BR102021014586A2

BR102021014586A2 - Sistema de aquecimento para ser acoplado ao equipamento de fiação por sopro em solução para obtenção de nano e microfibras

Info

Publication number: BR102021014586A2
Application number: BR102021014586-2A
Authority: BR
Inventors: Liz Contino Vianna De Aguiar; Geraldine Nancy Rodriguez Perea; Bonifácio De Oliveira Fialho; Mariana Bianchini Silva; Newton Narciso Pereira; Letícia Vitorazi
Original assignee: Universidade Federal Fluminense
Priority date: 2021-07-23
Filing date: 2021-07-23
Publication date: 2023-01-31

Abstract

A presente invenção compreende um sistema de aquecimento em espiral que pode ser acoplado a um sistema de fiação por sopro em solução visando a obtenção de nano ou microfibras a partir de soluções poliméricas cujo solvente não consegue evaporar nas condições de distâncias usadas nos experimentos convencionais e realizados sob temperatura ambiente. O sistema é composto por um aparato em espiral que possui uma passagem interna vazada e é aquecido por resistor em espiral. Este sistema fica suportado por um aparato de fixação (haste e garra), está interligado a um controlador, e a um sensor de temperatura e à fonte de energia elétrica. O aquecedor fica localizado após os capilares concêntricos e antes do sistema de coletores do equipamento de fiação por sopro em solução, contudo as distâncias exatas deverão ser determinadas a depender do par polímero e solvente utilizados. Esse sistema auxilia na evaporação de solventes.

Description

SISTEMA DE AQUECIMENTO PARA SER ACOPLADO AO EQUIPAMENTO DE FIAÇÃO POR SOPRO EM SOLUÇÃO PARA OBTENÇÃO DE NANO E MICROFIBRAS

CAMPO DE APLICAÇÃO

[0001] A presente invenção é um sistema de aquecimento que, quando usado acoplado à técnica de fiação por sopro em solução (SBS), permite a obtenção de nano ou microfibras a partir de solução polimérica usando solventes não voláteis, tal como a água. A invenção não requer alteração de projeto do sistema de fiação por sopro em solução, apenas é aplicada como uma ferramenta adaptada e pode ser utilizada com os diversos tipos de coletores que são convencionalmente usados para aparar as fibras.

[0002] O sistema consiste em um resistor em espiral que é acoplado ao sistema SBS e fornece aquecimento ao jato da solução de forma controlada. O aquecimentofacilita o processo de evaporação de solventes e permite a obtenção de fibras empregando solventes não voláteis.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[0003] A presente invenção consiste em um resistor em espiral acoplado ao equipamento de fiação por sopro em solução. A solução polimérica atravessa uma região cuja temperatura pode ser modificada e controlada pelo presente aparato, o qual auxilia na evaporação do solvente e permite a obtenção de fibras em condições anteriormente não alcançadas devido à volatilidade do solvente.

[0004] No processo de fiação por sopro para produção de nano e microfibras a partir de soluções poliméricas, a formação das fibras ocorre em função da diferença de pressão no sistema de capilares do equipamento SBS. Essa diferença de pressão provoca o estiramento da solução e promove a ejeção do material cuja solvente evapora entre o capilar e um coletor. Entretanto, para sistemas cuja solução contém solvente ou mistura de solventes com temperatura de ebuliçãomaior que os normalmente empregados na técnica, a evaporação é dificultada. Neste caso, a evaporação não acontece na distância útil e as fibras poliméricas não são formadas, inviabilizando o uso da técnica de fiação por sopro em solução para estas soluções.

[0005] A presente invenção consiste em um sistema de aquecimento do fluxo dear que visa fornecer aplicabilidade da técnica de fiação por sopro em solução para processos onde são utilizados solventes com baixa volatilidade através do aquecimento controlado do fluxo de ar na região próxima àquela de formação do jato de solução polimérica, induzindo à rápida evaporação do solvente e possibilitando a formação das fibras. O presente sistema de aquecimento pode ser acoplado ao equipamento de fiação por sopro em solução e não requer alterações adicionais ao sistema convencional. O mesmo pode ser adicionado e removido conforme necessidade.

[0006] O sistema de aquecimento é formado por uma estrutura principal em espiral, que consiste em um resistor elétrico responsável pelo aquecimento do ar, conectado ao controlador e a um sensor de temperatura e ligados à rede de energiaelétrica, mantidos na posição adequada por um suporte e fixado através de uma garra. A estrutura em espiral é posicionada a frente do equipamento de fiação por sopro em solução, a uma distância determinada em função da combinação polímero-solvente empregada e de forma paralela e centralizada em relação ao sistema de capilares, o qual é alimentado por um fluxo controlado de solução polimérica e fluxo de gás de arraste com pressão controlada. O sistema de aquecimento fica ainda posicionado a uma distância útil do coletor, para onde as fibras formadas são direcionadas e coletadas. Dessa forma, o sistema de aquecimento de ar é posicionado entre o ponto de formação do jato de solução, no sistema de capilares concêntricos, e o ponto de coleta das fibras, no sistema coletor.

[0007] A distância entre o sistema de aquecimento e os capilares concêntricos é definida de acordo com o aspecto visual do jato produzido. A distância em relação ao capilar ejetor não deve ser tão próxima ao ponto de solidificar a solução na saída do capilar interno e causar entupimento e consequentemente fluxo irregular da solução, e, por outro lado, não deve estar tão distante dos capilares a ponto de não permitir a evaporação do solvente no momento do estiramento da solução.

[0008] O aquecimento da região próxima à formação do jato de solução polimérica promove e/ou auxilia a evaporação do solvente antes que o material seja coletado, permitindo a formação de fibras que são direcionadas e acumulam-se no coletor.

ESTADO DA TÉCNICA

[0009] Na técnica SBS, a evaporação do solvente é uma etapa essencial para a formação de fibras e ocorre ao longo do percurso entre a ponta do sistema de capilares e o coletor. A evaporação insatisfatória do solvente resulta na não formação de fibras ou na obtenção de fibras com defeitos, o que pode impossibilitar o uso de técnicas de fiação por sopro em solução para determinados sistemas de solventes.

[00010] Alguns sistemas de aquecimento foram reportados na forma de ferramentas adicionais para serem utilizadas juntamente com o equipamento de fiação por sopro.

[00011] Um deles trata da utilização de um bico de Bunsen posicionado embaixo do sistema de capilares para aquecer o fluxo de ar antes da sua saída no capilar externo. Essa proposta apresenta duas limitações: a primeira está relacionada ao o controle ineficiente da temperatura, inviabilizando a reprodutibilidade do processo, e a segunda seria a possibilidade de, com o aquecimento, ocorrer a secagem da solução polimérica na ponta do capilar interno, impedindo a formação das fibras, além da periculosidade de se utilizar chamas em ambiente contendo solventes inflamáveis.

[00012] Adicionalmente, é relatado o uso de sopradores térmicos posicionados transversalmente ao sistema de capilares e coletor. Nesse sistema de aquecimento, 0 solvente da solução polimérica será volatilizado por aplicação de um fluxo extra de ar quente. Entretanto, a adição do fluxo de ar pode comprometer o processamento, espalhando as fibras que estão sendo formadas para fora do coletor e limitando a quantidade de material que pode ser coletado. Outra limitação deste sistema está relacionada á deslocalização do fluxo de ar gerado pelo soprador: dependendo da temperatura utilizada, o fluxo de ar não localizado poderia danificar partes do equipamento de fiação por sopro que não apresentem resistência á altatemperatura. A falta de controle de temperatura do soprador também seria um pontonegativo, já que inviabiliza a reprodutibilidade do processo.

[00013] A presente invenção é um sistema de aquecimento capaz de auxiliar e/ou promover a evaporação de solvente em sistemas cuja solução utiliza solvente de baixa volatilidade sob condições ambiente de temperatura.

[00014] O sistema de aquecimento aqui proposto é constituído por um resistor em espiral, constituído de cobre, capaz de atingir 300 W de potência, conectado á rede de energia elétrica (AC 220V). O resistor possui um controlador de temperatura, ο qual utiliza um termopar para registrar a temperatura da estrutura em espiral e regular o aquecimento do sistema de acordo com a programação inserida (dentro da faixa de temperatura permitida pelo resistor). O sistema de aquecimento pode ser adicionado ao equipamento de fiação por sopro em solução, sendo posicionado entre o sistema de capilares e o coletor com auxílio de garra e suporte universal.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[00015] A presente invenção se aplica no campo da obtenção de micro e nanofibras através de processos de fiação por sopro em solução. A invenção é um sistema de aquecimento (A) para auxiliar e/ou promover a evaporação de solventes durante o processo de fiação, de forma a possibilitar a produção de fibras com a técnica de fiação por sopro a partir de sistemas cuja solução polimérica adote solvente de baixa volatilidade. O sistema é composto por um resistor metálico em espiral (1), responsável por promover o aquecimento do fluxo de ar. O resistor é conectado a um controlador de temperatura (2), o qual contém um sensor de temperatura (3) e fica conectado ã rede de energia elétrica (4). O resistor (1) é fixado em um suporte (5) através de uma garra (6). O mesmo suporte (5) pode ser usado para prender o sensor de temperatura através de fio ou clipe (7). O sistemade aquecimento é acoplado a um equipamento de fiação por sopro em solução (B), sendo o resistor posicionado entre o sistema de capilares (9) e o coletor (13). O gás de arraste (11) e um jato de solução polimérica (10) passam através da espiral de aquecimento, ou seja, pelo centro do resistor em espiral. O sistema de aquecimento é posicionado próximo à região de formação do jato de solução de maneira que o aquecimento do fluxo de ar nessa região auxilie e/ou promova a evaporação do solvente, possibilitando a formação das fibras que serão então direcionadas ao coletor (13).

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS E TABELAS

[0016] A Figura 1 apresenta o sistema completo em que o aparato de interesse será aplicado. O sistema de interesse é um sistema de aquecimento em espiral (1) contendo o controlador de temperatura (2) conectado a um sensor de temperatura (3) e a uma fonte de energia (4), fixo no suporte (5) por uma garra (6). O suporte 7 também é empregado para fixar o sensor de temperatura (3) por meio de um clipeou arame (7). Esse sistema fica localizado em frente e a uma distância (8) de um sistema de capilares concêntricos (9) que recebe um fluxo de solução polimérica (10) e um fluxo de gás (11) e posicionado a uma distância (12) antes do coletor (13), que pode ser de diferentes formas (estático, rotatório, tridimensional, etc.). O sistema de aquecimento fica posicionado entre o coletor (13) e entre o sistema de capilares (9)·
A) Sistema de aquecimento proposto na invenção. B) Posicionamento do sistema de aquecimento junto a um sistema de fiação por sopro em solução, entre os sistemas capilares e o sistema de coletor.

[0017] A tabela 1 a seguir é a lista de referências numéricas da figura 1

Claims

sistema de aquecimento para ser acoplado ao equipamento de fiação por sopro em solução visa promover e/ou facilitar o processo de obtenção de fibras nano ou micrométricas a partir de soluções poliméricas visto que as distâncias convencionalmente empregadas no processo não são suficientes para a evaporação de solventes de baixa volatilidade, CARACTERIZADO pelo fato de compreender uma estrutura na forma de espiral (1) com um orifício cuja superfície é aquecida através de um resistor conectado a um sistema de controle de temperatura (2), conectado a um sensor de temperatura (3), mantidos em posição correta pelos suporte (5) através de garras (6), localizado a uma distância (8) de um conjunto de capilares concêntricos (9) de onde é ejetada a solução polimérica vinda de (10) e o gás pressurizado vindo de (11), e a uma distância (12) antes do um sistema coletor das fibras (13), que pode ter diferentes geometrias. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO uma estrutura em espiral com orifício através do qual passará a solução polimérica que será aquecida de forma controlada.
Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO uma estrutura composta por um sistema de controle de aquecimento (2), contendo um sensor de temperatura (3) e que é conectado à fonte de energia (4) e que é mantida na posição adequada através de um suporte (5) fixo por garras (6).
Processo, de acordo com a reivindicação de 1, CARACTERIZADO pelo fato de ficar localizado na distância (8) após o sistema de capilares (9) que recebe a solução polimérica vindo do sistema de injeção (10) e o fluxo de gás oriundo do sistema (11).
Processo, de acordo com a reivindicação de 1, CARACTERIZADO pelo fato de ficar posicionado na distância (12) de um coletor posicionado (13) que pode ter diferentes geometrias.