Procedimiento y aparato para extrudir materiales con canales capilares.

Procedimiento para producir un producto de película extrudido que presenta una pluralidad de canales capilares que lo atraviesan,

comprendiendo el procedimiento los pasos de:

a) proporcionar un aparato de extrusión que comprende una extrusora con una entrada, una matriz que incluye un orificio de forma exterior predeterminada, una pluralidad de inyectores de fluido que presentan, cada uno, un cuerpo que incluye un conducto interno para el flujo de fluidos y que comprenden además, cada uno, una salida del conducto interno en un extremo de salida, estando el extremo de salida de cada inyector dispuesto según un patrón predeterminado esencialmente dentro del orificio de la matriz y estando el conducto de cada inyector conectado de manera que permite el paso de fluidos a una fuente de fluido;

b) alimentar material apto para la extrusión a la extrusora a través de la entrada;

c) forzar el material apto para la extrusión hacia la matriz y a través del orificio en la matriz para producir una película extrudida con la forma exterior predeterminada;

d) utilizar los inyectores para permitir que el fluido pase desde la fuente de fluido a través del conducto y sea incluido en el producto de película extrudido con el fin de formar capilares, de manera que la película extrudida incluye capilares llenos de fluido a lo largo de la misma según el patrón predeterminado;

caracterizado por

e) un enfriamiento brusco de la película extrudida cuando ésta sale de la matriz aplicando como mínimo un chorro de fluido a presión a la película extrudida en un lugar como máximo a 3 mm del orificio de la matriz.

Procedimiento y aparato para extrudir materiales con canales capilares

Campo de la invención La presente invención se refiere a materiales procesables por extrusión que presentan una pluralidad de canales capilares que los atraviesan, así como a los aparatos y procedimientos para producir tales materiales. Los capilares pueden estar ocupados por gases, líquidos u otras fases. Los materiales pueden ser espumas anisótropas que tienen un gran volumen relativo de espacios vacíos.

Estado de la Técnica Normalmente, la espuma polimérica convencional se procesa por extrusión, por ejemplo como se describe en Tuladhar, TR y Mackley, MR, "Experimental observations and modelling relating to foaming and bubble growth from pentane loaded polystyrene melts", Chemical Engineering Science, vol. 59 (24) , 5997-6014, 2004. El producto resultante contiene un volumen relativo de espacios vacíos isótropo aleatorio, que es intrínsecamente difícil de controlar y predecir.

Las películas o cintas termoplásticas con múltiples canales capilares paralelos anisótropos que se extienden a su través se conocen como películas microcapilares ("MCF" = microcapillar y films) . Las MCF y su producción se describen en el documento WO 2005/056272. Normalmente, las MCF presentan aproximadamente un 5-6% de volumen relativo de espacios vacíos, en base a análisis ópticos y según la geometría de matriz y el dispositivo inyector de aire.

Es deseable conseguir MCF que tengan un volumen relativo de espacios vacíos mucho mayor con el fin de proporcionar estructuras tipo espuma anisótropas con canales paralelos. Tales materiales ofrecen interesantes propiedades mecánicas y la posibilidad de nuevas aplicaciones. Los intentos anteriores de producir MCF con un gran volumen relativo de espacios vacíos mediante una inyección de gas aguas arriba han fracasado debido a la formación de burbujas en los capilares (Hallmark B, The Development of Microcapillar y Films, PhD Thesis, Chapter 3, University of Cambridge, UK, 2005.)

Sumario de la invención Según un aspecto de la invención, se proporciona un procedimiento para producir un producto extrudido que presenta una pluralidad de canales capilares que lo atraviesan, comprendiendo el procedimiento los siguientes pasos:

a) proporcionar un aparato de extrusión que comprende una extrusora con una entrada, una matriz que incluye un orificio de forma exterior predeterminada, una pluralidad de inyectores de fluido que presentan, cada uno, un cuerpo que incluye un conducto interno para el flujo de fluidos y que comprenden además, cada uno, una salida del conducto interno en un extremo de salida, estando el extremo de salida de cada inyector dispuesto según un patrón predeterminado esencialmente dentro del orificio de la matriz y estando el conducto de cada inyector

conectado de manera que permite el paso de fluidos a una fuente de fluido; b) alimentar material apto para la extrusión a la extrusora a través de la entrada; c) forzar el material apto para la extrusión hacia la matriz y a través del orificio en la matriz para conseguir un producto de extrusión con una forma exterior predeterminada; d) utilizar los inyectores para permitir que el fluido pase desde la fuente de fluido a través del conducto y sea incluido en el producto de extrusión con el fin de formar capilares, de manera que el producto de extrusión incluye capilares llenos de fluido a lo largo del mismo según el patrón predeterminado; y caracterizado por e) un enfriamiento brusco del producto de extrusión cuando éste sale de la matriz.

Se ha descubierto que mediante un enfriamiento brusco y rápido del producto de extrusión es posible obtener MCF estables con un gran volumen relativo de espacios vacíos. Puede obtenerse un producto con un volumen relativo de espacios vacíos de hasta aproximadamente un 30% utilizando una inclusión de aire o de otro fluido a presión ambiente; también se ha descubierto que es posible producir fácilmente un producto extrudido con un volumen relativo de espacios vacíos superior a aproximadamente un 30% inyectando fluido a presión a través de los inyectores. El proceso elimina los problemas de formación de burbujas en los capilares cuando se utiliza una fuente de fluido a presión. Se ha descubierto que, utilizando el proceso, es posible formar de manera controlable materiales alveolares termoplásticos anisótropos con un volumen relativo de espacios vacíos de hasta un 60%, y se cree que será posible obtener un producto extrudido anisótropo con un volumen relativo de espacios vacíos aun mayor, de hasta un 80% o un 90%.

Se entenderá que “enfriamiento brusco del producto de extrusión cuando éste sale de la matriz” debe interpretarse en sentido práctico, dado que, en la práctica, existirá siempre una distancia finita entre la salida de la matriz y el punto donde el producto de extrusión se ha enfriado lo suficiente como para resistir la deformación mecánica. El concepto “salida de la matriz” significa el primer lugar en el que los límites externos del producto de extrusión dejan de estar encerrados por la matriz. Preferentemente el enfriamiento se aplica al producto de extrusión a una distancia de la salida de la matriz inferior a aproximadamente 3 mm, preferentemente inferior a 2 mm y con especial preferencia a aproximadamente 1 mm o menos. Así, preferentemente la longitud de extracción de la masa fundida (distancia desde la salida de la matriz hasta el punto de enfriamiento brusco) sea lo más cercana a cero prácticamente posible. En esta realización, el enfriamiento brusco se logra mediante uno o más chorros de fluido, en particular chorros de aire a alta velocidad, que se dirigen directamente al producto de extrusión cerca de la salida de la matriz.

En una realización de la invención, la fuente de fluido es un suministro de gas comprimido regulado, en particular un suministro de aire a presión, que puede proporcionar una corriente de gas a presión a los inyectores de fluido. Los inyectores de fluido comprenden cuerpos huecos a cuyo través puede pasar un fluido, por ejemplo agujas. En las condiciones de extrusión de MCF convencionales, los inyectores son dispositivos pasivos que incluyen el aire de forma natural a la presión atmosférica. El efecto de utilizar gas a presión es inflar los capilares.

Normalmente, la película sometida a enfriamiento brusco se hace pasar a través de un par de rodillos prensadores y luego se bobina. Se ha descubierto que la presión de este proceso puede ser lo suficientemente alta como para destruir los capilares formados en un proceso de MCF convencional.

Entre las aplicaciones potenciales para el producto extrudido se incluyen: electroforesis capilar, por ejemplo para análisis de ADN, transferencia de calor, transporte de fluidos, microrreactores, aplicaciones biomédicas, encapsulación de líquidos, aplicaciones ópticas, productos alimenticios y aplicaciones de matriz porosa. Tales aplicaciones se describen en el documento WO 2005/056272 y el documento US nº de serie 10/582.465. Entre otros ejemplos no limitativos de aplicaciones para el producto alveolar anisótropo se incluyen el uso como conducto alimentario, farmacológico o de gas, por ejemplo pajitas, aplicaciones intra-corporales, o como accionadores neumáticos o hidráulicos con movimiento 'a prueba de chispas'. Otras aplicaciones potenciales incluyen aplicaciones de teledetección, tales como conductos para la detección de sustancias químicas, fármacos o contaminantes, y conductos de presión para medir presiones en diferentes puntos de un sistema o vehículo. Para su uso en las aplicaciones, el producto puede tener múltiples canales o puede cortarse para producir una pluralidad de productos de un solo canal.

Una consecuencia importante de la capacidad de fabricar cintas de espuma anisótropa es la posibilidad de obtener un monolito de espuma anisótropa termo-fusionando junto a una pila de cintas de espuma anisótropa. En una realización alternativa puede utilizarse una disposición bidimensional de inyectores para crear un monolito de espuma mediante extrusión directa. Se espera que tal material tenga propiedades mecánicas excepcionales que pueden adaptarse a aplicaciones concretas.

Preferentemente, el orificio de la matriz es esencialmente rectangular, de modo que la forma exterior resultante del producto extrudido es esencialmente rectangular. Preferentemente las dimensiones del orificio rectangular son tales que el producto extrudido constituye una lámina, una película o una cinta. El orificio rectangular tiene preferentemente un lado largo de una longitud al menos 5 veces mayor que el lado corto. Preferentemente la proporción es superior a 10, ya que esto puede permitir una mayor facilidad de flexión... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para producir un producto de película extrudido que presenta una pluralidad de canales capilares que lo atraviesan, comprendiendo el procedimiento los pasos de:

a) proporcionar un aparato de extrusión que comprende una extrusora con una entrada, una matriz que incluye un orificio de forma exterior predeterminada, una pluralidad de inyectores de fluido que presentan, cada uno, un cuerpo que incluye un conducto interno para el flujo de fluidos y que comprenden además, cada uno, una salida del conducto interno en un extremo de salida, estando el extremo de salida de cada inyector dispuesto según un patrón predeterminado esencialmente dentro del orificio de la matriz y estando el conducto de cada inyector conectado de manera que permite el paso de fluidos a una fuente de fluido;

b) alimentar material apto para la extrusión a la extrusora a través de la entrada;

c) forzar el material apto para la extrusión hacia la matriz y a través del orificio en la matriz para producir una película extrudida con la forma exterior predeterminada;

d) utilizar los inyectores para permitir que el fluido pase desde la fuente de fluido a través del conducto y sea incluido en el producto de película extrudido con el fin de formar capilares, de manera que la película extrudida incluye capilares llenos de fluido a lo largo de la misma según el patrón predeterminado;

caracterizado por

e) un enfriamiento brusco de la película extrudida cuando ésta sale de la matriz aplicando como mínimo un chorro de fluido a presión a la película extrudida en un lugar como máximo a 3 mm del orificio de la matriz.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el enfriamiento brusco se logra aplicando chorros de aire a presión a la película extrudida.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado porque el o cada chorro se aplica al producto de extrusión en un punto como máximo a 2 mm del orificio de la matriz.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la fuente de fluido es una fuente de fluido a presión.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque el fluido a presión es aire comprimido.

6. Procedimiento según la reivindicación 4 o la reivindicación 5, caracterizado porque el fluido a presión se inyecta con un flujo entre 0 y 26 cm3/min por inyector.

7. Procedimiento según la reivindicación 4 o la reivindicación 5, caracterizado porque el fluido a presión se inyecta con un flujo entre 11 y 16 cm3/min por inyector.

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 4-7, caracterizado porque el fluido a presión se suministra a una presión manométrica medida entre 0 y 150 milibar.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado porque el fluido a presión se suministra a una presión manométrica medida entre 0 y 10 milibar.

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende además el empleo de rodillos prensadores para arrastrar el producto extrudido a una velocidad de extracción entre 0, 8 y 15 m/min.

11. Aparato para producir un producto de película extrudido que incluye una pluralidad de canales capilares que lo atraviesan, comprendiendo el aparato una extrusora con una entrada, una matriz que incluye un orificio con una forma exterior predeterminada, una pluralidad de inyectores de fluido que presentan, cada uno, un cuerpo que incluye un conducto interno para el flujo de fluidos y que comprenden además, cada uno, una salida del conducto interno en un extremo de salida, estando el extremo de salida de cada inyector dispuesto según un patrón predeterminado esencialmente dentro del orificio de la matriz y estando el conducto de cada inyector conectado de manera que permite el paso de fluidos a una fuente de fluido, aparato en el que, en uso:

a) se alimenta material apto para la extrusión a la extrusora a través de la entrada;

b) la extrusora fuerza el material apto para la extrusión alrededor de los cuerpos de los inyectores hacia la matriz y a través del orificio en la matriz para producir una película extrudida con la forma exterior predeterminada;

c) los inyectores permiten que el fluido pase desde la fuente de fluido a través del conducto y sea incluido en el producto extrudido con el fin de formar capilares, de manera que el producto de película extrudido incluye capilares a lo largo del mismo según el patrón predeterminado;

caracterizado por d) medios para un enfriamiento brusco de la película extrudida cuando ésta sale de la matriz, comprendiendo dichos medios como mínimo una tobera dispuesta durante el uso para suministrar un chorro de fluido a 5 presión dirigido para incidir en la película extrudida como máximo a 3 mm del orificio de la matriz.

12. Aparato según la reivindicación 11, caracterizado porque los inyectores comprenden agujas.

13. Aparato según la reivindicación 11 o la reivindicación 12, caracterizado porque la fuente de fluido es una fuente de fluido a presión.

14. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 11-13, caracterizado porque la fuente de fluido es una fuente de aire comprimido.

15. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 11-14, caracterizado porque la o las toberas están dispuestas durante el uso para suministrar un chorro de fluido a presión dirigido para incidir en la película extrudida a menos de 2 mm del orificio de la matriz.

Aire comprimido

Dirección de flujo