Desarrollan una técnica que convierte líquido en cientos de miles de microfibras sólidas mediante campos eléctricos

Un equipo de investigadores del departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos de la Universidad de Sevilla ha desarrollado un método innovador para la producción masiva de microfibras utilizando campos eléctricos y tecnologías de ionización ‘en vuelo’. El nuevo sistema constituye un avance significativo en la producción de fibras y procesamiento eficiente de polímeros, puesto que multiplica por mil la velocidad de producción de las técnicas convencionales.

La nueva técnica permite convertir un volumen de líquido en cientos de miles de microfibras sólidas mediante campos eléctricos. El sistema es dinámico y tiene tres fases principales, que ocurren de manera continua: la generación de filamentos a partir de soluciones poliméricas; la ionización ‘en vuelo’ de los filamentos, lo que implica que éstos adquieren cierta carga eléctrica durante su desplazamiento; y la recolección de fibras mediante un campo eléctrico.

Ilustración en 3D de microfibras.

Para conseguir la alta velocidad de producción que caracteriza esta nueva técnica se aporta, por un lado, un alto caudal de líquido a través de un nebulizador neumático de tipo Flow Blurring®, el cual tiene la capacidad de procesar volúmenes de líquido a una velocidad de hasta un litro por minuto, es decir, mil veces superior a las técnicas convencionales. Por otro lado, es crucial el uso de un sistema ionizador, que aporta una energía adicional a través de iones que facilita el estiramiento de los filamentos y su posterior secado originando así las micro-fibras.

En la primera fase del proceso, se utiliza el nebulizador para fragmentar una corriente líquida, la solución de polímero, usando para ello un flujo de aire y así producir múltiples filamentos en estado líquido de manera simultánea. Seguidamente, en la segunda fase, los filamentos atraviesan una zona llamada de ionización, pues es ahí donde se emiten iones generados a través de un sistema agujas-plato que funciona con el conocido como efecto corona (“corona discharge”). A su paso a través de la zona de ionización, los filamentos previamente eyectados barren parte de los iones y los transportan consigo, lo que les confiere carga eléctrica. Finalmente, en la tercera fase, se establece un campo eléctrico mediante una serie de discos metálicos en los que se capturan los filamentos cargados eléctricamente. Los filamentos reducen su tamaño y facilitan así la evaporación del disolvente (una mezcla de agua y etanol en este caso). De esta forma, se da lugar a la solidificación del polímero y a la formación de las microfibras.

Estas microfibras tienen una gran variedad de aplicaciones de alto valor añadido. Entre ellas destacan la modificación de superficies con recubrimientos especializados, los electrodos en sistemas de producción y almacenamiento de energía, las plataformas para dispositivos inteligentes o las estructuras para el diseño de andamiajes biocompatibles. Para su producción, sólo sería necesario establecer el polímero más adecuado para cada aplicación.

El desarrollo de la nueva técnica se encuentra en una fase experimental, a escala de laboratorio. Se están probando diversas condiciones de producción, como por ejemplo el caudal de líquido y el potencial del ionizador. Simultáneamente, los investigadores están llevando a cabo un estudio teórico para comprender mejor los fenómenos físicos subyacentes en este proceso de generación de microfibras.

El estudio, que ha sido publicado por la revista ACS Omega de la American Chemical Society, se inició como parte de un Trabajo Fin de Grado desarrollado por un estudiante dentro del departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos de la US. Tras este nuevo estudio, sus autores continúan trabajando en el desarrollo de simulaciones CFD (computational fluid dyanmics) para comprender mejor los fenómenos físicos que gobiernan la generación de las microfibras. Asimismo, pretenden estudiar diversos polímeros y otros materiales compuestos para obtener microfibras funcionalizadas.

Referencias bibliográficas:

Modesto-López L., Olmedo-Pradas J. Micromixing with in-flight charging of polymer solutions in a single step enables high-throughput production of micro- and nanofibers. ACS Omega 2022, 7, 15, 12549-12555.

Ramos-Escobar A., Uceda-Gallegos R., Modesto-López L., Gañán-Calvo A. M. Dynamics of formation of poly(vinyl alcohol) filaments with an energetically efficient micro-mixing mechanism. Phys. Fluids 2020, 32, 122101.

Modesto-López L., Pérez-Arjona A., Gañán-Calvo A. M. Flow blurring-enabled production of polymer filaments from poly(ethylene oxide) solutions. ACS Omega 2019, 4,2, 2693-2701.

Hermosín-Reyes M., Gañán-Calvo A. M., Modesto-López L. Flow blurring atomization of poly(ethylene oxide) solutions below the coil overlap concentration. J. Aerosol Sci. 2019, 127, 105429.