Sistema y método para producir fibras por electrohilado.

Sistema y método para producir fibras por electrohilado.

El sistema comprende:

- unos medios de dispensación que incluyen una aguja (1) por la punta de la cual dispensar, por electrohilado, una substancia en solución (P),

- un colector (3) para recibir la substancia dispensada por la aguja (1) una vez solidificada formando unas fibras (Pt), y

- unos medios de suministro de disolvente que comprenden un contenedor (2) de disolvente en estado líquido (Ls) dispuesto cerca de la punta de la aguja (1), para suministrar disolvente en estado gaseoso (Gs) al entorno de salida de la misma, incluyendo la zona del cono de Taylor (Ct), mediante la evaporación del disolvente en estado líquido (Ls).

El método comprende suministrar disolvente en estado gaseoso (Gs) al entorno de salida de la punta de la aguja (1), mediante la evaporación localizada, en las proximidades de la zona de creación del cono de Taylor (Ct), de un disolvente en estado líquido (Ls).

Sistema y método para producir fibras por electrohilado.

Sector de la técnica 5

La presente invención concierne en general, en un primer aspecto, a un sistema para producir fibras por electrohilado, y más en particular a un sistema que incluye unos medios para suministrar disolvente en estado gaseoso, mediante la evaporación localizada de un disolvente en estado líquido, al entorno de salida de la punta de una 10 aguja por la que se dispensa la substancia que solidificará en forma de fibras.

Un segundo aspecto de la invención concierne en general a un método para producir fibras por electrohilado, y más en particular a un método que comprende el suministro de disolvente en estado gaseoso al entorno de salida de la punta de una aguja por la que se 15 dispensa la substancia que solidificará en forma de fibras, mediante la evaporación localizada de un disolvente en estado líquido.

Estado de la técnica anterior

El electrohilado, conocido popularmente por su denominación en inglés "electrospinning", es un proceso que permite obtener, a partir de un polímero fundido o en solución con un disolvente, mediante la aplicación de una carga eléctrica, fibras en forma de filamentos continuos muy finos (hasta una escala nanométrica, en general desde 20 nm hasta 1 μm aproximadamente) . 25

Uno de los problemas principales de los que adolecen los sistemas de electrohilado convencionales es el de que, justo a la salida del tubo capilar o aguja por el que se extrae la fibra, es decir en la zona conocida como de creación del cono de Taylor (durante o antes de la creación del mismo) se produzca una solidificación prematura de la fibra 30 debida a la evaporación demasiado rápida del disolvente con el cual el polímero se encuentra disuelto, ya que tal disolvente suele tener un punto de ebullición bajo, lo que provoca que se cree un depósito de polímero parcialmente solidificado que puede llegar a caer sobre la membrana de nanofibras que se está formando sobre el colector, bloquea la salida de la aguja haciendo que el proceso sea discontinuo o incluso llegar a bloquear 35 completamente tal salida, necesitando de la intervención de un operario para desbloquearla.

Con el fin de evitar tal solidificación prematura se conocen diferentes soluciones, tales como la de añadir a la mezcla de polímero y disolvente un co-disolvente con el fin de 40 aumentar el punto de ebullición, aunque esta alternativa resulta compleja por lo dificultosa y laboriosa que resulta la elección del co-disolvente y determinar la proporción adecuada a añadir, o la consistente en hacer disminuir la temperatura del entorno.

Otra alternativa menos intrusiva consiste en saturar con disolvente en estado gaseoso la 45 zona de salida de la aguja donde se genera el cono de Taylor, la cual se lleva a cabo de diferentes maneras en el estado de la técnica.

Tanto en el artículo "Use of Coaxial Gas Jackets to stabilize Taylor Cones of Volatile Solutions and to Induce Particle-to-Fiber Transitions", de Gustavo Larsen, Rubén Spretz 50 and Raffet Velarde-Ortiz, Advanced Materials, 16 de Enero 2004, 16, No. 2, como en la solicitud US2010084793A1 se propone realizar la mencionada saturación de la zona de salida de la aguja mediante la disposición de un segundo tubo o canal, en general capilar, dispuesto de manera coaxial a la aguja, portador del disolvente en estado gaseoso, desde un punto remoto, y con una salida dispuesta y configurada para que éste sea suministrado justo a la salida de la aguja. 5

Si bien los resultados conseguidos con los mecanismos propuestos en tales documentos son buenos (aunque mejorables) , en términos de evitación de la solidificación prematura del polímero a la salida de la aguja, los mismos son complejos, laboriosos y no son aplicables a un sistema de electrohilado convencional, ya que es necesario sustituir (o 10 modificar) la aguja de electrohilado por la incluida en tales mecanismos. Tales mecanismos requieren, asimismo, de un suministro activo del disolvente en estado gaseoso a través de las conducciones dispuestas para tal fin.

Otras soluciones menos eficientes y que adolecen de una serie de problemas 15 adicionales, son las que realizan la mencionada saturación con disolvente en estado gaseoso no de manera localizada alrededor de la salida de la aguja, sino de manera global en la cámara que aloja a todo el sistema.

Obviamente, tal solución es mucho menos eficiente que la consistente en saturar de 20 manera localizada, ya que es necesario proporcionar una cantidad de disolvente mucho mayor para conseguir unos resultados comparables. Además, la presencia de tal clase de disolventes en toda la cámara genera un ambiente potencialmente peligroso por su carácter tóxico y/o inflamable.

En general, tal saturación global también se hace introduciendo al disolvente en estado gaseoso en el interior de la cámara desde un depósito exterior, mediante unas correspondientes conducciones.

Con todo, la patente US7297305B2 sí que propone saturar de disolvente en estado 30 gaseoso toda la cámara mediante la evaporación de un disolvente en estado liquido dispuesto en el interior de la misma, en general en el fondo de la cámara.

Sin embargo, el objetivo de US7297305B2 no es el de evitar la solidificación prematura del polímero a la salida de la aguja, sino el de controlar el ambiente gaseoso de toda la 35 cámara, con el fin de homogeneizar el tamaño y distribución de las fibras, incidiendo en todo el recorrido de las fibras. Tal objetivo también se lleva a cabo, voluntaria o involuntariamente, en todas las propuestas que saturan de disolvente globalmente toda la cámara.

El hecho de tener saturada de disolvente toda la cámara de electrohilado resulta contraproducente en la necesaria solidificación de la fibra antes de llegar al colector, pudiendo llegar a impedirse ésta en función del tipo y densidad de disolvente utilizado, así como de las condiciones ambientales en el interior de la cámara.

Explicación de la invención

Aparece necesario ofrecer una alternativa al estado de la técnica que cubra las lagunas halladas en el mismo, en particular aquéllas de las que adolecen los mecanismos de saturación localizada conocidos, y que han sido indicadas en el apartado anterior. 50

Con tal fin, la presente invención concierne, en un primer aspecto, a un sistema para producir fibras por electrohilado, que comprende, de manera en si conocida:

- unos medios de dispensación que incluyen un tubo capilar o aguja por la punta de la cual dispensar, por electrohilado, una substancia en solución, 5

- un colector ubicado a una cierta distancia de la salida de la aguja, dispuesto y configurado para recibir la substancia dispensada por la aguja una vez solidificada en su recorrido hacia dicho colector formando unas fibras, y

- unos medios de suministro de disolvente configurados y dispuestos para suministrar disolvente en estado gaseoso al entorno de salida de la punta de dicha aguja, incluyendo la zona de creación del cono de Taylor.

A diferencia de los sistemas conocidos en el estado de la técnica, en el propuesto por el 15 primer aspecto de la invención, de manera característica, los medios de suministro de disolvente comprenden un contenedor de disolvente en estado líquido dispuesto en las proximidades de la punta de la aguja, estando el contenedor y el disolvente contenido en el mismo configurados para realizar dicho suministro del disolvente en estado gaseoso mediante la evaporación de al menos parte del disolvente en estado líquido contenido en 20 el contenedor.

Según un ejemplo de realización, el contenedor está configurado y dispuesto para refrigerar a la aguja por el intercambio térmico producido debido a la evaporación del disolvente, con lo que se consigue así retrasar aún más la evaporación del disolvente en 25 el que se encuentra disuelta la substancia, y por tanto retrasar también la solidificación prematura de la misma.

Otro efecto que provoca la mencionada refrigeración de la aguja es que se necesita menos cantidad de disolvente en estado gaseoso para saturar su enlomo de salida, por lo 30 que el disolvente en estado líquido del contenedor se gastará más despacio. Tal refrigeración constituye un sistema pasivo, que no necesita de válvulas ni bombas para suministrar el vapor.

El sistema comprende un generador de alta tensión dispuesto y configurado para aplicar 35 una alta tensión entre la aguja y el colector, los cuales son metálicos, que produzca la dispensación por electrohilado de la substancia en solución desde la aguja hasta el colector de manera que solidifique en su recorrido formando las fibras, que se depositan en el colector.

Para...

1. Sistema para producir fibras por electrohilado, del tipo que comprende:

- unos medios de dispensación que incluyen un tubo capilar o aguja (1) por la punta de la 5 cual dispensar, por electrohilado, una substancia en solución (P) ,

- un colector (3) ubicado a una cierta distancia de la salida de la aguja (1) , dispuesto y configurado para recibir la substancia dispensada por la aguja (1) una vez solidificada en su recorrido hacia dicho colector (3) formando unas fibras (Pt) ; 10

- unos medios de suministro de disolvente configurados y dispuestos para suministrar disolvente en estado gaseoso (Gs) al entorno de salida de la punta de dicha aguja (1) , incluyendo la zona de creación del cono de Taylor (Ct) ;

estando el sistema caracterizado porque dichos medios de suministro de disolvente comprenden un contenedor (2) de disolvente en estado líquido (Ls) dispuesto en las proximidades de la punta de la aguja (1) , estando el contenedor (2) y el disolvente (Ls) contenido en el mismo configurados para realizar dicho suministro del disolvente en estado gaseoso (Gs) mediante la evaporación de al menos parte del disolvente en estado 20 líquido (Ls) contenido en el contenedor (2) .

2. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho contenedor (2) está configurado y dispuesto para refrigerar a la aguja (1) por el intercambio térmico producido debido a la evaporación del disolvente líquido (Ls) . 25

3. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho contenedor (2) tiene forma anular, alojando al disolvente en estado líquido (Ls) entre una pared cilíndrica anular interior (2i) y una pared anular exterior (2e) , y se encuentra dispuesto alrededor de una parte distal de la aguja (1) que incluye a su punta, rodeándola con dicha pared 30 cilíndrica anular interior (2i) .

4. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho contenedor (2) de disolvente en estado líquido (Ls) se encuentra dispuesto adyacente a una parte distal de la aguja (1) que incluye a su punta, con una abertura de salida (A) para el disolvente 35 evaporado (Gs) encarada hacia la zona de creación del cono de Taylor (Ct) .

5. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende un generador de alta tensión (F) dispuesto y configurado para aplicar una alta tensión entre la aguja (1) y el colector (3) , los cuales son metálicos, que 40 produzca la dispensación por electrohilado de la substancia en solución (P) desde la aguja (1) hasta el colector (3) de manera que solidifique en su recorrido formando las fibras (Pt) .

6. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado 45 porque la aguja (1) está dispuesta apuntando hacia arriba.

7. Sistema según la reivindicación 6, caracterizado porque la aguja (1) está dispuesta de manera que su eje longitudinal transcurre en vertical o sustancialmente en vertical.

8. Sistema según la reivindicación 6 u 7 cuando dependen de la 3, caracterizado porque el contenedor anular (2) está dispuesto en relación a la aguja (1) de manera que el nivel del disolvente en estado líquido (Ls) queda por debajo de la punta de la aguja (1) , y porque tiene una abertura de salida (A) para el disolvente evaporado (Gs) encarada hacia arriba. 5

9. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 5, caracterizado porque la aguja (1) está dispuesta apuntando hacia abajo, porque el contenedor anular (2) está dispuesto en relación a la aguja (1) de manera que el nivel del disolvente en estado líquido (Ls) queda por encima de la punta de la aguja (1) y porque tiene una 10 abertura de salida (A) para el disolvente evaporado (Gs) encarada hacia abajo.

10. Sistema según la reivindicación 4 o la 5 cuando depende de la 4, caracterizado porque la aguja (1) está dispuesta de manera que su eje longitudinal transcurre en horizontal o sustancialmente en horizontal, quedando dispuesto el contenedor (2) de 15 disolvente en estado líquido (Ls) por debajo de la aguja (1) con su abertura de salida (A) encarada hacia la zona de creación del cono de Taylor (Ct) .

11. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende unos medios de control del proceso de evaporación del disolvente 20 líquido (Ls) del contenedor (2) .

12. Sistema según la reivindicación 11, caracterizado porque dichos medios de control comprenden una fuente de alta tensión (V) conectada al contenedor (2) para aplicarle una tensión independiente al contenedor (2) con el fin de modificar el campo electrostático en 25 las proximidades de la aguja (1) .

13. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende un dispositivo de control de la presión de inyección de la substancia en solución (P) a la aguja (1) , con objeto de controlar la regularidad del proceso de 30 inyección, y en consecuencia también la regularidad de las fibras formadas (Pt) , y detectar obstrucciones en la aguja (1) .

14. Método para producir fibras por electrohilado, del tipo que comprende:

a) dispensar, por electrohilado, una substancia en solución (P) , por la punta de un tubo capilar o aguja (1) , hacia un colector (3) , de manera que la substancia (P) solidifique en su recorrido hacia el colector y forme unas fibras (Pt) ; y

b) generar, en la zona de creación del cono de Taylor (Ct) , una atmósfera saturada de 40 disolvente que retrase la evaporación del disolvente incluido en dicha substancia en solución (P) , con el fin de evitar la solidificación prematura de la substancia en solución, mediante el suministro de disolvente en estado gaseoso (Gs) al entorno de salida de la punta de dicha aguja (1) , incluyendo la zona de creación del cono de Taylor (Ct) ;

estando el método caracterizado porque comprende realizar dicho suministro de disolvente en estado gaseoso (Gs) de la etapa b) mediante la evaporación localizada, en las proximidades de la zona de creación del cono de Taylor (Ct) , de un disolvente en estado líquido (Ls) .

15. Método según la reivindicación 14, caracterizado porque comprende realizar dicha etapa b) mediante la disposición y utilización de un contenedor (2) de disolvente en estado líquido (Ls) en las proximidades de la punta de la aguja (1) , consistiendo dicha evaporación localizada en la evaporación de al menos parte del disolvente en estado líquido (Ls) contenido en el contenedor (2) . 5

16. Método según la reivindicación 15, caracterizado porque comprende refrigerar a la aguja (1) para disminuir la temperatura de la substancia en solución (P) que discurre por su interior alejándola de la temperatura de ebullición del disolvente contenido en la substancia en solución (P) , con el fin de retrasar la evaporación del mismo y colaborar en 10 evitar la solidificación prematura de la substancia en solución (P) .

17. Método según la reivindicación 16, caracterizado porque comprende llevar a cabo dicha refrigeración de la aguja (1) mediante el intercambio térmico producido por la evaporación del disolvente líquido (Ls) del contenedor (2) . 15

18. Método según la reivindicación 15, 16 ó 17, caracterizado porque se lleva a cabo utilizando el sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.