ES2218703T3 - Dispositivo para la fabricacion de un material composite para filtracion y metodo de fabricacion. - Google Patents
Dispositivo para la fabricacion de un material composite para filtracion y metodo de fabricacion.Info
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Abstract
ESTA INVENCION SE REFIERE A UN DISPOSITIVO Y A UN PROCEDIMIENTO PARA PRODUCIR UNA ESTRUCTURA DE FIBRA POROSA. SE PRODUCEN UNO O VARIOS PUNTOS DE ALTA CURVATURA DE SUPERFICIE EN UN POLIMERO LICUADO COMO POR EJEMPLO UNA SOLUCION POLIMERICA O UNA FUNDICION POLIMERICA. SE PUEDEN PRODUCIR LOS PUNTOS DE ALTA CURVATURA DE SUPERFICIE HACIENDO PASAR POR FUERZA EL POLIMERO LICUADO A TRAVES DE BOQUILLAS ESTRECHAS (6) O BIEN MOJANDO ELEMENTOS MUY SALIENTES (40) CON EL POLIMERO LICUADO. EL POLIMERO LICUADO SE CARGA HASTA UN POTENCIAL ELECTRICO NEGATIVO ELEVADO CON RELACION A UNA CORREA MOVIL (10) CONECTADA CON LA MASA. UNOS CHORROS FINOS DE POLIMERO LICUADO SALEN DE LOS PUNTOS DE CURVATURA DE SUPERFICIE ELEVADA PARA CHOCAR LA CORREA MOVIL (10) EN FORMA DE FIBRAS, Y ELLO FORMA UNA ESTRUCTURA FIBROSA SIN TEJER DE UNA POROSIDAD RELATIVAMENTE UNIFORME. SE CARGA UN AEROSOL PULVERULENTO HASTA UN POTENCIAL ELECTRICO POSITIVO ELEVADO CON RELACION A LA CORREA MOVIL (10). CUANDO LA CORREA (10) SOBREPASA EL AEROSOL, LAS PARTICULAS DE AEROSOL SE ATRAEN PARA RELLENAR LOS INTERSTICIOS DE LAS ESTRUCTURAS FIBROSAS, CREANDO DE ESTE MODO UNA MATERIA FILTRANTE COMPUESTA.
Description
Dispositivo para la fabricación de un material
composite para filtración y método de fabricación.
La invención se refiere en primer lugar a un
dispositivo para la transformación de un polímero licuado en una
estructura composite, a base de fibras, como se describe en el
preámbulo de la reivindicación 1 y es conocido a partir de la
patente US-A-4.069.026.
La presente invención pretende proporcionar un
dispositivo del tipo descrito, perfeccionado en comparación con los
dispositivos conocidos y se caracteriza como se indica en la parte
de caracterización de la reivindicación 1.
La invención se refiere también a un método para
conformar un polímero en una estructura composite, a base de fibras
no tejidas, como se indica en el preámbulo de la reivindicación 14.
Este método se distingue de la técnica anterior como se describe en
la parte caracterizadora de la reivindicación 14.
Las versiones preferidas del dispositivo y método
de la invención están descritas en las reivindicaciones dependientes
2-13 y 15-24 respectivamente.
En conexión con la invención nos referimos a las
patentes US-A-4.127.706;
US-A-2.349.950;
US-A-4.230.650 y
US-A-4.904.174 que se refieren a
dispositivos y métodos de la clase descrita en la presente
invención.
La creación de materiales de filtración capaces
de retener partículas de 0,1 - 10 micras en tamaño y su empleo
creciente está relacionado con los requisitos cada vez más
restrictivos en cuanto a la calidad y fiabilidad de los artículos
fabricados, así como también al rápido desarrollo de la moderna
tecnología y de los procedimientos de producción (electrónica,
aviación, industria del automóvil, industria electroquímica,
biotecnología, medicina). Los principales métodos industriales de
fabricación para dichos materiales incluyen la producción de
soluciones de polímeros (V.P. Dubyaga y col., Polymer
Membranes ("Membranas de polímeros"), "Chemistry"
("Química") Publishing House, Moscú, 1981 (en ruso); V.E. Gul y
V.P. Dyakonova, Physical and Chemical Principles of Polymer Films
Manufacture, ("Fundamentos físicos y químicos de la
fabricación de films de polímeros"), "Higher School Publishing
House", Moscú 1978 (en ruso); patente alemana DE 3.203.788,
"Cationic absorbent for removing acid dyes, etc., from waste water
- prepared from aminoplast precondensate and
amin-amide compound" ("Absorbente catiónico
para la eliminación de colorantes ácidos, etc., de aguas residuales
- preparado a partir de un aminoplástico precondensado y un
compuesto de aminamida"), a partir de polvos y composites de
polímero en polvo (P.B. Zhivotinsky, Porous Partitions and Membranes
in Electrochemical Equipment, ("Partículas y membranas porosas en
el equipo electroquímico"), "Chemistry" ("Química")
Publishing House, Leningrado 1978 (en ruso): Encyclopedia of Polymer
Science and Engineering, ("Enciclopedia de la ciencia e ingeniería
de los polímeros", Wiley, Nueva York, 1987, vol. 8, p. 533), a
partir de films macro monolíticos (I. Cabasso y A. F. Turbak,
"Synthetic membranes" ("Membranas sintéticas", vol. 1, ACS
Symposium, Ser. 154, Washington D.C. 1981, p. 267) y de fibras y
dispersiones de polímeros fibrosos (T. Miura, "Totally dry
nonwoven system combines air-laid and thermobonding
technologie" ("El sistema no tejido, totalmente seco, combina
la tecnología de colocado al aire y termounido", Nonwoven World
("Mundo No Tejido"), vol. 73 (Marzo 1988) p. 46). El último
método es el más extendido, ya que facilita la fabricación de
materiales con la mejor relación coste-calidad.
Se ha puesto también de manifiesto un gran
interés en la expansión de los usos tradicionales de los materiales
de filtración, especialmente para la combinación de funciones de
retención de micropartículas en medios gaseosos y líquidos con la
adsorción de mezclas moleculares, por ejemplo, en la eliminación de
mercaptanos, como substrato de reacciones catalíticas, en la
potenciación del efecto bactericida del material de filtración, etc.
La realización de estas funciones adicionales es posible debido a la
introducción en el interior de la matriz de fibras, de rellenos de
alguna clase o de grupos funcionales que dan lugar a la formación de
una fase sólida adicional, es decir, como resultado de la
fabricación de materiales composite de filtración.
En la actualidad, los materiales poliméricos de
filtración se fabrican a partir de fibras sintéticas por medio de
una tecnología que es similar en muchos aspectos a la tecnología
tradicional aplicada en la industria de pulpa y de papel. Una larga
hebra de fibra se corta en trozos de una determinada longitud, los
cuales se someten a continuación a algunas operaciones básicas y
complementarias con más de 50 posibilidades, las cuales pueden
incluir un tratamiento químico para la modificación de las
propiedades de superficie, mezclado con composiciones aglutinantes y
estabilizantes, calandrado, procedimiento de tintura, etc. (O.I.
Nachinkin, Polymer Microfilters ("Microfiltros polímeros")
"Chemistry" ("Química"), Publishing House, Moscú, 1985 (en
ruso) pp. 157-158). La complejidad de dichos
procedimientos tecnológicos impide la fabricación de materiales con
características estables para una subsiguiente explotación; ello da
como resultado un alto coste de los materiales de filtración
fabricados; y excluye prácticamente la fabricación de composites con
rellenos sensibles a un procesado en húmedo, térmico.
Existe sin embargo, un método para la fabricación
de fibras sintéticas ultrafinas (y dispositivos para su producción)
el cual facilita la combinación del procedimiento de fabricación de
la fibra con la formación de un material de filtración microporoso,
y así reduce el número de operaciones tecnológicas, excluye la
necesidad de un medio de reacción acuoso, y aumenta la estabilidad
de las propiedades del producto que se fabrica (ver por ejemplo, la
patente US nº 2.349.950). De acuerdo con este método conocido como
"centrifugación electrocapilar", se forman las fibras de una
longitud determinada durante el proceso de flujo de la solución de
polímero desde unas aberturas capilares bajo la acción de fuerzas
eléctricas, cayendo sobre un receptor para formar un material
polímero no tejido, cuyas propiedades básicas pueden ser cambiadas
con eficacia. Con este método, la formación de fibras tiene lugar en
los espacios vacíos entre cada capilar, estando bajo un potencial
negativo, y un antielectrodo unido a tierra en forma de un cable
delgado, es decir, en presencia de un campo heterogéneo acompañado
por una descarga corona. Sin embargo, el procedimiento de
evaporación del disolvente tiene lugar muy rápidamente y como
resultado, la fibra está sometida a fuerzas eléctricas y
aerodinámicas variables que conducen a una anisotropía a lo largo
del ancho de fibra y a la formación de fibras cortas. La fabricación
de materiales de filtración de alta calidad a partir de tales fibras
es así imposible.
La explotación de un dispositivo para la
ejecución del método descrito más arriba es complicada debido a un
gran número de dificultades tecnológicas.
1. Las aperturas capilares quedan bloqueadas por
los films de polímero que se forman bajo cualquier desviación de las
condiciones tecnológicas del procedimiento, como p. ej., la
concentración y temperatura de la solución, humedad atmosférica,
intensidad del campo eléctrico, etc.
2. La presencia de un gran número de dichas
formaciones conduce a la interrupción del procedimiento tecnológico
o a una forma de disminución, como consecuencia de la ruptura de los
films antes mencionados.
Por lo tanto, la fabricación de fibras sintéticas
por este método es posible solamente a partir de un número muy
limitado de polímeros, por ejemplo, acetato de celulosa y
policarbonato de bajo peso molecular, los cuales no son propensos a
los defectos descritos más arriba.
Es necesario tomar en consideración el hecho de
que un tan importante parámetro de los materiales de filtración como
es la monodispersión de los poros (y la eficiencia resultante de la
separación del producto), tiene en este caso, una débil dependencia
sobre las características y está muy determinado por el proceso muy
probable del amontonamiento de las fibras.
Los modernos materiales de filtración están
sujetos a unos requisitos estrictos, con frecuencia contradictorios.
Además de la alta eficiencia de la separación del líquido
heterogéneo y sistemas de gases, es necesario proporcionar una baja
hidro- (o aéreo-)dinámica resistencia del filtro, una buena
resistencia mecánica, estabilidad química, buena capacidad de
absorción de la suciedad, y universalidad de aplicación, juntamente
con un bajo coste.
La manufactura de dichos productos está
condicionada al empleo de fibras de alta calidad largas y finas, con
una sección transversal isométrica que contiene poros
monodispersados y tienen una alta porosidad. El valor práctico de
este producto puede aumentarse en gran manera en forma de posibles
aplicaciones expandidas debidas a la incorporación de fases
adicionales, a saber, en la fabricación de los materiales composite
de filtración mencionados más arriba.
Por lo tanto, el principal objetivo de la
solución técnica propuesta es la eliminación de los defectos
relacionados más arriba de las soluciones conocidas para
aplicaciones de filtración (primordialmente dirigidas a la
fabricación de microfiltros de fibras de polímeros) y otras
finalidades, incluyendo la aplicación como medios de microfiltrado,
es decir, la creación de medios y la reunión de los requisitos
relacionados más arriba para medios técnicos para la fabricación de
materiales de microfiltrado con nuevas propiedades de consumo.
El objetivo antes indicado se logra mediante el
dispositivo y método que se especifica en las reivindicaciones como
se ha indicado anteriormente.
El dispositivo básico de la presente invención
incluye una cinta sin fin móvil conectada a tierra que actúa como
electrodo de precipitación, y un electrodo colector para cargar
negativamente una solución de polímero con respecto a la cinta sin
fin móvil, para producir zonas de alta curvatura de superficie en la
solución de polímero. En una versión del dispositivo, las zonas de
alta curvatura de superficie se forman al haber forzado el paso de
la solución de polímero a través de un banco de inyectores. Los
inyectores del electrodo colector están insertados de forma
longitudinal en orificios cilíndricos situados a intervalos en una
placa de recubrimiento cargada negativamente del electrodo colector.
La fuente de vapores de disolvente está conectada a los orificios.
En una configuración alternativa, los inyectores están conectados
mediante un sistema de canales abiertos al recipiente de
disolvente.
En una de las implementaciones, el dispositivo
está provisto de un electrodo adicional conectado a tierra que está
colocado en paralelo a la superficie de los inyectores del electrodo
colector el cual es capaz de moverse en dirección perpendicular al
plano de las toberas del electrodo colector.
Con el fin de perfeccionar el procedimiento de
fabricación, el electrodo adicional puede tomar la forma de un cable
único ensanchado durante el espacio entre los electrodos.
El electrodo adicional puede tomar también la
forma de una placa perforada con un reborde, en cuyo caso la
superficie del electrodo adicional, el reborde, y el electrodo
colector forman una cavidad cerrada, y las aberturas de la placa
perforada son coaxiales a las aberturas del electrodo colector.
Un dispositivo de la presente invención incluye
un generador de aerosol, construido en forma de un aparato hueco
(capa de lecho fluidizado) dividido en dos partes mediante una
división porosa electroconductora, la cual está conectada a una
fuente principalmente positiva de alto voltaje. La parte inferior de
la cavidad forma una cámara de presión que está conectada a un
compresor y la parte superior de la cavidad está llena con el
material de relleno dispersable, por ejemplo, polvo de polímero.
Alternativamente, el generador del aerosol puede
estar construido en forma de un pulverizador de ranura, conectado a
una fuente positiva de alto voltaje, y un alimentador de fluido
seco, provisto de un eyector para el suministro de polvo al
pulverizador.
En segundo lugar, el objetivo principal de la
presente invención se obtiene mediante el método sugerido de
fabricación de un material de filtrado composite, que comprende las
siguientes operaciones (etapas):
\bullet preparación de una solución de polímero
a partir de un polímero, un disolvente orgánico y aditivos
solubilizantes, mezclando estos componentes por ejemplo, a
temperaturas elevadas;
\bullet vertido de la solución de polímero
dentro de un electrodo colector e incorporando el relleno
dispersable, por ejemplo, de un polímero de la misma composición
química que el de la solución, dentro de la cavidad del generador
electrificado de aerosol.
\bullet suministro de un alto voltaje negativo
al electrodo colector, y creación de una presión hidrostática para
facilitar la eyección de la solución de polímero a través de los
inyectores del electrodo colector para producir fibras de polímero
con una carga eléctrica negativa;
\bullet transferencia de las fibras antes
mencionadas bajo la acción de fuerzas eléctricas e inerciales al
electrodo de precipitación y amontonamiento caótico de las fibras
sobre su superficie para transformar las fibras en un material
polímero no tejido;
\bullet desplazamiento del material polímero
descrito más arriba con ayuda del electrodo de precipitación,
seguido por la interacción del material polímero con la nube de
aerosol electrificado formada a partir del filtro dispersable en el
generador de aerosol bajo la acción del alto voltaje positivo y
presión de aire, acompañado por la penetración de la nube de aerosol
dentro de la estructura del material polímero no tejido
negativamente cargado, para formar un material de filtración
composite homogéneo.
El material de filtración preparado mediante el
presente método puede someterse a compresión.
La invención se describe a continuación,
solamente a título de ejemplo, haciendo referencia a los dibujos que
se acompañan, en los cuales:
La figura 1 es un diagrama esquemático de un
dispositivo de la presente invención, que incluye dos generadores de
aerosol electrificados alternativamente;
La figura 2A es una vista en planta del electrodo
colector del dispositivo de la figura 1;
La figura 2 es una sección transversal lateral
del electrodo colector de la figura 2A;
Las figuras 3 y 4 son secciones transversales
laterales de electrodos colectores a base de inyectores
alternativos;
La figura 5 es una sección transversal lateral de
un electrodo colector a base de una rueda rotativa.
La figura 6 es una sección transversal lateral de
un electrodo colector a base de agujas alternativas.
La presente invención es un dispositivo y un
procedimiento para la precipitación electrostática de una estructura
composite de fibras de polímero. Específicamente, la presente
invención puede emplearse para construir un filtro composite no
tejido.
Los principios y la operación de la precipitación
electrostática de una estructura de fibras de polímero no tejido, de
acuerdo con la presente invención, pueden comprenderse mejor con
referencia a los dibujos y a la descripción que se acompaña.
El proceso tecnológico de preparación del
material de filtración composite incluye dos etapas básicas, que
tienen lugar simultáneamente. La primera consiste en la formación y
precipitación de una superficie en constante movimiento (base) de
fibras ultrafinas a partir de la solución de polímero que fluye de
las aberturas capilares bajo la acción de un campo eléctrico.
La segunda operación es la introducción de
partículas micro-dispersas de un producto de relleno
de una particular composición dentro de la estructura de fibras
(matriz) formada anteriormente en la primera etapa de
producción.
El método indicado de fabricación del material de
filtración composite, se basa en la realización de estas dos
operaciones básicas e incluye también las operaciones descritas más
arriba.
Una variante básica del dispositivo de la
presente invención (figura 1) incluye un electrodo colector de alto
voltaje 1, construido como un baño lleno con la solución del
polímero y provisto de una base 2 y una cubierta 2'. El electrodo
colector está conectado a un alimentador 3 (figura 2B) mediante un
tubo flexible, instalado de forma que permita un movimiento vertical
y una fuente 4 de alto voltaje de polaridad negativa.
Unas toberas 5 con unos inyectores 6 que tienen
unos orificios capilares, están roscadas en unas aberturas roscadas
en la cubierta 2 del electrodo colector como sobre un tablero de
ajedrez (figura 2). Debido a que la altura de las toberas es
ligeramente menor que el grueso de la cubierta 2' y la longitud de
cada inyector 6 es superior al grueso de la cubierta 2', la sección
de toberas está colocada encima de la cubierta 2' sobre el eje de
unas depresiones cilíndricas 7 conectadas entre sí mediante un
sistema de canales abiertos 8 (figura 2A). El disolvente es
alimentado a este sistema de canales desde un recipiente 9. Un
electrodo de precipitación 10 está situado a una cierta distancia
encima de la cubierta 2'. El electrodo de precipitación 10 está
construido en forma de una superficie en constante movimiento
(cuando se trata de la modalidad abierta), por ejemplo una cinta sin
fin fabricada con un material electroconductor. El electrodo de
precipitación 10 está conectado a tierra. Los ejes 11 y 12
conectados a un motor eléctrico (no dibujado en las figuras) son
responsables de conducir el electrodo de precipitación 10,
manteniendo el electrodo de precipitación 10 en tensión, y
procurando una compresión preliminar del material sobre el electrodo
de precipitación 10. Parte del electrodo de precipitación 10 da la
vuelta alrededor del eje 13 el cual tiene un gran diámetro, y está
sumergido en la cavidad rectangular del generador del aerosol
electrificado. La cavidad del generador del aerosol electrificado
está dividida en dos secciones mediante una división porosa
conductora 15. Esta última está conectada a una fuente de alto
voltaje 16 de polaridad positiva. La parte inferior del generador 14
del aerosol electrificado, que forma la cámara de presión 17, se
conecta a un compresor (no dibujado en las figuras). Un producto de
relleno micro-dispersable se vierte sobre la
superficie de la división porosa 15 en la parte superior del
generador. El dispositivo completo dibujado en la figura 1 está
contenido en un recipiente herméticamente sellado, provisto de una
unidad de aspiración y una cámara de separación para captar y
recircular los vapores de disolvente (no dibujados en las
figuras).
El generador del aerosol electrificado puede
también ser implementado en forma de un pulverizador de ranura 18,
conectado mediante una tubería a un alimentador de eyección de polvo
seco 19 y una fuente de alto voltaje positivo 16. El empleo de un
pulverizador de ranura con una carga de aerosol en el campo de la
descarga corona, se prefiere en el caso de polvos metálicos
(incluyendo el polvo de grafito) y polvos que son fácilmente
fluidizados.
La dirección de la alimentación de las fibras
sobre la superficie vertical puede invertirse, y las dimensiones del
electrodo colector y el número de capilares puede minimizarse con
ayuda del dispositivo dibujado en la figura 3. El dispositivo consta
de un marco electroconductor 20, construido de un material
dieléctrico y que tiene un canal central 21, por ejemplo de forma
cilíndrica. Este canal está conectado mediante una tubería a un
alimentador (no mostrado en el dibujo) y está provisto de una
abertura 22 para facilitar el cambio de gases con la atmósfera. Una
barra distribuidora 23 con toberas 5 y boquillas con aberturas
capilares se instala en la parte inferior del marco 20. Las
boquillas se conectan a una fuente de alto voltaje (no mostrada en
el dibujo). La cubierta 24 con las aberturas 25 se coloca antes de
la barra conductora. Las boquillas 6 están colocadas en estas
aberturas con un espacio libre axial. La superficie interna de la
cubierta y la barra conductora forman una cavidad 26, la cual está
conectada a un saturador (no mostrado en el dibujo) mediante una
tubería.
En un buen número de casos, el procedimiento de
fabricación del material de filtro composite puede perfeccionarse
por implementación del dispositivo mostrado en la figura 4. En el
mismo, un reborde dieléctrico 28 sirve de base a una placa perforada
conectada a tierra 27, la cual se instala con un cierto espacio
libre C, paralelo a las superficies del electrodo colector 20 y la
barra conductora 23. La placa 27 se apoya sobre el reborde de tal
forma que está provista de movimiento vertical para la regulación
del tamaño del espacio vacío C. Las aberturas 29 de la placa
perforada son coaxiales con las aberturas de las boquillas del
electrodo colector. La superficie interna de la placa perforada 27 y
la barra conductora 23 forman una cavidad 26 que está conectada
mediante una tubería a un saturador.
El dispositivo propuesto funciona en su forma
básica como sigue: A partir del alimentador 3 (figura 2B), la
solución de polímero se introduce en el baño electrodo colector 1, y
bajo la acción de la presión hidrostática la solución de polímero
empieza a ser extrusionada a través de las aberturas capilares de
las boquillas 6. Tan pronto se forma un menisco en la solución de
polímero, empieza el procedimiento de evaporación del disolvente.
Este procedimiento va acompañado por la creación de cápsulas con una
cubierta semirrígida, las dimensiones de las cuales vienen
determinadas por una parte, por la presión hidrostática, la
concentración de la solución original y el valor de la tensión
superficial, y por otro lado, por la concentración del vapor de
disolvente en la zona de las aberturas capilares. El último
parámetro se optimiza mediante la selección del área de libre
evaporación de la cubierta 2' y la temperatura del disolvente.
Un campo eléctrico, acompañado por una descarga
corona unipolar en el área de la boquilla 6, se genera entre la
cubierta 2' y el electrodo de precipitación 10 mediante la conexión
a la fuente de alto voltaje 4. Debido a que la solución de polímero
posee una cierta conductividad eléctrica, las cápsulas descritas
más arriba se cargan eléctricamente. Las fuerzas de Coulomb de
repulsión entre las cápsulas conducen a un drástico aumento de la
presión hidrostática. Las cubiertas semirrígidas se dilatan y un
número de microrrupturas puntuales (de 2 a 10) se forman en la
superficie de cada cubierta. Chorros ultrafinos de solución de
polímero empiezan a pulverizarse hacia el exterior a través de estas
aberturas. Moviéndose a alta velocidad en el intervalo entre los
electrodos, estos chorros empiezan a perder disolvente y forman
fibras que se precipitan caóticamente sobre la superficie del
electrodo de precipitación en movimiento 10, formando una matriz de
fibras como una lámina. Dado que la fibra de polímero posee una alta
resistencia eléctrica superficial, y el volumen de material en
contacto físico con la superficie del electrodo de precipitación es
pequeña, la matriz de fibras conserva la carga eléctrica negativa
durante largo tiempo.
Cuando se inyecta aire comprimido dentro de la
cámara de presión 17 del generador del aerosol electrificado 14, y
se conecta una fuente de alto voltaje 16, el relleno
microdispersable se vuelve fluidizado y adquiere una carga eléctrica
positiva. Bajo la acción de fuerzas eléctricas y aerodinámicas, las
partículas de relleno se mueven hacia la superficie del electrodo de
precipitación 10, el cual sostiene la matriz de fibras. Como
resultado de la acción de las fuerzas de Coulomb, las partículas de
relleno interaccionan con la matriz de fibras, penetran en su
estructura y forman un material composite.
Cuando la cinta del electrodo de precipitación 10
pasa entre los ejes 11, tiene lugar una primera compresión del
material, acompañada de una redistribución de las partículas de
relleno en el volumen de la matriz. Las partículas esféricas,
adheridas al material de fibras sólo mediante fuerzas eléctricas, se
mueven a lo largo de los caminos de mínima resistencia en microzonas
que tienen una mínima densidad de volumen del material de la matriz,
llenando grandes poros, y aumentando así la homogeneidad del
composite y el grado de microdispersión de los poros.
Los polvos microdispersables de los siguientes
materiales pueden emplearse como rellenos: un polímero de la misma
composición química que el de la matriz, látex de polímeros, vidrio
o teflón, así como rellenos activos que conducen a la producción de
materiales conmposite de microfiltrado con nuevas propiedades para
el consumo. Estos nuevos materiales pueden encontrar aplicación como
adsorbentes, indicadores, catalizadores, resinas de intercambio
iónico, pigmentos bactericidas, etc.
El empleo de un generador de aerosol
electrificado, como se ha descrito más arriba con la capa
fluidizada, facilita una alta productividad del procedimiento y
homogeneidad del producto. Sin embargo, ciertos polvos tienen
dificultad para formar una capa fluidizada: los polvos metálicos, en
particular de metales catalíticos, pueden someterse a precipitación
eléctrica solamente en el campo de una descarga corona unipolar. Por
lo tanto, en estos casos, así como en el caso en que es necesario
medir exactamente cantidades de relleno, es útil emplear un
pulverizador de ranura 18 como generador de aerosol electrificado
(figura 1). Cuando se inyecta aire comprimido desde un compresor en
el alimentador de polvo seco y se conecta la fuente de alto voltaje,
el relleno pulverulento se expulsa dentro del pulverizador de ranura
18. La nube de aerosol sale fuera de las aberturas del pulverizador
y se carga eléctricamente en el campo de descarga corona unipolar, y
bajo la acción de fuerzas eléctricas y aerodinámicas se transfiere
al electrodo de precipitación en donde interactúa con la matriz de
fibra como se ha descrito más arriba.
El funcionamiento del dispositivo descrito en la
figura 3 corresponde en los aspectos principales, con la operación
del dispositivo básico. La principal diferencia es como sigue: el
vapor disolvente del saturador se alimenta bajo un ligero exceso de
presión, al interior de la cavidad 26 y sale camino de la abertura
25, fluyendo por los bordes de las aberturas de las boquillas 6. La
ventaja de esta configuración reside en el hecho de que proporciona
la posibilidad de una fácil reorientación espacial y la alimentación
de fibras en cualquier dirección y que puede fabricarse en forma
compacta con un pequeño número de capilares. Un dispositivo de este
tipo no es eficiente en instalaciones que pretenden una alta
producción debido a las dificultades para obtener una distribución
homogénea de la mezcla vapor-aire a través de un
gran número de aberturas y la posibilidad de condensación de vapor
en las tuberías y consiguiente formación de gotas.
La intensificación del procedimiento de
fabricación de la matriz de fibras y una reducción del ancho de
fibra con el fin de producir materiales de filtración con un mínimo
tamaño de poro, supone por una parte, que la intensidad del campo
eléctrico debe ser aumentada a valores próximos al nivel en el cual
las descargas eléctricas empezarían a formarse entre las fibras
emergentes y el electrodo de precipitación 10, y por otra parte,
supone que la concentración de vapores de disolvente en el intervalo
entre electrodos aumentaría con el fin de mantener la capacidad de
consolidar la formación de fibras. La fuerza óptima del campo
eléctrico, tanto entre el electrodo colector 1 y el electrodo de
precipitación 10, como entre el generador de aerosol electrificado y
el electrodo de precipitación 10, está entre aproximadamente 2,5
KV/cm y aproximadamente 4 KV/cm.
Un aumento en la intensidad media y la
heterogeneidad del campo eléctrico que conduce a una descarga en
corona, puede obtenerse mediante la instalación en el intervalo
entre electrodos, de uno o más electrodos conectados a tierra,
construidos por ejemplo, en forma de cables. Esta solución facilita
un aumento en la productividad del procedimiento de 1,5 a 2 veces,
pero no conduce a la formación de fibras cortas, variando los
parámetros de fuerza y tamaño. El efecto negativo de emplear un
electrodo lineal conectado a tierra en lugar de un electrodo plano
conectado a tierra, produciendo con ello un campo eléctrico no
homogéneo, puede reducirse aumentando la concentración del vapor de
disolvente en el área de formación de fibras, lo cual es difícil en
dispositivos abiertos y aumenta el consumo de disolvente y el
peligro de incendio.
Esta deficiencia puede ser solventada mediante la
aplicación del dispositivo descrito más arriba y esquematizado en la
figura 4.
Conectando la fuente de alto voltaje 4 en el
espacio vacío C, se produce un campo eléctrico homogéneo la
intensidad del cual puede aumentarse fácilmente de 10 a 15 KV/cm.
Bajo estas condiciones, el impacto del campo eléctrico sobre el
chorro de solución de polímero aumenta significativamente. La fibra
se vuelve más fina y más homogénea a lo largo de su longitud. La
velocidad inicial de las fibras aumenta también y por lo tanto pasa
a través de las aberturas 29 de la placa perforada 27 y se amontona
sobre la superficie del electrodo de precipitación como se ha
descrito más arriba. Un cambio en el tamaño del espacio libre C
facilita la regulación del grueso de las fibras y la productividad
del dispositivo, así como el grado de porosidad del material.
La presente invención puede emplearse para
producir la estructura de fibra polímera a partir de un margen mucho
más amplio de polímeros del que es posible empleando la técnica
anterior de US 2.349.950. Los polímeros aptos para la presente
invención incluyen las polisulfonas,
polifenil-sulfonas, poliétersulfonas,
policarbonatos, en general, ABS, poliestireno, fluoruro de
polivinilideno, cloruro de poli-vinilo
postclorurado, y poliacrilonitrilo. Disolventes adecuados incluyen
entre otros, el cloroformo, benceno, acetona y
dimetilformamida. La concentración óptima de la solución depende del
polímero específico y del disolvente utilizado. Generalmente, cuanto
mayor es la concentración de polímero en la solución, tanto mayor es
el rendimiento del proceso y tanto menor es la porosidad del
producto. Se ha encontrado que las concentraciones entre alrededor
del 10% y alrededor del 12% son óptimas para la solución del
polímero empleado en el electrodo colector 1. Se ha descubierto que
es ventajoso añadir ciertos aditivos a las soluciones de estos
polímeros. Las sales de amina tales como el bromuro de tetraetil
amonio y el bromuro de benciltrietilamonio, se emplean para regular
la conductividad de la solución del polímero. Pequeñas cantidades de
aditivos de polioxialquileno de alto peso molecular (del orden de
500.000) tales como el polietilenglicol y la polivinil pirrolidona
promueven la formación de chorros de solución de polímero, al
reducir la fricción intermolecular. Los surfactantes tales como el
dimetil-imidazol y el etoxitrimetilsilano potencian
el grueso de la fibra y la uniformidad.
Más generalmente, la finalidad de la presente
invención incluye la fabricación de la estructura de fibras del
polímero a partir de un polímero licuado y no precisamente de una
solución de polímero. Por polímero licuado se entiende un polímero
puesto en estado líquido mediante cualquier medio, incluyendo la
disolución del polímero en un disolvente como se ha descrito más
arriba, y también fundiendo el polímero.
También más generalmente, la finalidad de la
presente invención incluye la formación de una superficie sobre el
polímero licuado de suficiente curvatura para iniciar el proceso
discutido más arriba de las cápsulas cargadas, conduciendo a la
formación de chorros de polímero licuado que se convierten en fibras
y precipitan sobre el electrodo de precipitación 10.
Como se ha descrito más arriba, si el polímero
licuado es una solución de polímero, las fibras se forman por
evaporación del disolvente. Si el polímero licuado es una masa
fundida, las fibras se forman por solidificación de los chorros.
En el proceso de la presente invención como se ha
descrito más arriba, las superficies muy curvadas son los meniscos
de solución de polímero que emergen de los inyectores 6. Otros
mecanismos para la formación de estas superficies altamente curvadas
están ilustrados en las figuras 5 y 6. La figura 5 ilustra una
variante del electrodo colector 1 en el cual la solución de polímero
almacenada en un depósito 33, es bombeada mediante una bomba 32 a
través de una tubería de alimentación 31 a una cámara de suministro
36. Montada rotativamente en la cámara de suministro 36 existe una
rueda circular 30 hecha de un material eléctricamente conductor.
Montado sobre el borde 38 de la rueda 30 existen unos salientes
triangulares 40 hechos de un material que es humectado por la
solución de polímero. Las puntas 42 de los salientes 40 apuntan
radialmente hacia el exterior de la rueda 38. La rueda 38 se carga
negativamente mediante la fuente 4. La solución del polímero se
suministra a la cámara 36, la rueda 30 gira y cada uno de los
salientes 40 se cubre sucesivamente de una capa de la solución de
polímero, la cual a su vez adquiere una carga negativa. La
superficie de la porción de esta capa de solución de polímero que
rodea las puntas 42 constituye la superficie altamente curvada por
lo cual los chorros cargados emergen. La solución de polímero no
consumida en el curso de la precipitación se libera sobre el
electrodo de precipitación 10, y es devuelta al tanque 33 por una
tubería de salida 35 y mediante una bomba 34. La concentración
óptima de la solución de polímero empleada en esta variante del
electrodo colector 1, ha sido en general, entre aproximadamente 14%
y aproximadamente 17%.
La figura 6 es una ilustración parcial, en
sección transversal, similar a la sección transversal de la figura
2B, de una variante de electrodo colector 1 en el cual los
inyectores 6 están reemplazados por unas agujas alternadas 40,
construídas de un material eléctricamente conductor, mojado por la
solución de polímero. Cada aguja 40 está provista de un mecanismo 42
para subir y bajar la aguja 40. Cuando una aguja 40 baja, la punta
aguda de la misma 44 se moja y se recubre con la solución de
polímero. La superficie de la solución de polímero está altamente
curvada en la punta 44. Cuando una aguja 40 se levanta hacia el
electrodo de precipitación 10, la gran diferencia de voltaje
existente entre la aguja 40 y el electrodo de precipitación 10
ocasiona que chorros de la solución de polímero emerjan de la
solución de polímero que rodea la punta 44 y fluyan hacia el
electrodo de precipitación 10. Debe tenerse en cuenta que en esta
variante del electrodo colector 1, solamente las agujas 40 y por lo
tanto, la solución de polímero que está sobre las mismas, están
cargadas negativamente mediante la fuente 4.
También se muestra en la figura 6, un altavoz 50
de un sistema para producir vibraciones acústicas en el aire encima
del electrodo colector 1. El altavoz 50 emite un tono de una única
frecuencia, de preferencia en el margen entre aproximadamente 5.000
Hz y aproximadamente 30.000 Hz hacia las agujas 40. Se ha
descubierto que las vibraciones así inducidas en las superficies
altamente curvadas de la solución de polímero sobre las puntas 44,
estimulan la emisión de chorros de solución de polímero hacia el
colector de precipitación 10.
Aunque la invención ha sido descrita con respecto
a un número limitado de versiones, se apreciará que pueden hacerse
muchas variaciones, modificaciones y otras aplicaciones de la
invención.
Claims (24)
1. Un dispositivo para la transformación de un
polímero licuado en una estructura composite a base de fibras, el
cual dispositivo comprende:
(a) un electrodo de precipitación
substancialmente plano (10);
(b) un primer mecanismo (1), para cargar
eléctricamente el polímero licuado con un primer potencial eléctrico
relativo a dicho electrodo de precipitación (10);
(c) un segundo mecanismo (6, 42) para la
formación de una superficie sobre dicho polímero licuado de una
curvatura lo suficientemente grande para causar que por lo menos un
chorro cargado del polímero licuado sea atraído por dicho primer
potencial eléctrico hacia dicho electrodo de precipitación (10),
formando con ello una matriz eléctricamente cargada de fibras de
polímero sobre dicho electrodo de precipitación (10); y
caracterizado porque
(d) un generador de aerosol (14, 18), siendo de
un segundo potencial eléctrico con referencia a dicho electrodo de
precipitación (10), dicho generador de aerosol (14,18) es operativo
para suministrar un aerosol de polvo de relleno eléctricamente
cargado a dicho electrodo de precipitación (10), de manera que las
fuerzas eléctricas entre dicho polvo de relleno eléctricamente
cargado y dicha matriz eléctricamente cargada distribuyen dicho
polvo de relleno eléctricamente cargado dentro de dicha matriz
eléctricamente cargada formando así un material composite con el
mismo.
2. El dispositivo de la reivindicación 1, que
comprende además:
(e) un tercer mecanismo (26) para proporcionar
una reorientación espacial por lo menos a un chorro eléctricamente
cargado del polímero licuado, en una pluralidad de direcciones.
3. El dispositivo de la reivindicación 2, en
donde dicho tercer mecanismo (26) es operativo para generar un flujo
de vapor de disolvente en la proximidad de dicho segundo mecanismo
(6, 42).
4. El dispositivo de la reivindicación 1, en
donde dicho electrodo de precipitación (10) es operativo para
moverse delante de dicho segundo mecanismo.
5. El dispositivo de la reivindicación 4, en
donde dicho electrodo de precipitación (10) incluye una cinta sin
fin.
6. El dispositivo de la reivindicación 1, en
donde dicho segundo mecanismo incluye por lo menos un inyector
(6).
7. El dispositivo de la reivindicación 1, en
donde dicho segundo mecanismo incluye por lo menos un saliente (40)
construido de un material que se moja por el polímero licuado
incluyendo por lo menos un saliente, una punta (42) sobre la cual se
forma una superficie de gran curvatura.
8. El dispositivo de la reivindicación 7, en
donde por lo menos un saliente está dispuesto sobre el borde (38) de
una rueda, con la punta (42) dirigida radialmente hacia el exterior
de dicha rueda.
9. El dispositivo de la reivindicación 7, que
comprende además:
(d) un baño (36) que contiene el polímero
licuado;
y en donde, por lo menos un saliente (40) es
operativo para alternarse dentro de este baño (36), formándose unos
chorros de polímero licuado en la más cercana proximidad de por lo
menos un saliente (40) hacia dicho electrodo de precipitación.
10. El dispositivo de la reivindicación 1, que
comprende además, un electrodo adicional (27), intermedio entre
dicho electrodo de precipitación (10) y dicho segundo mecanismo (6,
42).
11. El dispositivo de la reivindicación 10, en
donde dicho electrodo adicional (27) incluye una placa que tiene una
abertura (29), opuesta a dicho segundo mecanismo (6, 42) a través de
la cual por lo menos un chorro del polímero licuado emerge hacia
dicho electrodo de precipitación (10).
12. El dispositivo de la reivindicación 1, en
donde dicho generador de aerosol incluye:
(i) una cámara de presión (17); y
(ii) una división (15) entre dicha cámara de
presión (17) y dicho electrodo de precipitación (10);
dicha cámara de presión (17) y dicha división
(15) cooperan en fluidizar un polvo de relleno que es atraído
mediante dicha segunda diferencia de potencial eléctrico, a dicho
electrodo de precipitación (10).
13. El dispositivo de la reivindicación 1, en
donde dicho generador de aerosol incluye un pulverizador de ranura
(18).
14. Un método de formación de un polímero dentro
de una estructura composite de fibras no tejidas, que comprende los
pasos de:
(a) licuación del polímero, produciendo con ello
un polímero licuado;
(b) provisión de un electrodo de precipitación
substancialmente plano (10);
(c) carga eléctrica de dicho polímero licuado con
un primer potencial eléctrico relativo a dicho electrodo de
precipitación (10);
(d) formación de una superficie sobre dicho
polímero licuado de una curvatura lo suficientemente grande para
causar por lo menos un chorro de dicho polímero licuado,
eléctricamente cargado, que sea atraído hasta dicho electrodo de
precipitación (10) mediante dicha primera diferencia de potencial
eléctrico, formando con ello una matriz eléctricamente cargada de
fibras de polímero sobre dicho electrodo de precipitación (10);
y
caracterizado por
(e) suministro de un aerosol de polvo de relleno,
eléctricamente cargado, a dicho electrodo de precipitación (10) de
manera que las fuerzas eléctricas entre dicho polvo de relleno
eléctricamente cargado, y dicha matriz eléctricamente cargada,
distribuyen uniformemente dicho polvo de relleno eléctricamente
cargado, dentro de dicha matriz eléctricamente cargada, formando así
un material composite con los mismos.
15. El método de la reivindicación 14, en donde
dicha licuación se efectúa disolviendo el polímero en un disolvente,
creando con ello una solución de polímero.
16. El método de la reivindicación 15,
comprendiendo además el paso de:
(f) adición de vapores de dicho disolvente en la
proximidad de dicha superficie con una gran curvatura.
17. El método de la figura 15, comprendiendo
además el paso de:
(f) adición a dicha solución de polímero de un
aditivo seleccionado del grupo formado por sales de amina,
polioxialquilenos y surfactantes.
18. El método de la reivindicación 14, en donde
la formación de dicha superficie de gran curvatura se efectúa
forzando a que dicho polímero licuado emerja por un inyector (6)
siendo dicha superficie de gran curvatura un menisco de dicho
polímero licuado.
19. El método de la reivindicación 14, en donde
dicha formación de dicha superficie de gran curvatura se efectúa
mojando un saliente el cual tiene una punta (42), con dicho polímero
licuado, siendo una superficie de dicho polímero licuado adyacente a
dicha punta (42).
20. El método de la reivindicación 14, que
comprende además el paso de:
(f) movimiento de dicho electrodo de
precipitación (10) de forma que la estructura no tejida de fibras,
se forma sobre dicho electrodo de precipitación (10) como una
lámina.
21. El método de la reivindicación 14, que
comprende además el paso de:
(f) vibración de dicha superficie de gran
curvatura.
22. El método de la reivindicación 21, en donde
dicha vibración se efectúa con una frecuencia entre aproximadamente
5.000 Hz y aproximadamente 30.000 Hz.
23. El método de la reivindicación 14, en donde
dicho suministro de dicho aerosol de polvo de relleno eléctricamente
cargado comprende:
la carga del polvo de relleno con un segundo
potencial eléctrico relativo a dicho electrodo de precipitación
(10), siendo dicho segundo potencial eléctrico de signo opuesto a
dicho primer potencial eléctrico, creando con ello dicho polvo de
relleno eléctricamente cargado; y
exponiendo dicha matriz de fibras de polímero,
eléctricamente cargada, a dicho polvo de relleno eléctricamente
cargado, atrayendo con ello dicho polvo de relleno eléctricamente
cargado, hacia dicha matriz de fibras de polímero, eléctricamente
cargada.
24. El método de la reivindicación 23, en donde
dicho polímero licuado está cargado negativamente con relación a
dicho electrodo de precipitación (10) y en donde dicho polvo cargado
está cargado positivamente con relación a dicho electrodo de
precipitación (10).
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