BRPI0807306A2

BRPI0807306A2 - "processo de formação de nanofibra, aparelho de fiação via sistema de fusão para a produção de nanofibras polimérica e coleta de nanofibras"

Info

Publication number: BRPI0807306A2
Application number: BRPI0807306-6A2A
Authority: BR
Inventors: Tao Huang; Larry R Marshall; Jack Eugene Armantrout; Scott Yembrick; Willian H Dunn; James M O Connor; Tim Mueller; Marios Avgousti; Mark David Wetzel
Original assignee: Du Pont
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2014-05-20
Also published as: EP2527503B1; WO2008121338A3; EP2129816A2; WO2008121338A2; JP5394368B2; KR101519169B1; EP2129816B1; CN102534829B; CN102534829A; US20080242171A1; US8277711B2; KR20090127371A; EP2527503A1; JP2010522835A; CN101755081A; CN101755081B

Description

, “PROCESSO DE FORMAÇÃO DE NANOFIBRA, APARELHO DE FIAÇÃO VIA SISTEMA DE FUSÃO PARA A PRODUÇÃO DE NANOFIBRAS POLIMÉRICAS E COLETA DE NANOFIBRAS”

Antecedentes da Invenção 5 Campo da Invenção

A presente invenção se refere a um processo de fiação via sistema de fusão para formar fibras e mantas fibrosas. Em particular, fibras muito finas podem ser produzidas a partir de e coletadas em uma manta fibrosa útil para usos finais de barreira seletiva tais como nos campos de ar e 10 filtragem de líquido, retardamento de chama, biomédicos, bateria e separadores capacitores, membranas de biocombustível, máscaras faciais cosméticas, aplicações biomédicas, tais como, hemostase, curativos de lesões e curativos, enxertos vasculares, estruturas de suporte tissular, ECM sintética (matriz extra celular), e aplicações de sensoriamento, têxteis 15 eletrônicos/óticos, escudos EMI1 e coberturas de proteção antichembio.

Antecedentes

Processos de atomização centrífuga são conhecidos na técnica para a produção de pós metálicos, ligas de metal e cerâmicos. Processos de fiação centrífuga são conhecidos na técnica para a produção de fibras de 20 polímero, fibras de carbono mineral e fibras de vidro, tal como divulgado em patentes US Nos. 3.097.085 e 2.587.710. Nos referidos processos, a força centrífuga fornecida por um disco giratório ou disco de distribuição produz cisalhamento suficiente para fazer com que o material se torne atomizado ou forme fibras. Entretanto, fiação centrífuga tem sido apenas utilizada com 25 sucesso para a produção de fibras com diâmetros maiores do que tamanho mícron.

Há uma crescente necessidade por fibras muito finas e mantas fibrosas produzidas a partir de fibras muito finas. Os referidos tipos de mantas * são úteis para usos finais de barreira seletiva. Atualmente fibras muito finas são produzidas a partir de fiação via sistema de fusão fibras de seção transversal “ilha no mar”, filmes fendidos, alguns processos de fusão via sistema de sopro, e eletrofiação. Entretanto, os referidos processos são 5 geralmente limitados à produção de quantidades não comerciais de nanofibras em virtude de sua produtividade bastante baixa.

De modo a produzir com sucesso fibras de diâmetro nano- ou sub-micrométrico por fiação via sistema de fusão, o estiramento do polímero deve ocorrer em resultado ou de forças mecânicas ou eletrostáticas que 10 atuam no jato de fusão na fieira. Entretanto, é muito difícil se gerar as forças necessárias para criar uma redução de diâmetro ao nível de nanômetro. Eletrofiação por fusão tem sido conduzida em algumas universidades desde os anos 70, mas não houve sucesso reportado na produção de nanofibras, especialmente a partir de poliolefinas, tais como polietileno (PE) e 15 polipropileno (PP).

Eletrofiação e eletrosopro são processos para formar fibras com diâmetros na escala de sub-mícron a partir de soluções de polímero através da ação de forças eletrostáticas e/ou força de cisalhamento. As fibras coletadas as esteiras não-tecidas são dotadas de algumas propriedades úteis 20 tais como a proporção de alta área de superfície-para-massa, e assim são dotadas de excelente potencial de filtragem, aplicações biomédicas (tais como, curativos de lesões, enxertos vasculares, estruturas de suporte tissular), e aplicações de sensoriamento.

Entretanto, a grande maioria de estruturas nanofibrosas é produzida por processos de fiação com base em solvente. Produtos químicos usados como solventes para dissolver muitos dos polímeros sendo fiados podem deixar resíduos que não são compatíveis na indústria. Com a intenção de um processamento mais limpo, ambientalmente seguro, e produtividade, há » um desejo persistente de produzir fibras por fiação via sistema de fusão.

A fiação de nanofibras diretamente a partir de fusões de polímero ofereceriam vantagens em relação à fiação com base em solução: eliminação de solventes e sua concomitante necessidade de reciclagem, produtividade 5 mais elevada, e fiação de polímeros com baixa solubilidade de solvente. Da mesma forma, sistemas multi-componentes tais como misturas e compósitos seriam mais prontamente fiados via sistema de fusão, pelo fato de que em muitos casos não há solvente comum para as referidas misturas. Finalmente, a produtividade aumentaria 10 - 500 vezes e os custos cairiam 10 significantemente em virtude da eliminação da recuperação do solvente.

O que é necessário é um processo de alta produtividade, custo eficaz e de energia eficiente para fiar via sistema de fusão fibras nanofibras e mantas fibrosas uniformes.

Sumário da Invenção

Em uma modalidade, a presente invenção é direcionada a um

processo de formação de nanofibra compreendendo as etapas de fornecer a fusão de fiação de pelo menos um polímero termoplástico a uma superfície de fiação interna de um disco de distribuição giratório aquecido dotado de uma borda de descarga de fibra de superfície dianteira, distribuindo a fusão de 20 fiação ao longo da referida superfície de fiação interna de modo a distribuir a fusão de fiação em um filme delgado e em direção da borda de descarga da superfície dianteira, e descarregar correntes fibrosas separadas de polímero fundido a partir da borda de descarga da superfície dianteira para atenuar as correntes fibrosas para produzir nanofibras poliméricas que são dotadas de 25 diâmetros médios de fibra de menos que cerca de 1,000 nm.

Uma segunda modalidade da presente invenção é um aparelho de fiação via sistema de fusão para a produção de nanofibras poliméricas, compreendendo um tubo de fornecimento de polímero fundido dotado de uma - porção de entrada e uma porção de saída e pelo menos um bocal de saída de polímero fundido na porção de saída do mesmo, o referido tubo de fornecimento posicionado axialmente através do referido aparelho de fiação via sistema de fusão, a fieira compreendendo um disco de distribuição 5 giratório de polímero fundido, dotado de uma porção de entrada interna de superfície de fiação circundando e em comunicação de fluido com a referida porção de saída do referido tubo de fornecimento de polímero fundido, e uma fonte de aquecimento indireta direcionada para o referido disco de distribuição giratório de polímero fundido.

Outra modalidade da presente invenção é a coleta de nanofibras

compreendendo poliolefina, dotadas de diâmetros médios de fibra de menos que cerca de 500 nm.

Breve Descrição dos Desenhos

A figura 1 é uma vista em seção transversal seccionada de um aparelho de fiação via sistema de fusão adequado para uso na formação de nanofibras fiadas via sistema de fusão de acordo com a presente invenção.

A figura 2 é uma ilustração do perfil de temperatura desejado dentro da área de fiação e formação de fibra do aparelho de fiação via sistema de fusão da presente invenção.

A figura 3A é uma vista lateral seccionada, e 3B é uma vista de

topo de um disco de distribuição de polímero fundido de acordo com a presente invenção.

A figura 4A é uma micrografia de leitura eletrônica de fibras de polipropileno (PP) do Exemplo 1.

A figura 4B é um histograma dos diâmetros de fibra do Exemplo

1.

A figura 5A é uma micrografia de leitura eletrônica de fibras de polipropileno do Exemplo 2. A figura 5B é um histograma dos diâmetros de fibra de Exemplo

2.

A figura 6A é uma micrografia de leitura eletrônica de fibras de polipropileno do Exemplo 3.

A figura 6B é um histograma dos diâmetros de fibra do Exemplo

3.

A figura 7A é uma micrografia de leitura eletrônica de fibras de polipropileno do Exemplo 4.

A figura 7B é um histograma dos diâmetros de fibra do Exemplo 4.

A figura 8A é uma micrografia de leitura eletrônica de polietileno fibras do Exemplo 5.

A figura 8B é um histograma dos diâmetros de fibra do Exemplo 5.

Descrição Detalhada da Invenção Em processos clássicos de fiação centrífuga de fibras, há dois

tipos de fieiras. Fiação baseada em capilaridade utiliza um rotor com orifícios laterais de bocal. Uma fusão de polímero é impulsionada através dos orifícios laterais de bocal, e fibras de maior diâmetro são formadas por estiramento centrífugo, tal como divulgado na patente US No. 4.937.020. Fiação 20 centrífuga clássica com base em capilaridade não está relacionada ao caso da presente invenção. Outra é fiação de filme com base em divisão usando um disco cônico como um rotor, tal como divulgado na patente US No. 2.433.000. Uma fusão de polímero ou solução é distribuída seja diretamente em uma superfície de disco cônico, ou através de orifícios de bocal no fundo 25 do disco de distribuição. Fiação centrífuga clássica de filme com base em divisão está mais proximamente relacionada a presente invenção.

No caso de fiação centrífuga clássica de filme com base em divisão, fibras de maior diâmetro são formadas a partir da divisão de um filme . de fusão de espessura distinta ou filme de fusão de espessura não uniforme com uma espessura de cerca de 3 a 4 mil. Nenhuma formação de nanofibra foi reportada usando o referido processo clássico de fiação centrífuga de fibras.

De modo diferente, de acordo com a presente invenção,

nanofibras são formadas por divisão de filme na borda de descarga dianteira de um disco de distribuição giratório, tal como uma taça em forma de sino; a partir de um filme fundido delgado amplamente disperso na superfície interna do disco de distribuição, com uma típica espessura de filme na faixa baixa de mícron.

No caso de divisão de filme em fi ação centrífuga clássica, a viscosidade do polímero é relativamente mais alta do que no caso da presente invenção. Quanto maior a viscosidade, maiores as fibras que são formadas. Na presente invenção, se o polímero é de viscosidade de fusão 15 suficientemente baixa, a fusão de fiação pode ser fiada em nanofibras sem qualquer modificação reológica. Alternativamente, de modo a ajudar a fiação de uma fusão de viscosidade bastante elevada, o polímero de fiação pode ser plastificado, hidrolisado ou de outro modo rompido uma viscosidade mais baixa. Geralmente, a fusão de fiação com uma viscosidade entre cerca de 20 1,000 cP a cerca de 100,000 cP é útil, mesmo uma viscosidade entre cerca de 1,000 cP a cerca de 50,000 cP.

Em uma modalidade alternativa da presente invenção, há um disco adicional estacionário ou de "cisalhamento" disposto à jusante ao disco de distribuição giratório, e a fusão de polímero é distribuída através de um 25 espaço entre o disco de distribuição giratório e o disco de cisalhamento, em que o cisalhamento aplicado à fusão de polímero ocasiona a redução do cisalhamento. O disco de cisalhamento também atua como um disco de distribuição de fusão, ajudando a formar um filme de fusão delgado, - amplamente disperso e mais uniforme na superfície interna do disco giratório de distribuição de polímero.

De acordo com a presente invenção, a fusão de fiação compreende pelo menos um polímero. Qualquer polímero de formação de 5 fibra fiável via sistema de fusão pode ser usado. Polímeros adequados incluem materiais termoplásticos compreendendo poliolefinas, tais como polímeros e copolímeros de polietileno, polímeros e copolímeros de polipropileno; poliésteres e co-poliésteres, tais como poli(etileno tereftalato), biopoliésteres, polímeros de cristal líquido termotrópico e copoliésteres de 10 PET; poliamidas (náilons); poliaramidas; policarbonatos; acrílicos e metacrílicos, tais como poli(met)acrilatos; polímeros e copolímeros com base em polistireno; ésteres de celulose; celulose termoplástica; celulósicos; resinas de acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS); acetais; poliéteres clorados; fluoropolímeros, tais como policlorotrifluoroetilenos (CTFE), etileno-propileno- 15 fluorado (FEP); e fluoreto de polivinilideno (PVDF); vinis; polímeros biodegradáveis, polímeros bio-baseados, polímeros e misturas bi-compósitas trabalhadas por engenharia; nanocompósitos embutidos; polímeros naturais; e combinações dos mesmos.

A figura 1 é uma ilustração de uma vista em seção transversal 20 da unidade de coleta de manta e fiação de nanofibra via sistema de fusão de acordo com a presente invenção. Uma fieira giratória contém um disco de distribuição giratório 1 adequado para formar fibras a partir de uma fusão de fiação. O disco de distribuição pode ser dotado de uma superfície de fiação interna côncava ou aberta plana e é conectado a um motor de alta velocidade 25 (não mostrado) por um eixo de direção 6. Por "côncavo" se quer dizer que a superfície interna do disco pode ser de seção transversal curva, tal como hemisférica, ser dotado de uma seção transversal de uma elipse, uma hipérbole, uma parábola ou pode ser frustocônica, ou semelhante. A unidade - de fiação via sistema de fusão pode opcionalmente incluir um disco de cisalhamento estacionário 3 montado substancialmente paralelo a superfície interna do disco de distribuição de polímero. A fusão de fiação é distribuída ao longo da superfície interna do disco de distribuição, e opcionalmente 5 através de um espaço entre a superfície interna do disco de distribuição e o disco de cisalhamento, se presente, de modo a ajudar a distribuir a fusão de polímero de fiação cisalhada em direção da superfície dianteira da borda de descarga 2 do disco de distribuição. O disco de distribuição e o disco de cisalhamento são aquecidos por um dispositivo de aquecimento indireto sem 10 contato 10, tal como uma fonte de infravermelho, dispositivo de indução de calor ou outra fonte de aquecimento radial, a uma temperatura em ou acima do ponto de fusão do polímero. A fusão de fiação é bombeada a partir de uma porção de entrada de um tubo de fornecimento 4, percorrendo axialmente através do disco de cisalhamento 3, se presente, em direção do 15 disco de distribuição 1 e sai do tubo de fornecimento em uma porção de saída do mesmo. O coeficiente de produtividade da fusão pode ser entre cerca de 0,1 cc/min a cerca de 200 cc/min, mesmo entre cerca de 0,1 cc/min a cerca de 500 cc/min.

Na medida em que a fusão de fiação entra no espaço entre a 20 superfície interna do disco de distribuição e disco de cisalhamento estacionário, a mesma é direcionada em contato com a superfície interna do disco de distribuição, a fusão de polímero completamente se espalha e umidifica a superfície interna do disco de distribuição, e um filme delgado de baixa espessura de mícron se forma e flui ao longo da superfície interna do 25 disco de distribuição até que o mesmo alcance a borda de descarga do disco de distribuição da superfície dianteira 2. A velocidade rotacional do disco de distribuição 1 é controlada para estar entre cerca de 1,000 rpm e cerca de 100,000 rpm, mesmo entre cerca de 5,000 rpm e cerca de 100,000 rpm, ou * mesmo entre cerca de 10,000 rpm e cerca de 50,000 rpm. Na borda de descarga da superfície dianteira do disco de distribuição giratório, o filme delgado se divide em ligamentos de fusão, os ligamentos de fusão são adicionalmente estirados por força centrífuga, e fibras 11 são produzidas a 5 partir do estiramento dos ligamentos.

Um ou mais anéis de gás quente (por exemplo, ar ou N2) 5a e 5b, dotados de bocais de gás quente dispostos na circunferência dos mesmos, podem ser posicionados anulares ao disco de distribuição giratório e/ou o tubo de fornecimento de polímero fundido, os bocais sendo posicionados de modo 10 a direcionar um fluxo de gás quente em direção dos ligamentos de polímero fundido, para manter a temperatura da divisão de filme e regiões de estiramento de ligamento acima do ponto de fusão do polímero, para manter os ligamentos no estado de fusão e permitir o estiramento adicional em nanofibras. O fluxo de gás quente pode também agir para guiar as fibras em 15 direção do coletor de manta 8.

Opcionalmente, pode haver um ou mais bocais de gás de resfriamento (por exemplo, ar ou N2), 7a e 7b, ou anéis de gás de resfriamento dotados de bocais de gás de resfriamento dispostos na circunferência dos mesmos, posicionados anulares ao(s) anel(s) de gás de aquecimento, para 20 direcionar o fluxo de gás de resfriamento para dentro da região de formação de região de formação de fibra p ara rapidamente resfriar e solidificar as nanofibras antes que as mesmas alcancem o coletor de manta 8. O fluxo de gás de resfriamento adicionalmente guia a corrente de nanofibras 11 em direção do coletor de manta 8.

A coleta de manta pode ser aumentada ao aplicar vácuo através

do coletor para puxar as fibras sobre o coletor. O anel de coleta de manta 8 na figura 1 é um anel de tela que é resfriado, eletricamente aterrado e conectado a um soprador (não mostrado) para formar um anel coletor de - vácuo. O coletor de manta 8 pode ser resfriado com água fria corrente ou gelo seco. Uma tela de coleta de manta tubular 12 é posicionada dentro do anel de coleta de manta 8, e é movido verticalmente ao longo do anel de coleta de manta 8 de modo a formar uma manta nanofibrosa uniforme. Uma 5 manta não tecida ou outra lona fibrosa pode ser situada na tela de coleta de manta tubular 12, sobre a qual as nanofibras podem ser depositadas.

Opcionalmente, um potencial de voltagem de carga eletrostática pode ser aplicado e mantido em um espaço de fiação entre o disco de distribuição e o coletor para aprimorar a uniformidade da deposição da manta 10 fibrosa. A carga eletrostática pode ser aplicada por qualquer dispositivo de carga de alta voltagem conhecidos na técnica. Os fios elétricos a partir do dispositivo de carga podem ser fixados à fieira giratória e ao coletor, ou se um eletrodo é disposto dentro do espaço de fiação, para a fieira e o eletrodo, ou para o eletrodo e o coletor. O potencial de voltagem aplicado à unidade de 15 fiação pode ser na faixa entre cerca de 1kV e cerca de 150 kV.

A distribuição de temperatura designada circundando o disco de distribuição giratório é uma característica de distinção importante do processo da presente invenção a partir da fiação centrífuga clássica.

A figura 2 é uma ilustração do perfil de temperatura designado 20 dentro da região de fiação via sistema de fusão c ircundando o disco de distribuição rotacional 1, no qual T1 é a temperatura da zona de fiação via sistema de fusão em torno do disco de distribuição giratório, T2 é a temperatura da zona de estiramento dos filamentos de fusão (ligamentos) 11, e T3 é a temperatura de zona de rápido resfriamento e de zona de 25 solidificação de nanofibra, onde T1 > T2 > Tm (o ponto de fusão de polímero) e T3 < < Tm, isto é, bem abaixo do ponto de fusão do polímero.

A figura 3A é uma vista lateral e a figura 3B é uma vista de topo de um exemplo de um disco de distribuição de polímero fundido 1. A geometria do disco de distribuição, especialmente o diâmetro D e ângulo α do disco de distribuição, pode influenciar a formação de fibras e tamanho de fibra. Diâmetro D do presente disco de distribuição é entre cerca de 10 mm e 200 mm, o ângulo α da borda de descarga da superfície dianteira é 0 graus 5 quando o disco é plano, ou entre maior do que 0 graus a cerca de 90 graus, e a borda do disco de distribuição é opcionalmente serrilhada 15 de modo a formar o filme delgado amplamente disperso na superfície interna do disco de distribuição. A endentação na borda do disco de distribuição também ajuda a formar nanofibras mais uniformes com uma distribuição de diâmetro de fibra 10 relativamente estreita.

O presente processo pode produzir fibras muito finas, preferivelmente fibras contínuas, com um diâmetro médio de fibra de menos que cerca de 1,000 nm e mesmo entre cerca de 100 nm a cerca de 500 nm. As fibras podem ser coletadas em uma manta fibrosa ou lona. O coletor pode ser condutor para criar um campo elétrico entre o mesmo e a fieira giratória ou um eletrodo disposto à jusante a fieira. O coletor pode também ser poroso para permitir o uso de um dispositivo de vácuo para puxar os gases quente e/ou de resfriamento em afastamento a partir das fibras e help prender as fibras ao coletor para produzir a manta fibrosa. O material de lona pode ser disposto no coletor para coletar a fibra diretamente sobre a lona deste modo produzindo um material compósito. Por exemplo, uma manta não tecida ou outro material de lona poroso, tal como uma manta fiada ligada, uma manta fundida via sistema de sopro, uma manta cardada ou semelhante, pode ser disposto no coletor e as fibras depositadas sobre a manta não tecida ou lona. Deste modo tecidos compósitos podem ser produzidos.

Surpreendentemente, foi demonstrado que o processo e o aparelho da presente invenção fiam com sucesso via sistema de fusão nanofibras de poliolefina, em particular nanofibras de polipropileno e polietileno. Acredita-se que as distribuições do tamanho de fibra (diâmetro) das referidas nanofibras de poliolefina sejam significativamente mais baixas do que as fibras de poliolefina atualmente conhecidos na técnica. Por exemplo, Patente US No. 4.397.020 divulga um processo de fiação radial o qual, 5 embora sugira a produção de fibras de poliolefina sub-mícron dotadas de diâmetros tão baixos quanto 0,1 mícron, exemplifica apenas fibras PP dotadas de diâmetros de 1,1 mícron. De modo diferente, de acordo com a presente invenção, coletas de nanofibras de poliolefina dotadas de um diâmetro médio de fibra de menos que cerca de 500 nm foram obtidas, mesmo menos de ou 10 igual a cerca de 400 nm, e as distribuições médias de diâmetro de fibra podem ser menos do que ou igual a cerca de 400 nm, ou mesmo menos de 360 nm.

Como pode ser visto a partir dos Exemplos abaixo, os referidos baixos diâmetros médios de fibra demonstram que na maior parte dos casos a maioria das nanofibras de poliolefina coletadas está abaixo dos diâmetros médios de fibra (número médio).

Métodos de Teste

Na descrição acima e nos exemplos não Iimitantes que seguem, os métodos de teste a seguir foram empregados para determinar diversas características e propriedades reportadas.

Diâmetro de Fibra foi determinado como a seguir. Dez imagens de leitura de microscópio eletrônico (SEM) a uma ampliação de 5.000x foram obtidas de cada amostra de camada de nanofibra. O diâmetro de mais de 200, ou mesmo mais de 300 nanofibras claramente distinguíveis foram 25 medidos a partir das imagens SEM e registrados. Defeitos não foram incluídos (isto é, aglomerações de nanofibras, gotas de polímero, interseções de nanofibras). O diâmetro médio de fibra para cada amostra foi calculada e reportada em nanômetros (nm). Exemplos

Daqui adiante a presente invenção será descrita em mais detalhes nos exemplos a seguir.

Exemplo 1

Fibras contínuas foram produzidas a partir do uso de um

aparelho como ilustrado na figura 1, a partir de um homopolímero de polipropileno de ultra-alto coeficiente de fluxo de fusão, com uma distribuição de peso molecular bastante estreita (Metoceno MF650Y, da Basell USA Inc., densidade de 0,91 g/cc a 23 0C medida usando ASTM D 792, MFR = 1800 10 gramas/10 min. medida usando ASTM D1238). A viscosidade de cisalhamento típica de Metoceno MF650Y PP é 4.89181 Pa-seg, a o coeficiente de cisalhamento de 10,000/seg. a 204,44 0C (204,44 0C (400 0F)). O ponto de fusão de Metoceno MF650Y PP é Tm > 160°C.

Um extrusor PRISM com uma bomba de engrenagem foi usado para enviar a fusão de polímero à fieira giratória através do tubo de fornecimento. A pressão foi ajustada a constante de 61 psi. A velocidade da bomba de engrenagem foi ajustada a ponto de ajuste constante 5 e esta produziu um coeficiente de alimentação de fusão de cerca de 0,8 cc/min. O ar de sopro quente foi ajustado a uma constante de 30 psi. A fusão giratória do disco de distribuição de polímero é dotada de um ângulo côncavo de 30 graus, sem uma borda de descarga serrilhada e na ausência de um disco de cisalhamento. A velocidade de rotação do disco de distribuição foi ajustada a uma constante de 11,000 rpm. A temperatura da fusão de fiação a partir do tubo de fornecimento de fusão foi ajustada a 251 °C, a temperatura do disco de distribuição foi ajustada a 260 0C e a temperatura do ar de sopro foram ajustadas a 220 °C. Nenhum campo elétrico foi usado durante este teste.

Nanofibras foram coletadas em uma tela de coleta não tecida Reemay que foi mantida no lugar 38,1 cm (15 polegadas) em afastamento a - partir do disco de distribuição por uma folha de metal de aço inoxidável. Uma imagem SEM das fibras pode ser vista na Figura 4A. O tamanho da fibra foi medido a partir de uma imagem usando leitura de microscopia eletrônica (SEM) e determinado estar na faixa de 99 nm a 1188 nm, com um diâmetro 5 médio de fibra de cerca de média = 430 nm e mediano = 381 nm a partir da medição de 366 fibras (Fig. 4B).

Exemplo 2

Exemplo 2 foi preparado de forma similar ao Exemplo 1, exceto em que a velocidade de rotação do disco de distribuição foi ajustada uma 10 constante de 13.630 rpm. Os diâmetros de fibras se tornaram menores do que o Exemplo 1. Uma imagem SEM das fibras pode ser vista na Figura 5A. O tamanho da fibra foi medido a partir de uma imagem usando SEM e determinado estar na faixa de 40 nm a 1096 nm, com um diâmetro médio de fibra de cerca de média = 363 nm e mediano = 323 nm a partir da medição de 15 422 fibras (Fig. 5B).

Exemplo 3

Fibras contínuas foram produzidas de acordo com Exemplo 1, exceto pelo uso de um homopolímero PP diferente (Metoceno MF650X, da Basell USA Inc., uma resina de ultra-alto coeficiente de fluxo de fusão com 20 distribuição de peso molecular bastante estreita, densidade de 0,91 g/cc a 23 0C medidos usando ASTM D 792, MFR = 1200 gramas/10 min. medidos usando ASTM D1238). A viscosidade de cisalhamento típica do Metoceno MF650Y PP é 5.76843 Pa-seg, ao coeficiente de cisalhamento de 10.000/seg. a 204,44 0C (400 0F). O ponto de fusão de Metoceno MF650Y PP é Tm > 25 1 60°C.

O disco de distribuição é dotado de um ângulo côncavo de 15 graus, sem a borda de descarga serrilhada e na presença de um disco de cisalhamento estacionário. A velocidade de rotação do disco de distribuição - foi ajustada a constante de 11.000 rpm. A temperatura da fusão de fiação a partir do tubo de fornecimento de fusão foi ajustada a 251 °C, a temperatura do disco de distribuição foi ajustada a 270 0C e a temperatura do ar de sopro foi ajustada a 220 °C. Nenhum campo elétrico foi usado durante este teste.

Fibras foram coletadas em uma tela de coleta não tecida Reemay

que foi mantida no lugar 15 polegadas em afastamento a partir do disco de fiação giratório por uma folha de metal de aço inoxidável. Uma imagem SEM das fibras pode ser vista na Figura 6A. O tamanho da fibra foi medido a partir de uma imagem usando leitura de microscopia eletrônica (SEM) e 10 determinado estar na faixa de 63 nm a 1400 nm, com um diâmetro médio de fibra de cerca de média = 378 nm e mediano = 313 nm a partir da medição de 727 fibras (Fig. 6B).

Exemplo 4

Fibras contínuas foram produzidas de acordo com Exemplo 1, 15 exceto usando um homopolímero PP diferente (Metoceno MF650W, da Basell USA Inc., uma resina com alto coeficiente de fluxo de fusão com distribuição de peso molecular bastante estreita, densidade de 0,91 g/cc a 23 0C medidos usando ASTM D 792, MFR = 500 gramas/10 min. medidos usando ASTM D1238). A viscosidade de cisalhamento típica de Metoceno MF650Y PP é 20 9.45317 Pa-seg, ao coeficiente de cisalhamento de 10.000/seg. a 204,44 0C (400 0F). O ponto de fusão de Metoceno MF650Y PP é Tm > 160°C.

O disco de distribuição é dotado de um ângulo côncavo de 30 graus, sem a borda de descarga serrilhada e na ausência de disco de cisalhamento. A velocidade de rotação do disco de distribuição foi ajustada a 25 constante 11.000 rpm. A temperatura da fusão de fiação a partir do tubo de fornecimento de fusão foi ajustada a 251 °C, a temperatura do disco de distribuição foi ajustada a 260 0C e a temperatura do ar de sopro foi ajustada a 220 °C. Nenhum campo elétrico foi usado durante este teste. Fibras foram coletadas em uma tela de coleta não tecida Reemay que foi mantida no lugar 15 polegadas em afastamento a partir do disco de distribuição por uma folha de metal de aço inoxidável. Uma imagem SEM das fibras pode ser vista na Figura 7A. O tamanho da fibra foi medido a partir de 5 uma imagem usando leitura de microscopia eletrônica (SEM) e determinado estar na faixa de 60 nm a 1650 nm, com um diâmetro médio de fibra de cerca de média = 480 nm e mediano = 400 nm a partir da medição de 209 fibras (Fig. 7B).

Exemplo 5

Fibras contínuas foram produzidas de acordo com Exemplo 1,

exceto usando uma resina de moldagem de injeção de polietileno (LLDPE) (SURPASS® IFs932-R da NOVA Chemicals, Canada), uma resina com alto índice de fusão com distribuição de peso molecular bastante estreita. As propriedades do referido polímero foram: densidade de 0,932 g/cc a 23 cC 15 medidos usando ASTM D 792, Ml = 150 gramas/10 min. medidos usando ASTM D1238.

Um extrusor PRISM com uma bomba de engrenagem é usado par enviar a fusão ao disco de distribuição através do tubo de fornecimento. A pressão foi ajustada a constante de 61 psi. A velocidade da bomba de 20 engrenagem foi ajustada a constante de 10 e isto produziu um coeficiente de alimentação de fusão de cerca de 1 ,6 cc/min. O ar de sopro quente fo i ajustado a uma constante de 30 psi. o disco de fiação giratório é dotado de um ângulo côncavo de 30 graus, com borda de descarga serrilhada e na presença de um disco de cisalhamento estacionário. A velocidade de rotação 25 do disco de distribuição foi ajustada a constante 13.630 rpm. A temperatura da fusão de fiação a partir do tubo de fornecimento de fusão foi ajustada a 250 °C, a temperatura do disco de fiação giratório foi ajustada a 220 0C e a temperatura do ar de sopro foi ajustada a 160 °C. Nenhum campo elétrico foi - usado durante este teste.

Fibras foram coletadas em uma tela de coleta não tecida Reemay que foi mantida no lugar 15 polegadas em afastamento a partir do disco de distribuição por uma folha de metal de aço inoxidável. Uma imagem SEM das 5 fibras pode ser vista na Figura 8A. O tamanho da fibra foi medido a partir de uma imagem usando leitura de microscopia eletrônica (SEM) e determinado estar na faixa de 53 nm a 1732 nm, com um diâmetro médio de fibra de cerca de média = 409 nm e mediano = 357 nm a partir da medição de 653 fibras (Fig. 8B).

Claims

1. PROCESSO DE FORMAÇÃO DE NANOFIBRA, compreendendo as etapas de: fornecer a fusão de fiação de pelo menos um polímero termoplástico a uma superfície de fiação interna de um disco de distribuição giratório aquecido dotado de uma borda de descarga de fibra de superfície dianteira; distribuir a fusão de fiação ao longo da referida superfície de fiação interna de modo a distribuir a fusão de fiação em um filme delgado e em direção da borda de descarga da superfície dianteira; e descarregar correntes fibrosas separadas de polímero fundido a partir da borda de descarga da superfície dianteira para atenuar as correntes fibrosas para produzir nanofibras poliméricas que são dotadas de diâmetros médios de fibra de menos que cerca de 1.000 nm.

2. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, em que o polímero é selecionado a partir do grupo que consiste em poliolefinas, poliésteres, poliamidas, poliaramidas, policarbonatos, poli(met)acrilatos, polímeros com base em poliestireno, biopoliésteres, polímeros de cristal líquido termotrópico, ésteres de celulose, celulose termoplástica, resinas de 20 acrilonitrila-butadieno-estireno, acetais, acrílicos, poliéteres clorados, fluoropolímeros, polímeros de vinil, polímeros biodegradáveis, polímeros bio- baseados, polímeros bicomponentes trabalhados por engenharia, polímeros contendo nanocompósitos embutidos, polímeros naturais, e co polímeros e combinações dos mesmos.

3. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, em que a fusão de fiação é dotada de uma viscosidade a partir de cerca de 1.000 cP a cerca de 100.000 cP.

4. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, em que a fusão de fiação é fornecida a um coeficiente de produtividade a partir de cerca de 0,1 g/min a cerca de 500 g/min.

5. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, em que a velocidade rotacional do disco de distribuição giratório está entre cerca de 1.000 rpm e cerca de 100.000 rpm.

6. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, em que o disco de distribuição giratório é aquecido por aquecimento indireto selecionado a partir de aquecimento infravermelho, indução de calor ou aquecimento de radiação.

7. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, em que as correntes de polímero fibroso fundido descarregadas a partir da borda de descarga da superfície dianteira são direcionadas em uma corrente de gás de sopro quente e em afastamento a partir do disco de distribuição giratório.

8. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, em que o gás de sopro é dotado de uma temperatura em ou acima do ponto de fusão do polímero.

9. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, que forma nanofibras dotadas de um diâmetro médio de fibra menos do que cerca de 500 nm.

10. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, adicionalmente compreendendo resfriar as nanofibras com um gás de resfriamento dotado de uma temperatura abaixo do ponto de fusão do polímero.

11. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, adicionalmente compreendendo coletar as fibras em um coletor para formar a manta fibrosa.

12. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 11, adicionalmente compreendendo aplicar um vácuo através do coletor para puxar as fibras sobre o coletor para formar a manta fibrosa.

13. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 11, em que o potencial de voltagem é mantido entre o disco de distribuição giratório e o coletor.

14. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 13, em que o potencial de voltagem é mantido entre o disco de distribuição giratório e um eletrodo posicionado entre o disco de distribuição giratório e o coletor.

15. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 13, em que o potencial de voltagem é mantido entre o coletor e um eletrodo posicionado entre o disco de distribuição giratório e o coletor.

16. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 13, em que o potencial de voltagem é entre cerca de 1 kV a cerca de150 kV.

17. APARELHO DE FIAÇÃO VIA SISTEMA DE FUSÃO PARA A PRODUÇÃO DE NANOFIBRAS POLIMÉRICAS, compreendendo: um tubo de fornecimento de polímero fundido dotado de uma porção de entrada e uma porção de saída e pelo menos um bocal de saída de polímero fundido na porção de saída do mesmo, o referido tubo de fornecimento posicionado axialmente através do referido aparelho de fiação via sistema de fusão; a fieira compreendendo um disco de distribuição giratório de polímero fundido, dotado de uma porção de entrada interna de superfície de fiação circundando e em comunicação de fluido com a referida porção de saída do referido tubo de fornecimento de polímero fundido, e uma porção de borda de descarga da superfície dianteira; e uma fonte de aquecimento indireta direcionada ao referido disco de distribuição giratório de polímero fundido.

18. APARELHO DE FIAÇÃO VIA SISTEMA DE FUSÃO, da reivindicação 17, adicionalmente compreendendo um anel anular de gás de sopro quente dotado de bocais de gás de sopro dispostos na circunferência do mesmo, o referido anel de gás de sopro disposto anular ao referido tubo de fornecimento de polímero fundido, com os referidos bocais de gás de sopro posicionados para direcionar o gás de sopro quente sobre a referida borda de descarga da superfície dianteira.

19. APARELHO DE FIAÇÃO VIA SISTEMA DE FUSÃO, da reivindicação 17, adicionalmente compreendendo uma superfície de coleta porosa à jusante da referida borda de descarga da superfície dianteira.

20. APARELHO DE FIAÇÃO VIA SISTEMA DE FUSÃO, da reivindicação 17, em que o referido disco de distribuição giratório de polímero fundido é dotado de uma superfície côncava de fiação interna.

21. APARELHO DE FIAÇÃO VIA SISTEMA DE FUSÃO, da reivindicação 17, em que o referido disco de distribuição giratório de polímero fundido é dotado de uma superfície de fiação interna plana.

22. APARELHO DE FIAÇÃO VIA SISTEMA DE FUSÃO, da reivindicação 17, em que o diâmetro do disco de distribuição de polímero fundido é cerca de 10 mm a cerca de 200 mm.

23. APARELHO DE FIAÇÃO VIA SISTEMA DE FUSÃO, da reivindicação 20, em que o ângulo entre a referida borda de descarga da superfície dianteira e a referida superfície de fiação interna é entre maior do que 0 graus e cerca de 90 graus.

24. APARELHO DE FIAÇÃO VIA SISTEMA DE FUSÃO, da reivindicação 17, adicionalmente compreendendo um disco de cisalhamento estacionário, disposto anular à referida porção de saída do referido tubo de fornecimento de polímero fundido e paralelo a e separado por um espaço a partir da superfície do disco de distribuição giratório de polímero fundido.

25. APARELHO DE FIAÇÃO VIA SISTEMA DE FUSÃO, da reivindicação 17, em que a borda de descarga da superfície dianteira é serrilhada.

26. APARELHO DE FIAÇÃO VIA SISTEMA DE FUSÃO, da reivindicação 19, adicionalmente compreendendo pelo menos um bocal de gás de resfriamento disposto entre o referido anel de gás de sopro quente e a referida superfície de coleta.

27. APARELHO DE FIAÇÃO VIA SISTEMA DE FUSÃO, da reivindicação 17, adicionalmente compreendendo um dispositivo de carga de alta voltagem conectado entre o referido disco de distribuição de polímero fundido e a referida superfície de coleta.

28. APARELHO DE FIAÇÃO VIA SISTEMA DE FUSÃO, da reivindicação 17, em que a referida superfície de coleta é disposta anular à referida fieira.

29. COLETA DE NANOFIBRAS, compreendendo poliolefina, dotada de diâmetros médios de fibra de menos que cerca de 500 nm.

30. COLETA DE NANOFIBRAS, de acordo com a reivindicação 29, dotada de um diâmetro médio de fibra de menos que ou igual a cerca de 400 nm.

31. COLETA DE NANOFIBRAS, de acordo com a reivindicação 30, dotado de um diâmetro médio de fibra de menos que cerca de 400 nm e um diâmetro médio de fibra de menos que cerca de 400 nm.

32. COLETA DE NANOFIBRAS, de acordo com a reivindicação 31, dotado de um diâmetro médio de fibra de menos que cerca de 360 nm.

33. COLETA DE NANOFIBRAS, de acordo com a reivindicação 29, na forma de uma manta não tecida.

34. COLETA DE NANOFIBRAS, de acordo com a reivindicação 29, em que a poliolefina é polipropileno.

35. COLETA DE NANOFIBRAS, de acordo com a reivindicação 29, em que a poliolefina é polietileno.

36. COLETA DE NANOFIBRAS, de acordo com a reivindicação 33, em que a referida manta não tecida é coletada em uma lona fibrosa.