Professores da ETSi descobrem método para a produção em massa de microfibras

Professores do Departamento de Engenharia Aeroespacial e Mecânica dos Fluidos da Escola Superior Técnica de Engenharia da Universidade de Sevilha desenvolveram um método para a produção em massa de microfibras feitas de um polímero chamado álcool polivinílico (PVA). Este estudo, publicado no artigo https://doi.org/10.1039/D3RA03070A , representa um avanço significativo na possibilidade de produção industrial de nanofibras.

Os professores Luis Modesto López e Alfonso Gañán Calvo, juntamente com o aluno Jesús Olmedo Pradas, apresentam esta nova tecnologia no artigo, que pode ser aplicada à produção em massa de micro e nanomateriais, particularmente nanofibras. “Devido à sua alta capacidade de processamento, a técnica que propomos poderá, no futuro, ser ampliada e adaptada à produção industrial, melhorando assim as taxas de produção. Além disso, cabe ressaltar que esta é uma técnica para a produção de fibras poliméricas, e esses materiais estão presentes em praticamente todos os aspectos da vida cotidiana, tornando sua aplicação verdadeiramente ampla e diversificada: fabricação de estruturas biocompatíveis para uso na regeneração de tecidos, produção de plataformas fibrosas para sistemas de geração e armazenamento de energia (ou seja, eletrodos) e sistemas de impressão 3D. Outras aplicações industriais de grande visibilidade e relevância atual incluem a fabricação de materiais para máscaras e EPIs, ou para os chamados “vestíveis inteligentes” (tecidos inteligentes)”, afirma o professor Modesto López.

A importância deste trabalho reside na produção em massa de fibras muito finas, conhecidas como microfibras, feitas de um polímero chamado álcool polivinílico (PVA). Utilizam um processo único que, com um único injetor, consegue processar mil vezes mais microfibras do que os sistemas convencionais, como a eletrofiação. Essas microfibras têm um diâmetro inferior a 1 micrômetro (1 mícron, um milionésimo de metro), entre 0,9 e 0,5 mícrons, o que significa que são muito mais finas do que um fio de cabelo humano (100 mícrons) ou uma hemácia (8 mícrons). Podem até ser tão finas quanto o coronavírus (menos de 0,5 mícron).

O estudo teve como objetivo desenvolver uma tecnologia simples, porém robusta, para a produção de micro e nanofibras utilizando injetores pneumáticos Flow Blurring® (fornecidos pela Ingeniatrics Tecnologías SL). Esses dispositivos utilizam um fluxo de ar para fragmentar um fluxo de líquido, resultando na formação de gotículas finas (semelhantes às produzidas por aspersores de jardim), um processo conhecido como atomização. É importante ressaltar que nosso estudo foi financiado pelos programas PAIDI 2020 e FEDER.

O professor Modesto López explica como chegaram a essa descoberta: “A pesquisa começou com experimentos de pulverização com o objetivo de produzir microgotículas. No entanto, em vez disso, obtivemos estruturas alongadas que chamamos de ligamentos. Ao estudar a física subjacente ao processo de pulverização, percebemos que os ligamentos se formavam ao usar líquidos altamente viscosos com certo grau de viscoelasticidade. Mesmo assim, era necessário um método para solidificar os ligamentos e obter fibras. Portanto, usamos uma fonte de calor, neste caso um forno tubular capaz de atingir temperaturas de até 1200 graus Celsius, embora 300 graus tenham sido suficientes em nosso estudo. Resumidamente, pulverizamos uma solução de polímero dentro do forno usando um injetor de fluxo difuso. O calor gerado pelo forno permitiu que os ligamentos secassem rapidamente, resultando na formação de microfibras em questão de segundos. Simultaneamente, realizamos simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD) para entender melhor os processos físicos que governam a fragmentação das soluções de polímero e a formação dos ligamentos.”.

A maior parte do trabalho foi realizada no laboratório de Mecânica dos Fluidos, no Departamento de Engenharia Aeroespacial e Mecânica dos Fluidos do ETSI, embora também tenham utilizado as instalações do CITIUS, onde analisaram a viscosidade das soluções de polímero na unidade de Caracterização Funcional e examinaram a forma e o tamanho das microfibras utilizando um microscópio eletrônico de varredura (MEV) da unidade de Microscopia.

O projeto é transformador, pois visa revolucionar os métodos convencionais de produção de micro e nanofibras. Atualmente, as técnicas mais comuns para a fabricação de nanofibras utilizam campos elétricos como fonte de energia para "esticar" soluções poliméricas, reduzir seu tamanho e/ou fragmentá-las; no entanto, isso exige que o líquido possua um certo grau de condutividade elétrica. Além disso, essas técnicas apresentam baixa capacidade de processamento para a solução em questão, da ordem de 0,1 mililitros por hora. Nesse aspecto, nossa tecnologia é mais eficiente em termos energéticos do que os métodos atuais, pois não depende de uma fonte de energia externa para fragmentar o líquido. Em vez disso, aproveita a energia mecânica contida no fluxo de ar para gerar nova área superficial, ou seja, uma multiplicidade de fibras mais finas. Da mesma forma, a tecnologia proposta possui uma capacidade de processamento extremamente alta, podendo operar com vazões de líquido da ordem de 1500 mililitros por hora, o que representa mais de mil vezes a capacidade dos sistemas convencionais. Além disso, este projeto abre uma nova linha de pesquisa relacionada à fabricação de fibras compósitas constituídas por dois ou mais materiais poliméricos e que, por sua vez, podem conter nanopartículas funcionais ou materiais como grafeno e nanotubos de carbono.