Producen filamentos y fibras tres veces más pequeños que un pelo humano a partir de líquidos altamente viscosos

Un grupo de investigadores de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla obtiene filamentos y fibras a partir de líquidos altamente viscosos con tecnología que generalmente se utiliza para producir gotas. A través del estudio se han articulado las condiciones necesarias para la formación de filamentos con tamaños inferiores a los 50 micrómetros (como referencia el tamaño promedio de un cabello humano es de 150 micrómetros).

Los expertos han descubierto que existe un momento en el que un polímero en fase líquida - en concreto se ha trabajado con óxido de polietileno de amplio uso en la industria - presentan mayor elasticidad de manera que, en lugar de fragmentarse y formar gotas, el líquido experimenta un estiramiento que da lugar a filamentos. El proceso de generación de estos filamentos está controlado por parámetros como el peso molecular del polímero y su concentración en el líquido, así como de la presión que se emplea en el dispositivo.

Para este estudio se ha empleado la tecnología Flow Blurring, desarrollada por el catedrático de la Universidad de Sevilla Alfonso Gañán Calvo, un método de atomización líquida, llamada nebulización, con alta eficiencia energética.

Esta tecnología consiste en utilizar una corriente de aire para fragmentar un líquido y producir gotas del mismo modo que los sistemas de nebulización que refrescan en verano en las terrazas. Los dispositivos Flow Blurring son muy eficientes porque canalizan la energía contenida en la corriente de gas a la generación de gotas mediante un vigoroso mezclado con el líquido, evitando pérdidas por otros mecanismos. Además, se ha demostrado que los dispositivos neumáticos Flow Blurring producen hasta 50 veces más área superficial por cada litro de líquido nebulizado. Esto se traduce en gotas hasta 50 veces más pequeñas que otros atomizadores. Esto es debido a que los nebulizdores Flow Blurring concentran tanto la energía que son capaces de atomizar sustancias muy viscosas como la pintura, o como en este caso, soluciones poliméricas con alta concentración.

“Utilizando una cámara de alta velocidad, capaz de grabar un millón de imágenes por segundo, observamos que bajo ciertas condiciones de funcionamiento de los dispositivos FB, las soluciones de óxido de polietileno (y de otros polímeros) no forman gotas, sino que se fragmentan en finos ‘hilos’ que al ser transportados por la corriente de aire se estiran a medida que se alejan de la salida del atomizador. El diámetro de estos filamentos se reduce en parte porque el óxido de polietileno es un líquido viscoelástico de tipo shear thinning. Esto significa que al estirarse se hace menos viscoso, por lo que cada vez resulta más fácil alargarlo”, explica Luis Modesto López, profesor de la Universidad de Sevilla y autor del estudio.

Fibras de polímeros a 3 kg/hora

Los polímeros son macromoléculas que están presentes en absolutamente todos los ámbitos de la vida cotidiana. Entre los polímeros naturales más comunes se encuentran la seda, el caucho, la celulosa o el almidón. Los polímeros sintéticos se localizan generalmente como recubrimientos que proporcionan cierta funcionalidad a los materiales, por ejemplo, los hacen más resistentes a la humedad o a la corrosión.

“En la actualidad existe un gran interés científico y tecnológico en torno a la utilización de fibras de polímeros para fabricar: andamiajes que permitan el diseño de tejidos artificiales biocompatibles, superficies con propiedades antibacterianas, materiales para la llamada entrega dirigida de fármacos (targeted drug delivery), materiales textiles protectores capaces de bloquear algunas sustancias específicas, o como material de refuerzo. Sin embargo, la fabricación a escala industrial de estos materiales conlleva su producción en grandes cantidades. Es ahí donde nuestro estudio cobra particular relevancia pues sienta las bases para desarrollar un nuevo proceso que permitiría producir filamentos o fibras de polímeros a caudales elevados, del orden de 3 kg/hora utilizando un sencillo nebulizador, mientras que con las técnicas más comunes la producción es del orden de 1 g/hora”, añade este investigador.

Otra aplicación podría ser en el campo de la impresión 3D, puesto que esta tecnología lo que hace es manejar un polímero. Asimismo, el estudio tiene una amplia variedad de aplicaciones en el campo de Ciencia de Materiales pues abre la puerta a la producción de una extensa variedad de materiales compuestos.

Referencia bibliográfica

Flow Blurring-Enabled Production of Polymer Filaments from Poly(ethylene oxide) Solutions. Luis B. Modesto-López, Agustín Pérez-Arjona, and Alfonso M. Gañán-Calvo. ACS Omega, 2019, 4 (2), pp 2693–2701. DOI: 10.1021/acsomega.8b02542