Boquilla de hilado combinada para la fabricación de materiales nanofibrosos y microfibrosos.

Boquilla de hilado combinada para la producción de materiales de nanofibras o microfibras,

caracterizada por que comprende un electrodo de pared delgada (1) y un primer cuerpo no conductor (2) adyacente a la primera pared de dicho electrodo de pared delgada, teniendo dicho primer cuerpo no conductor (2) su pared, que está vuelta hacia el electrodo de pared delgada (1), provista de una disposición de ranuras (5) formadas en la misma, conduciendo dichas ranuras al extremo distal (6) de la boquilla de hilado combinada y teniendo sus extremos distales conectados a un suministro de una mezcla de hilado.

Boquilla de hilado combinada para la fabricación de materiales nanofibrosos y microfibrosos CAMPO TÉCNICO

La invención se refiere a un dispositivo para fabricar materiales nanofibrosos o microfibrosos, que comprende una boquilla combinada conectada a uno de los puntos de potencial eléctrico de una fuente de energía de alto voltaje y conectada, por medio de canales de distribución, a un dispositivo para proporcionar una mezcla polimérica, siendo dicha boquilla hecha pasar por el aire que fluye en íntima proximidad de la mezcla polimérica apropiadamente conformada.

TÉCNICA ANTERIOR

El método de hilado electrostático utilizado para producir materiales nanofibrosos o microfibrosos se basa en la utilización de dos electrodos conectados a puntos de potencial eléctrico inversos. Uno de dichos electrodos sirve para proporcionar una solución polimérica y para conformar la misma en formas curvadas que tengan radios de curvatura pequeños. Debido a la acción de las fuerzas inducidas por un fuete campo eléctrico, se forma un denominado cono de Taylor y, simultáneamente, se crea una fibra siendo ésta última atraída por las fuerzas electrostáticas hacia otro, a saber, el electrodo opuesto que tiene la polaridad opuesta y que sirve para capturar las fibras volantes. Después de que hayan sido capturadas, las fibras sucesivamente forman una capa continua sobre la superficie de dicho electrodo opuesto, la capa que está compuesta de fibras dispuestas aleatoriamente con un pequeño diámetro (generalmente comprendido entre decenas de nanómetros y varias micras) . Con el fin de hacer realmente posible la creación de una fibra en el fuerte campo eléctrico, se deben cumplir un cierto número de condiciones con respeto a las propiedades físicas y químicas de la propia solución polimérica así como respecto a las influencias ambientales y a la geometría de los electrodos.

En el método de hilado electrostático, la fibras individuales son formadas a partir de la superficie de la mezcla polimérica bajo la acción de las fuerzas electrostáticas. Las soluciones líquidas o viscosas están sometidas a fuerzas cohesivas y fuerzas de capilaridad. Las fuerzas de capilaridad dependen de la tensión superficial y del tamaño del elemento de la superficie del respetivo líquido en proporción directa y de su radio de curvatura en proporción inversa. Si el radio de curvatura se reduce, las fuerzas internas en el líquido, que actúan sobre la capa superficial del líquidos entre otras, aumentarán, haciendo que la presión en el interior de la mezcla polimérica líquida o viscosa aumente proporcionalmente. Tal reducción del radio de curvatura tiene lugar, por ejemplo, en los capilares delgados en los que se producen los efectos de la elevación o depresión de capilaridad. Los efectos anteriormente mencionados (particularmente los de depresión de capilaridad) son preferiblemente utilizados para adaptar la forma de una mezcla polimérica antes de iniciar el propio proceso de hilado. Para hacer posible la creación del cono de Taylor y la salida a chorro del polímero procesado, las fuerzas electrostáticas externas deben superar las de cohesión y capilaridad. La creación del cono de Taylor está principalmente ayudado por la curvatura de la superficie de la mezcla polimérica que se consigue por medio de una boquilla con forma apropiada (la reducción de la curvatura de superficie dará lugar a fuerzas de capilaridad que, a su vez, harán que la presión dentro de una gota aumente y actué hacia para rotura de la capa de superficie de la gota y de este modo para la destrucción de la propia gota) . En este sentido, el uso de una capilaridad delgada, en la que es forzada la mezcla polimérica procesada, será más beneficiosa para el proceso de hilado electrostático. La mezcla adopta entonces forma de gota en el área alrededor del orificio de la capilaridad. Se hará que la mezcla salga a chorro (y la iniciación del propio proceso será habilitado, cuando las mezclas poliméricas con propiedades de hilado desfavorable sean procesadas) bajo la acción de las fuerzas electrostáticas que son más débiles que las que actúa en una gota formada libremente de la mezcla polimérica (que tiene un mayor diámetro de curvatura de superficie) . Por lo tanto, el principio más esencial y más comúnmente aplicado de una boquilla de hilado implica una aguja hueca en combinación con el suministro continuo de una mezcla polimérica que sea presionada a la fuerza al interior de la boquilla. Debido a las razones anteriores, ha sido desarrollada una pluralidad de tipos principales diferentes de boquillas de hilado. En este sentido, son factibles las siguientes configuraciones:

Principalmente, se conoce una aguja de capilaridad delgada utilizada como boquilla de hilado. Con toda probabilidad, este tipo de boquilla es la más extendida en cuanto a la preparación de nanofibras y microfibras respecta. La principal ventaja incluye la simplicidad y el suministro relativamente fácil y la conformación de la mezcla polimérica procesada en forma de gota que tenga un diámetro muy pequeño que facilite la creación del cono de Taylor así como de la fibra producida posteriormente (que también es ayudada por un marcado gradiente del campo electrostático generado en el área de la punta de la aguja, en donde las fuerzas electrostáticas que actúan localmente son multiplicadas, haciendo de este modo la creación de fibras más fácil) . Las boquillas de capilaridad son frecuentemente utilizadas en dispositivos de laboratorio pero no son lo suficientemente eficientes para las necesidades de la producción industrial, Una solución similar se describió en las patentes de Estados Unidos Nº 0705691 y 0692631 publicadas en los años 1900 y 1902 respectivamente y que se refiere a las dispersiones líquidas, en donde los procesos están basados en los principios que son iguales a los del método de hilado electrostático contemporáneos.

Otra boquilla de hilado conocida consta de una aguja de capilaridad desplazable. La aguja de capilaridad realiza un

movimiento lateral (similar al de una cabeza de impresión) con el fin de cubrir un área mayor del electrodo opuesta durante la aplicación de las fibras que forman la capa de revestimiento. En principio, sin embargo, la realización está basada en el tipo anterior. Aunque la aguja es capaz de producir materiales fibrosos en grades volúmenes, su productividad total continúa siendo muy baja.

Además, las boquillas de distribución son conocidas. Tales boquillas también se basan en el primer tipo descrito anteriormente, estando las agujas de capilaridad agrupadas juntas en cantidades mayores con el fin de incrementar la productividad de los procesos de hilado correspondientes, como se expone por ejemplo en las solicitudes de patente WO2007035011 (A1) , WO2004016839 (A1) , y WO2007061160 (A1) . La principal desventaja de tales boquilla de distribución es representada por los problemas relacionados con la distribución desigual de las soluciones de hilado y la tendencia de las boquillas a ensuciarse (obturarse) lo que requiere posterior limpieza exigente y demanda más mantenimiento total.

Otra boquilla de hilado conocida es una boquilla coaxial. Las boquillas coaxiales de capilaridad dobles delgadas son suministradas con dos mezclas poliméricas que son de diferente tipo. Por tanto, las fibras finales tienen sus núcleos y vainas hechas de diferentes materiales.

Sin embargo, los electrodos de hilado también son conocidos en la técnica. Tales electrodos utilizan la ondulación natural (curvatura) de las superficies libres o capas delgadas de mezclas poliméricas para transformar esta últimas en fibras por medio de las fuerzas inducida por los campos electrostáticos. Para este tipo de boquillas, se espera un mayor nivel de productividad de procesamiento. Esto se basa en la suposición de que los conos de Taylor se pueden echar simultáneamente en múltiples localizaciones de una superficie libre. Sin embargo, la suposición anterior no ha sido probada experimentalmente hasta ahora. Además, la aplicación de tales sistemas está limitada a un rango reducido de polímeros que se puedan hilar de forma fácil. La principal desventaja, es crítica en técnicos de producción a gran escala, consiste en la variación de las propiedades de las soluciones durante los procesos de hilado debido a que este último se realiza en condiciones ambientales abiertas en las que los componentes de las soluciones están sometido a la evaporación natural y a los cambios no controlados de los parámetros físicos y químicos.

En tales casos, la formación de conos de Taylor se produce directamente en la superficie libre de la mezcla polimérica. Alternativamente, los conos de Taylor se forman a partir de gotas más... [Seguir leyendo]

1. Boquilla de hilado combinada para la producción de materiales de nanofibras o microfibras, caracterizada por que comprende un electrodo de pared delgada (1) y un primer cuerpo no conductor (2) adyacente a la primera pared de dicho electrodo de pared delgada, teniendo dicho primer cuerpo no conductor (2) su pared, que está vuelta hacia el electrodo de pared delgada (1) , provista de una disposición de ranuras (5) formadas en la misma, conduciendo dichas ranuras al extremo distal (6) de la boquilla de hilado combinada y teniendo sus extremos distales conectados a un suministro de una mezcla de hilado.

2. La boquilla de hilado combinada para la producción de materiales de nanofibras o microfibras de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por que comprende además un segundo cuerpo no conductor (4) que es adyacente a la segunda pared del electrodo de pared delgada (1) y que dirige el aire hacia el extremo distal (6) de la boquilla de hilado combinada.

3. La boquilla de hilado combinada para la producción de materiales de nanofibras o microfibras de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada por que el electrodo de pared delgada (1) , adopta la forma de una valva cilíndrica, en la que está alojado el primer cuerpo no conductor (2) que tiene forma cilíndrica y que está provisto de ranuras en su superficie, siendo la superficie exterior de dicho primer cuerpo adyacente a la superficie interior de dicha valva cilíndrica, mientras que el segundo cuerpo no conductor (4) que sirve para dirigir el aire hacia el extremo distal (6) de la boquilla de hilado combinada, tiene forma de una vaina cilíndrica, estando el electrodo de pared delgada (1) que está alojado en la carcasa cilíndrica (10) fabricado de un material no conductor, defiendo este último y el segundo cuerpo no conductor (4) el espacio interno coaxial (3) entre los mismos para dirigir el aire hacia el extremo distal (6) de la boquilla de hilado combinada.

4. Boquilla de hilado combinada para la producción de materiales de nanofibras o microfibras de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizada por que el extremo distal de la carcasa cilíndrica (10) fabricado de un material no conductor está situado debajo del nivel del extremo distal del electrodo de pared delgada (1) .

5. Boquilla de hilado combinada para la producción de materiales de nanofibras o microfibras de acuerdo con la reivindicaciones 1 o 2, caracterizada por que el electrodo de pared delgada (1) , el primer cuerpo no conductor (1) y el segundo cuerpo no conductor (4) tienen forma de placas, estando la primera pared de dicho electrodo adyacente al primer cuerpo no conductor (1) , estando la superficie de éste último adyacente al electrodo de pared delgada (1) provista de ranuras que conducen hacia el extremo distal del electrodo de pared delgada (1) , y estando el segundo cuerpo no conductor (4) dispuesto en paralelo con respecto a la segunda pared del electrodo de pared delgada (1) , creando de este modo el espacio (3) entre el mismo y el electrodo de pared delgada (1) para dirigir el aire hacia el extremo distal (6) de la boquilla de hilado combinada.

6. Boquilla de hilado combinada para la producción de materiales de nanofibras o microfibras de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por que la boquilla está provista del tercer y cuarto cuerpos no conductores (7 y 8) , teniendo el electrodo de pared delgada (1) así como el primer, segundo, tercer y cuarto cuerpos no conductores (2, 4, 7 y 8 respectivamente) forma de placa, siendo la segunda pared del electrodo de pared delgada (1) adyacente a la primera pared del tercer cuerpo no conductor (7) , estando la superficie de este último adyacente al electrodo de pared delgada (1) provista de ranuras que se extienden desde el extremo proximal al extremo distal del electrodo de pared delgada (1) , estando el segundo cuerpo no conductor (4) dispuesto opuesto a la segunda pared del primer cuerpo no conductor (2) , definiendo de este modo el espacio (3) entre el mismo y el primer cuerpo no conductor (2) , sirviendo dicho espacio para dirigir el aire hacia el extremo distal (6) de la boquilla de hilado combinada, y estando el cuarto cuerpo no conductor (8) dispuesto opuesto a la segunda pared del tercer cuerpo no conductor (7) , definiendo de este modo, el espacio (3) entre el mismo y el tercer cuerpo no conductor (7) , sirviendo dicho espacio también para dirigir el aire hacia el extremo distal (6) de la boquilla de hilado combinada.