de polivinilas (PVC), fluoretos de polivinilideno (PVDF), politetrafluoroetilenos (PTFE), e silicones, e em que a camada de material condutivo é feita de material metálico ou cerâmico, e em que a proporção em massa da camada de um material condutor térmico e/ou elétrico do dito compósito condutivo representa entre 5% e 20% em peso do peso total do material compósito condutivo.
2. Material compósito condutivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito material compósito condutivo está na forma de uma película ou um objeto tridimensional.
3. Material compósito condutivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito núcleo de material orgânico está em uma forma lamelar ou esférica ou na forma de um floco, uma película, ou um grânulo com uma forma irregular, esponjosa.
4. Material compósito condutivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que exibe uma resistividade elétrica de entre 16,10-9 Q.m e 100 Q.m.
5. Material compósito condutivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que exibe uma condutividade térmica de entre 2 W.m-1.K-1 e 50 W.m-1.K-1.
6. Material compósito condutivo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que exibe uma condutividade térmica de entre 5 W.m-1.K-1 e 10 W.m-1.K-1.
7. Material compósito condutivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito núcleo de material orgânico compreende as cargas termicamente e/ou eletricamente condutivas.
8. Material compósito condutivo de acordo com reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que as ditas cargas condutivas são revestidas com um material condutor térmico e/ou elétrico de grafite, grafeno, nanotubo de carbono, fibra vegetal ou tipo polímero condutivo.
9. Método para fabricação de um material compósito condutivo como definido na reivindicação 1, que compreende as seguintes etapas: a) fornecer e/ou produzir partículas orgânicas carregadas ou não carregadas, as partículas orgânicas tendo um tamanho de partícula entre 50 μm e 300 μm e sendo partículas termoplásticas selecionadas de polietilenos (PE), polipropilenos (PP), polieteretercetonas (PEEK), polietercetonacetona (PEKK), cloretos de polivinilas (PVC), fluoretos de polivinilideno (PVDF), politetrafluoroetilenos (PTFE), e silicones; b) revestir as ditas partículas orgânicas com uma ou mais camadas de pelo menos um material condutor térmico e/ou elétrico, para formar partículas condutivas, dita uma ou mais camadas são formadas de material metálico ou cerâmico, c) conformar as ditas partículas condutivas para formar uma película condutiva densa ou um componente denso cujo formato terá sido definido de antemão, a etapa de conformar as partículas condutivas é realizada por meio de técnicas selecionadas de sinterização, o dito método sendo caracterizado pelo fato de que a etapa b) de revestir as ditas partículas orgânicas é realizada: d) ou empregando uma tecnologia de tratamento de superfície seca, as ditas partículas sendo colocadas na suspensão em um leito fluidificado de duas fases, ou por meios mecânicos de rotação ou vibração; e) ou por empregar uma tecnologia de tratamento de superfície úmida que envolve reações de oxidação-redução de precipitação ou de polimerização na superfície das partículas, as ditas partículas sendo colocadas na suspensão em um leito fluidificado de três fases, ou por meios mecânicos ou magnéticos de agitação.
10. Método para fabricação de um material compósito condutivo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a sinterização da etapa c) de conformar as ditas partículas condutivas é seguida de rolamento, prototipagem, termoformação, ou pulverização térmica.
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