BRPI0709415A2

BRPI0709415A2 - processo de formação de fibras

Info

Publication number: BRPI0709415A2
Application number: BRPI0709415-9A
Authority: BR
Inventors: Larry R Marshall; Jack Eugene Armantrout; Tao Huang; John R Moore; Neal Pfeiffenberger
Original assignee: Du Pont
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2011-07-12
Also published as: DE602007011580D1; KR101417142B1; JP2009531561A; KR20080111103A; JP5096455B2; EP1999304B1; CN101405441A; US8747723B2; EP1999304B2; EP1999304A1; US8303874B2; WO2007126674A1; US20100032872A1; CN101405441B; US20080029617A1

Abstract

<B>PROCESSOS DE FORMAçãO DE FIBRAS<D> A presente invenção refere-se a processo de formação de fibras a partir de solução de fiação utilizando pulverizador giratório em alta velocidade (10). As fibras podem ser recolhidas em teia uniforme para usos finais em barreira seletiva. Podem ser produzidas fibras com diâmetro médio de fibra de menos de 1000 nm.

Description

"PROCESSOS DE FORMAÇÃO DE FIBRAS" Antecedentes da Invenção Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a processo de formação de fibras e teias fibrosas. Particularmente, fibras muito finas podem ser elaboradas e recolhidas em teia fibrosa útil para usos finais em barreira seletiva tais como filtros, separadores de pilhas e becas médicas respiráveis.

Antecedentes da Invenção

Pulverizadores giratórios utilizados em conjunto com fluido de modelagem e campo elétrico são úteis em tinta atomizante para revestimento de dispositivo alvo. A força centrífuga fornecida pelos pulverizadores giratórios produz corte suficiente para causar a atomização da tinta e o fluido de modelagem e campo elétrico depositam a tinta atomizada para o dispositivo alvo. Este processo foi otimizado para a produção de gotículas atomizadas. Defeitos ocorrem quando quantidade excessiva de gotículas atomizadas aglomera-se em entidades maiores. O estado da técnica ensina a elaboração de gotículas atomizadas e não entidades maiores.

Existe necessidade crescente de fibras muito finas e teias fibrosas fabricadas a partir de fibras muito finas. Estes tipos de teias são úteis para usos 20 finais em barreira seletiva. Atualmente, fibras muito finas são fabricadas a partir de fibras com seção cruzada "ilhas no mar" fiadas por fusão, filmes divididos, alguns processos soprados por fusão e eletrofiação. O que é necessário é processo de alto rendimento para fabricar fibras muito finas e teias fibrosas uniformes.

Descrição Resumida da Invenção

A presente invenção fornece processo de alto rendimento para fabricar fibras muito finas e teias uniformes utilizando pulverizador giratório em alta velocidade.Em primeira realização, a presente invenção refere-se a processo de formação de fibras que compreende as etapas de fornecimento de solução de fiação que contém pelo menos um polímero dissolvido em pelo menos um solvente para pulverizador giratório que possui bocal cônico giratório, em que o bocal possui superfície interna côncava e extremidade de descarga de superfície frontal; emissão da solução de fiação a partir do pulverizador giratório ao longo da superfície interna côncava, de forma a distribuir a mencionada solução de fiação em direção à superfície frontal da extremidade de descarga do bocal; e formação de fluxos fibrosos separados a partir da solução de fiação enquanto o solvente vaporiza-se para produzir fibras poliméricas na ausência de campo elétrico. Fluido de modelagem pode fluir em volta do bocal para dirigir a solução de fiação para longe do pulverizador giratório. As fibras podem ser recolhidas sobre coletor para formar teia fibrosa.

Em segunda realização, a presente invenção refere-se a processo de formação de fibras que compreende as etapas de fornecimento de solução de fiação que contém pelo menos um polímero dissolvido em pelo menos um solvente para pulverizador giratório que possui bocal cônico giratório, em que o bocal possui superfície interna côncava e extremidade de descarga de superfície frontal; emissão da solução de fiação a partir do pulverizador giratório ao longo da superfície interna côncava, de forma a distribuir a mencionada solução de fiação em direção à superfície frontal da extremidade de descarga do bocal; e formação de fluxos fibrosos separados a partir da solução de fiação enquanto o solvente vaporiza-se para produzir fibras poliméricas na presença de campo elétrico. Fluido de modelagem pode fluir em volta do bocal para dirigir a solução de fiação para longe do pulverizador giratório. As fibras podem ser recolhidas sobre coletor para formar teia fibrosa.

Breve Descrição das Figuras A Figura 1 é ilustração de parte de bocal de pulverizador giratóriopara a formação de fibras apropriadas para uso na presente invenção.

A Figura 2a é micrografia eletrônica de varrimento de fibras de óxido de (poli)etileno fabricadas sem campo elétrico segundo o processo de acordo com a presente invenção.

A Figura 2b é micrografia eletrônica de varrimento das fibras daFig. 2a à medida que foram distribuídas sobre forro de recolhimento.

A Figura 3a é micrografia eletrônica de varrimento de fibras de óxido de (poli)etileno fabricadas com campo elétrico segundo o processo de acordo com a presente invenção.

A Figura 3b é micrografia eletrônica de varrimento das fibras daFig. 2a à medida que foram distribuídas sobre forro de recolhimento.

A Figura 4 é micrografia eletrônica de varrimento de fibras de álcool (poli)vinílico fabricadas com campo elétrico segundo o processo de acordo com a presente invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

A presente invenção refere-se a processo de formação de fibras a partir de solução de fiação utilizando pulverizador giratório.

A solução de fiação compreende pelo menos um polímero dissolvido em pelo menos um solvente. Pode-se utilizar qualquer polímero formador de fibras capaz de dissolução em solvente. Polímeros apropriados incluem óxidos de polialquileno, poli(meta)acrilatos, polímeros e copolímeros com base em poliestireno, polímeros e copolímeros de vinila, fluoropolímeros, poliésteres e copoliésteres, poliuretanos, polialquilenos, poliamidas, poliaramidas, polímeros termoplásticos, polímeros de cristal líquido, polímeros 25 de construção, polímeros biodegradáveis, polímeros com base biológica, polímeros naturais e polímeros de proteínas. A solução de fiação pode possuir concentração de polímero de cerca de 1% a cerca de 90% em peso de polímero na solução de fiação. Além disso, a fim de assistir a fiação da soluçãode fiação, a solução de fiação pode ser aquecida ou resfriada. Geralmente, solução de fiação com viscosidade de cerca de 10 cP a cerca de 100.000 cP é útil.

A Figura 1 é ilustração de parte de bocal de pulverizador giratório 10 apropriado para a formação de fibras a partir da solução de fiação. Solução de fiação é preparada por meio de dissolução de um ou mais polímeros em um ou mais solventes. A solução de fiação é bombeada por meio de tubo de fornecimento 20 que corre axialmente através do pulverizador giratório 10. A velocidade de rendimento da solução é de cerca de 1 cc/min a cerca de 500 cc/min. À medida que a solução de fiação sai do tubo de fornecimento 20, ela é colocada em contato com bocal cônico giratório 30 e viaja ao longo da superfície interna côncava do bocal 32 até que atinja a extremidade de descarga da superfície frontal do bocal 34. Velocidade de rotação de bocal cônico 30 é de cerca de 10.000 rpm a cerca de 100.000 rpm. O bocal cônico 30 pode ser qualquer formato similar a cônico que possua superfície interna geralmente côncava, o que inclui forma de sino tal como ilustrado no presente, forma de copo ou menos forma frustocônica. A forma da superfície interna côncava do bocal 32 pode influenciar a produção de fibras. A seção cruzada da superfície interna côncava do bocal 32 pode ser reta ou curva. A forma da extremidade de descarga da superfície frontal do bocal 34 também pode influenciar a produção de fibras. A extremidade de descarga da superfície frontal do bocal 34 pode ser pontuda ou arredondada e pode incluir dentes de serra ou sulcos divisores. Opcionalmente, pode-se utilizar disco distribuidor 40 para ajudar a dirigir a solução de fiação do tubo de fornecimento 20 para a superfície côncava interna 32 do bocal 30. A velocidade de rotação do bocal impulsiona a solução de fiação ao longo da superfície interna côncava do bocal 32 e para além da extremidade de descarga da superfície frontal do bocal 34 para formar fluxos fibrosos separados, que são descartados pela extremidadede descarga por meio de força centrífuga. Simultaneamente, o solvente vaporiza-se até que sejam formadas as fibras de acordo com a presente invenção. As fibras podem ser recolhidas sobre coletor (não exibido) para formar teia fibrosa.

Opcionalmente, a Figura 1 exibe abrigo de fluido de moldagem 50que orienta fluido de moldagem (marcado por setas) em volta do bocal 30 para dirigir a solução de fiação para longe do pulverizador giratório 10. O fluido de moldagem pode ser gás. Vários gases em várias temperaturas podem ser utilizados para reduzir ou aumentar a taxa de vaporização do solvente para afetar o tipo de fibra que é produzido. Desta forma, o gás de modelagem pode ser aquecido ou resfriado, a fim de otimizar a taxa de vaporização do solvente. Gás apropriado para uso é ar, mas qualquer outro gás que não prejudique a formação de fibras pode ser utilizado.

Opcionalmente, pode-se adicionar campo elétrico ao processo. Potencial de voltagem pode ser adicionado entre o pulverizador giratório e o coletor. O pulverizador giratório ou o coletor pode ser carregado com o outro componente substancialmente aterrado ou ambos podem ser carregados, desde que exista potencial de voltagem entre eles. Além disso, eletrodo pode ser posicionado entre o pulverizador giratório e o coletor em que o eletrodo é carregado e o pulverizador giratório e/ou o coletor. O campo elétrico possui potencial de voltagem de cerca de 1 kV a cerca de 150 kV. Surpreendentemente, o campo elétrico aparentemente possui pouco efeito sobre o diâmetro médio da fibra, mas ajuda as fibras a separar-se e trafegar em direção a coletor, de forma a produzir teia fibrosa mais uniforme. Este processo pode fabricar fibras muito finas, preferencialmente fibras contínuas, com diâmetro médio de fibra de menos de 1000 nm e, de maior preferência, cerca de 100 nm a 500 nm. As fibras podem ser recolhidas em coletor na forma de teia fibrosa. O coletor pode ser condutor para criarcampo elétrico entre ele e o pulverizador giratório ou eletrodo. O coletor pode também ser poroso para permitir o uso de dispositivo a vácuo para puxar solvente vaporizado e, opcionalmente, gás de modelagem para longe das fibras e ajudar a segurar as fibras para o coletor, para a fabricação da teia fibrosa. Material de forro pode ser colocado sobre o coletor para recolher a fibra diretamente sobre o foro, de forma a fabricar material composto. Não tecido spunbond, por exemplo, pode ser colocado sobre o coletor e a fibra depositada sobre o não tecido spunbond. Desta forma, podem ser produzidos materiais não tecidos compostos.

Métodos de Teste

No relatório descritivo acima e nos exemplos não limitadores que se seguem, foram empregados os métodos de teste a seguir para determinar diversas propriedades e características relatadas.

Viscosidade foi medida em reômetro Thermo RheoStress 600 equipado com placa paralela de 20 mm. Os dados foram coletados por quatro minutos com elevação da taxa de corte de 0 para 1000 s"1 a 23 0C e relatados em cP a 10 s"1.

Diâmetro da fibra foi determinado conforme segue. Dez imagens de microscópio eletrônico de varrimento (SEM) com ampliação de 5000x foram tomadas de cada amostra de camada de nanofibra. O diâmetro de 11 (onze) nanofibras claramente diferenciáveis foi medido a partir de cada imagem SEM e registrado. Defeitos não foram incluídos (ou seja, conjuntos de nanofibras, gotas de polímero, intersecções de nanofibras). O diâmetro médio de fibra para cada amostra foi calculado e relatado em nanômetros (nm).

Exemplos

A seguir, a presente invenção será descrita em mais detalhes nos exemplos a seguir.

O Exemplo 1 descreve fibra contínua de oxido de (poli)etileno semo uso de campo elétrico. O Exemplo 2 descreve a fabricação de fibra contínua de óxido de (poli)etileno com o uso de campo elétrico. O Exemplo 3 descreve a fabricação de fibra contínua de álcool (poli)vinílico com o uso de campo elétrico.

Exemplo 1

Fibras contínuas foram fabricadas utilizando atomizador giratório Aerobell padrão e invólucro de controle para controle de alta voltagem, velocidade da turbina e ar de modelagem da ITW Automotive Finishing Group. O bocal em forma de sino utilizado foi peça ITW Ransburg n° LRPM4001-02. Solução de fiação de 10,0% de óxido de (poli)etileno com peso molecular (Mv) médio de viscosidade de cerca de 300.000, 0,1% de cloreto de sódio e 89,9% de água em peso foi misturada até que se tornasse homogênea e despejada em tanque sob pressão Binks 83C-220 para fornecimento ao atomizador giratório através do tubo de fornecimento. A pressão sobre o tanque sob 15 pressão foi definida como psi constante. Isso produziu velocidade de fluxo de cerca de 2 cc/min. O ar de modelagem foi definido em 30 psi constante. O ar de contenção foi definido em 95 psi constante. A velocidade da turbina foi definida em 40.000 rpm constante. Nenhum campo elétrico foi utilizado durante este teste. As fibras foram recolhidas sobre tela de recolhimento de não tecidos 20 Reemay que foi mantida no lugar a 25,4 cm de distância do bocal em forma de sino por folha metálica de aço inoxidável. O tamanho da fibra foi medido a partir de imagem utilizando microscopia eletrônica de varrimento (SEM) e determinado como estando na faixa de 100 nm a 500 nm, com diâmetro médio de fibra de cerca de 415 nm. Imagem SEM das fibras pode ser observada na 25 Figura 2a. A Fig. 2b é imagem SEM que exibe a distribuição das fibras fiadas de acordo com este Exemplo sobre o forro Reemay.

Exemplo 2

O Exemplo 2 foi preparado de forma similar ao Exemplo 1, excetopela aplicação de campo elétrico. O campo elétrico foi aplicado diretamente ao atomizador giratório por meio de conexão de cabo de alta voltagem ao plugue de alta voltagem na parte de trás do atomizador giratório. O atomizador giratório foi completamente isolado da terra utilizando grande prateleira de Teflon, de forma que a terra mais próxima do bocal em forma de sino fosse a folha metálica de aço inoxidável que forra a correia de recolhimento Reemay. Fonte de energia de mais de 50 kV foi utilizada em modo de controle de corrente e a corrente foi estabelecida em 0,02 mA. A alta voltagem foi conduzida a cerca de 35 kV. A deposição da fibra foi muito melhor que no Exemplo 1, pois a cobertura foi muito uniforme ao longo da área de recolhimento. O tamanho da fibra foi medido a partir de imagem utilizando SEM e determinado como estando na faixa de 100 nm a 500 nm, com diâmetro médio de fibra de cerca de 350 nm. Imagem SEM das fibras pode ser observada na Figura 3a. A Fig. 3b é imagem SEM que exibe a distribuição das fibras fiadas de acordo com o presente Exemplo sobre o forro Reemay.

Exemplo 3

Fibras contínuas foram fabricadas utilizando bocal em forma de sino serrado "Eco Bell" de 65 mm em atomizador giratório Behr. Solução de fiação de 15% de álcool (poli)vinílico Evanol 80-18 e água em peso foi misturada até que se tornasse homogênea e despejada em tanque sob pressão para fornecimento ao atomizador giratório através do tubo de fornecimetno. A viscosidade da solução de fiação foi de 2000 cP a 23 °C. A pressão sobre o tanque sob pressão foi definida como pressão constante, de forma que a velocidade de fluxo fosse medida como sendo de 17 cc/min. O ar de modelagem foi definido a 100 SL/min. A velocidade da turbina foi definida em 50.000 rpm constante. Campo elétrico foi aplicado diretamente ao atomizador giratório e a alta voltagem foi definida em 50 kV. Fibras foram recolhidas sobre tela de recolhimento de não tecido compostaspunbond/soprada por fusão/spunbond (SMS) que foi mantida no lugar a 53 cm de distância do bocal em forma de sino por folha metálica de aço inoxidável aterrada. O tamanho da fibra foi medido a partir de imagem utilizando SEM e determinado como estando na faixa de 100 nm a 600 nm com diâmetro médio 5 de fibra de 415 nm. Imagem SEM das fibras pode ser observada na Figura 4.

Claims

1. PROCESSO DE FORMAÇÃO DE FIBRAS, que compreende as etapas de:fornecimento de solução de fiação que contém pelo menos um polímero dissolvido em pelo menos um solvente para pulverizador giratório que possui bocal cônico giratório, em que o bocal possui superfície interna côncava e extremidade de descarga da superfície frontal;emissão da solução de fiação do pulverizador giratório ao longo da superfície interna côncava, de forma a distribuir a mencionada solução de fiação em direção à superfície frontal da extremidade de descarga do bocal; eformação de fluxos fibrosos separados da solução de fiação enquanto o solvente vaporiza-se para produzir fibras poliméricas na ausência de campo elétrico.

2. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, em que opolímero é selecionado a partir do grupo que consiste de óxidos de polialquileno, poli(meta)acrilatos, polímeros e copolímeros com base em poliestireno, polímeros e copolímeros de vinila, fluoropolímeros, poliésteres e copoliésteres, poliuretanos, polialquilenos, poliamidas, poliaramidas, polímeros termoplásticos, polímeros de cristal líquido, polímeros de construção, polímeros biodegradáveis, polímeros com base biológica, polímeros naturais e polímeros de proteínas.

3. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, em que a solução de fiação possui concentração de polímero dissolvido em solvente decerca de 1% em peso de polímero a cerca de 90% em peso de polímero.

4. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, em que a solução de fiação pode ser aquecida ou resfriada.

5. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, em que asolução de fiação possui viscosidade de cerca de 10 cP a cerca de 100.000 cP.

6. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, em que a solução de fiação é fornecida em velocidade de rendimento de cerca de 1 cc/min a cerca de 500 cc/min.

7. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, em que avelocidade de rotação do bocal é de cerca de 10.000 rpm a cerca de 100.000 rpm.

8. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, em que as fibras possuem diâmetro médio de fibra de menos de cerca de 1000 nm.

9. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 8, em que odiâmetro médio da fibra é de cerca de 100 nm a cerca de 500 nm.

10. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, que compreende adicionalmente o fluxo de fluido de modelagem em volta do bocal para dirigir a solução de fiação para longe do pulverizador giratório.

11. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 10, em que ofluido de modelagem compreende gás.

12. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 11, em que ogás é ar.

13. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, quecompreende adicionalmente o recolhimento da fibra sobre coletor para formarteia fibrosa.

14. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 13, que compreende adicionalmente a aplicação de vácuo através do coletor para puxar as fibras sobre o coletor para formar teia fibrosa.

15. PROCESSO DE FORMAÇÃO DE FIBRAS, quecompreende as etapas de:fornecimento de solução de fiação que contém pelo menos um polímero dissolvido em pelo menos um solvente para pulverizador giratórioque possui bocal cônico giratório, em que o bocal possui superfície interna côncava e extremidade de descarga de superfície frontal;emissão da solução de fiação a partir do pulverizador giratório ao longo da superfície interna côncava, de forma a distribuir a mencionada solução de fiação em direção à superfície frontal da extremidade de descarga do bocal; eformação de fluxos fibrosos separados da solução de fiação enquanto o solvente vaporiza-se para produzir fibras poliméricas na presença de campo elétrico.

16. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 15, em que opolímero é selecionado a partir do grupo que consiste de óxidos de polialquileno, poli(meta)acrilatos, polímeros e copolímeros com base em poliestireno, polímeros e copolímeros de vinila, fluoropolímeros, poliésteres e copoliésteres, poliuretanos, polialquilenos, poliamidas, poliaramidas, polímerostermoplásticos, polímeros de cristal líquido, polímeros de construção, polímeros biodegradáveis, polímeros com base biológica, polímeros naturais e polímeros de proteínas.

17. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 15, em que a solução de fiação possui concentração de polímero dissolvido em solvente decerca de 1 % em peso de polímero a cerca de 90% em peso de polímero.

18. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 15, em que a solução de fiação pode ser aquecida ou resfriada.

19. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 15, em que a solução de fiação possui viscosidade de cerca de 10 cP a cerca de 100.000 cP.

20. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 15, em que asolução de fiação é fornecida em velocidade de rendimento de cerca de 1 cc/min a cerca de 500 cc/min.

21. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 15, em que avelocidade de rotação do bocal é de cerca de 10.000 rpm a cerca de 100.000 rpm.

22. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 15, em que as fibras possuem diâmetro médio de fibra de menos de cerca de 1000 nm.

23. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 22, em que o diâmetro médio da fibra é de cerca de 100 nm a cerca de 500 nm.

24. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 15, em que o campo elétrico possui potencial de voltagem de cerca de 1 kV a cerca de 150 kV.

25. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 15, quecompreende adicionalmente o fluxo de fluido de modelagem em volta do bocal para dirigir a solução de fiação para longe do pulverizador giratório.

26. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 25, em que o fluido de modelagem compreende gás.

27. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 26, em que o gás é ar.

28. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 15, que compreende adicionalmente o recolhimento da fibra sobre coletor para formar teia fibrosa.

29. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 28, quecompreende adicionalmente a aplicação de vácuo através do coletor para puxar as fibras sobre o coletor para formar teia fibrosa.

30. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 28, em que potencial de voltagem é mantido entre o pulverizador giratório e o coletor.

31. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 28, em quepotencial de voltagem é mantido entre o pulverizador giratório e eletrodo posicionado entre o pulverizador giratório e o coletor.

32. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 28, em quepotencial de voltagem é mantido entre o coletor e eletrodo posicionado entre o pulverizador giratório e o coletor.