WO2005087673A1 - Procedimiento para la fabricación de fibras mediante extrusión con un gas enfocante en régimen subsónico - Google Patents

Procedimiento para la fabricación de fibras mediante extrusión con un gas enfocante en régimen subsónico Download PDF

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focusing
focusing fluid
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Alfonso Miguel GANÃN CALVO
Miguel PÉREZ-SABORID SÁNCHEZ-PASTOR
José María LÓPEZ-HERRERA SÁNCHEZ
Miguel Ángel HERRADA GUTIÉRREZ
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Universidad de Sevilla
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    • C03B37/01—Manufacture of glass fibres or filaments
    • C03B37/02—Manufacture of glass fibres or filaments by drawing or extruding, e.g. direct drawing of molten glass from nozzles; Cooling fins therefor
    • C03B37/022—Manufacture of glass fibres or filaments by drawing or extruding, e.g. direct drawing of molten glass from nozzles; Cooling fins therefor from molten glass in which the resultant product consists of different sorts of glass or is characterised by shape, e.g. hollow fibres, undulated fibres, fibres presenting a rough surface
    • C03B37/023—Fibres composed of different sorts of glass, e.g. glass optical fibres, made by the double crucible technique
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    • C03B37/02—Manufacture of glass fibres or filaments by drawing or extruding, e.g. direct drawing of molten glass from nozzles; Cooling fins therefor
    • C03B37/025—Manufacture of glass fibres or filaments by drawing or extruding, e.g. direct drawing of molten glass from nozzles; Cooling fins therefor from reheated softened tubes, rods, fibres or filaments, e.g. drawing fibres from preforms
    • C03B37/027—Fibres composed of different sorts of glass, e.g. glass optical fibres

Definitions

  • the method described in this invention is applied to the manufacture of fibers by combining two overlapping actions.
  • the fiber material from here, fiber material or constituent fluid
  • another fluid from here, focusing fluid
  • the focusing fluid is flowed subsonically to the focusing material with the fiber material through a small convergent nozzle.
  • the solidification of the fiber material, which is jetted out of the nozzle is promoted by one of the following three procedures: cooling, solvent evaporation, or component reaction. It is an essential feature of the invention that the focusing fluid circulates through the nozzle in a subsonic regime, specifying the precise speed limits allowed for the focusing fluid in the nozzle if it is desired to avoid jet instabilities.
  • thermoplastic materials are used which, once cast, are subjected to extrusion through a narrow hole, followed by solidification in the ambient air.
  • the filament or fiber thus obtained then passes to a post-processing unit that, depending on the use to which the product is intended, will perform the corresponding spinning, stretching, twisting, curling, coating and other tasks.
  • optical fibers using silicon dioxide, quartz or silica as raw material. Doped additives are incorporated during the manufacturing process, which allow the value of the refractive indexes of the core and the fiber optic coating to be modified.
  • high optical transparency materials are required, so the silicon dioxide used must ensure a high degree of purity.
  • the fiber optic extrusion processes are based on a preform, that is, a solid doped silicon dioxide cylinder that provides as raw material for
  • the preform is extruded.
  • a part of the preform is subjected to heating and traction, the fiber being extracted from it, with the desired section and production rate.
  • the induction furnace used must heat the fiber material without causing contamination problems and ensuring reliable thermal control.
  • textile synthetic fiber polymers, nylon, aquatic, rayon, viscose
  • extrusion processes of molten polymers through a row (spinneret, strainer), that is, a die with one or several small holes.
  • the filaments thus obtained are stretched and rolled in a coil.
  • the ways of processing the polymer are diverse, and the choice of technology depends on the nature of the polymer.
  • the main options, all based on direct extrusion processes, are:
  • the filaments thus produced are subsequently subjected to cold stretching that reorder the crystalline structure in the longitudinal direction.
  • extrusion fiber production is also important.
  • the granular raw material (flours and the like) is transported, mixed, kneaded, cooked, pasteurized, pressurized, solubilized, molded and / or expanded.
  • Continuous presses for extrusion of pasta are well known. To do this, it has the mechanical action of one or two screws that rotate inside a container at rest.
  • agribusiness it is worth mentioning the production of breakfast cereals, as well as noodles and spaghetti.
  • fibers for example, polypropylene
  • suture threads surgical material and personal hygiene equipment
  • the method described in this invention is applied to the manufacture of fibers of a solid material from its fluid or ductile, molten or plastic form (high viscosity liquid) by heating, or from its more or less form dissolved in sol-gel phase, or from its components in fluid or ductile, molten or plastic phase.
  • the fiber is produced after the following steps: a) Conformation of the fiber material (from here, fiber material or constituent fluid) in its fluid or ductile phase by means of another fluid (from here, focusing fluid ) immiscible with said fluid or ductile phase, for example a gas, which is flowed in a subsonic regime concentrically with the fiber material through a small convergent nozzle. b) Solidification of the fiber material by (i) cooling, (ii) evaporation of the solvent, or (iii) reaction of the components that produce the final solid material of the fiber.
  • the focusing fluid is of lower viscosity and density than the fiber constituent material, and must be of a nature that allows its rapid removal after being expelled with the fiber by the nozzle.
  • a focusing fluid is used that transmits to the fiber material that the necessary mechanical stresses are being extracted so that it is stretched and ⁇ -decreases its diameter or transverse dimension.
  • the viscous fluid that is to be shaped as a fiber is fed into a pressure chamber, on which the focusing fluid is also fed, and both fluids are made to flow concentrically (in the center the constituent fluid) through of a convergent nozzle.
  • the focusing fluid which flows subsonically and concentrically with the fiber through the extrusion nozzle, transmits its pressure to the fiber during said nozzle.
  • the pressure distribution of the focusing fluid must guarantee the absence of the axilsymmetric and asymmetric instabilities generally associated with the stretching of fibers, and for this the speed of said fluid must be between two limits: the lower limit corresponds to the minimum speed for which axilsymmetric instabilities would be suppressed; the
  • SUBSTITUTE SHEET RULE 26 upper limit corresponds to the maximum speed for which asymmetric or "whip" instabilities would not appear. Specifically, the speed of the focusing fluid at each point of the nozzle must be less than:
  • the speed of the focusing fluid at each point of the nozzle must be greater than the square root of 2 times the viscosity of the fiber material, multiplied by the final output speed of the fiber, divided by the gas density (before entering the nozzle) and divided by the length of the nozzle.
  • the shape of the nozzle, convergent, must be such that the focusing fluid is accelerated producing a pressure distribution whose axial dependence is approximately exponential, that is, directly proportional to:
  • L is the axial length of the nozzle
  • x the axial coordinate measured from the entry into the nozzle
  • ⁇ a dimensionless parameter between 3 and 8.
  • the focusing fluid can contribute, by virtue of its intrinsic properties, to control or favor the fiber solidification process.
  • a gas is used as the focusing fluid, its expansion in the nozzle causes its cooling and consequently, by means of energy transfer mechanisms, the cooling of the fiber material itself. This allows the control of the solidification rate of the material and its final properties if the material is being processed in the ductile phase by heating.
  • a solvent defect fluid is used as the focusing fluid that keeps the fiber material in a ductile or sol-gel phase, the additional effect of the focusing fluid is its contribution to extracting excess solvent from the fiber material (by mass transfer mechanisms), so that the fiber solidification process can be controlled.
  • a fluid with a chemical component catalyst or accelerator of the reaction of the components of the fiber material is used as the focusing fluid, similarly, by means of mass transfer mechanisms, the solidification process of the fiber.
  • the described procedure is applicable to any type of ductile material that is susceptible to subsequent solidification after forming it in the form of fiber. Therefore, its application is enormously wide, in sectors such as the manufacture of optical fiber, capillary micro-tubes, polymeric, ceramic or metallic fibers.
  • the present invention ensures the following advantages: o It provides a high degree of control over the fiber diameter. o It allows exceeding the maximum speed limit of fiber extraction associated with the instability of said fiber, o It avoids intense tangential stresses and frequent jamming problems in direct extrusion.
  • the focusing fluid can contribute, by virtue of its intrinsic properties, to control or favor the fiber solidification process.
  • the present invention ensures the following advantages: a Extension to various fiber production fields, exceeding the optical fiber limit of the procedure described in DI. "Applicability to constituent fluids of different viscosity. The highly viscous nature of the fiber raw material is not essential.” Specification of a range of flow velocities for the focusing fluid within the subsonic regime, with a precision of limits that allows prediction the absence of instabilities in the flow of the emerging fiber of the device.
  • the object of the invention is a process for producing a fiber starting from a cylindrical preform, by means of: a) Introduction of the first of the ends of the cylindrical preform into a pressure chamber so that the axis of the cylinder is aligned with a longitudinal axis; b) Exposure of the first end of the preform to a treatment that allows the ductility of the preform at this first end; c) Application of a pressure by means of a focusing fluid, which is introduced into a pressurized chamber through an entrance to that effect in said chamber; said focusing fluid flows along the predominance and towards the first end of said preform, forcing this first ductile end of the preform through an outlet nozzle of the pressure chamber; in said nozzle the concentric flow of the ductile end of the preform and the focusing fluid occurs; said nozzle is aligned
  • SUBSTITUTE SHEET RULE 26 with the axis of the preform and is located downstream in the flow direction of the focusing fluid; said focusing fluid helps to expel a fiber from the exit orifice of the pressure chamber, resulting in a reduction in the transverse dimension of the fiber with respect to the transverse dimension that the preform has inside the pressure chamber;
  • This procedure differs from the one described in DI because the speed of the focusing fluid at each point of the nozzle is lower than the speed of sound propagation within the focusing fluid at that point, that is, it occurs in a subsonic regime; and the speed of the focusing fluid at each point of the nozzle is also less than 0.25 times the viscosity of fiber material in said ductile state divided by the geometric mean of the densities of the fiber material and the focusing fluid, and divided by the final radius of the fiber that you want to obtain; on the other hand, the velocity of the focusing fluid at each point of the nozzle must be greater than the square root of 2 times the viscosity of the fiber material in said ductile state, multiplied by the exit velocity of the fiber, divided by the density of the gas before entering the nozzle and divided by the length of the nozzle.
  • the object of the present invention is also a process for producing a fiber using a constituent fluid as a supplier of raw material for said fiber, by the following steps: a) Extrusion of a current of said constituent fluid so that it flows from a power source into a pressure chamber in which a focusing fluid is located; b) Supply of focusing fluid to the pressure chamber so that said fluid, which is introduced into said chamber through an inlet opening, exits through an outlet nozzle of the pressure chamber, said nozzle located downstream of the flow of viscous fusion fluid; c) the focusing fluid surrounds the jet of constituent fluid so that said jet leaves the pressurized chamber, surrounded by the focusing fluid, by the nozzle of the same; the transverse dimension of said jet at the outlet of said nozzle is smaller than that of the power supply; d) Solidification of said jet to produce a fiber, which moves away from the nozzle at a certain output speed;
  • SUBSTITUTE SHEET RULE 26 This procedure is characterized in that the speed of the focusing fluid at each point of the nozzle is lower than the speed of sound propagation within the focusing fluid at that point, that is, it occurs in a subsonic regime; and the speed of the focusing fluid at each point of the nozzle is also less than 0.25 times the viscosity of constituent fluid divided by the geometric mean of the densities of the constituent fluid and the focusing fluid, and divided by the final radius of the fiber that you want be obtained; on the other hand, the velocity of the focusing fluid at each point of the nozzle must be greater than the square root of 2 times the viscosity of the constituent fluid, multiplied by the speed of exit of the fiber, divided by the density of the gas before entering in the nozzle and divided by the length of the nozzle.
  • the object of the invention is also a process for producing a fiber like the one above, characterized in that the constituent fluid is a viscous fluid obtained by melting another solid substance.
  • a process for producing a fiber according to the above is object of the invention, in which the constituent fluid is composed of two or more components in the form of liquids of which at least one will be viscous, so that said components , which are introduced into said pressure chamber through one or more inlet openings, are in intimate contact in the pressure chamber before being extruded as a single viscous fluid surrounded by the focusing fluid through said outlet nozzle of the pressure chamber, which is located downstream of the flow of said components in intimate contact.
  • the object of the invention a device like the previous one, characterized in that the components react chemically in their flow along the nozzle and after being expelled through it in the form of a jet together with the focusing fluid, so that finally the curing of the mixture of components and the solidification of the fiber takes place.
  • Another object of the invention is a process for producing a fiber in which the constituent fluid is a solution of the raw material of said fiber in a solvent, so that the solution is a viscous or sol-gel phase fluid.
  • the object of the invention is also a process for producing a fiber according to the above, characterized in that said solution totally or partially loses the solvent in its flow along the nozzle and after being expelled through it in the form of a jet together with the focusing fluid, so that the solidification of the fiber finally occurs.
  • the object of the invention is a process for producing a fiber based on the foregoing, in which the solvent concentrate in said solution is controlled by the focusing fluid by means of chemical mass transfer phenomena.
  • Figure 1 shows a device adapted to the described process for producing a fiber using a constituent fluid as a supplier of raw material for said fiber, showing the following aspects of the invention: a) power supply of constituent fluid or solid preform (7 ) into a pressure chamber (1) in which a focusing fluid is located; b) inlet opening (2) for the introduction of focusing fluid; c) outlet nozzle (3) of the pressure chamber; d) jet at the outlet of the nozzle.

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Abstract

El método que se describe en esta invención se aplica a la fabricación de fibras mediante la combinación de dos acciones superpuestas. Por un lado, se conforma el material de la fibra (a partir de aquí, material de la fibra o fluido constituyente) en su fase fluida o dúctil por medio de otro fluido (a partir de aquí, fluido enfocante) inmiscible con dicha fase fluida o ductil, por ejemplo un gas. Para ello se hace fluir en regimen subsónico al fluido enfocante concéntricamente con el material de la fibra a través de una pequefia tobera convergente. Por otro lado, y simultaneamente al citado flujo coaxial, se propicia la solidifcacion del material de la fibra, que sale en forma de chorro de la tobera, por uno de los tres procedirnientos siguientes: enfriamiento, evaporación del solvente, o reacción de componentes. Es caracteristíca esencial de la invención el que el fluido enfocante circula por la tobera en régimen subsónico, especificándose los límites precisos de velocidad permitidos para el fluido enfocante en la tobera si se desean evitar las inestabilidades del chorro.

Description

PROCEDIMIENTO PARA LA FABRICACIÓN DE FIBRAS MEDIANTE EXTRUSIÓN CON UN GAS ENFOCANTE EN RÉGIMEN SUBSÓNICO
OBJETO
El método que se describe en esta invención se aplica a la fabricación de fibras mediante la combinación de dos acciones superpuestas. Por un lado, se conforma el material de la fibra (a partir de aquí, material de la fibra o fluido constituyente) en su fase fluida o dúctil por medio de otro fluido (a partir de aquí, fluido enfocante) inmiscible con dicha fase fluida o dúctil, por ejemplo un gas. Para ello se hace fluir en régimen subsónico al fluido enfocante concéntricamente con el material de la fibra a través de una pequeña tobera convergente. Por otro lado, y simultáneamente al citado flujo coaxial, se propicia la solidificación del material de la fibra, que sale en forma de chorro de la tobera, por uno de los tres procedimientos siguientes: enfriamiento, evaporación del solvente, o reacción de componentes. Es característica esencial de la invención el que el fluido enfocante circula por la tobera en régimen subsónico, especificándose los límites precisos de velocidad permitidos para el fluido enfocante en la tobera si se desean evitar las inestabilidades del chorro.
ESTADO DE LA TÉCNICA
La mayor parte de las fibras que se usan hoy día son sintéticas, y para su manufactura se acude a materiales termoplásticos que, una vez fundidos, son sometidos a extrusión a través de un orificio estrecho, produciéndose seguidamente su solidificación en el aire ambiente. El filamento o la fibra así obtenida pasa seguidamente a una unidad de post-procesamiento que, dependiendo del uso a que se destina el producto, realizará las correspondientes tareas de hilado, estirado, torcido, ovillado, revestimiento y otras.
Las aplicaciones son numerosas y se centran el hilado de resinas, polímeros o vidrio con fines industriales (fibra óptica, elementos estructurales, industria textil). Las fibras son también utilizadas como ingrediente de materiales compuestos, como los polímeros reforzados o los composites. Los procedimientos de extrusión presentan numerosas ventajas, entre las que destacan sus costos de producción moderados, su escaso requerimiento de espacio, simplicidad conceptual de diseño, reducida generación de desechos y funcionamiento como proceso continuo.
De particular importancia es la fabricación de fibras ópticas, empleándose para ello como materia prima dióxido de silicio, cuarzo o sílice. Durante el proceso de fabricación se incorporan aditivos de dopado, que permiten modificar el valor de los índices de refracción del núcleo y del revestimiento de la fibra óptica. Para la fabricación de fibra óptica se requieren materiales de alta transparencia óptica, por lo que el dióxido de silicio utilizado debe asegurar un alto grado de pureza.
Los procedimientos de extrusión de fibra óptica se basan en una preforma, es decir, un dlindro macizo de dióxido de silicio dopado que proporciona como materia prima para la
elaboración de la fibra. Seguidamente se procede a la extrusión de la preforma. Para ello, una parte de la preforma es sometida a calentamiento y tracción, extrayéndose de ella la fibra, con la sección y tasa de producción deseadas. El horno de inducción empleado debe calentar el material de la fibra sin ocasionar problemas de contaminación y asegurando un control térmico fiable.
La manufactura de fibra sintética textil (poliéster, nylon, acrüicos, rayón, viscosa) se basa asimismo en procesos de extrusión de polímeros fundidos a través de una hilera (spinneret, strainer), es decir, un dado con uno o varios pequeños orificios. Los filamentos así conseguidos se estiran y se enrollan en una bobina. Son diversos los modos de procesar el polímero, y la elección de tecnología depende de la naturaleza de éste. Las principales opciones, basadas todas ellas es procesos de extrusión directa, son:
• Hilado fundido (rnelt-spinning process): el polímero es sometido a calentamiento, fusión y bombeo a través de la hilera. Los filamentos emergentes son estirados y se enfrían en el aire exterior, siendo luego recogidos y devanados en una bobina. • Hilado en seco (clry-spinning process): la materia prima es una disolución cuyo solvente es extraído por evaporación. El proceso de extrusión se combina con el paso del material de fibra por una cámara caliente o un flujo a contracorriente de aire cálido, etapa en la que el solvente se evapora. • Hilado húmedo ( et-spinning process): el polímero está presente como disolución, con un solvente no volátil. Los dos o más componentes de la disolución son separados químicamente, mediante el paso del material extruido a través de un baño coagulante donde se produce la precipitación del polímero en forma de hilos.
Los filamentos así producidos se someten posteriormente a estirados en frío que reordenan la estructura cristalina en dirección longitudinal.
En el sector agroalimentario, la producción de fibras por extrusión tiene también importancia. Mediante la extrusión, la materia prima granular (harinas y similares) es transportada, mezclada, amasada, cocida, pasteurizada, presurizada, solubilizada, moldeada y/o expandida. Son bien conocidas las prensas continuas para la extrusión de pastas alimenticias. Para ello se cuenta con la acción mecánica de uno o dos tornillos que giran dentro de un recipiente en reposo. En la agroindustria cabe citar la producción de cereales para el desayuno, así como de fideos y espaguetis.
En la industria médica, por otra parte, son asimismo frecuentes las fibras (por ejemplo, de polipropileno), aplicadas en la producción de hilos de sutura, material quirúrgico y pertrechos de higiene personal.
La extrusión de polímeros conductores está siendo investigada en electrónica dado su posible utilidad en la producción de transistores de efecto de campo (FET) y en diodos emisores de luz. En esta línea se han registrado avances en el estudio de transistores mediante nanofibras poliméricas: véase el artículo "Field effect conductance of conducting polymer nanofibers" (p. 2674-2680), Jeffrey A. Merlo, C. Daniel Frisbie, Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, Nolume 41, Issue 21 (1 Νovember 2003).
En numerosas aplicaciones de las fibras, es esencial asegurar un estricto control sobre la estructura cristalina o amorfa de las cadenas moleculares del material de fibra, que, dependiendo de las etapas de proceso a que se ~ve sometida, experimenta reordenaciones muy significativas para el posterior uso de la fibra. En efecto, de dicha estructura depende la posterior conductividad térmica u óptica, así como la resistencia mecánica de la fibra.
Se han descrito procedimientos, orientados a la producción de fibra óptica, en los cuales es esencial el auxilio de una corriente envolvente de fluido enfocante. Véase para ello la patente WO 01/69289 (Dl= "Methods for producing optical fiber by focusing high viscosity liquid"). La presente invención es un desarrollo independiente y posterior del estado de la técnica alcanzado con dicha patente, en el que se avanza decisivamente hacia la generalización del procedimiento descrito en DI.
HOJA DE SUSTITUCIÓN REGLA 26 DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
El método que se describe en esta invención se aplica a la fabricación de fibras de un material sólido a partir de su forma fluida o dúctil, fundida o plástica (líquido de alta viscosidad) por calentamiento, o bien a partir de su forma más o menos disuelta en fase de sol-gel, o bien a partir de sus componentes en fase fluida o dúctil, fundida o plástica. La fibra se produce tras los siguientes pasos: a) Conformación del material de la fibra (a partir de aquí, material de la fibra o fluido constituyente) en su fase fluida o dúctil por medio de otro fluido (a partir de aquí, fluido enfocante) inmiscible con dicha fase fluida o dúctil, por ejemplo un gas, que se hace fluir en régimen subsónico concéntricamente con el material de la fibra a través de una pequeña tobera convergente. b) Solidificación del material de la fibra por (i) enfriamiento, (ii) evaporación del solvente, o (iii) reacción de los componentes que producen el material sólido final de la fibra.
El fluido enfocante es de menor viscosidad y densidad que el material constituyente de la fibra, y ha de ser de naturaleza tal que permita su eliminación rápida tras ser expulsado con la fibra por la tobera.
En esta invención se utiliza un fluido enfocante que transmite al material de la fibra que se está extrayendo los esfuerzos mecánicos necesarios para que se estire y ά-isminuya su diámetro o dimensión transversal. Para ello, se alimenta el fluido viscoso que se va a conformar en forma de fibra hacia una cámara de presión, sobre la cual se alimenta también el fluido enfocante, y ambos fluidos se hacen fluir concéntricamente (en el centro el fluido constituyente) a través de una tobera convergente. De esta forma, el fluido enfocante, que fluye en régimen subsónico y concéntricamente con la fibra por la tobera de extrusión, transmite durante el recorrido por dicha tobera su presión a la fibra.
La distribución de presiones del fluido enfocante ha de garantizar la ausencia de las inestabilidades axilsimétricas y asimétricas generalmente asociadas con el estiramiento de fibras, y para ello la velocidad del mencionado fluido debe estar entre dos límites: el límite inferior corresponde a la mínima velocidad para la cual se suprimirían las inestabilidades axilsimétricas; el
HOJA DE SUSTITUCIÓN REGLA 26 límite superior corresponde a la máxima velocidad para la cual no aparecerían inestabilidades asimétricas o "de látigo". Concretamente, la velocidad del fluido enfocante en cada punto de la tobera debe ser inferior a:
• La velocidad de propagación del sonido en el seno del fluido enfocante en ese punto (régimen subsónico), • 0.25 veces la viscosidad de líquido dividida por la media geométrica de las densidades del material de la fibra y el fluido enfocante, y dividida por el radio final de la fibra que quiere obtenerse.
Por otra parte, la velocidad del fluido enfocante en cada punto de la tobera debe ser superior a la raíz cuadrada de 2 veces la viscosidad del material de la fibra, multiplicada por la velocidad de salida final de la fibra, dividida por la densidad del gas (antes de entrar en la tobera) y dividida por la longitud de la tobera.
La forma de la tobera, convergente, ha de ser tal que el fluido enfocante se acelere produciendo una distribución de presiones cuya dependencia axial sea aproximadamente exponencial, esto es, directamente proporcional a:
-mil
siendo L la longitud axial de la tobera, x la coordenada axial medida a partir de la entrada en la tobera y λ un parámetro adimensional comprendido entre 3 y 8.
Las características del flujo del fluido enfocante anteriormente enunciadas confieren las ventajas siguientes:
1- El consumo energético del proceάtmiento aquí descrito es menor que el de cualquier otro método que use gas en régimen supersónico como fluido enfocante, 2- Se eliminan todo tipo de inestabilidades en la formación de la fibra (tales como irregularidades en la sección transversal, o los movimientos laterales, "de látigo" o helicoidales) sin restricción en la velocidad de salida de la fibra, con lo que se puede incrementar sustancialmente la productividad manteniendo un diámetro final de la fibra extremadamente delgado (en el rango de la miera).
HOJA DE SUSTITUCIÓN REGLA 26 Asimismo, el fluido enfocante puede contribuir, en virtud de sus propiedades intrínsecas, a controlar o a favorecer el proceso de solidificación de fibra. o Si se utiliza un gas como fluido enfocante, su expansión en la tobera provoca su enfriamiento y consecuentemente, por mecanismos de transferencia de energía, el enfriamiento del propio material de la fibra. Esto permite el control de la velocidad de solidificación del material y sus propiedades finales si el material se está procesando en fase dúctil por calentamiento. o Si se utiliza como fluido enfocante un fluido con defecto del solvente que mantiene al material de la fibra en estado dúctil o en fase sol-gel, el efecto adicional del fluido enfocante es su contribución a extraer del material de la fibra el exceso de solvente (por mecanismos de transferenda de masa), de manera que se puede controlar el proceso de solidificación de la fibra. o Si, por otra parte, se utiliza como fluido enfocante un fluido con un componente químico catalizador o acelerante de la reacción de los componentes del material de la fibra, análogamente, mediante mecanismos de transferencia de masa, se puede controlar el proceso de solidificación de la fibra.
El procedimiento descrito es aplicable a cualquier tipo de material dúctil que sea susceptible de una posterior solidificación tras su conformado en forma de fibra. Por ello, su aplicación es enormemente amplia, en sectores tales como la fabricación de fibra óptica, micro-tubos capilares, fibras poliméricas, cerámicas o metálicas.
Con respecto a las tecnologías de extrusión directa extendidas en el sector, la presente invención asegura las siguientes ventajas: o Proporciona un alto grado de control sobre el diámetro de fibra. o Permite rebasar el límite de veloddad máxima de extracción de fibra asociado a la inestabilidad de dicha fibra, o Evita los intensos esfuerzos tangenciales y los problemas de atasco frecuentes en la extrusión directa.
HOJA DE SUSTITUCIÓN REGLA 26 o El fluido enfocante puede contribuir, en virtud de sus propiedades intrínsecas, a controlar o a favorecer el proceso de solidificación de fibra.
Con respecto a la patente anterior DI, la presente invención asegura las siguientes ventajas: a Extensión a diversos campos de producción de fibras, superando la limitadón a fibra óptica del procedimiento descrito en DI. " Aplicabilidad a fluidos constituyentes de diversa viscosidad. No es imprescindible el carácter altamente viscoso de la materia prima de la fibra. " Especificación de un rango de veloddades de flujo para el fluido enfocante dentro del régimen subsónico, con una precisión de límites que permite predecir la ausencia de inestabilidades en el flujo de la fibra emergente del dispositivo.
Las reivindicaciones de la presente invención se exponen partiendo del estado de la técnica definido por la patente DI .
Objeto de la invención
Es objeto de la invención un procedimiento para producir una fibra partiendo desde una preforma cilindrica, mediante la: a) Introducción del primero de los extremos de la preforma cilindrica en el interior de una cámara a presión de manera que el eje del cilindro esté alineado con un eje longitudinal; b) Exposición del primer extremo de la preforma a un tratamiento que permita la ductilidad de la preforma en este primer extremo; c) Aplicación de una presión mediante un fluido enfocante, que es introducido en el interior de una cámara a presión por una entrada a tal efecto en dicha cámara; dicho fluido enfocante fluye a lo largo de la prefomia y hacia el primer extremo de dicha preforma, forzando a este primer extremo dúctil de la preforma a través de una tobera de salida de la cámara a presión; en dicha tobera se produce el flujo concéntrico del extremo dúctil de la preforma y el fluido enfocante; dicha tobera se encuentra alineada
HOJA DE SUSTITUCIÓN REGLA 26 con el eje de la preforma y está situada aguas abajo en la dirección de flujo del fluido enfocante; dicho fluido enfocante contribuye a expeler una fibra desde el orificio de salida de la cámara a presión, produciéndose una reducción en la dimensión transversal de la fibra con respecto a la dimensión transversal que la preforma tiene en el interior de la cámara a presión;
Dicho procedimiento se diferencia del expuesto en DI por que la velocidad del fluido enfocante en cada punto de la tobera es inferior a la velocidad de propagación del sonido en el seno del fluido enfocante en ese punto, es decir, se produce en régimen subsónico; y la velocidad del fluido enfocante en cada punto de la tobera es asimismo inferior a 0.25 veces la viscosidad de material de fibra en dicho estado dúctil dividida por la media geométrica de las densidades del material de la fibra y el fluido enfocante, y dividida por el radio final de la fibra que quiere obtenerse; por otra parte, la velocidad del fluido enfocante en cada punto de la tobera debe ser superior a la raíz cuadrada de 2 veces la viscosidad del material de la fibra en dicho estado dúctil, multiplicada por la velocidad de salida de la fibra, dividida por la densidad del gas antes de entrar en la tobera y dividida por la longitud de la tobera.
Es asimismo objeto de la presente invención un procedimiento para producir una fibra utilizando un fluido constituyente como proveedor de materia prima para dicha fibra, mediante los siguientes pasos: a) Extrusión de una corriente de dicho fluido constituyente de manera que fluya desde una fuente de alimentación hacia el interior de una cámara a presión en la que se encuentra un fluido enfocante; b) Suministro de fluido enfocante a la cámara a presión de manera que dicho fluido, que se introduce en dicha cámara a través de una apertura de entrada, sale por una tobera de salida de la cámara a presión, encontrándose dicha tobera situada aguas abajo de la corriente de fluido viscoso de fusión; c) el fluido enfocante rodea al chorro de fluido constituyente de manera que dicho chorro abandona la cámara a presión, rodeado del fluido enfocante, por la tobera de salida de la misma; la dimensión transversal de dicho chorro en la salida de dicha tobera es menor que la que tiene en la fuente de alimentación; d) Solidificación de dicho chorro para producir una fibra, que se aleja de la tobera a una determinada velocidad de salida;
HOJA DE SUSTITUCIÓN REGLA 26 Dicho procedimiento se caracteriza por que la velocidad del fluido enfocante en cada punto de la tobera es inferior a la velocidad de propagación del sonido en el seno del fluido enfocante en ese punto, es decir, se produce en régimen subsónico; y la velocidad del fluido enfocante en cada punto de la tobera es asimismo inferior a 0.25 veces la viscosidad de fluido constituyente dividida por la media geométrica de las densidades del fluido constituyente y el fluido enfocante, y dividida por el radio final de la fibra que quiere obtenerse; por otra parte, la velocidad del fluido enfocante en cada punto de la tobera debe ser superior a la raíz cuadrada de 2 veces la viscosidad del fluido constituyente, multiplicada por la velocidad de salida de la fibra, dividida por la densidad del gas antes de entrar en la tobera y dividida por la longitud de la tobera.
Es asimismo objeto de la invención un procedimiento para producir una fibra como el anterior, caracterizado por que el fluido constituyente es un fluido viscoso obtenido por fusión de otra sustancia sólida.
Por otra parte, es objeto de la invención un procedimiento para producir una fibra según lo anterior, en el que el fluido constituyente está integrado por dos o más componentes en forma de líquidos de los que al menos uno será viscoso, de manera que dichos componentes, que se introducen en dicha cámara a presión a través de una o más aperturas de entrada, están en íntimo contacto en la cámara de presión antes de ser extruidos como un solo fluido viscoso rodeado del fluido enfocante a través de dicha tobera de salida de la cámara a presión, que se encuentra situada aguas abajo de la corriente de dichos componentes en contacto íntimo.
Es también objeto de la invención un dispositivo como el anterior, caracterizado por que los componentes reaccionan químicamente en su flujo a lo largo de la tobera y tras ser expulsados a través de ella en forma de un chorro junto con el fluido enfocante, de manera que finalmente se produce el curado de la mezcla de componentes y la solidificación de la fibra.
Otro objeto de la invendón es un proceclirniento para producir una fibra en el que el fluido constituyente es una disolución de la materia prima de dicha fibra en un solvente, de manera que la disolución es un fluido viscoso o en fase sol-gel.
Es también objeto de la invención un procedimiento para producir una fibra según lo anterior, caracterizado por que dicha disolución pierde total o parcialmente el solvente en su flujo a lo largo de la tobera y tras ser expulsada a través de ella en forma de un chorro junto con el fluido enfocante, de manera que finalmente se produce la solidificación de la fibra.
HOJA DE SUSTITUCI N RE LA 26 Finalmente es objeto de la invención un procedimiento para producir una fibra basado en lo anterior, en el que la concentradón de solvente en dicha disolución es controlada por el fluido enfocante por medio de fenómenos químicos de transferencia de masa.
Descripción de las figuras
La figura 1 muestra un dispositivo adaptado al procedimiento descrito para producir una fibra utilizando un fluido constituyente como proveedor de materia prima para dicha fibra, mostrándose los siguientes aspectos de la invención: a) fuente de alimentación de fluido constituyente o de la preforma sólida (7) hacia el interior de una cámara a presión (1) en la que se encuentra un fluido enfocante; b) apertura de entrada (2) para la introducción de fluido enfocante; c) tobera de salida (3) de la cámara a presión; d) chorro a la salida de la tobera.
HOJA DE SUSTITUCIÓN REGLA 26

Claims

Reivindicaciones:
1. Procedimiento para producir una fibra partiendo desde una preforma cilindrica (4), mediante los siguientes pasos: a) Introducdón del primero de los extremos de la preforma cilindrica en el interior de una cámara a presión (1) de manera que el eje del cilindro esté alineado con un eje longitudinal; b) Exposición del primer extremo de la preforma a un tratamiento (6) que permita la ductilidad de la preforma en este primer extremo; c) Aplicación de una presión mediante un fluido enfocante inmiscible con la fase dúctil de la preforma, que es introducido en el interior de una cámara a presión por una entrada (2) a tal efecto en dicha cámara (1); dicho fluido enfocante fluye a lo largo de la preforma y hacia el primer extremo de dicha preforma, forzando a este primer extremo dúctil de la preforma a través de una tobera de salida (3) de la cámara a presión; en dicha tobera se produce el flujo concéntrico del extremo dúctil de la preforma y el fluido enfocante; dicha tobera (3) se encuentra alineada con el eje de la preforma y está situada aguas abajo en la dirección de flujo del fluido enfocante; dicho fluido enfocante contribuye a expeler una fibra desde el orificio de salida de la cámara a presión, produciéndose una reducción en la dimensión transversal de la fibra con respecto a la dimensión transversal que la preforma tiene en el interior de la cámara a presión; caracterizado por que la velocidad del fluido enfocante en cada punto de la tobera es inferior a la veloddad de propagación del sonido en el seno del fluido enfocante en ese punto, es decir, se produce en régimen subsónico; y la velocidad del fluido enfocante en cada punto de la tobera es asimismo inferior a 0.25 veces la viscosidad de material de fibra en dicho estado dúctil dividida por la media geométrica de las densidades del material de la fibra y el fluido enfocante, y dividida por el radio final de la fibra (5) que quiere obtenerse; por otra parte, la veloddad del fluido enfocante en cada punto de la tobera debe ser superior a la raíz cuadrada de 2 veces la viscosidad del material de la fibra en dicho estado dúctil, multiplicada por la velocidad de salida de la fibra, dividida por la densidad del gas antes de entrar en la tobera y dividida por la longitud de la tobera.
HOJA DE SUSTITUCIÓN REGLA 26
2. Proceα_Lmiento para producir una fibra según el procedimiento de la reivindicación 1, caracterizado por que la menor dimensión transversal de la tobera es convergente, aguas abajo en la direcdón del fluido enfocante, y dicha dimensión transversal está entre 1.01 y 100 veces la menor dimensión transversal de la fibra expelida a través de la tobera convergente.
3. Proceα_ αiento para producir una fibra según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por que el tratamiento que permite la ductilidad involucra el calentamiento de la preforma.
4. Procedimiento para producir una fibra según las reivindicaciones 1, 2 y 3, caracterizado por que la preforma es calentada a través del fluido enfocante.
5. Procedimiento para producir una fibra según las reivindicadones 1 y 2, caracterizado por que el fluido enfocante es un gas.
6. Procedimiento para producir una fibra según la reivindicación 5, caracterizado por que el gas es un gas inerte que ha sido calentado.
7. Procedimiento para producir una fibra según la reivindicación 6, caracterizado por que el gas sale a través de la salida de la cámara a presión a una velocidad subsónica.
8. Procedimiento para producir una fibra según la reivindicación 1, caracterizado por que la preforma dúctil sale a través de una tobera, la cual comienza como una apertura en el interior de la cámara a presión y se extiende a lo largo de una línea sensiblemente perpendicular a la superficie interna de la cámara a presión, hasta la apertura de salida de dicha cámara.
9. Procedimiento para producir una fibra según las reivindicadones 1 a 8, caracterizado por que la presión P0 a que se somete el fluido enfocante en la cámara de presión cumple las restricciones
Figure imgf000014_0001
HOJA DE SUSTITUCIÓN REGLA 26 donde μ¡ es la viscosidad de la preforma dúctil en su primer extremo, N , es la velocidad de la fibra en la tobera, L es la longitud de la tobera, a es el radio de la fibra, Pa es la presión ambiente a la salida de la cámara a presión y Re=p, N a/μ, es el número de Reynolds que caracteriza al flujo de la fibra.
10. Procedimiento para producir una fibra utilizando un fluido constituyente como proveedor de materia prima para dicha fibra, mediante los siguientes pasos: i. Extrusión de una corriente de dicho fluido constituyente de manera que fluya desde una fuente de alimentación (7) hada el interior de xana cámara a presión (1) en la que se encuentra un fluido enfocante; ii. Suministro a dicha cámara de un fluido enfocante, inmiscible con dicho fluido constituyente, de manera que dicho fluido, que se introduce en dicha cámara a través de una apertura de entrada (2), sale por una tobera de salida (3) de la cámara a presión, encontrándose dicha tobera situada aguas abajo de la corriente de fluido constituyente; iii. El fluido enfocante rodea al chorro de fluido constituyente de manera que dicho chorro abandona la cámara a presión, rodeado del fluido enfocante, por la tobera de salida de la misma; la dimensión transversal de dicho chorro en la salida de dicha tobera (5) es menor que la que tiene en la fuente de alimentación; iv. Solidificación de dicho chorro para producir una fibra, que se aleja de la tobera a una determinada velocidad de salida; caracterizado por que la velocidad del fluido enfocante en cada punto de la tobera es inferior a la velocidad de propagación del sonido en el seno del fluido enfocante en ese punto, es decir, se produce en régimen subsónico; y la velocidad del fluido enfocante en cada punto de la tobera es asimismo inferior a 0.25 veces la viscosidad de fluido constituyente dividida por la media geométrica de las densidades del fluido constituyente γ el fluido enfocante, y dividida por el radio final de la fibra que quiere obtenerse; por otra parte, la velocidad del fluido enfocante en cada punto de la tobera debe ser superior a la raíz cuadrada de 2 veces la viscosidad del fluido constituyente, multiplicada por la veloddad de salida de la fibra, dividida por la densidad del gas antes de entrar en la tobera y dividida por la longitud de la tobera.
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11. Procedimiento para producir una fibra según el procedimiento de la reivindicación 10, caracterizado por que la menor dimensión transversal de la tobera es convergente, aguas abajo en la dirección del fluido enfocante, y dicha dimensión transversal está entre 1.01 y 100 veces la menor dimensión transversal de la fibra expelida a través de la tobera convergente.
12. Proceclimiento para producir una fibra según la reivindicación 10, caracterizado por que la temperatura del el fluido constituyente es controlada por el fluido enfocante mediante fenómenos de transferencia de energía.
13. Proceα-imiento para producir una fibra según la reivindicación 10, caracterizado por que el fluido enfocante es un gas.
14. Procedimiento para producir una fibra según la reivindicación 13, caracterizado por que el gas es un gas inerte que ha sido calentado.
15. Procedimiento para producir una fibra según la reivindicación 10, caracterizado por que el fluido constituyente sale a través de una tobera, la cual comienza como una apertura en el interior de la cámara a presión y se extiende a lo largo de una línea sensiblemente perpendicular a la superficie interna de la cámara a presión, hasta la apertura de salida de dicha cámara.
16. Procedimiento para producir una fibra según las reivindicaciones 10 a 15, caracterizado por que la presión P0 a que se somete el fluido enfocante en la cámara de presión cumple las restricciones
Figure imgf000016_0001
donde μ, es la viscosidad del fluido constituyente, N , es la velocidad de la fibra en la tobera, L es la longitud de la tobera, a es el radio de la fibra, Pa es la presión ambiente a la salida de la cámara a presión y Re=P[ V, a./μ¡ es el número de Reynolds que caracteriza el flujo de la fibra.
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17. Procedimiento para producir una fibra según las rdvindicaciones 10 a 16, caracterizado por que el fluido constituyente es un fluido viscoso obtenido por fusión de otra sustancia sólida
18. Procedimiento para producir una fibra según las reivindicaciones 10 a 16, caracterizado por que el fluido constituyente está integrado por dos o más componentes en forma de líquidos de los que al menos uno será viscoso, de manera que dichos componentes, que se introducen en dicha cámara a presión a través de una o más aperturas de entrada, están en íntimo contacto en la cámara de presión antes de ser extruidos como un solo fluido viscoso rodeado del fluido enfocante a través de dicb-a tobera de salida de la cámara a presión, que se encuentra situada aguas abajo de la corriente de dichos componentes en contacto íntimo.
19. Procedimiento para producir una fibra según el procedimiento de la reivindicación 18, caracterizado por que los componentes reaccionan quí nicamente en su flujo a lo largo de la tobera y tras ser expulsados a través de ella en forma de un chorro junto con el fluido enfocante, de manera que finalmente se produce el curado de la mezcla de componentes y la solidificadón de la fibra.
20. Procedimiento para producir una fibra según las reivindicaciones 10 a 16, caracterizado por que el fluido constituyente es una disolución de la materia prima de dicha fibra en un solvente, de manera que la disolución es un fluido viscoso o en fase sol-gel.
21. Procedimiento para producir una fibra según el procedimiento de la reivindicación 20, caracterizado por que dicha disolución pierde total o parcialmente el solvente en su flujo a lo largo de la tobera y tras ser expulsada a través de ella en forma de un chorro junto con el fluido enfocante, de manera que finalmente se produce la solidificación de la fibra.
22. Procedimiento para producir una fibra según la reivindicación 21, caracterizado por que la concentración de solvente en dicha disolución es controlada por el fluido enfocante por medio de fenómenos químicos de transferencia de masa.
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