ETSi-Professoren entdecken eine Methode zur Massenproduktion von Mikrofasern

Professoren der Abteilung für Luft- und Raumfahrttechnik und Strömungsmechanik der Höheren Technischen Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universität Sevilla entwickeln eine Methode zur Massenproduktion von Mikrofasern, die aus einem Polymer namens Polyvinylalkohol (PVA) hergestellt werden. Diese im Artikel https://doi.org/10.1039/D3RA03070A stellt einen quantitativen Fortschritt hinsichtlich der Möglichkeit der industriellen Herstellung von Nanofasern dar.

Die Professoren Luis Modesto López und Alfonso Gañán Calvo stellen zusammen mit dem Studenten Jesús Olmedo Pradas in diesem Artikel diese neue Technologie vor, die auf die Massenproduktion von Mikro- und Nanomaterialien, insbesondere Nanofasern, angewendet werden kann. „Aufgrund der hohen Verarbeitungskapazität könnte die von uns vorgeschlagene Technik in Zukunft skaliert und an die industrielle Produktion angepasst werden, wodurch die Produktionsquoten verbessert werden. Darüber hinaus muss berücksichtigt werden, dass es sich um eine Technik zur Herstellung von Polymerfasern handelt und diese Materialien in praktisch allen Bereichen des täglichen Lebens vorkommen, so dass ihre Anwendung wirklich breit und vielfältig ist: die Herstellung sogenannter biokompatibler Gerüste für den Einsatz in Gewebe Regeneration, Herstellung von Faserplattformen für Energieerzeugungs- und Speichersysteme (z. B. Elektroden), 3D-Drucksysteme. Andere der sichtbarsten und aktuell relevantesten industriellen Anwendungen wären die Herstellung von Materialien für Masken und PSA oder für die sogenannten „Smart Wearables“ („intelligente Stoffe“)“, sagt Professor Modesto López.

Die Relevanz dieser Arbeit liegt in der Massenproduktion sehr dünner Fasern, sogenannter Mikrofasern, die aus einem Polymer namens Polyvinylalkohol (PVA) bestehen. Dazu nutzen sie ein einzigartiges Verfahren, mit dem sie mit einem einzigen Injektor tausendmal mehr Mikrofasern verarbeiten können als mit herkömmlichen Systemen, wie dem sogenannten Elektrospinnen oder „Electrospinning“. Diese Mikrofasern haben einen Durchmesser von weniger als 1 Mikrometer (1 Mikrometer, ein Millionstel Meter), also zwischen 0,9 und 0,5 Mikrometer, was bedeutet, dass sie viel dünner sind als ein menschliches Haar (100 Mikrometer) oder ein rotes Blutkörperchen (8 Mikrometer). . ). Sie können sogar so dünn sein wie das Coronavirus (weniger als 0,5 Mikrometer).

Ziel der Studie war die Entwicklung einer einfachen, aber robusten Technologie zur Herstellung von Mikro- und Nanofasern mithilfe pneumatischer Injektoren vom Typ Flow Blurring® (bereitgestellt von Ingeniatrics Tecnologías SL). Diese Geräte nutzen einen Luftstrom, um einen Flüssigkeitsstrom zu zerkleinern, wodurch feine Tröpfchen entstehen (wie sie beispielsweise von Terrassensprinklern erzeugt werden), ein Vorgang, der als Sprühen bezeichnet wird. Es ist wichtig zu beachten, dass unsere Studie mit Mitteln aus den Programmen PAIDI 2020 und FEDER finanziert wurde.

Professor Modesto López erzählt, wie sie auf diese Weise zu dieser Entdeckung kamen: „Die Forschung begann mit Sprühtests, bei denen die Produktion von Mikrotröpfchen angestrebt wurde.“ Stattdessen entstanden jedoch längliche Strukturen, die wir Bänder nennen. Bei der Untersuchung der zugrunde liegenden Physik des Sprühprozesses stellten wir fest, dass Bänder durch die Verwendung hochviskoser Flüssigkeiten mit einer gewissen Viskoelastizität gebildet werden. Allerdings war eine Methode erforderlich, um die Bänder zu verfestigen und Fasern zu gewinnen. Deshalb griffen wir auf eine Wärmequelle zurück, in diesem Fall auf einen Röhrenofen, der Temperaturen von bis zu 1200 Grad Celsius erreichen konnte, obwohl in unserer Studie 300 Grad ausreichend waren. Zusammenfassend sprühen wir mit einem Flow Blurring-Injektor eine Polymerlösung in den Ofen. Die vom Ofen erzeugte Hitze ermöglichte ein schnelles Trocknen der Bänder, was innerhalb von Sekunden zur Bildung von Mikrofasern führte. Parallel dazu führen wir Simulationen der numerischen Strömungsmechanik (CFD) durch, um die physikalischen Prozesse besser zu verstehen, die die Fragmentierung von Polymerlösungen und die Bildung von Bändern steuern.“

Die meisten Arbeiten wurden im Labor für Strömungsmechanik in der Abteilung für Luft- und Raumfahrttechnik und Strömungsmechanik des ETSI durchgeführt, obwohl auch die CITIUS-Einrichtungen genutzt wurden, wo die Viskosität der Polymerlösungen in der funktionalen Charakterisierung analysiert wurde Wir untersuchen die Form und Größe der Mikrofasern mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) der Abteilung Mikroskopie.

Das Projekt ist insofern transformativ, als es darauf abzielt, herkömmliche Methoden zur Herstellung von Mikro- und Nanofasern zu revolutionieren. Derzeit nutzen die gängigsten Techniken zur Herstellung von Nanofasern elektrische Felder als Energiequelle, um Polymerlösungen zu „strecken“, ihre Größe zu reduzieren und/oder sie zu fragmentieren; Voraussetzung dafür ist jedoch, dass die Flüssigkeit eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit aufweist. Darüber hinaus weisen diese Techniken eine geringe Verarbeitungskapazität der betreffenden Lösung auf, die in der Größenordnung von 0,1 Millilitern pro Stunde liegt. In diesem Sinne ist unsere Technologie energetisch effizienter als aktuelle Methoden, da sie nicht auf eine externe Energiequelle angewiesen ist, um die Flüssigkeit zu fragmentieren, sondern vielmehr die im Luftstrom enthaltene mechanische Energie nutzt, um eine neue Oberfläche zu erzeugen, d. h. eine Vielzahl dünnerer Bänder. Ebenso verfügt die vorgeschlagene Technologie über eine sehr hohe Verarbeitungskapazität, da sie mit Flüssigkeitsdurchflussraten in der Größenordnung von 1500 Millilitern pro Stunde arbeiten kann, was mehr als das Tausendfache der Kapazität herkömmlicher Systeme ist. Ebenso eröffnet dieses Projekt eine neue Forschungsrichtung im Zusammenhang mit der Herstellung von Verbundfasern, die aus zwei oder mehr Polymermaterialien bestehen und wiederum funktionelle Nanopartikel oder Materialien wie Graphen und Kohlenstoffnanoröhren enthalten können.