BR102013001427A2

BR102013001427A2 - Bocal de fiação combinado para a fabricação de materiais nanofibrosos e microfibrosos

Info

Publication number: BR102013001427A2
Application number: BR102013001427-3A
Authority: BR
Inventors: Marek Pokorny; Lada Sukova; Jiri Rebicek; Vladimir Velebny
Original assignee: Contipro Biotech Sro
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2014-10-29
Also published as: DK2617879T3; IL224284A; SI2617879T1; PT2617879E; US8727756B2; EP2617879B1; CN103215659A; RU2614393C2; JP2013147786A; US20140030370A1; AR089745A1; BR102013001427A8; ES2535133T3; CA2800407A1; BR102013001427B1; PL2617879T3; JP6112873B2; KR20130085384A; CZ304097B6; CZ201233A3

Abstract

BOCAL DE FIAÇÃO COMBINADO PARA A FAZRICAÇÃO DE MATERIAIS NANOFIBROSOS E MICROFIBROSOS. Bocal de fiação combinado para a produção de materiais nanofibrosos e microfibrosos compreendendo um eletrodo de parede fina (1) e um primeiro corpo não condutor (2) adjacente à primeira parede do referido eletrodo de parede fina, o referido primeiro corpo tendo sua parede, que está virada para o eletrodo de parede fina (1), provido de uma série de ranhuras (5) formada no mesmo, as referidas ranhuras conduzindo até à extremidade distal (6) do bocal de fiação combinado e tendo as suas extremidades proximais conectadas a uma fonte de mistura de fiação. O eletrodo de parede fina (1), bem como o primeiro corpo não condutor (2) podem assumir forma cilíndrica ou de placa. O bocal de fiação combinado pode ainda compreender o segundo corpo não condutor (4) adjacente à segunda parede do eletrodo de parede fina (1) direcionando o ar a partir da extremidade proximal para a extremidade distal (6> do bocal. O bocal de fiação combinado é fácil de desmontar e limpar, visto que os capilares de fiação assumem a forma das ranhuras (5) formadas nas superfícies do primeiro ou terceiro corpos não condutores (2 ou 7, respectivamente)

Description

BOCAL DE FIAÇÃO COMBINADO PARA A FABRICAÇÃO DE MATERIAIS NANOFIBROSOS E MICROFIBROSOS

Campo de Aplicação A invenção refere-se a um dispositivo para a fabricação de materiais nanofibrosos e microfibrosos, que compreende um bocal combinado ligado a um dos pontos de potencial elétrico de uma fonte de alimentação de alta tensão e ligado, por meio de canais de distribuição, a um dispositivo para dosagem de uma mistura polimérica, o referido bocal sendo passado pelo ar que flui em estreita proximidade com a mistura polimérica moldada de forma apropriada.

Estado da Técnica 0 método de fiação eletrostática utilizado para a produção de materiais nanofibrosos e microfibrosos baseia-se na utilização de dois eletrodos ligados aos pontos de potencial elétrico invertidos. Um dos referidos eletrodos serve para dosagem de uma solução polimérica e para modelar a mesma em formas curvas com raios de curvatura pequena. Devido à ação das forças induzidas por um campo elétrico forte, um assim chamado cone de Taylor é formado e, simultaneamente, uma fibra é criada, sendo esta última atraída pelas forças eletrostáticas para a outra, ou seja, em frente do eletrodo de polaridade invertida e servindo para captar as fibras que voam. Depois de terem sido capturadas, as fibras sucessivamente formam uma camada continua sobre a superfície do referido eletrodo oposto, sendo a camada composta por fibras dispostas ao acaso, com um pequeno diâmetro (geralmente variando entre dezenas de nanômetros e vários micrômetros). A fim de permitir, na verdade, a criação de uma fibra no campo elétrico forte, certo número de condições deve ser atendido com respeito às propriedades físicas e químicas da solução polimérica em si, bem como as influências do ambiente e da geometria dos eletrodos.

No método de fiação eletrostática, as fibras individuais são formadas a partir da superfície da mistura polimérica sob a ação de forças eletrostáticas. Os líquidos viscosos ou soluções são sujeitas a forças de coesão interna e forças capilares. As forças capilares são dependentes da tensão de superfície e do tamanho do elemento de superfície do respectivo líquido em proporção direta e no seu raio de curvatura na proporção inversa. Se o raio de curvatura for reduzido, as forças internas no líquido, que atuam sobre a camada superficial do líquido, entre outros, irão subir, fazendo com que a pressão no interior da mistura de líquido viscoso ou polimérico aumente em conformidade. Essa redução do raio de curvatura ocorre, por exemplo, nos capilares finos, onde os efeitos de elevação capilar ou depressão ocorrem. Os efeitos acima mencionados (em especial a de depressão capilar) são de preferência usados para ajustar a forma de uma mistura polimérica antes de se iniciar o processo de fiação em si. A fim de permitir a criação do cone de Taylor e ejeção do polímero processado, as forças eletrostáticas externas devem superar as coesivas e capilares. A criação do cone de Taylor é principalmente suportada pela curvatura da superfície da mistura polimérica realizada por meio de um bocal moldado de forma apropriada (a redução da curvatura da superfície vai dar origem a um aumento das forças capilares que, por sua vez, causam a pressão dentro de uma gota para aumentar e atuar no sentido da ruptura da camada de superfície da gota e, portanto, para a destruição da própria gota) . A este respeito, o uso de um tubo capilar fino, em que a mistura polimérica processada é forçada, será mais benéfico para o processo de fiação electrostática. A mistura é então formada em uma gota muito pequena na área em torno do orifício do capilar. A mistura será forçada a sair como jato para frente (e no início do processo em si vai ser habilitada, quando misturas poliméricas com propriedades de fiação desfavoráveis devem ser processadas), sob a ação das forças eletrostáticas que são mais fracas do que aquelas que agem em uma gota formada livremente da mistura polimérica (com um diâmetro maior da curvatura da superfície). Portanto, o princípio essencial e mais comumente aplicado de um bocal de fiação envolve uma agulha oca fina em combinação com proporcionamento contínuo de uma mistura polimérica que é forçadamente pressionada para dentro do bocal. Pelas razões acima indicadas, uma pluralidade de principalmente tipos diferentes de bocais de fiação foi desenvolvida. A este respeito, as seguintes regras básicas são viáveis.

Primeiramente, uma agulha de capilaridade fina utilizada como bocal de fiação é conhecida. Com toda probabilidade, este tipo de bocal é o mais difundido, tanto quanto a preparação de nanofibras e microfibras em condições de laboratório é referida. As principais vantagens incluem a facilidade, simplicidade relativa de dosagem e formulação da mistura de polímero processada na forma de uma gotícula com um diâmetro muito pequeno, facilitando a criação do cone de Taylor, bem como da fibra subsequentemente produzida (que também é suportada por um gradiente marcado do campo eletrostático gerado na área da ponta da agulha, em que as forças eletrostáticas que atuam localmente são multiplicadas, tornando assim a criação de fibras mais fácil). Bocais capilares são frequentemente utilizados em dispositivos de laboratório, mas não são suficientemente eficientes para as necessidades da produção industrial. Uma solução similar foi divulgada nas patentes US0705691 e US0692631 publicadas nos anos 1900 e 1902, respectivamente, e relativas a dispersões liquidas, em que os processos baseiam-se nos princípios iguais àqueles subjacentes ao método de fiação eletrostático contemporâneo.

Outro bocal de fiação conhecido consiste em uma agulha capilar deslocável. A agulha capilar executa o movimento lateral (semelhante à de uma cabeça de impressão), a fim de cobrir uma maior área do eletrodo oposto durante a aplicação das fibras que formam uma camada de revestimento. Em princípio, no entanto, a modalidade baseia-se no tipo anterior. Embora a agulha seja capaz de produzir materiais fibrosos em maiores volumes, a sua produtividade global continua a ser muito baixa.

Além disso, os bocais múltiplos são conhecidos. Tais bocais são também baseados no primeiro tipo acima descrito, as agulhas capilares individuais sendo agrupadas em quantidades mais elevadas, a fim de aumentar a produtividade dos processos de fiação correspondentes, conforme divulgado, por exemplo, nos pedidos de patente W02007035011 (Al), W02004016839 (Al), e W02007061160 (Al). A principal desvantagem de tais bocais múltiplos é colocada pelos problemas relacionados com a distribuição desigual de soluções de fiação e para a tendência dos bicos se sujarem (obstruídos), que requer uma limpeza subsequente exigente e torna a manutenção geral mais exigente.

Outro bocal de fiação conhecido é um bocal coaxial. Bocais coaxiais capilares finos duplos são fornecidos com duas misturas poliméricas que são de um tipo diferente. Assim, as fibras finais têm os seus núcleos e bainhas feitas de materiais diferentes.

Os eletrodos de fiação sem agulha são também conhecidos na técnica. Tais eletrodos utilizam a ondulação natural (curvatura) de superfícies livres ou camadas finas de misturas poliméricas de modo a transformar esta última em fibras, por meio de forças induzidas por campos eletrostáticos. Para este tipo de bocais, um maior nivel de produtividade de processamento é esperado. Isto se baseia no pressuposto de que os cones de Taylor podem ser criados simultaneamente em vários locais de uma superfície livre. No entanto, a hipótese acima não foi experimentalmente provada até agora. Além disso, a aplicação de tais sistemas é limitada a uma pequena faixa de polímeros facilmente rotacionáveis. A principal desvantagem, que é crítica em termos de produção em grande escala, consiste na variação das propriedades das soluções durante os processos de fiação, porque estas são realizadas sob condições climáticas abertas em que os constituintes das soluções são sujeitos à evaporação natural e às mudanças não controladas em parâmetros físicos e químicos.

Em tais casos, a formação de cones de Taylor ocorre diretamente sobre a superfície livre da mistura polimérica. Alternativamente, cones Taylor são formados a partir de gotas maiores que assumem formas naturais de áreas menores do eletrodo de fiação. Todos os sistemas de fiação acima referidos sem agulha (ou sem jato) são, sem dúvida, com base nas patentes US1975504 e US2048651 (publicadas nos anos 1934 e 1936, respectivamente), que também são fundamentais para o método eletrostático contemporâneo utilizado para a preparação de nanofibras e microfibras. Tais orifícios são formados, por exemplo, como copos cheios com a mistura polimérica nos quais um cilindro rotativo está parcialmente imerso. A rotação do cilindro faz com que a mistura polimérica molhe a superfície externa da mesma, fazendo com que os cones de Taylor se formem no lado oposto. Deste modo, a formação das fibras é ativada. Documentos de patentes posteriores, tais como EP1409775(Al), W02005024101 (Al), WO2009156822, e US2008150197(Al), descrevem um arranjo sem jato muito semelhante tendo o mesmo princípio de funcionamento. A principal desvantagem de tais bocais sem agulhas rotativos consiste na variação dos parâmetros da mistura polimérica, durante o processo de fiação. Isto deve-se à ocorrência de reações de superfície contínua e a evaporação dos constituintes da mistura de fiação tanto no interior do copo e na superfície extensiva do cilindro. Assim, a mistura de fiação é sujeita às alterações consideráveis durante o processo (particularmente em termos de concentração, viscosidade, composição química, etc.) Por esse motivo, as propriedades das fibras sendo aplicadas também variam. Tal variação nas propriedades (diâmetro, composição química e morfologia das fibras) não pode ser influenciada, de qualquer maneira controlada. Em muitos casos, o processo de fiação cessa espontaneamente após alguns minutos, e o volume total da mistura de fiação tem de ser substituído. Assim, a produção é ineficaz e dispendiosa uma vez que a composição das misturas de fiação incompletamente transformadas é totalmente desconhecida e a recuperação da mesma não é viável. Outra desvantagem surge das simulações numéricas da distribuição do campo eletrostático, que foram realizadas pelo requerente. Esta desvantagem consiste em que a superfície ativa, na qual os cones de Taylor podem se desenvolver, é relativamente grande (em comparação com a utilização de um bocal capilar). Existe um gradiente marcadamente menor na superfície de um bocal sem agulha e as forças eletrostáticas externas não são suficientemente fortes para iniciar o processo de fiação. Esta tecnologia não pode ser utilizada para o processamento de materiais dificilmente fiáveis.

Esta categoria também pode incluir um chamado eletrodo de inundação que permite que as fibras a serem formadas nas áreas em que a mistura polimérica está fluindo ao longo de um corpo convexo ou está inundando o mesmo (PPVCZ2009-0425A3). No entanto, o segundo método consome uma quantidade considerável da mistura polimérica e não proporciona qualquer possibilidade de recuperação adequada. Não há gradiente suficiente do campo elétrico na superfície convexa do corpo condutor que torna o processamento de misturas poliméricas fiáveis difícil completamente impossível.

Um grupo especial inclui aqueles mecanismos de fiação que suportam a formação do cone de Taylor de uma forma mais eficiente e também empregam outros princípios que suportam o início e progresso do processo de fiação. Isto é especialmente desejável no que diz respeito às misturas que não podem ser transformadas em nanofibras ou microfibras, por meio de técnicas clássicas. O efeito das forças eletrostáticas pode ser adicionalmente suportado pelo componente tangencial do fluxo de ar na vizinhança próxima do bocal capilar, tal como publicado nos documentos W02005033381, WO 2010143916(A2), WO 2010144980{Al), e também por Ji, Ghosh et al., 2006, Medeiros, Glenn et ai. 2009, ou Larsen, Spretz et al. 2004. Tais bocais de ar "quente, combinam a utilização de agulhas capilares finas em torno das quais o ar pré-aquecido é soprado para dentro. As forças tangenciais criadas pelo ato do ar que flui sobre a superfície da solução polimérica, apoiando assim a formação de cones de Taylor e, por sua vez, a formação de fibras. Portanto, os jatos de ar quente são utilizados para o processamento das misturas poliméricas dificilmente fiáveis. A vantagem do último arranjo consiste em que a temperatura do ar que flui pode ser controlada de modo que o ar pode, por exemplo, apoiar ativamente a solidificação rápida do raio polimérico (fibra). É por isso que o principio acima é muito desejável. Além disso, o ar pré-aquecido influencia favoravelmente as condições climáticas no interior da câmara de deposição, acelerando assim a evaporação dos solventes contidos na mistura polimérica. Em termos de propriedades físicas e químicas da solução polimérica, a última tecnologia não requer o uso frequente de solventes tóxicos ou surfactantes. No entanto, as principais desvantagens desta solução técnica consistem tanto em baixa eficiência do processo de fiação e manutenção complicada e limpeza dos bicos capilares, como mencionado acima. Outras desvantagens de todas as soluções técnicas acima referidas incluem desenhos de formas complexas dos bocais. O bocal fino é delimitado por um material condutor, que suprime substancialmente o gradiente do campo eletrostático gerado em torno do orifício do bocal, onde, por uma questão de princípio, a ação de intensas forças eletrostáticas é particularmente desejável. Esta redução das forças eletrostáticas impedirá que o processo de fiação seja iniciado, não obstante a ação adicional das forças criadas pelo ar que flui. Outra desvantagem está relacionada com o contato direto do ar pré-aquecido com o bocal metálico onde a transferência faz com que a mistura polimérica se aqueça e, conforme o caso pode ser, para solidificar. Em seguida, a mistura solidificada se acumula no interior do orifício do bocal causando o entupimento do mesmo e subsequente suspensão do processo.

Outro bocal de fiação conhecido é um bocal de bolha. O bocal da bolha é constituído por dois tubos coaxiais, em que o servidor de porção interno para o ar de decapagem e a parte exterior serve para a dosagem de uma solução polimérica, que é, devido ao efeito do fluxo de ar, moldada em bolhas de paredes finas. Tal formação das bolhas de paredes finas contribui para a iniciação do processo e para a criação subsequente das fibras, descrito em WO2009042128 .

Finalmente, a combinação dos tipos acima referidos são também conhecidos. Uma versão exemplificativa pode compreender uma hélice de fio giratória, tal como descrito em WO2010043002 (Al) .

Sumário da Invenção O objetivo da presente invenção é o de apresentar uma solução de concepção inovadora de um bocal combinado, que é utilizável para o método de fiação eletrostática e destinado à produção de materiais nanofibrosos e microfibrosos. O bocal de fiação de acordo com a invenção deve permitir eliminar as desvantagens dos bicos conhecidos na técnica. O objetivo acima, é, em grande parte, conseguido por meio de um bocal de fiação combinado para a produção de materiais nanofibrosos e microfibrosos, em que o referido bocal compreende um eletrodo de parede fina e de um primeiro corpo não condutor juntando a primeira parede do referido eletrodo de parede fina, o referido primeiro corpo tendo sua parede, que fica de frente ao referido eletrodo de parede fina, dotado de uma série de ranhuras formadas no seu interior e levando até à extremidade distai do bocal de fiação combinado. As referidas ranhuras têm as suas extremidades proximais conectadas a uma fonte de mistura de fiação. Um eletrodo coletor está disposto em uma posição com uma distância determinada desde a extremidade distai do bocal de fiação combinado e uma fonte de tensão é ligada entre o referido eletrodo coletor e do referido eletrodo de parede fina.

Em uma modalidade preferida da presente invenção, o bocal de fiação combinado compreende ainda um segundo corpo não condutor adjacente à segunda parede do eletrodo de parede fina, e direcionando o ar a partir da extremidade proximal para a extremidade distai do bocal de fiação combinado.

Em outra modalidade preferida da presente invenção, o eletrodo de parede fina assume a forma de uma concha cilíndrica, em que o primeiro corpo não condutor tem a forma cilíndrica e provido de ranhuras na sua superfície é acomodado, enquanto o segundo corpo não condutor serve para direcionar meios gasosos a partir da extremidade proximal para a extremidade distai do bocal de fiação combinado é moldado como uma bainha cilíndrica. O eletrodo de parede fina, é acomodado em uma caixa cilíndrica feita de um material não condutor. Entre a referida caixa cilíndrica feita de um material não condutor e o segundo corpo não condutor, há um espaço interno coaxial, sendo o último disposto para direcionar o ar para a extremidade distai do bocal de fiação combinado.

Esta modalidade é particularmente vantajosa se a extremidade distai da __caixa cilíndrica feita de_. um material não condutor está situada abaixo do nível da extremidade distai do eletrodo de parede fina.

Em outra modalidade preferida da presente invenção, o eletrodo de parede fina, o primeiro corpo não condutor e o segundo corpo não condutor tem formas similares a placa, a primeira parede do referido eletrodo de parede fina sendo ligado pelo referido primeiro corpo não condutor, a superfície do último adjacente ao referido eletrodo de parede fina sendo provido de ranhuras que conduzem para a extremidade distai do mesmo. Em frente à segunda parede do eletrodo de parede fina, o segundo corpo não condutor é disposto o qual define um espaço entre si e o eletrodo de parede fina, o referido espaço servindo para direcionar o ar para a extremidade distai do bocal de fiação combinado.

Em ainda outra modalidade preferida do bocal de fiação combinado para a produção de materiais nanofibrosos e microfibrosos de acordo com a invenção, o referido bocal é fornecido com os terceiro e quarto corpos não condutores, o eletrodo de parede fina, bem como o primeiro, segundo, terceiro e quarto corpos não condutores, respectivamente, têm formato similar a placas. A segunda parede do eletrodo de parede fina é unida pela primeira parede do terceiro corpo não condutor, a superfície deste último adjacente ao eletrodo de parede fina sendo provido de ranhuras que se prolongam a partir da extremidade proximal para a distai do eletrodo de parede fina. Em frente à segunda parede do primeiro corpo não condutor, o segundo corpo não condutor é disposto o qual define um espaço entre si e o primeiro corpo não condutor, o referido espaço que serve para direcionar o ar para a extremidade distai do bocal de fiação combinado. Em frente à segunda parede do terceiro corpo não condutor, o quarto corpo não condutor é disposto o qual define um espaço entre si e o terceiro corpo não condutor, o referido espaço servindo para direcionar o ar para a extremidade distai do bocal de fiação combinado .

Breve Descrição das Figuras Para mais detalhes, a invenção será ainda descrita por meio das figuras anexas, onde a FIG. 1 é uma vista transversal em perspectiva que mostra um bocal de fiação combinado linear de única extremidade de acordo com a invenção, a Fig. 2 é uma vista superior que mostra o bocal de fiação combinado linear de única extremidade da Fig. 1, a Fig. 3 é uma vista transversal em perspectiva que mostra um bocal de fiação combinado linear de dupla extremidade de acordo com a invenção, a Fig. 4 é uma vista superior que mostra o bocal de fiação combinado linear de dupla extremidade da Fig. 3 e Fig. 5 é uma vista em corte que mostra um arranjo cilíndrico de um bocal de fiação combinado de acordo com a invenção.

Realizações Exemplificativas da Invenção Uma modalidade exemplificativa de um bocal de fiação combinado linear de única extremidade de acordo com a invenção é mostrada nas Figs. 1 e 2. A primeira parede do eletrodo de parede fina 1, que tem a forma de uma placa fina na presente modalidade, está ligada pela primeira parede do primeiro corpo não condutor 2, o último também tendo a forma similar a placa. Em frente à segunda parede do eletrodo de parede fina 1, e em paralelo em relação ao mesmo, o segundo corpo não condutor similar à placa 4 está disposto, a referida parede sendo separada do referido segundo corpo pelo espaço interno 3. 0 eletrodo de parede fina 1_ está ligado a uma fonte de alta tensão (não mostrada). O primeiro corpo não condutor 2 é fornecido com as ranhuras 5 que são substancialmente paralelas uma à outra e estendem-se desde a extremidade proximal até a distai 6 do bocal linear combinado. A extremidade distai 6 do bocal combinado significa que a extremidade do bocal combinado linear em torno da qual a solução polimérica é girada depois de ter sido introduzida no bocal. Na presente modalidade exemplar, as dimensões da área da seção transversal das ranhuras 5 são de 1x2 mm. No entanto, quaisquer outras dimensões são concebíveis, dependendo das propriedades da solução polimérica a ser enrolada. O espaço interno 3 serve para o fornecimento do ar e para direcionar o ar que flui para a extremidade distai 6 do bocal linear combinado. Um eletrodo coletor (não ilustrado) está disposto em uma posição com uma distância determinada desde a extremidade distai 6 do bocal de fiação combinado e uma fonte de alta tensão (também não mostrada) é acoplado entre o eletrodo coletor e o eletrodo de parede fina 1.

Quando o injetor está trabalhando, a solução polimérica é pressionada para fora através das ranhuras 5 para a extremidade distai 6 do bocal combinado. Subsequentemente, depois de ter atingido a borda do eletrodo condutor de parede fina 1, a solução polimérica é formada em pequenas gotículas ou em uma camada fina contínua tendo um pequeno raio de curvatura. Uma vez que as forças de capilaridade são dependentes da tensão de superfície e do tamanho do elemento de superfície do respectivo líquido, na proporção direta e no seu raio de curvatura na proporção inversa, uma pequena gota representa uma fonte ideal para a produção de microfibras ou nanofibras em um processo de fiação. Um gradiente significativo do campo eletrostático gerado na extremidade distai do eletrodo de parede fina 1 induz a extração das gotículas, que vão formar uma fibra, a partir da solução polimérica. Em seguida, as gotículas se movem no sentido de um eletrodo coletor, este último tendo tensão zero na presente modalidade. Este movimento das goticulas também é suportado pelo fluxo de ar que é forçado em direção à extremidade distai 6 do bocal linear combinado. O número das microfibras ou nanofibras ser simultaneamente formado é aproximadamente igual ao número das ranhuras 5. Assim, o número de fibras é apenas limitado no que diz respeito à viabilidade prática. A utilização do bocal de fiação combinado linear de única extremidade de acordo com a invenção aumenta a eficiência na produção de microfibras e nanofibras com composição estável e as propriedades de qualidade. Isto se dá pelo fato de que um bocal combinado linear de única extremidade protege a solução polimérica a ser processada contra os efeitos nocivos do meio desde que a solução polimérica não entre em contato com o ar ambiente antes de uma gota ser formada na extremidade distai do bocal combinado linear, o desenvolvimento de gotas a ser imediatamente seguido pela formação de uma microfibra ou nanofibras. Assim, os constituintes individuais da solução polimérica são impedidos da evaporação e sem variações da constituição das microfibras ou nanofibras sendo formadas podem ocorrer. Outra vantagem está relacionada com a facilidade de manutenção e limpeza do bocal combinado linear uma vez que as partes individuais do último podem ser desmontadas de um modo simples, tornando as superfícies planas do primeiro corpo não condutor 2 com as ranhuras expostas 5, bem como a superfícies do eletrodo de parede fina _ 1 acessíveis para limpeza.

Uma modalidade exemplificativa de um bocal de fiação combinado linear de dupla extremidade de acordo com a invenção é mostrada nas Figs. 3 e 4. A primeira parede do eletrodo de parede fina 1, que tem a forma de uma placa fina, é unida pela primeira parede do primeiro corpo não condutor 2. Em frente à segunda parede do primeiro corpo não condutor 2_, e em paralelo em relação ao mesmo, o segundo corpo não condutor 4 é disposto, a referida parede sendo separada do referido segundo corpo pelo espaço interno 3. A primeira parede do primeiro corpo não condutor 2 é fornecida com as ranhuras 5, que são substancialmente paralelas uma à outra e estendem-se desde a extremidade proximal até a extremidade distai 6 do bocal linear combinado. A segunda parede do eletrodo de parede fina 1 está ligada por uma primeira parede do terceiro corpo não condutor 7. Em frente à segunda parede do terceiro corpo não condutor 1_, e em paralelo em relação à mesma, o quarto corpo não condutor 8 é disposto, a referida parede sendo separada do referido quarto corpo pelo espaço interno 3. A primeira parede do terceiro corpo não condutor 1_ é fornecida com as ranhuras 5, que são substancialmente paralelas uma à outra e estendem-se desde a extremidade proximal até a distai 6 do bocal linear combinado. 0 eletrodo de parede fina 1 está ligado a uma fonte de alta tensão (não mostrada). Um eletrodo coletor (não ilustrado) está disposto em uma posição com uma distância determinada desde a extremidade distai 6 do bocal de fiação combinado e uma fonte de alta tensão (também não mostrada) é acoplada entre o eletrodo coletor e o eletrodo de parede fina 1. Na presente modalidade exemplar, os primeiro, segundo, terceiro e quarto corpos não condutores 2, 4, 1_ e 8 também assumem formatos similares à placa.

Em operação, a função do bocal de fiação combinado linear de dupla extremidade de acordo com a invenção é semelhante àquela do bocal de fiação combinado linear de única extremidade de acordo com a invenção. Mais uma vez, a solução polimérica é pressionada para fora pelas ranhuras 5 no sentido da extremidade distai 6 do bocal combinado. Subsequentemente, depois de ter atingido a extremidade do eletrodo condutor de parede fina 1, a solução polimérica é misturada e transformada em pequenas goticulas ou em uma camada fina e continua que tem um raio de curvatura pequeno. Um gradiente significativo do campo eletrostático gerado na extremidade distai 6 do eletrodo de parede fina 1^ induz a extração das goticulas, que vão formar uma fibra, a partir da solução polimérica. Em seguida, as goticulas se movem no sentido de um eletrodo coletor, este último tendo tensão zero na presente modalidade exemplar. Na presente modalidade, o número das ranhuras 5 é aumentado duas vezes o que pode conduzir a um aumento da eficiência do processo de fiação. Isso também pode criar novas possibilidades de melhoria. Na modalidade exemplificativa da presente invenção, a qual é mostrada nas Figs. 3 e _4, as ranhuras 5_____formadas sobre a superfície do primeiro corpo não condutor 2 e sobre a superfície do terceiro corpo não condutor 1_ estão dispostos diretamente em frente umas às outras. Neste caso, as ranhuras 5 formadas sobre a superfície do primeiro corpo não condutor 2 e aquelas formadas sobre a superfície do terceiro corpo não condutor 7. podem ser utilizadas para a alimentação de diferentes misturas líquidas. A preparação de misturas reativas pode ser imediatamente anterior ao início do processo de fiação subsequente. Isto permite que reações indesejadas das misturas sejam evitadas durante o processo de fiação. 0 espaço interno 3 serve para o fornecimento do ar e para direcionar o ar que flui para a extremidade distai 6 do bocal linear combinado.

Mais uma vez, o número das microfibras ou nanofibras sendo simultaneamente formado é aproximadamente igual ao número das ranhuras 5. Assim, o número de fibras é apenas limitado no que diz respeito à viabilidade prática. A utilização do bocal de fiação combinado linear de dupla extremidade de acordo com a invenção, de forma semelhante à do bocal de fiação combinado linear de única extremidade com a invenção, aumenta a eficiência na produção de microfibras e nanofibras com composição estável e propriedades de qualidade. Tanto os bocais de fiação combinados lineares de única extremidade e de dupla extremidade protegem a solução polimérica a ser processada contra os efeitos nocivos do meio desde que a solução polimérica não entre em contato com o ar ambiente antes de uma gota ser formada na extremidade distai do bocal combinado linear, o desenvolvimento de gotas a ser imediatamente seguido pela formação de uma microfibra ou nanofibra. Assim, os constituintes individuais da solução polimérica são impedidos de evaporar e nenhuma variação da constituição das microfibras ou nanofibras sendo formadas pode ocorrer. Outra vantagem está relacionada com a facilidade de manutenção e limpeza do bocal combinado linear uma vez que as partes individuais do último podem ser desmontadas de um modo simples, tornando as superfícies planas dos primeiro e terceiro corpos não condutores 2, 7 com as ranhuras expostas 5, bem como as superfícies do eletrodo de parede fina 1_ acessíveis para limpeza.

Uma modalidade exemplificativa de um bocal de fiação combinado cilíndrico de acordo com a invenção é mostrada na Fig. 5. Este bocal de fiação compreende o eletrodo de parede fina cilíndrico 1, que, gradualmente passa para uma haste no sentido da extremidade proximal e é acomodado no interior do cilindro oco 10 feito de um material não condutor. O eletrodo de parede fina cilíndrico acomoda um primeiro corpo do condutor 2, que é formado por um cilindro sólido fornecido com uma série de ranhuras na sua superfície externa, as referidas ranhuras que se estendem em direção à extremidade distai 6 do bocal de fiação combinado cilíndrico. A porção de extremidade proximal do primeiro corpo não condutor 2 é fornecida com o canal de alimentação ljL, que tem a forma de um anel circundando o primeiro corpo não condutor 2 e recebendo ambas as bocas proximais de todos as ranhuras 5 e a boca da linha de alimentação para a solução polimérica. O eletrodo coletor 9 está disposto em um local tendo uma determinada distância a partir da extremidade distai 6 do bocal de fiação combinado e uma fonte de alta tensão (não mostrada) é acoplada entre o eletrodo coletor e o eletrodo de parede fina 1. O bocal de fiação combinado cilíndrico está embutido no copo de retenção 12_. A extremidade proximal 13 do eletrodo de parede fina 1_ transporta o suporte do bocal 14 que é fornecido com o canal 1£> para acomodar uma linha de alimentação de alta voltagem do eletrodo de parede fina 1.

No que diz respeito a todas as modalidades acima do bocal de fiação de acordo com a invenção, torna-se aparente que a voltagem, ou seja, a diferença de potencial elétrico entre o eletrodo de parede fina e um eletrodo coletor 9 é importante para a função do bocal de fiação combinado de acordo com a invenção, em vez do potencial elétrico individual do eletrodo de parede fina 1 em si.

Em operação, a função do bocal de fiação combinado cilíndrico de acordo com a invenção é semelhante àquela do bocal de fiação combinado linear acima mencionado de acordo com a invenção. A solução polimérica é pressionada para fora através das ranhuras 5 do canal de alimentação 11. em direção à extremidade distai _6 do bocal combinado.

Subsequentemente, depois de ter atingido a extremidade do eletrodo condutor de parede fina 1, a solução polimérica é misturada e transformada em pequenas gotículas ou em uma camada fina e contínua que tem um raio de curvatura pequeno. Um gradiente significativo do campo eletrostático gerado na extremidade distai 6 do eletrodo de parede fina 1 induz a extração das gotículas, que vão formar uma fibra, a partir da solução polimérica. Em seguida, as gotículas se movem em direção a um eletrodo coletor, sendo o último disposto em frente à extremidade distai 6 do bocal de fiação combinado cilíndrico e tendo tensão zero na presente modalidade exemplar. Este movimento das gotículas também é suportado pelo fluxo de ar que é forçado através do espaço interno 3 para a extremidade distai 6 do bocal linear combinado. O número de microfibras ou nanofibras sendo simultaneamente formado é aproximadamente igual ao número das ranhuras 5. Assim, o número de fibras é apenas limitado no que diz respeito à viabilidade prática. O uso do bocal de fiação cilíndrico combinado linear de acordo com a invenção aumenta a eficiência na produção de microfibras e nanofibras com composição estável e as propriedades de qualidade. Isto é devido ao fato de um bocal cilíndrico combinado proteger a solução polimérica a ser processada contra os efeitos nocivos do meio desde que a solução polimérica não entre em contato com o ar ambiente antes de uma gota formada na extremidade distai do bocal linear combinado, o desenvolvimento de gotas ser imediatamente seguido da formação de uma microfibra ou nanofibra. Assim, os constituintes individuais da solução polimérica são impedidos de evaporar e nenhuma variação da constituição das microfibras ou nanofibras pode ocorrer. Outra vantagem está relacionada com a facilidade de manutenção e limpeza do bocal cilíndrico combinado uma vez que as partes individuais do último podem ser desmontadas de um modo simples, tornando as superfícies planas do primeiro corpo não condutor 2 com as suas ranhuras expostas 5, bem como as superfícies do eletrodo de parede fina 1 acessíveis para limpeza. O bocal de fiação combinado de acordo com todas as modalidades acima descritas da presente invenção permite que as fibras sejam formadas a partir de diversos tipos de polímeros sintéticos e naturais que não são facilmente transformáveis em nanofibras ou microfibras.

Devido à utilização do eletrodo de parede fina 1, o bocal de fiação combinado de acordo com a presente invenção, multiplica as forças de gradiente de campos eletrostáticos, permitindo assim que as forças mais elevadas atuem sobre a solução polimérica. Esta, por sua vez, torna a formação de fibras marcadamente mais fácil. As forças tangenciais adicionais, que atuam sobre a superfície da solução polimérica, facilitam a formação de fibras, particularmente as fabricadas a partir de polímeros dificilmente enroláveis. O bocal de fiação de acordo com a invenção irá aumentar a produtividade global. Será utilizável na produção industrial de materiais nanofibrosos e microfibrosos por meio do método de fiação eletrostática. Ao mesmo tempo, isso irá minimizar o risco de entupimento nas áreas dos canais para a distribuição de soluções poliméricas no interior do bocal combinado e facilitará a limpeza subsequente, mesmo que sejam utilizados bicos múltiplos. Antes do processo de fiação, por si só, a mistura polimérica não é sujeita a temperaturas mais altas. Além disso, a mistura é processada no interior de um espaço fechado, o que evita que qualquer alteração nas propriedades físicas e químicas da solução polimérica ocorra antes do início do processo de fiação.

Isto foi obtido por meio da disposição estrutural do bocal, com base nos resultados da simulação numérica realizada com a intenção de demonstrar as distribuições de racionalizações de ar e linhas eletrostáticas de força na vizinhança do bocal de fiação combinado de acordo com a presente invenção. Os resultados acima foram verificados por meio de numerosas experiências de fiação envolvendo tanto os polímeros sintéticos quanto os naturais, sendo estes últimos dificilmente enroláveis. 0 desenho do bocal de acordo com a invenção resolve os problemas existentes relativos aos bocais, que são conhecidos na técnica, ou seja, distribuição insuficiente dos campos eletrostáticos, entupimento frequente e dificuldade de limpeza dos bocais, baixa produtividade, e variando as propriedades das misturas poliméricas durante o processo de fiação. O bocal de fiação combinado de acordo com a invenção aplica as formas de dosagem e formação ideais de misturas poliméricas, distribuições favoráveis de linhas eletrostáticas de força ao ser sujeita a uma tensão elevada e distribuições favoráveis de racionalizações de ar. Assim, a influência do ar, o qual é alimentado para dentro do bocal, pode ser minimizada. A mistura polimérica é proporcionada através das ranhuras finas 5 formadas entre o eletrodo de parede fina metálico 1 e o primeiro corpo não condutor adjacente 2 ou, se for caso disso, o terceiro corpo não condutor adjacente 7. Quando está sendo pressionado para fora, a mistura polimérica é formada espontaneamente em pequenas gotas na extremidade do eletrodo condutor de parede fina 1. Tal formação inicial da mistura polimérica cria as condições que são favoráveis para o desenvolvimento de cones de Taylor para a iniciação posterior do processo de fiação em si. Depois de ter sido preparada da maneira acima, a mistura polimérica permanece confinada no interior de um espaço fechado. Assim, quaisquer alterações desejáveis nos parâmetros físicos e químicos da mistura polimérica, devido à evaporação dos seus constituintes podem ser eficazmente evitadas. Outra vantagem do bocal de fiação combinado de acordo com a invenção consiste em que todos os constituintes do bocal são muito fáceis de limpar, porque este último não contém quaisquer aberturas finas e longas (por exemplo, tubos capilares e assim por diante) que seriam inacessíveis. A concepção do bocal de fiação combinado em si é concebida de tal maneira que o bocal é muito fácil de desmontar e constituintes maiores do mesmo são fáceis de lavar.

Quando o eletrodo de parede fina 1 está ligado a um alto potencial elétrico, o qual gera um campo eletrostático forte, o gradiente mais forte do campo eletrostático, que se desenvolve em uma pequena área do eletrodo de parede fina, 1, ou seja, na área que corresponde ao ponto na extremidade distai do eletrodo de parede fina 1 onde uma gota da solução polimérica está sendo formada. Tais forças gradientes significativas do campo eletrostático são essenciais para a formação de um cone de Taylor e para o inicio do processo de fiação subsequente. A concepção do bocal de fiação combinado é favoravelmente com base em um bocal capilar fino que tem diversas vantagens distintas, incluindo, entre outros, a limpeza fácil e risco insignificante de entupimento durante o processo de fiação em conjunto com a produtividade incomparavelmente superior.

Outra vantagem das disposições descritas com referência a presente invenção consiste em uma alta eficiência dos bicos de fiação combinados, que não podem ser alcançados por qualquer um dos tipos conhecidos de bicos de fiação sem ser acompanhado dos inconvenientes da técnica anterior, tais como o entupimento, alterações nos parâmetros de soluções poliméricas durante o processo de fiação, a limpeza subsequente complicada, ou semelhantes. Tal nivel de eficiência elevado é conseguido através da multiplicação dos canais de distribuição nas superfícies planas de um bico de fiação combinado linear de única extremidade ou de dupla extremidade sobre a superfície curva de um bocal de fiação combinado cilíndrico, bem como pelo desenvolvimento resultante de numerosas gotículas em miniatura a partir das quais os cones de Taylor, e, subsequentemente, as fibras são formadas em si mesmas.

Além disso, todas as modalidades acima do bocal de fiação combinado utilizam um componente de fluxo de ar adicional suportando através das suas forças tangenciais do desenvolvimento dos cones de Taylor e formação subsequente das fibras, sem afetar as propriedades da solução polimérica a ser enrolada, devido ao aumento da temperatura. A taxa de fluxo do ar pode ser controlada para aumentar o volume da solução polimérica a ser girada, melhorando assim a produtividade do processo global. Além disso, o controle de temperatura possível influencia favoravelmente as condições climáticas, tanto nos pontos, em que as fibras individuais são formadas, e no interior de toda a câmara de deposição. Assim, as quantidades físicas relacionadas com as propriedades do ar, tais como a taxa de fluxo e temperatura, são parâmetros reguladas os que permitem que o processo a ser controlado com o objetivo de obter as propriedades morfológicas desejadas dos materiais nanofibrosos e microfibrosos.

Exemplo 1 Em uma modalidade preferida da invenção, o bocal combinado de única extremidade para realizar o método de fiação eletrostático compreende três componentes similares a placa paralelos, como mostrado nas Figs. 1_ e 2. O primeiro corpo não condutor 2 tendo uma espessura de 5 mm está, em estreito contato com o eletrodo de parede fina 1, o qual está ligado ao potencial elétrico de uma fonte de alta tensão. A parede do referido eletrodo tem 1 mm de espessura. Sobre a sua superfície adjacente ao eletrodo de parede fina 1, o primeiro corpo não condutor 2 é fornecido com as ranhuras 5 que têm as dimensões de 1x2 mm servindo para a distribuição da mistura polimérica. A mistura polimérica é alimentada pelas ranhuras 5 no sentido da extremidade do eletrodo de parede fina 1, onde é misturado e formado em pequenas goticulas ou em uma camada fina e continua tendo um raio de curvatura pequeno. O segundo corpo não condutor 4^ situa-se na distância de 8 mm a partir da segunda parede do eletrodo de parede fina 1, delimitando assim o espaço interno 3 que permite que o fluxo de ar seja fornecido.

Exemplo 2 Em outra modalidade preferida da invenção, o bocal combinado de duas extremidades para realizar o método de fiação eletrostático compreende cinco componentes similares a placa paralelos que são dispostos na seguinte ordem: segundo corpo não condutor 4, primeiro corpo não condutor 2_, eletrodo de parede fina 1, terceiro corpo não condutor ?_, e quarto corpo não condutor 8_. Assim, o componente do meio é o eletrodo de parede fina 1 que é formado por uma placa com 1 mm de espessura, 50 mm de altura e 100 mm de comprimento e que está ligado ao potencial elétrico de uma fonte de alta tensão. Em ambos os lados, as superfícies do eletrodo de parede fina 1 são intimamente ligadas pelo primeiro corpo não condutor 2, o qual é formado por uma placa que tem 5 mm de espessura, e pelo terceiro corpo não condutor T_, o que também tem 5 mm de espessura. Nas suas superfícies adjacentes ao eletrodo de parede fina 1, os primeiro e terceiro corpos não condutores 2_, 7 são fornecidos com as ranhuras 5___que têm as dimensões de 1x2 mm servindo para a distribuição de duas diferentes misturas líquidas. Cada mistura é alimentada individualmente pelas ranhuras correspondentes 5 em direção à borda do eletrodo de parede fina 1, que está centralmente localizado na extremidade distai 6 do bocal de fiação combinado de dupla face, onde as misturas são misturadas e formadas em pequenas goticulas ou em uma camada fina contínua tendo um raio de curvatura pequeno. O segundo corpo não condutor 4 está situado a uma distância longitudinal de 8 mm a partir do primeiro corpo não condutor 2, o espaço interno 3 formado entre os dois corpos servindo para o fornecimento e direcionamento do ar que flui para a extremidade distai 6^ do bocal de fiação combinado. Da mesma forma, o quarto corpo não condutor 8 está situado a uma distância longitudinal de 8 mm a partir do terceiro corpo não condutor T_, o espaço interno 3 formado entre os dois corpos servindo para o fornecimento e direcionamento do ar que flui para a extremidade distai 6 do bocal de fiação combinado.

Exemplo 3 Ainda em outra modalidade preferida da invenção, o bocal de fiação combinado compreende o eletrodo de parede fina 1 assumindo a forma de um cilindro oco de parede fina, que tem o diâmetro de 50 mm e a espessura de parede de 1 mm. O lado interior da parede do referido cilindro é unioa pelo primeiro corpo não condutor 2 que tem a forma de um cilindro sólido. A superfície do referido cilindro sólido é fornecida com 16 ranhuras 5 com as dimensões de 1x2 mm e servindo para a alimentação da mistura polimérica. A mistura polimérica é alimentada a partir de um tanque de armazenamento através do canal de alimentação 11_ que rodeia o primeiro corpo não condutor no interior das ranhuras 5 e, subsequentemente, pressionada para fora através das referidas ranhuras, assim como através dos orifícios, os quais estão dispostos a jusante do último, em direção à borda do eletrodo de parede fina 1, onde a mistura é subsequentemente formada em pequenas gotas. A taxa de fluxo das misturas poliméricas varia entre 10 e 10 000 ??/min. O segundo corpo não condutor 4, tendo também a forma de um cilindro oco, está fixado a uma certa distância para fora a partir do eletrodo de parede fina 1_. Nesta modalidade exemplar, a distância de 8 mm entre o eletrodo de parede fina e um segundo corpo não condutor 4 delimita o espaço interno 3 que serve para fornecer a corrente de ar pré-aquecido, a temperatura e vazão de ar variando de 20 a 100°C e de 0 a 1000 1/min, respectivamente. 0 espaço interno 3 acomoda o cilindro não condutor oco 10 tendo propriedades isolantes elétricas e térmicas. Assim, o gradiente do campo elétrico é mais especifico e amplificado, a transferência de calor do ar que flui através do eletrodo de parede fina 1 na mistura polimérica é impedida de ocorrer e, por outro lado, a circunferência externa do envelope do campo elétrico é adequadamente moldada para reter a mistura polimérica supérflua.

Aplicabilidade industrial A invenção é particularmente útil para a preparação de laboratório e produção industrial de materiais fibrosos, tais como materiais compostos por nanofibras ou microfibras, por meio do método de fiação eletrostática.

Claims

1. Bocal de fiação combinado para a produção de materiais nanofibrosos e microfibrosos, caracterizado pelo fato de compreender um eletrodo de parede fina (1) e um primeiro corpo não condutor (2) adjacente à primeira parede do referido eletrodo de parede fina, o referido primeiro corpo não condutor (2) tendo a sua parede, que está virada para o eletrodo de parede fina (1), provido de uma série de ranhuras (5) formada no mesmo, as referidas ranhuras que conduzem à extremidade distai (6) do bocal de fiação combinado e tendo as suas extremidades proximais conectadas a uma fonte de uma mistura de fiação.

2. Bocal de fiação combinado paira a produção de materiais nanofibrosos e microfibrosos de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender ainda um segundo corpo não condutor (4) juntando a segunda parede do eletrodo de parede fina (1), e direcionando o ar em direção à extremidade distai (6) do bocal de fiação combinado.

3. Bocal de fiação combinado para a produção de materiais nanofibrosos e microfibrosos de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o eletrodo de parede fina (1) assume a forma de uma concha cilíndrica, em que o primeiro corpo não condutor (2) tendo forma cilíndrica e sendo provido de ranhuras na sua superfície é acomodado, a superfície externa do referido primeiro corpo adjacente à superfície interior do referido corpo cilíndrico, enquanto que o segundo corpo não condutor (4), que serve para direcionar o ar para a extremidade distai (6) do bocal de fiação combinado, é formado como um bainha cilíndrica, o eletrodo de parede fina (1) sendo acomodado na caixa cilíndrica (10) feita de um material não condutor, este último e o segundo corpo não condutor (4) definindo o espaço coaxial interno (3) entre eles para direcionar o ar para a extremidade distai (6) do bocal de fiação combinado.

4. Bocal de fiação combinado para a produção de materiais nanofibrosos e microfibrosos de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a extremidade distai da caixa cilíndrica (10) feita de um material não condutor está situada abaixo do nível da extremidade distai do eletrodo de parede fina (1) .

5. Bocal de fiação combinado para a produção de materiais nanofibrosos e microfibrosos de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o eletrodo de parede fina (1), o primeiro corpo não condutor (1) e o segundo corpo não condutor (4) têm formato similares a placas, a primeira parede do referido eletrodo de parede fina (1) sendo ligada pelo primeiro corpo não condutor (1), a superfície do último juntando o eletrodo de parede fina (1) sendo provido de ranhuras que conduzem para a extremidade distai do eletrodo de parede fina (1), e o segundo corpo não condutor (4) sendo disposto em paralelo em relação à segunda parede do eletrodo de parede fina (1), criando assim o espaço (3) entre si e o eletrodo de parede fina (1) para direcionar o ar para a extremidade distai (6) do bocal de fiação combinado.

6.

Bocal de fiação combinado para a produção de materiais nanofibrosos e microfibrosos.de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o bocal é fornecido com os terceiro e quarto corpos não condutores (7 e 8), o eletrodo de parede fina (1), bem como o primeiro, segundo, terceiro e quarto corpos não condutores (2, 4, 7 e 8, respectivamente), com formato similares a placas, a segunda parede do eletrodo de parede fina (1) sendo ligada pela primeira parede do terceiro corpo não condutor (7), a superfície do segundo último juntando o eletrodo de parede fina (1) sendo provido de ranhuras que se prolongam a partir da extremidade proximal para a distai do eletrodo de parede fina (1)/ o segundo corpo não condutor (4 ) disposto em frente à segunda parede do primeiro corpo não condutor (2), definindo assim o espaço (3), entre si e o primeiro corpo não condutor (2), o referido espaço servindo para direcionar o ar para a extremidade distai (6) do bocal de fiação combinado, e o quarto corpo não condutor (8) disposto em frente à segunda parede do terceiro corpo não condutor (7), definindo assim o espaço (3), entre si e o terceiro corpo não condutor (7), o referido espaço igualmente servindo para direcionar o ar para a extremidade distai (6) do bocal de fiação combinado.