Sector de la técnica

La presente invención concierne en general, en un primer aspecto, a un sistema para producir fibras por electrohilado, y más en particular a un sistema que incluye unos medios para suministrar disolvente en estado gaseoso, mediante la evaporación localizada de un disolvente en estado líquido, al entorno de salida de la punta de una aguja por la que se dispensa la substancia que solidificará en forma de fibras.

Un segundo aspecto de la invención concierne en general a un método para producir fibras por electrohilado, y más en particular a un método que comprende el suministro de disolvente en estado gaseoso al entorno de salida de la punta de una aguja por la que se dispensa la substancia que solidificará en forma de fibras, mediante la evaporación localizada de un disolvente en estado líquido.

Estado de la técnica anterior

El electrohilado, conocido popularmente por su denominación en inglés "electrospinning", es un proceso que permite obtener, a partir de un polímero fundido o en solución con un disolvente, mediante la aplicación de una carga eléctrica, fibras en forma de filamentos continuos muy finos (hasta una escala nanométríca, en general desde 20 nm hasta 1 μηι aproximadamente).

Uno de los problemas principales de los que adolecen los sistemas de electrohilado convencionales es el de que, justo a la salida del tubo capilar o aguja por el que se extrae la fibra, es decir en la zona conocida como de creación del cono de Taylor (durante o antes de la creación del mismo) se produzca una solidificación prematura de la fibra debida a la evaporación demasiado rápida del disolvente con el cual el polímero se encuentra disuelto, ya que tal disolvente suele tener un punto de ebullición bajo, lo que provoca que se cree un depósito de polímero parcialmente solidificado que puede llegar a caer sobre la membrana de nanofibras que se está formando sobre el colector, bloquea la salida de la aguja haciendo que el proceso sea discontinuo o incluso llegar a bloquear completamente tal salida, necesitando de la intervención de un operario para desbloquearla.

Con el fin de evitar tal solidificación prematura se conocen diferentes soluciones, tales como la de añadir a la mezcla de polímero y disolvente un co-disolvente con el fin de aumentar el punto de ebullición, aunque esta alternativa resulta compleja por lo dificultosa y laboriosa que resulta la elección del co-disolvente y determinar la proporción adecuada a añadir, o la consistente en hacer disminuir la temperatura del entorno.

Otra alternativa menos intrusiva consiste en saturar con disolvente en estado gaseoso la zona de salida de la aguja donde se genera el cono de Taylor, la cual se lleva a cabo de diferentes maneras en el estado de la técnica.

Tanto en el artículo "Use of Coaxial Gas Jackets to stabilize Taylor Cones of Volatile Solutions and to Induce Particle-to-Fiber Transitions", de Gustavo Larsen, Rubén Spretz and Raffet Velarde-Ortiz, Advanced Materials, 16 de Enero 2004, 16, No. 2, como en la solicitud US2010084793A1 se propone realizar la mencionada saturación de la zona de salida de la aguja mediante la disposición de un segundo tubo o canal, en general capilar, dispuesto de manera coaxial a la aguja, portador del disolvente en estado gaseoso, desde un punto remoto, y con una salida dispuesta y configurada para que éste sea suministrado justo a la salida de la aguja.

Si bien los resultados conseguidos con los mecanismos propuestos en tales documentos son buenos (aunque mejorables), en términos de evitación de la solidificación prematura del polímero a la salida de la aguja, los mismos son complejos, laboriosos y no son aplicables a un sistema de electrohilado convencional, ya que es necesario sustituir (o modificar) la aguja de electrohilado por la incluida en tales mecanismos. Tales mecanismos requieren, asimismo, de un suministro activo del disolvente en estado gaseoso a través de las conducciones dispuestas para tal fin.

Otras soluciones menos eficientes y que adolecen de una serie de problemas adicionales, son las que realizan la mencionada saturación con disolvente en estado gaseoso no de manera localizada alrededor de la salida de la aguja, sino de manera global en la cámara que aloja a todo el sistema.

Obviamente, tal solución es mucho menos eficiente que la consistente en saturar de manera localizada, ya que es necesario proporcionar una cantidad de disolvente mucho mayor para conseguir unos resultados comparables. Además, la presencia de tal clase de disolventes en toda la cámara genera un ambiente potencialmente peligroso por su carácter tóxico y/o inflamable.

En general, tal saturación global también se hace introduciendo al disolvente en estado gaseoso en el interior de la cámara desde un depósito exterior, mediante unas correspondientes conducciones.

Con todo, la patente US7297305B2 sí que propone saturar de disolvente en estado gaseoso toda la cámara mediante la evaporación de un disolvente en estado líquido dispuesto en el interior de la misma, en general en el fondo de la cámara. Sin embargo, el objetivo de US7297305B2 no es el de evitar la solidificación prematura del polímero a la salida de la aguja, sino el de controlar el ambiente gaseoso de toda la cámara, con el fin de homogeneizar el tamaño y distribución de las fibras, incidiendo en todo el recorrido de las fibras. Tal objetivo también se lleva a cabo, voluntaria o involuntariamente, en todas las propuestas que saturan de disolvente globalmente toda la cámara.

El hecho de tener saturada de disolvente toda la cámara de electrohilado resulta contraproducente en la necesaria solidificación de la fibra antes de llegar al colector, pudiendo llegar a impedirse ésta en función del tipo y densidad de disolvente utilizado, así como de las condiciones ambientales en el interior de la cámara.

Explicación de la invención

Aparece necesario ofrecer una alternativa al estado de la técnica que cubra las lagunas halladas en el mismo, en particular aquéllas de las que adolecen los mecanismos de saturación localizada conocidos, y que han sido indicadas en el apartado anterior.

Con tal fin, la presente invención concierne, en un primer aspecto, a un sistema para producir fibras por electrohilado, que comprende, de manera en sí conocida:

- unos medios de dispensación que incluyen un tubo capilar o aguja por la punta de la cual dispensar, por electrohilado, una substancia en solución,

- un colector ubicado a una cierta distancia de la salida de la aguja, dispuesto y configurado para recibir la substancia dispensada por la aguja una vez solidificada en su recorrido hacia dicho colector formando unas fibras, y

- unos medios de suministro de disolvente configurados y dispuestos para suministrar disolvente en estado gaseoso al entorno de salida de la punta de dicha aguja, incluyendo la zona de creación del cono de Taylor.

A diferencia de los sistemas conocidos en el estado de la técnica, en el propuesto por el primer aspecto de la invención, de manera característica, los medios de suministro de disolvente comprenden un contenedor de disolvente en estado líquido dispuesto en las proximidades de la punta de la aguja, estando el contenedor y el disolvente contenido en el mismo configurados para realizar dicho suministro del disolvente en estado gaseoso mediante la evaporación de al menos parte del disolvente en estado líquido contenido en el contenedor.

Según un ejemplo de realización, el contenedor está configurado y dispuesto para refrigerar a la aguja por el intercambio térmico producido debido a la evaporación del disolvente, con lo que se consigue así retrasar aún más la evaporación del disolvente en el que se encuentra disuelta la substancia, y por tanto retrasar también la solidificación prematura de la misma.

Otro efecto que provoca la mencionada refrigeración de la aguja es que se necesita menos cantidad de disolvente en estado gaseoso para saturar su entorno de salida, por lo que el disolvente en estado líquido del contenedor se gastará más despacio. Tal refrigeración constituye un sistema pasivo, que no necesita de válvulas ni bombas para suministrar el vapor.

El sistema comprende un generador de alta tensión dispuesto y configurado para aplicar una alta tensión entre la aguja y el colector, los cuales son metálicos, que produzca la dispensación por electrohilado de la substancia en solución desde la aguja hasta el colector de manera que solidifique en su recorrido formando las fibras, que se depositan en el colector.

Para un ejemplo de realización, el contenedor tiene forma anular, alojando al disolvente en estado líquido entre una pared anular interior y una pared anular exterior, y se encuentra dispuesto alrededor de una parte distal de la aguja que incluye a su punta, rodeándola con la pared cilindrica anular interior.

Para otro ejemplo de realización, el contenedor de disolvente en estado líquido se encuentra dispuesto adyacente a una parte distal de la aguja que incluye a su punta, con una abertura de salida para el disolvente evaporado encarada hacia la zona de creación del cono de Taylor.

Según un ejemplo de realización, la aguja está dispuesta apuntando hacia arriba.

Para una variante de dicho ejemplo de realización, la aguja está dispuesta de manera que su eje longitudinal transcurre en vertical o sustancialmente en vertical.

Esta disposición vertical, o sustancialmente vertical, tiene el efecto adicional de que, en el caso de que se llegase a formar el depósito de polímero parcialmente solidificado en la punta de la aguja (por ejemplo porque se agotase el disolvente en estado líquido del contenedor), éste no caería sobre las fibras ya depositadas en el colector ubicado por encima de la aguja, sino hacia abajo, por lo que no perjudicaría la homogeneidad, y en definitiva la calidad, del producto de fibras finalmente obtenido.

Con esta disposición vertical tampoco caerían sobre el colector gotas de disolución (común en fases de inicio y final de electrohilado o debido a un caudal de disolución excesivo).

La refrigeración de la aguja arriba mencionada también refrigerará a parte el entorno de la misma, por lo que para la disposición vertical, o sustancialmente vertical, descrita, el disolvente evaporado que se encuentre en dicho entorno refrigerado puede condensarse y volver a caer dentro del contenedor. Cuando la aguja está dispuesta apuntando hacia arriba, según una realización el contenedor anular está dispuesto en relación a la aguja de manera que el nivel del disolvente en estado líquido queda por debajo de la punta de la aguja, teniendo el contenedor una abertura de salida para el disolvente evaporado encarada hacia arriba.

Para otro ejemplo de realización, la aguja está dispuesta apuntando hacia abajo, y el contenedor anular está dispuesto en relación a la aguja de manera que el nivel del disolvente en estado líquido queda por encima de la punta de la aguja, teniendo el contenedor una abertura de salida para el disolvente evaporado encarada hacia abajo.

Según otro ejemplo de realización más, la aguja está dispuesta de manera que su eje longitudinal transcurre en horizontal o sustancialmente en horizontal, quedando dispuesto el contenedor de disolvente en estado líquido por debajo de la aguja con su abertura de salida encarada hacia la zona de creación del cono de Taylor.

Todos los anteriores ejemplos de realización relativos a las distintas orientaciones de la aguja son, en general, alternativos, aunque éstos son complementarios si se incorporan en un sistema de electrohilado que incluya más de una aguja de electrohilado con diferentes orientaciones, sistema el cual queda cubierto por la presente invención, para un ejemplo de realización.

El sistema propuesto por el primer aspecto de la invención comprende, según un ejemplo de realización, unos medios de control del proceso de evaporación del disolvente líquido del contenedor, los cuales, para una variante, comprenden una fuente de alta tensión conectada al contenedor para aplicarle una tensión independiente al contenedor con el fin de modificar el campo electrostático en las proximidades de la aguja.

De acuerdo a otro ejemplo de realización más, el sistema del primer aspecto de la invención comprende un dispositivo de control de la presión de inyección de la substancia en solución a la aguja, que permite controlar la regularidad de la inyección de disolución (que afecta a la regularidad de las nanofibras producidas) y detectar obstrucciones en el tubo capilar de salida (como las que puede generar el depósito sólido que la presente invención pretende evitar).

La presente invención también concierne, de acuerdo con un segundo aspecto, a un método para producir fibras por electrohilado, que comprende:

a) dispensar, por electrohilado, una substancia en solución, por la punta de un tubo capilar o aguja, hacia un colector, de manera que la substancia solidifique en su recorrido hacia el colector y forme unas fibras; y

b) generar, en la zona de creación del cono de Taylor, una atmósfera saturada de disolvente que retrase la evaporación del disolvente incluido en dicha substancia en solución, con el fin de evitar la solidificación prematura de la substancia en solución, mediante el suministro de disolvente en estado gaseoso al entorno de salida de la punta de dicha aguja, incluyendo la zona de creación del cono de Taylor.

El método propuesto por el segundo aspecto de la invención comprende, a diferencia de los métodos conocidos, y de manera característica, realizar dicho suministro de disolvente en estado gaseoso de la etapa b) mediante la evaporación localizada, en las proximidades de la zona de creación del cono de Taylor, de un disolvente en estado líquido.

Según un ejemplo de realización preferido, el método propuesto por el segundo aspecto de la invención comprende realizar la etapa b) mediante la disposición y utilización de un contenedor de disolvente en estado líquido en las proximidades de la punta de la aguja, consistiendo la evaporación localizada en la evaporación de cómo mínimo parte del disolvente en estado líquido contenido en el contenedor.

Para un ejemplo de realización, el método comprende llevar a cabo la refrigeración de la aguja mediante el intercambio térmico producido por la evaporación del disolvente del contenedor, por lo que se consigue retrasar aún más la solidificación prematura de la misma, así como el resto de ventajas anteriormente indicadas en relación al sistema del primer aspecto.

Según un ejemplo de realización, el método propuesto por el segundo aspecto de la invención se lleva a cabo utilizando el sistema del primer aspecto.

Breve descripción de los dibujos

Las anteriores y otras ventajas y características se comprenderán más plenamente a partir de la siguiente descripción detallada de unos ejemplos de realización con referencia a los dibujos adjuntos, que deben tomarse a título ilustrativo y no limitativo, en los que:

la Fig. 1 ilustra al sistema propuesto por el primer aspecto de la invención para un ejemplo de realización para el que la aguja de electrohilado está dispuesta en vertical, apuntando hacia arriba, y el contenedor se encuentra dispuesto alrededor de la misma, incluyéndose un detalle ampliado del contenedor y de la punta de la aguja;

la Fig. 2 muestra a los mismos elementos de la Fig. 1 y a un elemento adicional, constituido por una fuente de tensión conectada al contenedor para aplicarle una tensión independiente al contenedor con el fin de modificar el campo electrostático en las proximidades de la aguja, para otro ejemplo de realización;

la Fig. 3 ilustra al sistema propuesto por el primer aspecto de la invención para un ejemplo de realización para el que la aguja de electrohilado está dispuesta en vertical, apuntando hacia abajo, y el contenedor se encuentra dispuesto alrededor de la misma, incluyéndose también un detalle ampliado del contenedor y de la punta de la aguja; y

la Fig. 4 ilustra al sistema propuesto por el primer aspecto de la invención para un ejemplo de realización para el que la aguja de electrohilado está dispuesta en horizontal y el contendor se encuentra dispuesto por debajo de la misma, incluyéndose esta figura también un detalle ampliado del contenedor y de la punta de la aguja.

Descripción detallada de unos ejemplos de realización

En las Figuras adjuntas se ¡lustra al sistema propuesto por el primer aspecto de la invención, para diferentes ejemplos de realización, el cual comprende:

- unos medios de dispensación que incluyen un dispensador J, que incluye un dosificador D, para dispensar una substancia en solución P, o disolución de polímero, un tubo capilar o aguja 1 por la punta de la cual dispensar, por electrohilado, la substancia en solución P;

- un colector 3, ubicado a una cierta distancia de la salida de la aguja 1 , dispuesto y configurado para recibir la substancia dispensada por la aguja 1 una vez solidificada en su recorrido hacia dicho colector 3 formando unas fibras Pt, que se depositan en el colector 3;

- un generador de alta tensión F dispuesto y configurado para aplicar una alta tensión entre la aguja 1 y el colector 3, los cuales son metálicos, que produzca la dispensación por electrohilado de la substancia en solución P desde la aguja 1 hasta el colector 3 de manera que solidifique en su recorrido formando las fibras Pt; y

- unos medios de suministro de disolvente configurados y dispuestos para suministrar disolvente en estado gaseoso Gs al entorno de salida de la punta de la aguja 1 , especialmente a la zona de creación del cono de Taylor Ct, que comprenden un contenedor 2 de disolvente en estado líquido Ls dispuesto en las proximidades de la punta de la aguja 1.

En particular, en la Fig. 1 se ilustra al sistema propuesto por el primer aspecto de la invención para un ejemplo de realización preferido para el que la aguja de electrohilado 1 está dispuesta en vertical, apuntando hacia arriba, y el contenedor 2 tiene una forma anular, alojando al disolvente en estado líquido Ls entre una pared cilindrica anular interior 2¡ y una pared anular exterior 2e, y se encuentra dispuesto alrededor de una parte distal de la aguja 1 que incluye a su punta, rodeándola con la pared cilindrica anular interior 2i. Tal y como se aprecia en dicha Fig. 1 , el contenedor anular 2 está dispuesto en relación a la aguja 1 de manera que el nivel del disolvente en estado líquido Ls queda por debajo de la punta de la aguja 1 , e incluye una abertura de salida A encarada hacia arriba para la salida del disolvente evaporado Gs en dirección a la zona de creación del cono de Taylor Ct, mejorándose el direccionamiento de Gs hacia Ct gracias a las paredes superiores inclinadas 2a del contenedor 2 que delimitan la abertura A.

Al estar en contacto la pared interior 2¡ del contenedor 2 con la parte distal de la aguja 1 , o muy próximas entre sí, ésta es refrigerada al enfriarse el contenedor 2 por el intercambio térmico producido debido a la evaporación del disolvente líquido Ls, lo cual tiene los beneficios ya indicados en un apartado anterior de retrasar aún más la evaporación del disolvente en el que se encuentra disuelta la substancia P, gastar más despacio el disolvente Ls, así como, en este caso, volver a recoger el disolvente Gs que se condense por la disminución de la temperatura y caiga a través de la abertura A.

Para los ejemplos de realización de las Figuras 1 , 3 y 4 la evaporación del disolvente Ls se produce de manera pasiva.

Para otros ejemplos de realización, el sistema propuesto por la presente invención comprende una fuente de tensión V conectada al contenedor 2 para aplicarle una tensión independiente con el fin de modificar el campo electrostático en las proximidades de la aguja 1 , tal y como se ilustra en la Fig. 2 con relación a la disposición ilustrada en la Fig. 1 , aplicándose de igual forma a cualquiera de las disposiciones ilustradas en las figuras 3 y 4.

En el ejemplo de realización de la Fig. 3, la aguja 1 está dispuesta apuntando hacia abajo, el contenedor es anular 2, tiene una abertura de salida A para el disolvente evaporado Gs encarada hacia abajo y que en este caso está definida por la propia pared anular interior 2i, y el contenedor 2 está dispuesto en relación a la aguja 1 de manera que el nivel del disolvente en estado líquido Ls queda por encima de la punta de la aguja 1 , es decir que la aguja 1 no sobresale por la abertura A.

En este caso, la pared superior del contenedor 2 está cerrada, por lo que el disolvente en estado gaseoso Gs se acumula alrededor de la punta de la aguja 1 , ocupando también el espacio que incluye la zona del cono de Taylor Ct.

Finalmente, para el ejemplo de realización de la Fig. 4, la aguja 1 está dispuesta en horizontal, y el contenedor 2 de disolvente en estado líquido Ls está dispuesto por debajo de la aguja 1 , adyacente a una pared distal de la misma, tiene una estructura igual o similar al de la Fig. 1 , con su abertura de salida A encarada hacia la zona de creación del cono de Taylor Ct, dirigiéndose el disolvente en estado gaseoso Gs hacia la zona de creación del cono de Taylor Ct al salir por la abertura A. Debe indicarse que las Figuras adjuntas son esquemáticas, no habiéndose incluido en ellas algunos elementos auxiliares y/o de tipo convencional, tales como unos soportes adecuados para los contenedores 2, cuando éstos sean necesarios ya que para el ejemplo de realización de la Fig. 1 el contenedor 2 puede ir directamente encajado en la aguja 1 sin la necesidad de un soporte para el mismo.

Un experto en la materia podría introducir cambios y modificaciones en los ejemplos de realización descritos sin salirse del alcance de la invención según está definido en las reivindicaciones adjuntas.