I professori dell'ETSi scoprono un metodo per la produzione in serie di microfibre

I professori del Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale e Meccanica dei Fluidi della Scuola Tecnica Superiore di Ingegneria dell'Università di Siviglia realizzano un metodo per la produzione in serie di microfibre realizzate con un polimero chiamato alcol polivinilico (PVA). Questo studio, raccolto nell'articolo https://doi.org/10.1039/D3RA03070A , presenta un progresso quantitativo riguardo alla possibilità di produrre nanofibre a livello industriale.

I professori Luis Modesto López e Alfonso Gañán Calvo, insieme allo studente Jesús Olmedo Pradas, presentano in questo articolo questa nuova tecnologia, che può essere applicata alla produzione di massa di micro e nanomateriali, in particolare di nanofibre. “Grazie all’elevata capacità di lavorazione, la tecnica che proponiamo potrebbe, in futuro, essere ampliata e adattata alla produzione industriale, migliorando così i rapporti di produzione. Inoltre bisogna tenere conto che si tratta di una tecnica per produrre fibre polimeriche e questi materiali sono presenti praticamente in tutti gli aspetti della vita quotidiana, quindi la sua applicazione è davvero ampia e diversificata: produzione dei cosiddetti scaffold biocompatibili per l'utilizzo nei tessuti rigenerazione, produzione di piattaforme fibrose per sistemi di generazione e stoccaggio di energia (es. elettrodi), sistemi di stampa 3D. Un’altra delle applicazioni industriali più visibili e attualmente rilevanti sarebbe la produzione di materiali per maschere e DPI o per i cosiddetti “Smart wearables” (“tessuti intelligenti”)”, afferma il professor Modesto López.

L'importanza di questo lavoro risiede nella produzione in serie di fibre molto sottili, note come microfibre, e costituite da un polimero chiamato alcol polivinilico (PVA). Per fare questo, utilizzano un processo unico con il quale, con un singolo iniettore, hanno la capacità di trattare mille volte più microfibre rispetto ai sistemi convenzionali, come la cosiddetta elettrofilatura o “elettrofilatura”. Queste microfibre hanno un diametro inferiore a 1 micrometro (1 micron, un milionesimo di metro), compreso tra 0,9 e 0,5 micron, il che significa che sono molto più sottili di un capello umano (100 micron) o di un globulo rosso (8 micron). ). Possono anche essere sottili come il coronavirus (meno di 0,5 micron).

Lo studio mirava a sviluppare una tecnologia semplice ma robusta per produrre micro e nanofibre utilizzando iniettori pneumatici di tipo Flow Blurring® (forniti da Ingeniatrics Tecnologías SL). Questi dispositivi utilizzano una corrente d'aria per frammentare un flusso di liquido, dando luogo alla formazione di goccioline fini (come quelle generate dagli irrigatori per terrazzi), processo noto come spruzzatura. È importante notare che il nostro studio è stato finanziato con fondi dei programmi PAIDI 2020 e FEDER.

Il professor Modesto López racconta come sono arrivati ​​a questa scoperta in questo modo: “La ricerca è iniziata con test di spruzzatura in cui si cercava la produzione di microgocce. Tuttavia, abbiamo delle strutture allungate che chiamiamo legamenti. Studiando la fisica alla base del processo di spruzzatura, ci siamo resi conto che i legamenti venivano formati utilizzando liquidi altamente viscosi con una certa viscoelasticità. Tuttavia era necessario un metodo per solidificare i legamenti e ottenere fibre. Abbiamo quindi fatto ricorso ad una fonte di calore, in questo caso un forno tubolare in grado di raggiungere temperature fino a 1200 gradi Celsius, anche se nel nostro studio erano sufficienti 300 gradi. In sintesi, spruzziamo una soluzione polimerica nel forno utilizzando un iniettore Flow Blurring. Il calore generato dal forno ha permesso una rapida asciugatura dei legamenti, determinando la formazione di microfibre in pochi secondi. Allo stesso modo, in parallelo eseguiamo simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) per comprendere meglio i processi fisici che governano la frammentazione delle soluzioni polimeriche e la formazione dei legamenti”.

La maggior parte del lavoro è stato svolto nel laboratorio di Meccanica dei Fluidi, nel Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale e Meccanica dei Fluidi dell'ETSI, sebbene si siano avvalsi anche delle strutture CITIUS, dove hanno analizzato la viscosità delle soluzioni polimeriche nella Caratterizzazione Funzionale e esaminiamo la forma e la dimensione delle microfibre utilizzando un microscopio elettronico a scansione (SEM) dell'unità di Microscopia.

Il progetto è trasformativo in quanto mira a rivoluzionare i metodi convenzionali di produzione di micro e nanofibre. Attualmente, le tecniche più comuni per la produzione di nanofibre utilizzano campi elettrici come fonte di energia per “allungare” soluzioni polimeriche, ridurne le dimensioni e/o frammentarle; ma richiede che il liquido abbia una certa conduttività elettrica. Inoltre tali tecniche presentano una bassa capacità di lavorazione della soluzione in questione, dell'ordine di 0,1 millilitri all'ora. In questo senso, la nostra tecnologia è energeticamente più efficiente rispetto ai metodi attuali poiché non dipende da una fonte di energia esterna per frammentare il liquido, ma sfrutta piuttosto l’energia meccanica contenuta nel flusso d’aria per generare una nuova superficie, cioè una molteplicità di legamenti più sottili. Allo stesso modo, la tecnologia proposta ha una capacità di elaborazione molto elevata poiché può funzionare con portate di liquido dell'ordine di 1500 millilitri all'ora, ovvero più di mille volte la capacità dei sistemi convenzionali. Allo stesso modo, questo progetto apre una nuova linea di ricerca legata alla produzione di fibre composite costituite da due o più materiali polimerici e che a loro volta possono contenere nanoparticelle funzionali o materiali come grafene e nanotubi di carbonio.