Aparato para producción de materiales fibrosos bidimensionales o tridimensionales de microfibras y nanofibras.

Un aparato para una producción de materiales fibrosos bidimensionales o tridimensionales de microfibras o nanofibras que comprende al menos una boquilla metálica (3) de hilatura conectada a un primer potencial,

un conjunto de electrodos (6) de un colector, el conjunto de los electrodos (6) del colector contiene al menos dos electrodos (6) del colector dispuestos en un plano, estando el conjunto en posición frente a la o las boquillas (3) y estando dispuesto con un espaciado constante entre sí y estando conectado a un segundo potencial, caracterizado porque comprende una placa colectora (7) o un cilindro colector (14) para recoger microfibras o nanofibras posadas entre pares de electrodos (6) adyacentes del colector, y la placa colectora (7) está provista de intersticios, a través de los cuales pasan los electrodos (6) del colector, mientras que la placa colectora (7) en la línea de su intersección o una tangente al cilindro colector (14) que es perpendicular a una línea de contacto con el plano de los electrodos (6) del colector forma con el plano de los electrodos (6) del colector un ángulo α, cuya amplitud varía entre 0° y 90°, estando dispuestos la placa colectora (7) o el cilindro colector (14) de forma móvil con respecto a los electrodos (6) del colector en una dirección situada en un plano que es perpendicular al plano de los electrodos (6) del colector y en el cual se encuentra el eje del electrodo (6), mientras que la dirección de movimiento de la placa colectora (7) o del cilindro colector (14) forma con dicho eje de electrodo (6) un ángulo β, cuya amplitud varía entre 0° y 90°.

Aparato para producción demateriales fibrosos bidimensionales o tridimensionales demicrofibras y nanofibras

Campo técnico

La presente invención se refiere a un aparato para una producción de materiales fibrosos bidimensionales y tridimensionales de microfibras y nanofibras que comprende un conjunto de boquillas de hilatura unidas a un primer potencial, un primer conjunto de electrodos en posición frente al conjunto de boquillas que están dispuestas con espaciado mutuo regular y unidos a un segundo potencial, y una placa colectora para recoger microfibras o nanofibras posadas entre pares de electrodos adyacentes.

Antecedentes de la invención Los aparatos conocidos hasta ahora para producción de microfibras y nanofibras que funcionan según el principio del campo electrostático de muy alta intensidad, cuyos efectos originan la fusión o disolución de polímeros dando estructuras fibrosas, utilizan muy frecuentemente electrodos colectores de placa. Los primeros métodos de hilatura de polímeros se patentaron ya a comienzos del siglo XX -documentos US0705671 (1900) , US0692631 (1902) , US2048651 (1934) [1]. Las fibras individuales depositadas sobre un electrodo de placa semejante se sitúan al azar, es decir, no se sitúan en ninguna dirección preferida. Esto se debe a una fase inestable de un chorro de polímero en movimiento, cuya trayectoria es muy complicada y espacialmente caótica antes de que incida sobre el electrodo colector.

Si el material producido está compuesto de microfibras o nanofibras dispuestas regularmente, las aplicaciones de tales materiales pueden extenderse ilimitadamente también en muchos nuevos campos y ramas modernas. Su prometedor potencial consiste en una mejora sustancial de sus propiedades morfológicas y en consecuencia sus propiedades mecánicas, fisiológicas, biológicas, físicas, ópticas y químicas, en concreto gracias particularmente a su estructurainterna orientada regularmente.

Diversas publicaciones tratan de los principios para procurar la disposición de esta manera de fibras depositadas. Se conocen dos métodos básicos. El primero utiliza un principio mecánico de arrollar fibras sobre un cilindro, barra o disco que giran rápidamente. El segundo principio, al que también se refiere la presente invención, utiliza un colector de recogida estático dividido en dos o más partes conductoras, separadas entre sí por un intersticio no conductor de un tamaño definido. El colector da forma a las líneas de fuerza de un campo electrostático actuante. La trayectoria del chorro de polímero está determinada por estas fuerzas electrostáticas y las fibras que caen sobre el colector de recogida se depositan paralelamente unas a otras en una dirección preferida en las zonas no conductoras del colector dividido. La estructura de las zonas conductoras y no conductoras del colector define las fuerzas electrostáticas actuantes, que influyen en el vuelo hasta ese momento aleatorio del chorro de polímero, y así controla su movimiento. El mecanismo de la deposición ordenada de fibras sobre el colector se puede deducir de estudios experimentales sistemáticos o bien de simulaciones numéricas de un modelo físico. En principio, estos métodos funcionan correctamente. En 2003 -2005, Dan Li et al. han publicado en revistas profesionales [2-4] el principio antes discutido.

La producción de materiales planos (2D) o con volumen (3D) utilizando aparatos similares está significativamente limitada, y no es posible producir materiales 2D de mayor tamaño y 3D más gruesos que tengan estructura regular. Así, la producción queda restringida exclusivamente a la fabricación de fibras orientadas individuales. En zonas no conductoras del colector dividido se depositan micro o nanofibras ordenadas, donde forman una delgada capa regular. El colector dividido se compone de conexiones conductoras generalmente metálicas separadas por la placa soporte no conductora que tiene alta resistividad (superior a 1016 .cm) . Las fibras depositadas sobre tal colector de recogida están conectadas mecánicamente con el mismo, por lo que cualquier uso práctico independiente ulterior de las mismas se encuentra limitado. La colocación de un sustrato subyacente en el colector dividido, o más bien entre emisor y colector, conduce a una degradación de las fuerzas electrostáticas estructuradas, cuyos efectos intervienen en la formación de la orientación de las fibras. Para aplicar los materiales producidos mediante este método, primeramente se tiene que retirar del colector la capa resultante y transferirla.

Rouhollaha Jalili et al. [5] describen un colector sencillo para acumulación de varias fibras orientadas en un haz común. El resultado no es una estructura plana, sino exclusivamente el haz de fibras. Tal muestra de fibras se preparó exclusivamente con la finalidad de posteriores análisis roengtenográficos y mecánicos de las propiedades del haz. No se menciona en [5] el uso práctico del haz de varias fibras y debido a las dimensiones alcanzadas (longitud de 30mm y diámetro de aproximadamente 0, 08 mm) , puede suponerse que no es significativo.

Las solicitudes de patente US2005-0104258A1 y PPVCZ2007-0727A3 tratan sobre una estructura de electrodo colector que genera cargas singulares, pero no se ocupan de ninguna formación y orientación ordenadas de las fibras. Una parte de la patente de EE.UU. US4689186 se refiere a un colector dividido, pero éste se utiliza para propósitos distintos y no está directamente involucrado en ninguna formación de fibras orientadas. La solicitud de patente EP2045375A1 describe un aparato para producción de materiales 2D o 3D compuestos de micro o nanofibras con estructura regular utilizando un colector de forma cilíndrica eléctricamente dividido, recogiéndose durante una rotación del mismo fibras orientadas. Mediante la solución descrita es posible producir materiales con

una dimensión restringida que está parcialmente limitada por el diámetro del colector giratorio. Una implementación del aparato para producir materiales de este tipo con mayor área (es decir, repitiendo varias veces la solución propuesta) es también complicada en la práctica y restringida linealmente, y por lo tantoineficaz.

Cuando se han de formar capas más gruesas (en 2D o en 3D) , las micro o nanofibras de menor resistencia, especialmente fibras hechas de biopolímeros, se rompen por su propio peso entre los electrodos colectores y por lo tanto se altera toda la estructura. Esto resulta limitante para cualquier tecnología de producción y para obtener materiales aplicables que tengan parámetros deseados.

Cuando se depositan fibras en capas más gruesas se produce una degradación del nivel de orientación, y la disposición de las fibras se hace nuevamente más aleatoria. Ello está provocado por un aumento progresivo de la carga eléctrica en las capas de fibras formadas, es decir, en aquellas partes del colector que deben permanecer no conductoras y sin carga eléctrica, para permitir el correcto funcionamiento del principio orientador de las fibras. Este efecto negativo provoca que se depositen fibras orientadas sólo en las capas inferiores del material, es decir, en aquellas capas que se depositaron en primer lugar al comienzo de la deposición; por el contrario, en las capas superiores prevalecen fibras con disposición al azar. Por esta razón se ha diseñado una estructura de un colector de recogida y un mecanismo automático en donde el mecanismo automático retira capas delgadas depositadas de micro o nanofibras y las superpone en capas más gruesas (en 2D o en 3D) de manera simultánea al proceso de hilatura.

Compendio de la invención Es un objeto de la presente invención permitir un control de propiedades morfológicas y otras propiedades resultantes de las mismas, de materiales micro o nanofibrosos producidos, y de ese modo conseguir mejores propiedades, también anisotrópicas, de estos nuevos materiales. Las propiedades resultantes de los materiales fibrosos producidos, en especial el grado de orientación, morfología, densidad, porosidad y las propiedades mecánicas, físicas, biológicas y químicas de las estructuras fibrosas, están influidas por los parámetros de proceso. Los nuevos materiales tienen grandes dimensiones macroscópicas en forma de objetos planos (2D) o con volumen (3D) . Se pueden utilizar diversos materiales de partida, preferiblemente polímeros, en concreto sintéticos o naturales, para un proceso de hilatura que conduzca ala producción demicro o nanofibras.

Este objeto se consigue mediante un aparato para producción de materiales fibrosos bidimensionales o tridimensionales de microfibras o nanofibras que comprende un conjunto de boquillas de hilatura conectadas a un primer potencial, un conjunto de electrodos en posición... [Seguir leyendo]

1. Un aparato para una producción de materiales fibrosos bidimensionales o tridimensionales de microfibras o nanofibras que comprende al menos una boquilla metálica (3) de hilatura conectada a un primer potencial, un conjunto de electrodos (6) de un colector, el conjunto de los electrodos (6) del colector contiene al menos dos electrodos (6) del colector dispuestos en un plano, estando el conjunto en posición frente a la o las boquillas (3) y estando dispuesto con un espaciado constante entre sí y estando conectado a un segundo potencial, caracterizado porque comprende una placa colectora (7) o un cilindro colector (14) para recoger microfibras o nanofibras posadas entre pares de electrodos (6) adyacentes del colector, y la placa colectora (7) está provista de intersticios, a través de los cuales pasan los electrodos (6) del colector, mientras que la placa colectora (7) en la línea de su intersección

o una tangente al cilindro colector (14) que es perpendicular a una línea de contacto con el plano de los electrodos

(6) del colector forma con el plano de los electrodos (6) del colector un ángulo , cuya amplitud varía entre 0° y 90°, estando dispuestos la placa colectora (7) o el cilindro colector (14) de forma móvil con respecto a los electrodos (6) del colector en una dirección situada en un plano que es perpendicular al plano de los electrodos (6) del colector y en el cual se encuentra el eje del electrodo (6) , mientras que la dirección de movimiento de la placa colectora (7) o del cilindro colector (14) forma con dicho eje de electrodo (6) un ángulo ß, cuya amplitud varía entre 0° y 90°.

2. El aparato para la producción de materiales fibrosos bidimensionales o tridimensionales de microfibras o nanofibras según la reivindicación 1, caracterizado porque la placa colectora (7) está provista de intersticios paralelos abiertos, estando dispuesto cada uno de ellos frente a uno de los electrodos (6) del colector, mientras que los salientes de la placa colectora (7) entre dos intersticios adyacentes están insertados en un espacio entre dos electrodos (6) adyacentes del colector.

3. El aparato para la producción de materiales fibrosos bidimensionales o tridimensionales de microfibras o nanofibras según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque el conjunto de los electrodos (6) del colector que tienen espaciado constante entre sí comprende al menos tres electrodos (6) paralelos del colector.

4. El aparato para la producción de materiales fibrosos bidimensionales o tridimensionales de microfibras o nanofibras según la reivindicación 1, caracterizado porque la placa colectora (7) comprende una superficie que está girada en dirección opuesta a los electrodos (6) del colector, estando dicha superficie cubierta con un sustrato separable para permitir quela capa demicrofibras o nanofibras sea envuelta por el sustrato.

5. El aparato para la producción de materiales fibrosos bidimensionales o tridimensionales de microfibras o nanofibras según la reivindicación 1, caracterizado porque la placa colectora (7) comprende una superficie que está girada en dirección opuesta a los electrodos (6) del colector y que está dotada de un rebaje para colocar las capas demicrofibras o nanofibras recogidas por la placa colectora (7) .

6. El aparato para la producción de materiales fibrosos bidimensionales o tridimensionales de microfibras o nanofibras según la reivindicación 1, caracterizado porquela forma dela sección transversal delos electrodos (6) del colector es cuadrada o rectangular y tiene una anchura de 0, 1 mm a 10 mm.

7. El aparato para la producción de materiales fibrosos bidimensionales o tridimensionales de microfibras o nanofibras según la reivindicación 6, caracterizado porquela forma dela sección transversal delos electrodos (6) del colector es cuadrada o rectangular y tiene una anchura de 1 a 5 mm.

8. El aparato para la producción de materiales fibrosos bidimensionales o tridimensionales de microfibras o nanofibras según la reivindicación 1, caracterizado porque los electrodos (6) del colector están separados uno de otro por un intersticio de airemientras están distanciados lateralmente entre sí de 0, 1mm a 200 mm.

9. El aparato para la producción de materiales fibrosos bidimensionales o tridimensionales de microfibras o nanofibras según la reivindicación 8, caracterizado porque los electrodos (6) del colector están distanciados lateralmente entre sí de 1 mm a 100 mm.