Procedimiento y aparato para conformar sustratos de nanofibras uniformes.

Un método para conformar bandas continuas de nanofibras uniformes,

que comprende las etapas de:

proporcionar un orificio para múltiples fluidos, definiendo dicho orificio un paso de fluidos para dirigir un gas (34; 44;54) y un paso separado para dirigir material polímero a través de dicho orificio;

proporcionar al menos una boquilla de cortina de fluidos (36; 46; 56) colocada en asociación operativa con dichoorificio para múltiples fluidos;

suministrar material polímero fundido a dicho orificio para múltiples fluidos y suministrar simultáneamente un fluidogaseoso a dicho orificio de manera que dicho gas es dirigido a través del respectivo paso de gas de dicho orificiopara múltiples fluidos para incidir sobre el material polímero dirigido a través del respectivo paso de materialpolímero, con lo que se forma un patrón de pulverización de nanofibras procedentes de cada uno de dichos orificios,suministrar un fluido a través de al menos una boquilla de cortina de fluidos para formar una cortina de fluidos paracontrolar los patrones de pulverización de dichos orificios para múltiples fluidos; y

depositar dichas nanofibras sobre una superficie de recogida para conformar dicha banda continua de nanofibrasuniforme.

Procedimiento y aparato para conformar sustratos de nanofibras uniformes.

Referencia cruzada a la solicitud referida Esta solicitud reivindica el beneficio de la solicitud provisional anterior Nº 60/672.676, archivada el 19 de abril de

Campo técnico La presente invención se refiere generalmente a un método y aparato para preparar bandas continuas de nanofibras uniformes, y más específicamente se refiere a un método para preparar bandas continuas de nanofibras uniformes, en el que se utiliza una fuente de aire de proceso para alterar el patrón de pulverización y la calidad del material fibralado a medida que se extrae de un montaje de matriz que incluye un orificio para múltiples fluidos.

Antecedentes de la invención Las tecnologías de hiladura por fusión, que son conocidas en la técnica incluyen procedimientos de extrusión y soplado de la masa fundida, que manipulan el flujo de gases de proceso, tales como aire, y material polímero simultáneamente a través de un cuerpo de matriz para realizar la para el conformado del material polímero en una fibra continua o discontinua. En la mayoría de las configuraciones de boquillas de soplado de la masa fundida, se proporciona aire caliente a través de un paso formado en cada lado de una punta de la matriz. El aire caliente calienta la matriz y evita, de este modo, que se congele la matriz a medida que el polímero fundido sale y se enfría. De este modo, se evita que la matriz se llegue obturar con polímero solidificado. Además de calentar el cuerpo de la matriz, el aire caliente, que se denomina en ocasiones aire primario, actúa para extraer o adelgazar la masa fundida en filamento alargados del tamaño de micrómetros. En algunos casos, se emplea adicionalmente una fuente de aire secundario que incide sobre los filamentos extraídos de manera que fragmenta y enfría dichos filamentos antes de ser depositados en una superficie de recogida. Se sabe que las fibras de soplado de masa fundida típicas consisten en fibras con diámetros inferiores a 10 micrómetros.

Más recientemente, se han desarrollado métodos para conformar fibras con diámetros inferiores a 1, 0 micrómetros o 1000 nanómetros. Estas fibras se denominana a menudo fibras ultra-finas, sub-microfibras o nanofibras. Se conocen en la técnica métodos para producir nanofibras y a menudo hacen uso de una pluralidad de boquillas para múltiples fluidos, con lo que se suministra una fuente de aire a un paso de fluido interno y se suministra un material polímero fundido a un paso anular externo colocado de manera concéntrica alrededor del paso interno. Aunque las propiedades físicas de las bandas continuas de nanofibras resultan ventajosas para una variedad de mercados de materiales no tejidos, los productos comerciales sólo han alcanzado mercados limitados debido a sus costes asociados.

Las patentes de EE.UU. Nº 5.260.003 y Nº 5.114.631 de Nyssen, et al. describen un procedimiento y un dispositivo de soplado de masa fundida para la fabricación de fibras ultrafinas y esteras de fibras ultrafinas a partir de polímeros termoplásticos con diámetros medios de fibra de 0, 2-15 micrómetros. Se utilizan boquillas Lava para acelerar el gas de proceso a velocidad supersónica; sin embargo, se ha reconocido que el procedimiento así descrito resulta prohibitivamente caro tanto en costes de operación como de equipamiento,

Las Patentes de EE.UU. Nº 6.382.526 y Nº 6.520.425 de Reneker, et al., describen un método para preparar nanofibras forzando el material que forma las fibras concéntricamente alrededor de un paso anular interno de gas presurizado. El gas incide sobre el material que forma la fibra en un espacio de chorro de gas para romper dicho material en fibras ultrafinas. La Patente de EE.UU. Nº 4.536.361 de Torobin, muestra un método de formación de nanofibras similar en el que una boquilla de soplado coaxial tiene un paso interno para conducir un gas de soplado a una presión positiva a la superficie interna de un material de película líquido, y un paso externo para conducir el material de película. En la Patente de EE.UU. Nº 6.183.670 de Torobin et al, se muestra un método adicional para la formación de nanofibras.

El espaciado de las boquillas dentro del cuerpo de matriz puede estar dispuesto de manera que el material que sale de la disposición de boquillas pueda ser recogido de manera uniforme en una superficie de conformado. Se ha reconocido que una formación lineal de boquillas igualmente espaciadas puede dar lugar a un patrón en tiras que es visiblemente perceptible en la banda continua recogida. Se encuentra que las tiras reflejan el espaciado entre boquillas adyacentes. El efecto de formación de tiras que se ve en la banda continua se puede describir además como “colinas y valles” donde las “colinas” presentan un peso base notablemente más alto que el de los “valles. La industria se puede referir también a dichas incoherencias en el peso base como cintas de referencia.

Las Patentes de EE.UU. Nº 5.582.907 y Nº 6.074.869 están dirigidas a la formación de tiras observada en bandas continuas de soplado de masa fundida ordenando las boquillas en dos filas paralelas dispuestas linealmente estando cada una sustancialmente igualmente espaciadas. Adicionalmente, las dos filas de boquillas están compensadas de manera que dichas boquillas están escalonadas unas con respecto a las otras. Además, las boquillas escalonadas de las dos filas están en ángulo hacia dentro una hacia otra. De este modo, cada boquilla está usando un suministro respectivo de aire de proceso primario, pero carece de una fuente de aire auxiliar para ayudar al conformado de la banda continua. Estas patentes además afirman la existencia de interrupciones externas del material polímero por una fuente de gas alterna que desmerece el logro de conseguir suficiente uniformidad en la banda continua.

Permanece la necesidad de desarrollar un procedimiento que pueda utilizar orificios para múltiples fluidos para facilitar la distribución del polímero fundido y de un gas en la formación de nanofibras que incorpore además una fuente de gas auxiliar que ayude a una recogida de fibras uniforme por la anchura de la banda continua.

El documento US 6.183.670 muestra un método y un aparato para producir medios fibrosos de material compuesto que comprenden fibras de submicrómetros. Sin embargo, documento no muestra una boquilla de cortina de fluido separada además del orificio para múltiples fluidos.

Compendio de la invención La presente invención está dirigida a un método y aparato para preparar bandas continuas de nanofibras, en el que se utiliza una fuente de aire de proceso para alterar el patrón de pulverización y la calidad del material fibrilar extraído de un montaje de matriz que incluye un orificio para múltiples fluidos, Apropiadamente, el aire de proceso anteriormente mencionado se define en esta memoria como una fuente de aire alternativa o auxiliar aparte del aire de proceso primario, y dicho aire primario se suministra simultáneamente con el material polímero fundido al orificio para múltiples fluidos que forma la fibra. La fuente de aire auxiliar de la invención se distingue además del aire secundario, el cual se conoce también en la técnica como aire de enfriamiento. El aire auxiliar se puede describir también como una cortina de fluido continua de aire de escudo o de moldeo. Auque se prefiere el uso de aire, la invención contempla el uso de gases adecuados alternativos, tales como nitrógeno. Para el propósito de esta descripción, el aire auxiliar se denomina en esta memoria “boquilla de cortina de fluido” o “cortina de aire continua”.

Según la presente invención, en esta memoria se describe un método para formar bandas continuas de nanofibras uniformes. El método incluye un orificio para múltiples fluidos, en el que dicho orificio incluye un paso para dirigir un gas y un paso separado para dirigir un material polímero a través de dicho orificio. El método incluye además al menos una boquilla de cortina de fluido colocada en asociación operativa con el orificio para múltiples fluidos. Según el método de la presente invención, se suministran simultáneamente un material polímero fundido y un fluido de gas a los pasos respectivos separados del orificio para múltiples fluidos. El gas se dirige hacia el orificio para múltiples fluidos para incidir sobre el material polímero con lo que se forma un patrón de pulverización. Se dirige también un fluido a través de la boquilla de cortina de fluido para controlar el patrón de pulverización de la nanofibra extraída del orificio para múltiples fluidos y, posteriormente, se recoge la nanofibra sobre una superficie para conformar una banda continua... [Seguir leyendo]

1. Un método para conformar bandas continuas de nanofibras uniformes, que comprende las etapas de:

proporcionar un orificio para múltiples fluidos, definiendo dicho orificio un paso de fluidos para dirigir un gas (34; 44; 54) y un paso separado para dirigir material polímero a través de dicho orificio;

proporcionar al menos una boquilla de cortina de fluidos (36; 46; 56) colocada en asociación operativa con dicho orificio para múltiples fluidos;

suministrar material polímero fundido a dicho orificio para múltiples fluidos y suministrar simultáneamente un fluido gaseoso a dicho orificio de manera que dicho gas es dirigido a través del respectivo paso de gas de dicho orificio para múltiples fluidos para incidir sobre el material polímero dirigido a través del respectivo paso de material polímero, con lo que se forma un patrón de pulverización de nanofibras procedentes de cada uno de dichos orificios,

suministrar un fluido a través de al menos una boquilla de cortina de fluidos para formar una cortina de fluidos para controlar los patrones de pulverización de dichos orificios para múltiples fluidos; y

depositar dichas nanofibras sobre una superficie de recogida para conformar dicha banda continua de nanofibras uniforme.

2. Un método según la reivindicación 1, en el que dicho patrón de pulverización procedente de cada uno de dichos orificios para múltiples fluidos es generalmente cónico.

3. Un método según la reivindicación 1, en el que dicho orificio para múltiples fluidos es una configuración de ranuras.

4. Un método según la reivindicación 3, en el que dicha configuración de ranuras es una única ranura o una ranura doble.

5. Un método según la reivindicación 1, en el que dicha boquilla de cortina de fluidos define una ranura generalmente alargada a través de la cual el fluido es dirigido para la formación de dicha cortina de fluido.

6. Un método según la reivindicación 5, en el que dicha ranura alargada tiene configuración lineal.

7. Un método según la reivindicación 1, en el que dicho fluido suministrado a dicho orificio para múltiples fluidos y dicho fluido suministrado a dicha boquilla de cortina de fluido comprende cada uno un fluido gaseoso.

8. Un método según la reivindicación 1, que incluye, controlar la temperatura del orificio para múltiples fluidos con dicha cortina de fluido.

9. Un método según la reivindicación 8, en el que dicha etapa de control incluye elevar la temperatura del orificio para fluidos con dicha cortina de fluido.

10. Un método para conformar bandas continuas de nanofibras uniformes que comprende las etapas de:

proporcionar una disposición de una pluralidad de boquillas para múltiples fluidos (28) , definiendo cada una de dichas boquillas un paso de fluido interior, y un paso exterior que rodea a dicho paso interior para dirigir material polímero a través de dicha boquilla;

proporcionar al menos una boquilla de cortina de fluido (36; 46; 56) colocada en asociación operativa con cada una de las boquillas plurales para múltiples fluidos de dicha disposición;

suministrar material polímero fundido a dicha pluralidad de dichas boquillas para múltiples fluidos de manera que dicho material polímero es dirigido a través de los respectivos pasos externos de dichas boquillas, y suministrar simultáneamente un fluido a dichas boquillas de manera que dicho fluido es dirigido través del respectivo paso interno de cada una de dichas boquillas para incidir sobre el material polímero dirigido a trasvés del respectivo paso externo con lo que se forma un patrón de pulverización de nanofibras procedente de cada una de dichas boquillas.;

suministrar un fluido a través de al menos una de dichas boquillas de cortina de fluido para formar una cortina de fluido para controlar los patrones de pulverización de dichas boquillas para múltiples fluidos de dicha disposición; y

depositar dichas nanofibras sobre una superficie de recogida para conformar dicha banda continua de nanofibras uniforme.

11. Un método según la reivindicación 10, en el que dicho patrón de pulverización procedente de cada boquilla para múltiples fluidos es generalmente cónico.

12. Un método según la reivindicación 10, en el que dicha boquilla de cortina de fluido define una ranura generalmente alargada a través de la cual el fluido es dirigido para la formación de dicha cortina de fluido.

13. Un método según la reivindicación 12, en el que dicha ranura alargada tiene una configuración lineal.

14. Un método según la reivindicación 10, en el que dicho fluido suministrado a dichas boquillas para múltiples fluidos (28) y dicho fluido suministrado a dicha boquilla de cortina de fluido comprende cada uno un fluido gaseoso.

15. Un método según la reivindicación 10, que incluye proporcionar otra de dicha disposición de una pluralidad de boquillas para múltiples fluidos (28) y colocar dicha boquilla de cortina de fluido en una posición intermedia a dichas disposiciones de boquillas para múltiples fluidos.

16. Un método según la reivindicación 10, que incluye controlar la temperatura de las boquillas para múltiples fluidos con dicha cortina de fluido.

17. Un método según la reivindicación 16, en el que dicha etapa de control incluye elevar la temperatura de las boquillas de fluidos (28) con dicha corriente de fluido.

18. Un aparato para formar nanofibras, que comprende:

una disposición de una pluralidad de boquillas para múltiples fluidos (28) definiendo cada una de dichas boquillas un paso de fluido interno, y un paso externo que rodea a dicho paso interno para dirigir material polímero a través de dicha boquilla, formando cada una de dichas boquillas una patrón de pulverización de nanofibras formado a partir de dicho material polímero cuando el material polímero es incidido por el fluido dirigido a través de dicho paso interno; y

una boquilla de cortina de fluido (36; 46; 56) colocada en asociación operativa con cada una de dichas boquillas plurales para múltiples fluidos de dicha disposición, definiendo dicha boquilla de cortina de fluido una ranura a través de la cual el fluido es dirigido para controlar los patrones de pulverización de dichas boquillas para múltiples fluidos de dicha disposición.

19. Un aparato según la reivindicación 18, en el que dicha ranura de dicha boquilla de cortina de fluido tiene una configuración lineal alargada.

20. Un aparato según la reivindicación 18, en el que dicho patrón de pulverización de cada una de dichas boquillas para múltiples fluidos (28) es generalmente cónico.

21. Un aparato según la reivindicación 18, que incluye otra disposición de dicha pluralidad de boquillas para múltiples fluidos, estando colocada dicha boquilla de cortina de fluido (28) en una posición intermedia a dichas disposiciones de boquillas para múltiples fluidos.

22. Un aparato según la reivindicación 18, en el que dicha boquilla de cortina de fluido (28) influye en dichas boquillas para múltiples fluidos afectando a la punta de dichas boquillas.

23. Un aparato según la reivindicación 22, en el que dicha boquilla de cortina de fluido (28) eleva la temperatura de la punta de dichas boquillas para múltiples fluidos.