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

I professori del Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale e Fluidodinamica della Scuola Tecnica Superiore di Ingegneria dell'Università di Siviglia hanno sviluppato un metodo per la produzione in serie di microfibre realizzate con un polimero chiamato alcol polivinilico (PVA). Questo studio, pubblicato nell'articolo https://doi.org/10.1039/D3RA03070A , rappresenta un significativo passo avanti nella possibilità di produrre industrialmente nanofibre.

I professori Luis Modesto López e Alfonso Gañán Calvo, insieme allo studente Jesús Olmedo Pradas, presentano nell'articolo questa nuova tecnologia, che può essere applicata alla produzione di massa di micro e nanomateriali, in particolare nanofibre. "Grazie alla sua elevata capacità di lavorazione, la tecnica che proponiamo potrebbe, in futuro, essere ampliata e adattata alla produzione industriale, migliorando così i tassi di produzione. Inoltre, va notato che si tratta di una tecnica per la produzione di fibre polimeriche, e questi materiali sono presenti praticamente in ogni aspetto della vita quotidiana, rendendo la sua applicazione davvero ampia e diversificata: produzione di cosiddetti scaffold biocompatibili per l'uso nella rigenerazione dei tessuti, produzione di piattaforme fibrose per sistemi di generazione e accumulo di energia (ad esempio, elettrodi) e sistemi di stampa 3D. Altre applicazioni industriali di grande visibilità e attualmente rilevanti includono la produzione di materiali per mascherine e DPI, o per i cosiddetti "smart wearable" (tessuti intelligenti)", afferma il professor Modesto López.

L'importanza di questo lavoro risiede nella produzione in serie di fibre molto sottili, note come microfibre, realizzate a partire da un polimero chiamato alcol polivinilico (PVA). Utilizzano un processo unico che, con un singolo iniettore, può processare un numero di microfibre mille volte superiore rispetto ai sistemi convenzionali, come l'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 persino essere sottili quanto il coronavirus (meno di 0,5 micron).

Lo studio mirava a sviluppare una tecnologia semplice ma robusta per la produzione di micro e nanofibre utilizzando gli iniettori pneumatici Flow Blurring® (forniti da Ingeniatris Tecnologías SL). Questi dispositivi utilizzano un flusso d'aria per frammentare un flusso di liquido, con conseguente formazione di goccioline fini (simili a quelle prodotte dagli irrigatori da giardino), un processo noto come atomizzazione. È importante notare che il nostro studio è stato finanziato dai programmi PAIDI 2020 e FEDER.

Il professor Modesto López spiega come sono arrivati ​​a questa scoperta: "La ricerca è iniziata con esperimenti di spruzzatura volti a produrre microgocce. Tuttavia, abbiamo ottenuto strutture allungate che abbiamo chiamato legamenti. Studiando la fisica alla base del processo di spruzzatura, ci siamo resi conto che i legamenti si formavano utilizzando liquidi altamente viscosi con un certo grado di viscoelasticità. Tuttavia, era necessario un metodo per solidificare i legamenti e ottenere fibre. Pertanto, abbiamo utilizzato una fonte di calore, in questo caso un forno tubolare in grado di raggiungere temperature fino a 1200 gradi Celsius, sebbene 300 gradi fossero sufficienti nel nostro studio. In breve, abbiamo spruzzato una soluzione polimerica all'interno del forno utilizzando un iniettore a flusso sfumato. Il calore generato dal forno ha permesso ai legamenti di asciugarsi rapidamente, con conseguente formazione di microfibre in pochi secondi. Contemporaneamente, abbiamo eseguito 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 stata svolta nel laboratorio di Meccanica dei Fluidi, presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale e Meccanica dei Fluidi dell'ETSI, sebbene si siano avvalsi anche delle strutture del CITIUS, dove hanno analizzato la viscosità delle soluzioni polimeriche nell'unità di Caratterizzazione Funzionale ed esaminato la forma e le dimensioni delle microfibre utilizzando un microscopio elettronico a scansione (SEM) dell'unità di Microscopia.

Il progetto è rivoluzionario in quanto mira a rivoluzionare i metodi convenzionali per la produzione di micro e nanofibre. Attualmente, le tecniche più comuni per la produzione di nanofibre utilizzano campi elettrici come fonte di energia per "stirare" le soluzioni polimeriche, ridurne le dimensioni e/o frammentarle; tuttavia, ciò richiede che il liquido abbia un certo grado di conduttività elettrica. Inoltre, queste tecniche hanno una bassa capacità di elaborazione per la soluzione in questione, dell'ordine di 0,1 millilitri all'ora. Da questo punto di vista, la nostra tecnologia è più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ai metodi attuali perché non dipende da una fonte di energia esterna per frammentare il liquido. Sfrutta invece l'energia meccanica contenuta nel flusso d'aria per generare nuova superficie, ovvero una moltitudine di fibre più fini. Allo stesso modo, la tecnologia proposta ha una capacità di elaborazione estremamente elevata, in quanto può operare con portate di liquido dell'ordine di 1500 millilitri all'ora, ovvero oltre mille volte la capacità dei sistemi convenzionali. Inoltre, 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.