ES2754651T3

ES2754651T3 - Inyector multisalida

Info

Publication number: ES2754651T3
Application number: ES15862295T
Authority: ES
Inventors: Cabello José María Lagaron; Sandoval Wilson Rolando Chalco; Rovira María José Fabra; Rubio Amparo Lopez
Original assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Current assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Priority date: 2014-11-24
Filing date: 2015-11-24
Publication date: 2020-04-20
Anticipated expiration: 2035-11-24
Also published as: EP3225722A1; EP3225722B1; CY1122430T1; DK3225722T3; SMT201900669T1; PL3225722T3; SI3225722T1; PT3225722T; HUE046324T2; RS59581B1; EP3225722A4; LT3225722T; WO2016083643A1; HRP20192027T1

Abstract

Inyector multisalida del tipo de los que comprenden al menos una cámara, para el paso de un fluido,con un orificio de entrada de fluido y una pluralidad de orificios de salida del fluido a través de los que sale el fluido al exterior en óptimas condiciones para realizar sobre él un procesado electro-hidrodinámico o aero-hidrodinámico. El inyector puede utilizarse con fluidos poco viscosos porque comprende al menos un repartidor de fluidos (3)en la cámara,que es un cuerpo hueco a través del que pasa el fluido que entra en la cámara. Con el repartidor de fluidos (3) se distribuye el fluido uniformemente por todos los orificios de salida de la cámara y evita que salga solo por los orificios de salida más cercanos al orificio de entrada. Se mejoran los resultados de fabricación de materiales microestructurados, submicroestructuradosy nanoestructurados.

Description

DESCRIPCIÓN

Inyector multisalida

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se enmarca dentro del campo técnico de los sistemas de inyección multisalida para la fabricación de materiales microestructurados, submicroestructurados y nanoestructurados.

Más concretamente se trata de un inyector multisalida que puede ser simple, coaxial o multiaxial y que permite trabajar con fluidos poco viscosos asegurando que dichos fluidos salgan por todas las salidas del inyector.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El procesado electro-hidrodinámico o aero-hidrodinámico es un método de obtención de fibras, partículas y/o cápsulas mediante la acción de un campo eléctrico externo que se aplica entre dos electrodos y al que se somete un polímero disuelto o fundido. Los dos electrodos son una boquilla atomizadora por donde se hace fluir el polímero y un electrodo colector.

Las estructuras obtenidas por procesado electro-hidrodinámico o aero-hidrodinámico son, partículas, fibras y/o cápsulas de tamaño micrométrico, submicrométrico y nanométrico. Cuando se usan polímeros disueltos en este método no es necesario usar temperatura para eliminar el disolvente que se emplea. En el caso en el que se use temperatura para procesar aquellos polímeros que se usen desde el estado fundido, el proceso se denomina procesado electrohidrodinámico de un fundido, también denominado melt electrospinning.

En el procesado electro-hidrodinámico o aero-hidrodinámico, como resultado de la aplicación del campo eléctrico, un chorro de disolución polimérica o de un fundido polimérico a atomizar es expulsado desde la boquilla atomizadora (puede ser un chorro de un solo líquido o fundido o de varios). Posteriormente hay una elongación del chorro y como consecuencia se forman las fibras, partículas y/o cápsulas mediante la evaporación de disolventes o por solidificación del fundido.

La técnica del estirado/esprayado por soplado consiste en aplicar diferencias de presión para acelerar el líquido o los líquidos que fluyen a través de una boquilla para obtener partículas, fibras y/o cápsulas de tamaño micrométrico, submicrométrico y nanométrico.

Los inyectores multisalida simple son aparatos que comprenden dos o más boquillas dispuestas ordenadamente para mejorar la distribución del flujo del líquido, del voltaje y/o del flujo de gas aplicado.

Los inyectores multisalida multiaxial son aparatos que comprenden dos o más boquillas especiales por las que circulan al mismo tiempo de forma concéntrica o paralela dos o más líquidos, fundidos o gases diferentes.

Estos dos tipos de inyectores permiten incrementar los niveles de producción para el procesado electro-hidrodinámico o aero-hidrodinámico ya que la productividad de los equipos de una sola boquilla es muy reducida y el caudal de trabajo está limitado a típicamente entre 1 y 5 ml/hora y a 100 ml/h como máximo.

Del estado de la técnica se conocen estudios para usar un filtro que reduce la repulsión entre las fibras, mejora el rendimiento, disminuye el diámetro y mejora la uniformidad de las fibras. También se ha desarrollado un dispositivo que se usa para fabricar nanofibras con una alta tasa de producción y que comprende una boquilla de pulverización, una cámara de almacenamiento del líquido, un tubo de almacenamiento de gas, un tubo para transporte de gas y otro para el transporte del líquido.

Asimismo se ha demostrado que usar un extrusor de doble tornillo en la parte frontal del equipo de electroestirado proporciona capacidades como el transporte de sólidos, mezcla de resinas poliméricas y desvolatilización y control de temperatura que sería viable al trabajar con caudales relativamente altos y con inyectores con multiaguja.

Del estado de la técnica se conoce por ejemplo el documento US2008131615 que describe un sistema de deposición por esprayado y estirado electro-hidrodinámico para la producción de nanofibras o gotas. Tiene una fuente de alta tensión que crea un potencial de alto voltaje para ser aplicado entre una matriz de puntas de pulverización y la superficie de deposición.

Un problema técnico que comparten los aparatos conocidos del estado de la técnica para fabricación de materiales nanoestructurados con procesado electro-hidrodinámico o aero-hidrodinámico es que no pueden ser utilizados con fluidos poco viscosos, como por ejemplo parafinas líquidas, alcoholes, agua, etc. Esto es debido a que las propiedades reológicas de los fluidos poco viscosos en el momento de descenso del fluido por las salidas hace que los fluidos tengan un caudal demasiado alto para el procesado electro-hidrodinámico o aero-hidrodinámico. La consecuencia de esto es que la salida del fluido que está en el inyector se produce solo por la segunda o tercera parte de las salidas de dicho inyector. El producto que se genera es defectuoso.

En el estado del arte es conocido el documento WO2006009854 que describe un compacto multiplexado sistema de electrospraying y un método de fabricación del sistema de multiplexado. El problema técnico objetivo a resolver es aumentar en ordenes de magnitud la tasa de dispersión de flujo de líquido y de retener la cuasi mono dispersidad de las gotitas generadas. El sistema puede ser microfabricado como una serie de boquillas grabadas en silicio utilizando una técnica de microfabricación seleccionada de técnicas de fabricación mecánica y/o técnicas de micromoldeo. Se compone de uno o mas electrodos extractores que tienen la función de limitar el campo de electricidad cruzado entre fuentes vecinas y minimizar retroalimentación de carga espacial de la nube de spray.

También es conocido el documento CN103451749 que divulga un sistema de hilatura electrostática continua y un método para preparar nanómetros o fibras finas submicrométricas. Este documento pertenece al campo de la industria textil.

Incluye un generador electrostático de alto voltaje conectado eléctricamente con una hilera plana con una pluralidad de oficinas, una placa de electrodo receptor está conectada a tierra, la hilera plana y la placa de electrodo receptor conectada a tierra son opuestos entre sí y están dispuestos a cierta distancia.

Se conecta un dispositivo automático de suministro de líquido con una entrada de líquido de la hilera plana, un transportador de fibra es dispuesto entre la hilera plana y el receptor placa de electrodo y tela base o una cortina de fibra transportada por el transportador de fibra penetra fuera de un área entre la hilera plana y placa de electrodo receptor. Se adopta la hilera plana, de modo que puede evitarse interferencia electrostática entre el flujo del chorro debido a la adopción de una pluralidad de boquillas tipo aguja, bloqueando la hilera se puede prevenir, y la hilera plana es fácil de limpiar.

Asimismo, el documento WO2012113668 describe un dispositivo para fundir hilando un hilo compuesto que comprende una pluralidad de haces de filamentos. El dispositivo comprende una pluralidad de medios de hilatura para extruir una pluralidad de paquetes de filamentos y una pluralidad de dibujos y estiramientos medios por los cuales se pueden producir los haces de filamentos como hilos parciales que tienen diferentes extensiones.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención propone un inyector multisalida de acuerdo a la reivindicación 1, que puede ser simple, coaxial o multiaxial y en el que la inyección se produce en las salidas. El inyector está destinado a la fabricación de materiales microestructurados, submicroestructurados y nanoestructurados.

El inyector permite fabricar fibras, partículas y/o cápsulas de escala micrométrica, submicrométrica y nanométrica por procesado electro-hidrodinámico o aero-hidrodinámico como electroestirado, electroesprayado, melt electrospinning y estirado y esprayado por soplado. El inyector también se puede emplear en procesos electro-hidrodinámicos o aerohidrodinámicos uniaxiales, coaxiales o multiaxiales pudiendo estos fluidos fluir de forma coaxial o paralela.

La presente invención soluciona el problema de los inyectores del estado de la técnica que no pueden ser utilizados con fluidos poco viscosos porque se generan productos defectuosos. Un ejemplo de fluido poco viscoso para que sirva de referencia es el agua que tiene una viscosidad de 1 centipoise a 20°C.

La clave del inyector de la presente invención es que comprende un repartidor de fluidos que permite disminuir la velocidad del fluido y repartirlo de forma homogénea en todas las salidas del inyector.

Permite obtener fibras más uniformes (disminuye la variabilidad del diámetro de las fibras), es más eficiente en términos de campo eléctrico aplicado y permite controlar mejor el diseño del material obtenido.

En un ejemplo de inyector de emisores concéntricos (de dos agujas) éste comprende los siguientes elementos: una aguja externa y una aguja interna, una cámara externa y una cámara interna, y un conducto de entrada del fluido interno y un conducto de entrada del fluido externo. El número de emisores no es limitante, podría haber más de dos.

El inyector comprende al menos un repartidor de fluidos que es el elemento que consigue hacer un reparto equitativo del fluido poco viscoso hacia todas las salidas del inyector. El repartidor puede estar en cualquiera de las cámaras del inyector tanto si es uniaxial, coaxial o multiaxial (el inyector uniaxial tiene una sola cámara, el coaxial tiene dos cámaras y el multiaxial tiene dos o más cámaras). Así pues el repartidor de fluidos se puede utilizar para el fluido interior, para él o los fluidos exteriores o para todos los fluidos a la vez en función de dónde esté dispuesto.

En los inyectores del estado de la técnica cuando el fluido ingresa a la cámara correspondiente pasa a las agujas cayendo preferencialmente por las agujas más cercanas a la entrada de inyección. Esto es lo que provoca los malos resultados de los inyectores que se han descrito previamente. Sin embargo, cuando se instala el repartidor de fluidos en las cámaras del inyector, el fluido ingresa primero al repartidor de fluidos y luego pasa a las agujas.

El repartidor de fluidos es un cuerpo hueco con una configuración correspondiente con la cámara del inyector en la que se va a instalar. El repartidor puede ser de cualquier material que no sea soluble a los componentes de la disolución que se va a introducir en el inyector. En un ejemplo de realización el repartidor de fluidos puede estar conformado de un material poroso que puede ser metálico, plástico y/o cerámico que también permite que circule un flujo homogéneo por cada una de las boquillas. Si se utiliza un material poroso se provoca una caída de presión en el flujo del líquido obteniendo un resultado similar a cuando se emplea un repartidor de fluidos de un material no poroso con la ventaja de que se puede utilizar tanto para líquidos poco viscosos como para líquidos viscosos. La porosidad del material se puede diseñar en función de la viscosidad del fluido que se va a hacer pasar por el repartidor de fluidos.

El empleo de materiales porosos para la fabricación del repartidor de fluidos permite realizar inyectores multisalida con un repartidor de fluidos en los que cada fluido circula por el repartidor de fluidos que hay en la cámara correspondiente que tiene un material con diferente porosidad en función de la viscosidad del fluido que lo va a atravesar. De esta forma se garantiza una mejor distribución del fluido en función de su viscosidad.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1.- Muestra una vista de un repartidor de fluidos.

Figura 2.- Muestra una vista de la cámara del fluido interior de un inyector con el repartidor de fluidos.

Figura 3.- Muestra una vista en perspectiva de un inyector multisalida coaxial o multiaxial.

Figura 4.- Muestra una imagen de la morfología de unas fibras de polivinilpirolidona y RT5 obtenidas por procesado electro-hidrodinámico o aero-hidrodinámico coaxial empleando un inyector multisalida como el descrito.

Figura 5.- Esquema de un material poroso que permite distribuir el fluido uniformemente por varias salidas.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A continuación se describe, con ayuda de las figuras 1 a 5, un ejemplo de realización de la invención.

Se propone un inyector multisalida del tipo de los que comprende al menos una cámara para el paso de un fluido. Dicha cámara comprende a su vez un orificio de entrada conectado a un conducto de entrada de fluido y una pluralidad de orificios de salida a través de los que sale el fluido hacia el exterior del inyector.

La clave del inyector de la presente invención es que comprende un repartidor de fluidos (3), dispuesto en la cámara, que es un cuerpo hueco destinado al paso del fluido que tiene que atravesar dicha cámara, y que tiene una configuración correspondiente con la geometría del interior de la cámara (1, 2) y está conectado un primer orificio que es un orificio de entrada para permitir el paso del fluido a su interior y comprende una pluralidad de segundos orificios (4) alineados con los orificios de salida de la cámara (1, 2) para permitir la salida del flujo que lo atraviesa por los orificios de salida de manera uniforme.

En un ejemplo de realización de la invención el inyector comprende dos o más cámaras (1, 2) y comprende un repartidor de fluidos (3) en al menos una de las cámaras.

En este caso el inyector comprende al menos una cámara interna (1) y al menos una cámara externa (2) dispuesta a continuación de la cámara interna tal y como se observa por ejemplo en la figura 3.

Cada cámara (1, 2) del inyector comprende al menos un orificio de entrada conectado a un conducto de entrada de fluido, y una pluralidad de orificios de salida a través de los que sale el fluido fuera del inyector.

La clave de la presente invención es que el inyector comprende al menos un repartidor de fluidos (3), como el mostrado en la figura 1, dispuesto en al menos una de las cámaras (1, 2) que es un cuerpo hueco destinado al paso del fluido que tiene que atravesar dicha cámara (1, 2) en la que se encuentra. En un ejemplo de realización el repartidor de fluidos (3) es extraíble y en otro ejemplo de realización está conformado integralmente con la cámara del inyector.

El repartidor de fluidos (3) tiene una configuración correspondiente con la geometría del interior de la cámara (1, 2) y está conectado a un primer orificio que es un orificio de entrada para permitir el paso del fluido a su interior y comprende una pluralidad de segundos orificios (4) alineados con los orificios de salida de la cámara (1, 2) para permitir la salida del flujo que lo atraviesa por los orificios de salida de manera uniforme. En la figura 2 se observa un repartidor de fluidos (3) colocado en la cámara interna de un inyector.

Los materiales utilizados para la fabricación del repartidor de fluidos (3) son materiales insolubles al fluido que los atraviesa. Dichos materiales son porosos. Dicha porosidad depende de la viscosidad del fluido que los atraviesa para garantizar el mejor reparto del fluido hacia todos los orificios de salida de la cámara. En la figura 5 se observa como el material poroso permite distribuir el fluido de manera uniforme por varias salidas.

Preferentemente el inyector tiene una configuración circular y el diámetro exterior del repartidor de fluidos (3) coincide con el diámetro interior de la cámara.

Preferentemente el diámetro de los segundos orificios (4) del repartidor de fluidos está entre 0.0001 mm y 100 mm. En una realización todavía más preferente el diámetro de los segundos orificios (4) del repartidor está entre 0.01 mm y 2 mm.

A continuación se describe un ejemplo de fabricación de un repartidor de fluidos de un inyector multisalida que va a ser empleado para el procesado electro-hidrodinámico. En este ejemplo concreto el inyector multisalida comprende 20 agujas.

Para fabricar el repartidor de fluidos, se parte de un cuerpo hueco que se moldea para darle la misma forma que tiene la cámara del inyector. En un ejemplo de realización como el mostrado en la figura 2, la cámara del inyector es circular y el material del cuerpo hueco puede ser por ejemplo teflón (PTFE), así como el repartidor de fluidos tiene una configuración circular de diámetro 5.7 cm, al igual que la cámara del inyector en la que se deposita el fluido interior que, en este ejemplo de realización, es parafina.

Como el inyector tiene 20 agujas, el repartidor de fluidos tiene 20 orificios, que en este caso son de 1mm de diámetro cada uno y la distancia entre orificios es de 8 mm. Estos orificios de salida están orientados hacia la siguiente cámara (en este caso hacia la cámara del fluido exterior) y, en la parte contraria, orientado hacia el lado opuesto, hay un orificio, que preferentemente es de mayor tamaño y que en este caso es de 1.5 mm que está destinado a permitir la conexión del repartidor de fluidos con una aguja a través de la que se conecta al sistema de alimentación del fluido interno.

Para probar la eficacia del empleo del inyector se ha hecho una encapsulación de parafinas en polivinilpirolidona (PVP) por procesado electro-hidrodinámico coaxial. En este caso se ha empleado como disolución externa la polivinilpirolidona disuelta en etanol y como disolución interna parafina líquida. Se ha realizado el mismo proceso con un inyector de los conocidos del estado de la técnica y con el inyector descrito en la presente invención.

En el ejemplo realizado, el electroestirado se realiza con el inyector de alto rendimiento de 40 agujas de acero inoxidable situadas de forma concéntrica para realizar un procesado electro-hidrodinámico coaxial. Las condiciones del proceso en este ejemplo son: el caudal de la disolución interna 50 ml/h, el caudal de la disolución externa 60 ml/h, la distancia entre el inyector y el colector 28 cm, el voltaje del inyector 23 KV, el voltaje del colector 25 KV y el tiempo de duración 3 horas.

Cuando se emplea un inyector del estado de la técnica la parafina no se distribuye uniformemente por todas las agujas y sale por la tercera parte de las salidas y con caudales distintos. Esto provoca que el rendimiento de la encapsulación sea nulo y que el bloque que se recoge en el colector tenga la apariencia de un producto húmedo (debido a la no encapsulación de la parafina). Al emplear el inyector de la presente invención que comprende un repartidor de fluidos se obtiene como producto un bloque con un elevado rendimiento de encapsulación (95%).

En la figura 4 se observa una imagen de la morfología de unas fibras de polivinilpirolidona y RT5 obtenidas por procesado electro-hidrodinámico o aero-hidrodinámico coaxial empleando un inyector multisalida como el descrito.

Ċ

Claims

REIVINDICACIONES

1. - Inyector multisalida para operaciones de procesado electro-hidrodinámico o aero-hidrodinámico y que es del tipo de los que comprenden al menos una cámara para el paso de un fluido con:

-un orificio de entrada conectado a un conducto de entrada del fluido,

-una pluralidad de orificios de salida a través de los que sale el fluido hacia el exterior del inyector,

y está caracterizado por que comprende un repartidor de fluidos (3), dispuesto en la cámara, que es un cuerpo hueco destinado al paso del fluido que tiene que atravesar dicha cámara, y que tiene una configuración correspondiente con la geometría del interior de la cámara (1, 2) y está conectado un primer orificio que es un orificio de entrada para permitir el paso del fluido a su interior y comprende una pluralidad de segundos orificios (4) alineados con los orificios de salida de la cámara (1, 2) para permitir la salida del flujo que lo atraviesa por los orificios de salida de manera uniforme y el repartidor de fluidos (3) está fabricado en un material poroso que no sea soluble a los componentes de una disolución que se va a introducir en el inyector.

2. - Inyector multisalida según la reivindicación 1 caracterizado por que comprende dos o más cámaras (1, 2) y comprende un repartidor de fluidos (3) en al menos una de las cámaras.

3. - Inyector multisalida según la reivindicación 1 caracterizado por que tiene una configuración circular y el diámetro exterior del repartidor de fluidos (3) coincide con el diámetro interior de la cámara.

4. - Inyector multisalida según la reivindicación 1 caracterizado por que el diámetro de los segundos orificios (4) de salida del repartidor de fluidos está entre 0.0001 mm y 100 mm.

5. - Inyector multisalida según la reivindicación 4 caracterizado por que el diámetro de los segundos orificios (4) de salida está entre 0.01 mm y 2 mm.

6. - Inyector multisalida según la reivindicación 1 caracterizado por que el repartidor de fluidos (3) es extraíble.

7. - Inyector multisalida según la reivindicación 1 caracterizado por que el repartidor de fluidos (3) está conformado integralmente con la cámara.