ES2990224B2

ES2990224B2 - Electrostretching machine with improved material uniformity

Info

Publication number: ES2990224B2
Application number: ES202330410A
Authority: ES
Inventors: Lars Markwort; Nevado David Galán; Heredia Alfredo Girbés; Toala John Barrio
Original assignee: Bioinicia Fluidnatek S L U
Current assignee: Bioinicia Fluidnatek S L U
Priority date: 2023-05-25
Filing date: 2023-05-25
Publication date: 2025-10-13
Anticipated expiration: 2043-05-25
Also published as: EP4722430A1; WO2024240978A1; CN121336011A; KR20260015853A; ES2990224A1

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

MÁQUINA DE ELECTROESTIRADO CON UNIFORMIDAD DE MATERIAL MEJORADAELECTROSTATING MACHINE WITH IMPROVED MATERIAL UNIFORMITY

OBJETO DE LA INVENCIÓNOBJECT OF THE INVENTION

El objeto de la invención es una máquina de electroestirado que presenta una uniformidad de material mejorada. En la máquina se modifica la geometría del campo eléctrico utilizado, de manera estable o variable en el tiempo, consiguiendo así que la deposición de las fibraspartículas sea más uniforme. Para ello, se propone actuar sobre los inyectores y los colectores de la máquina de electroestirado. The object of the invention is an electrostretching machine that provides improved material uniformity. The geometry of the electric field used in the machine is modified, either in a stable or time-varying manner, thus achieving more uniform fiber/particle deposition. This is accomplished by modifying the injectors and collectors of the electrostretching machine.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION

En las máquinas de electroestirado, el inyector y el colector están separados una cierta distancia y entre ellos se establece una elevada diferencia de potencial, normalmente del orden de varias decenas de kilovoltios. Esto provoca la aparición de un campo eléctrico entre inyector y colector, con sus correspondientes líneas de campo eléctrico. In electro-drawing machines, the injector and the collector are separated by a certain distance, and a high potential difference, typically on the order of several tens of kilovolts, is established between them. This creates an electric field between the injector and the collector, with its corresponding electric field lines.

Dado que generalmente los voltajes que se emplean para alimentar al inyector y/o al colector son estacionarios, es decir, no varían con el tiempo, el campo eléctrico generado también es estacionario, lo que provoca que las líneas de campo eléctrico también lo sean. Since the voltages used to power the injector and/or collector are generally stationary, that is, they do not vary with time, the generated electric field is also stationary, which causes the electric field lines to be stationary as well.

Durante el proceso de formación de fibras-partículas mediante técnicas de electroestirado, éstas se cargan eléctricamente, de manera que las fibras-partículas tienden a seguir las líneas de campo eléctrico generadas, depositándose sobre el colector en los lugares preferentes definidos por el campo eléctrico estable presente, creando zonas características con mayor concentración de material y otras con menos, tal y como se muestra en la figura 12. During the process of forming fiber-particles using electrostretching techniques, these become electrically charged, so that the fiber-particles tend to follow the generated electric field lines, depositing on the collector in the preferred locations defined by the stable electric field present, creating characteristic zones with a higher concentration of material and others with less, as shown in Figure 12.

Concretamente, en la imagen de la izquierda de la figura 12 se observa el patrón de la deposición creada por un inyector con cuatro emisores sobre un sustrato blanco. En ella se puede observar cómo las fibras emitidas por cada uno de los emisores no se solapan y se distancian entre sí debido a la repulsión eléctrica. Para minimizar este efecto se procede a realizar un movimiento de barrido por el inyector sobre el sustrato para mejorar la uniformidad del material depositado, en este caso sobre un sustrato de color negro, como se puede observar en la imagen de la derecha. En dicha imagen se observa que hay zonas con mayor densidad de material (zonas más blancas) y otras con menor (zonas más negras, en las que apenas hay material), lo que provoca una falta de uniformidad que es evidente en la imagen. Este efecto se puede minimizar variando las condiciones de proceso (voltajes, flujos, velocidad del sustrato, ancho y velocidad de barrido, ect.) y la configuración geométrica del equipo (tipo de aguja, distancia entre agujas, distancia emisor-colector, etc.), pero en ningún caso se alcanzan resultados completamente satisfactorios para aquellas aplicaciones muy exigentes con la uniformidad. Specifically, the image on the left of Figure 12 shows the deposition pattern created by an injector with four emitters on a white substrate. It can be observed how the fibers emitted by each emitter do not overlap and are spaced apart due to electrical repulsion. To minimize this effect, the injector performs a sweeping motion across the substrate to improve the uniformity of the deposited material, in this case on a black substrate, as shown in the image on the right. This image reveals areas with higher material density (whiter areas) and others with lower density (darker areas, where there is hardly any material), resulting in a lack of uniformity that is evident in the image. This effect can be minimized by varying the process conditions (voltages, flows, substrate speed, sweep width and speed, etc.) and the geometric configuration of the equipment (needle type, distance between needles, emitter-collector distance, etc.), but in no case are completely satisfactory results achieved for those applications that are very demanding with uniformity.

Adicionalmente, por la propia disposición habitual de los electrodos, tanto del inyector como del colector, al no ser ninguno de ellos infinitos, el campo eléctrico se deforma en los extremos por el efecto de borde, tendiendo las fibras o partículas generadas en los emisores más periféricos a ser repelidas hacia el exterior, como se muestra en la figura 1. Esto, además, provoca que el perfil de deposición de las fibras-partículas no sea uniforme, depositándose más material en la parte central, y menos a medida que nos acercamos a los bordes. Additionally, due to the typical arrangement of the electrodes of both the injector and the collector, since neither of them is infinite, the electric field is distorted at the ends by the edge effect, causing the fibers or particles generated in the most peripheral emitters to be repelled outwards, as shown in Figure 1. This also causes the fiber-particle deposition profile to be non-uniform, with more material being deposited in the central part, and less as we approach the edges.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION

La máquina de electroestirado que presenta uniformidad de material mejorada, objeto de la presente invención, se centra en modificar la geometría del campo eléctrico generado entre los inyectores y el colector, de manera estable o variable en el tiempo, consiguiendo así que la deposición de las fibras-partículas sea más uniforme. Para ello, se propone actuar sobre los inyectores y el colector de la máquina de electroestirado de manera independiente y/o combinada. The electrostretching machine exhibiting improved material uniformity, which is the subject of this invention, focuses on modifying the geometry of the electric field generated between the injectors and the collector, either in a stable or time-varying manner, thereby achieving more uniform fiber-particle deposition. To this end, it is proposed to act on the injectors and the collector of the electrostretching machine independently and/or in combination.

Tradicionalmente, la falta de uniformidad en los materiales obtenidos mediante técnicas de electroestirado es una de sus principales desventajas. Con la invención propuesta, se consigue mejorar la uniformidad de los materiales obtenidos por técnicas de electroestirado, lo que supone una ventaja para cualquier proceso de fabricación en el que se requiera de un alto grado de uniformidad en los materiales obtenidos, así como entre diferentes lotes. Asimismo, el aumento de la uniformidad mejora la calidad del producto final, consiguiendo también reducir la cantidad de material de rechazo. Traditionally, the lack of uniformity in materials obtained through electrostretching techniques is one of their main disadvantages. The proposed invention improves the uniformity of materials obtained by electrostretching, which is advantageous for any manufacturing process requiring a high degree of uniformity in the resulting materials, as well as between different batches. Furthermore, increased uniformity improves the quality of the final product and also reduces the amount of reject material.

La uniformidad la podemos definir como la variabilidad de una determinada propiedad de un material dependiendo de dónde midamos esa propiedad. Esa variabilidad la podemos fácilmente cuantificar como la desviación típica de las medidas de esa propiedad obtenidas sobre un número suficiente de muestras tomadas de distintas zonas del mismo material. Para el caso de materiales y recubrimientos generados por electroestirado esas propiedades pueden ser, por ejemplo, pero no solo, la densidad superficial gsm(grames per square meter,gramos por metro cuadrado), la porosidad, el espesor, la filtración, la densidad aparente (espesor/densidad superficial), el diámetro y la distribución de tamaño de las fibras-partículas, etcétera. Uniformity can be defined as the variability of a given material property depending on where that property is measured. This variability can be easily quantified as the standard deviation of the measurements of that property obtained from a sufficient number of samples taken from different areas of the same material. In the case of materials and coatings generated by electrodrawing, these properties can be, for example, but not limited to, surface density (gsm, grams per square meter), porosity, thickness, filtration, apparent density (thickness/surface density), fiber/particle diameter and size distribution, and so on.

La máquina de electroestirado comprende uno o varios inyectores formados por uno o varios emisores cada uno, en la forma de agujas o sin agujas, separados entre sí una cierta distancia. A través de estos emisores se dispensa una disolución contenida en un depósito en una región de dispensación, pudiendo estar la disolución formada, por ejemplo, por un polímero y un disolvente, y que sale a través de los emisores impulsada por una bomba a un flujo controlado. El inyector puede tener una posición fija, o puede estar unido a unos ejes de traslación que lo mueva en diferentes direcciones del espacio. The electrostretching machine comprises one or more injectors, each consisting of one or more emitters, either needle-shaped or needleless, separated by a certain distance. A solution contained in a reservoir is dispensed through these emitters in a dispensing region. The solution may consist, for example, of a polymer and a solvent, and is propelled through the emitters by a pump at a controlled flow rate. The injector may be fixed in position or attached to axes of translation that allow it to move in different directions.

Adicionalmente, la máquina de electroestirado comprende un colector, que puede ser una superficie plana estática o en movimiento, o un cilindro capaz de rotar respecto a su eje axial con velocidad ajustable, o un sistemaroll-to-roll.La distancia entre emisor y colector es ajustable. El inyector y el colector están además conectados a sendas fuentes de alto voltaje con el objetivo de generar una diferencia de potencial entre ambos. La disolución, que se encuentra sometida al mismo voltaje que el inyector, sale a través de los emisores. La diferencia de potencial existente entre inyector y colector provoca que el menisco formado tome una geometría cónica conocida como "cono de Taylor” , desde cuya cúspide se genera un chorro de líquido cargado eléctricamente. Durante el recorrido que realiza el chorro de líquido desde el emisor al colector, el disolvente de la disolución se evapora, de manera que en el colector se depositan fibras o partículas secas. Additionally, the electrostretching machine comprises a collector, which can be a static or moving flat surface, a cylinder capable of rotating about its axial axis at an adjustable speed, or a roll-to-roll system. The distance between the emitter and the collector is adjustable. The injector and the collector are also connected to separate high-voltage sources to generate a potential difference between them. The solution, which is subjected to the same voltage as the injector, exits through the emitters. The potential difference between the injector and the collector causes the resulting meniscus to assume a conical shape known as a "Taylor cone," from whose apex a jet of electrically charged liquid is generated. During the jet's journey from the emitter to the collector, the solvent in the solution evaporates, leaving fibers or dry particles deposited on the collector.

Como se ha indicado anteriormente, uno de los principales problemas que presentan las máquinas de electroestirado es la falta de uniformidad en la deposición del material. Esta está causada principalmente por dos motivos. As mentioned earlier, one of the main problems with electrostretching machines is the lack of uniformity in material deposition. This is mainly caused by two reasons.

En primer lugar, los diferentes chorros de líquido que se emiten desde cada uno de los emisores tienen carga eléctrica del mismo signo, de manera que aparecen fuerzas de repulsión entre ellos que afectan a la distribución de las fibras-partículas que se forman. First, the different jets of liquid emitted from each of the emitters have the same electrical charge, so repulsive forces appear between them that affect the distribution of the fiber-particles that are formed.

Esta repulsión coulombiana provoca que las fibras-partículas de cada emisor no se puedan entremezclar con las emitidas por los emisores circundantes, creando un patrón no uniforme en el material depositado, donde las fibras-partículas tienen mayor preferencia a depositarse en unas zonas que en otras, siguiendo las líneas del campo eléctrico. This Coulomb repulsion causes the fiber-particles of each emitter to not be able to intermingle with those emitted by surrounding emitters, creating a non-uniform pattern in the deposited material, where the fiber-particles have a greater preference to be deposited in some areas than in others, following the lines of the electric field.

Por otro lado, este efecto de repulsión provoca que sobre el colector se cree un perfil de deposición de fibras en el que se concentra más material en la parte central, y menos a medida que nos acercamos a los bordes debido a la mayor influencia de esas fuerzas de repulsión. On the other hand, this repulsion effect causes a fiber deposition profile to be created on the collector in which more material is concentrated in the central part, and less as we approach the edges due to the greater influence of these repulsive forces.

Para eliminar o minimizar ambos efectos, en un primer aspecto de la invención, la máquina de electroestirado comprende unos electrodos directores(steering electrodes),dispuestos en los extremos de los inyectores. Estos electrodos se conectan a una tercera fuente de alto voltaje, generándose en ellos una carga eléctrica del mismo signo que la que se produce en las fibraspartículas. La misión de estos electrodos directores es ejercer una fuerza repulsiva o atractiva sobre las fibras-partículas más exteriores del inyector, que a su vez se transmitirá hacia las del interior, contrarrestando la propia fuerza de repulsión que se genera entre las fibras-partículas, y, de esa manera, concentrar su deposición en una zona más estrecha, aumentando con ello su uniformidad. To eliminate or minimize both effects, in a first aspect of the invention, the electrostretching machine comprises steering electrodes arranged at the ends of the injectors. These electrodes are connected to a third high-voltage source, generating an electrical charge of the same sign as that produced in the fiber-particles. The purpose of these steering electrodes is to exert a repulsive or attractive force on the outermost fiber-particles of the injector, which in turn is transmitted to those in the interior, counteracting the repulsive force generated between the fiber-particles themselves, and thus concentrating their deposition in a narrower area, thereby increasing their uniformity.

Los electrodos directores pueden estar físicamente unidos a los inyectores o separados de ellos. En el segundo caso, la máquina de electroestirado puede comprender adicionalmente unos separadores posicionados entre los inyectores y los electrodos directores. The guide electrodes may be physically attached to the injectors or separate from them. In the latter case, the electrostretching machine may additionally include spacers positioned between the injectors and the guide electrodes.

Además, los electrodos directores pueden presentar distintas geometrías, como pueden ser unas barras perpendiculares al colector, una superficie plana perpendicular al colector, una superficie plana plegada al menos una vez formando un ángulo mayor que 0° con respecto a la perpendicular al colector o una superficie curva. Furthermore, the director electrodes can have different geometries, such as bars perpendicular to the collector, a flat surface perpendicular to the collector, a flat surface folded at least once forming an angle greater than 0° with respect to the perpendicular to the collector, or a curved surface.

Además, la tercera fuente de alto voltaje a la que se conectan puede ser la misma que la del emisor o una distinta. La geometría, la localización y el voltaje de estos electrodos directores debe ajustarse a la disolución utilizada, al tipo de inyector y a los parámetros empleados en cada proceso. Furthermore, the third high-voltage source to which they are connected can be the same as that of the emitter or a different one. The geometry, location, and voltage of these directing electrodes must be adjusted to the solution used, the type of injector, and the parameters employed in each process.

A su vez, la posición y el voltaje al que están sometidos estos electrodos directores pueden ser fijos o variables a lo largo del tiempo. En el caso de que sean variables en el tiempo, se consigue que la fuerza ejercida sobre las fibras o partículas también lo sea, siéndolo también el campo eléctrico. De esta forma se eliminan los caminos preferentes que se generan en un campo eléctrico constante en el tiempo y se favorece, por tanto, la uniforme distribución de la deposición de las fibras-partículas. In turn, the position and voltage applied to these guiding electrodes can be fixed or variable over time. If they are time-variable, the force exerted on the fibers or particles also varies, as does the electric field. This eliminates the preferential paths generated in a constant electric field and thus promotes a uniform distribution of fiber-particle deposition.

En el caso del colector, éste suele ser un electrodo de geometría fija, estático o en movimiento, al que se le aplica un voltaje constante que no varía con el tiempo, lo cual provoca que se cree una distribución de campo eléctrico estacionario. Siguiendo el mismo razonamiento expuesto para el inyector, las fibras-partículas que se crean, al estar cargadas eléctricamente con carga del mismo signo, se depositan sobre el colector de forma no homogénea siguiendo las líneas preferentes definidas por el campo eléctrico estacionario presente. In the case of the collector, this is usually a fixed-geometry electrode, either static or moving, to which a constant voltage that does not vary with time is applied, causing the creation of a stationary electric field distribution. Following the same reasoning as for the injector, the fiber-particles that are created, being electrically charged with the same sign, are deposited on the collector in a non-homogeneous manner, following the preferred lines defined by the stationary electric field present.

Por lo tanto, en un segundo aspecto de la invención, el colector de la máquina de electroestirado comprende adicionalmente un electrodo colector de banda, que comprende una primera cinta transportadora motorizada de material aislante y unas zonas de material conductor, aisladas eléctricamente entre ellas, dispuestas sobre la superficie de material aislante del electrodo colector de banda. El colector comprende también tantas fuentes de alto voltaje como zonas de material conductor, cada una de ellas conectada a una de las zonas de material conductor. Therefore, in a second aspect of the invention, the collector of the electrostretching machine further comprises a strip collector electrode, which includes a first motorized conveyor belt of insulating material and electrically insulated zones of conductive material arranged on the insulating surface of the strip collector electrode. The collector also includes as many high-voltage sources as there are zones of conductive material, each of which is connected to one of the zones of conductive material.

Adicionalmente, la máquina comprende un sustrato dieléctrico o moderadamente conductor, dispuesto sobre el electrodo colector de banda, entre las zonas de material conductor y los inyectores, destinado a recibir la deposición de las fibras-partículas, dispuesto en una segunda cinta transportadora motorizada. Additionally, the machine comprises a dielectric or moderately conductive substrate, arranged on the strip collector electrode, between the conductive material zones and the injectors, intended to receive the deposition of the fiber-particles, arranged on a second motorized conveyor belt.

El número y la geometría de las zonas de material conductor, así como el voltaje o la frecuencia de conmutación de fases entre las diferentes zonas conductoras deben ajustarse a la disolución empleada, al tipo de inyector(es) y a los parámetros empleados en cada proceso. The number and geometry of the conductive material zones, as well as the voltage or phase switching frequency between the different conductive zones, must be adjusted to the solution used, the type of injector(s), and the parameters used in each process.

Adicionalmente, para mejorar la uniformidad del material, la máquina de electroestirado puede comprender un módulo de desplazamiento conectado al electrodo colector de banda y, si es necesario, al sustrato dieléctrico, de forma que podrán permanecer estacionarios o en movimiento, desplazándose uno con respecto al otro. Additionally, to improve material uniformity, the electrostretching machine may comprise a displacement module connected to the strip collector electrode and, if necessary, to the dielectric substrate, so that they can remain stationary or in motion, moving relative to each other.

El sustrato dieléctrico o moderadamente conductor y el electrodo colector de banda se moverán a una velocidad igual o diferente. De esta manera se provoca que la geometría del campo eléctrico generado sea variable debido al movimiento del electrodo colector de banda, y con ello la deposición de las fibras-partículas, consiguiendo una mayor homogeneidad sobre el sustrato. The dielectric or moderately conductive substrate and the strip collector electrode will move at the same or different speeds. This causes the geometry of the generated electric field to vary due to the movement of the strip collector electrode, thus influencing the deposition of the fiber-particles and achieving greater homogeneity on the substrate.

En un aspecto de la invención, una o más de las fuentes de alto voltaje es de voltaje variable, y el electrodo colector de banda se desplaza a la misma velocidad y en direcciones opuestas al sustrato dieléctrico. En esta realización de la invención, la máquina de electroestirado comprende un módulo de control, conectado a las fuentes de alto voltaje conectadas a las zonas de material conductor, configurado para que una o más fuentes de alto voltaje apliquen un voltaje variable en el tiempo, diferente y desfasado en el tiempo a cada zona de material conductor. In one aspect of the invention, one or more of the high-voltage sources are variable voltage, and the strip collector electrode moves at the same speed and in opposite directions to the dielectric substrate. In this embodiment of the invention, the electrostretching machine comprises a control module, connected to the high-voltage sources connected to the conductive material zones, configured so that one or more high-voltage sources apply a time-varying, different, and time-shifted voltage to each conductive material zone.

En otra realización de la invención, las zonas de material conductor dispuestas sobre el electrodo colector de banda de material aislante se disponen de forma alterna siguiendo un cierto patrón geométrico. Como se ha expuesto anteriormente, sobre el electrodo colector de banda se encuentra el sustrato dieléctrico o moderadamente conductor, donde se depositan las fibraspartículas. En esta realización, el electrodo colector de banda patronado móvil se conecta a una fuente de alto voltaje que alimenta las zonas conductoras de forma continua. Durante su funcionamiento, el electrodo colector de banda patronado se mueve a una velocidad mayor que la del sustrato, de manera que las líneas de campo eléctrico proyectadas sobre el sustrato cambian constantemente, consiguiendo con ello que la deposición de las fibras-partículas ocurra en toda la superficie del electrodo colector de banda. In another embodiment of the invention, the conductive material zones arranged on the insulating strip collector electrode are arranged alternately according to a specific geometric pattern. As previously described, the dielectric or moderately conductive substrate, where the fiber-particles are deposited, is located on the strip collector electrode. In this embodiment, the movable patterned strip collector electrode is connected to a high-voltage source that continuously powers the conductive zones. During operation, the patterned strip collector electrode moves at a higher speed than the substrate, so the electric field lines projected onto the substrate are constantly changing, thereby ensuring that the fiber-particle deposition occurs across the entire surface of the strip collector electrode.

En una variación de la realización de la invención anterior, la máquina comprende adicionalmente un electrodo estático conductor ranurado, con zonas sin material a modo de rejilla, posicionado entre el electrodo colector de banda y el sustrato. La superposición del electrodo estático conductor ranurado y del electrodo colector de banda móvil patronado consigue modificar constantemente las líneas del campo eléctrico que se crean entre emisor y colector, logrando con ello que la deposición de las fibras-partículas ocurra en toda la superficie del colector. In a variation of the prior invention, the machine further comprises a slotted conductive static electrode with grid-like areas free of material, positioned between the strip collector electrode and the substrate. The overlap of the slotted conductive static electrode and the patterned moving strip collector electrode constantly modifies the electric field lines created between the emitter and the collector, thereby ensuring that the fiber-particle deposition occurs across the entire surface of the collector.

En otra variación de la realización de la invención, el colector comprende adicionalmente un electrodo estático patronado con regiones de material conductor y regiones de material aislante, colocado en la parte inferior del electrodo colector de banda, en una cara opuesta al sustrato. En esta realización, el alto voltaje se aplica tanto al electrodo colector de banda como al electrodo estático patronado, y la velocidad del electrodo colector de banda es igual a la del sustrato. La superposición del electrodo colector de banda móvil respecto al electrodo estático patronado consigue modificar constantemente las líneas del campo eléctrico que se crean entre emisor y colector, logrando con ello que la deposición de las fibras-partículas ocurra en toda la superficie del colector. In another embodiment of the invention, the collector further comprises a static pattern electrode with regions of conductive and insulating material, positioned on the underside of the strip collector electrode, on a face opposite the substrate. In this embodiment, the high voltage is applied to both the strip collector electrode and the static pattern electrode, and the speed of the strip collector electrode is equal to that of the substrate. The overlap of the moving strip collector electrode with respect to the static pattern electrode constantly modifies the electric field lines created between the emitter and the collector, thereby ensuring that the fiber-particle deposition occurs across the entire surface of the collector.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSDESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: To complement the description being made and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred embodiment thereof, a set of drawings is included as an integral part of said description, in which, for illustrative and non-limiting purposes, the following has been represented:

Figura 1.- Muestra una máquina de electroestirado del estado de la técnica. En la parte superior, una representación esquemática de la emisión de las fibras-partículas cargadas eléctricamente y el efecto de la fuerza de repulsión entre ellas. En la parte inferior, una gráfica del perfil de deposición de las fibras-partículas. Figure 1 shows a prior art electrodrawing machine. The top part shows a schematic representation of the emission of electrically charged fiber-particles and the effect of the repulsive force between them. The bottom part shows a graph of the fiber-particle deposition profile.

Figura 2.- En la parte superior, muestra una máquina de electroestirado con uniformidad de material mejorada en el emisor y electrodos directores unidos a este mediante separadores aislantes eléctricos. En la parte inferior, muestra una comparativa del perfil de deposición de las fibras-partículas cuando en los electrodos directores se aplica un voltaje continuo o variable con el tiempo. Figure 2.—The top shows an electrostretching machine with improved material uniformity at the emitter and guide electrodes attached to it by electrically insulating spacers. The bottom shows a comparison of the fiber-particle deposition profile when a continuous or time-varying voltage is applied to the guide electrodes.

Figura 3.- Muestra una máquina de electroestirado con uniformidad de material mejorada en el emisor y electrodos directores unidos a este. Figure 3.- Shows an electrostretching machine with improved material uniformity in the emitter and directing electrodes attached to it.

Figura 4.- Muestra una máquina de electroestirado con uniformidad de material mejorada en el emisor y electrodos directores separados de este. Figure 4.- Shows an electrostretching machine with improved material uniformity in the emitter and directing electrodes separated from it.

Figura 5.- Muestra una máquina de electroestirado con uniformidad de material mejorada en el emisor y electrodos directores planos. Figure 5.- Shows an electrostretching machine with improved material uniformity in the emitter and flat guiding electrodes.

Figura 6.- Muestra una máquina de electroestirado con uniformidad de material mejorada en el emisor y electrodos directores plegados. Figure 6.- Shows an electrostretching machine with improved material uniformity in the emitter and folded director electrodes.

Figura 7.- Muestra una máquina de electroestirado con uniformidad de material mejorada en el emisor y electrodos directores curvos. Figure 7.- Shows an electrostretching machine with improved material uniformity in the emitter and curved guiding electrodes.

Figura 8.- Muestra una máquina de electroestirado con uniformidad de material mejorada a través de un colector con distintas zonas de un material conductor a las que se les aplica una señal de voltaje variable en el tiempo, desfasadas unas de otras. Figure 8.- Shows an electrostretching machine with improved material uniformity through a collector with different zones of a conductive material to which a time-varying voltage signal is applied, out of phase with each other.

Figura 9.- Muestra una máquina de electroestirado con uniformidad de material mejorada a través de un colector patronado con zonas de material conductor y zonas aislantes, en las que el colector patronado es móvil y está en contacto directo con un sustrato aislante. Figure 9.- Shows an electrostretching machine with improved material uniformity through a patterned collector with conductive material zones and insulating zones, in which the patterned collector is movable and in direct contact with an insulating substrate.

Figura 10.- Muestra una máquina de electroestirado con uniformidad de material mejorada a través de un colector patronado con zonas de material conductor y zonas aislantes, en las que el colector patronado es móvil separado del sustrato por un electrodo a modo de rejilla. Figure 10.- Shows an electrostretching machine with improved material uniformity through a patterned collector with areas of conductive material and insulating areas, in which the patterned collector is movable, separated from the substrate by a grid-like electrode.

Figura 11.- Muestra una máquina de electroestirado con uniformidad de material mejorada a través de un colector patronado con zonas de material conductor y zonas aislantes, en las que el colector patronado es estático y está separado del sustrato por una cinta transportadora con ranuras. Figure 11.- Shows an electrostretching machine with improved material uniformity through a patterned collector with conductive material zones and insulating zones, in which the patterned collector is static and is separated from the substrate by a slotted conveyor belt.

Figura 12.- Muestra la deposición de fibras en una máquina de electroestirado del estado de la técnica, en la que se crean zonas características con mayor concentración de material y otras con menos. Figure 12.- Shows the deposition of fibers in a state-of-the-art electrodrawing machine, in which characteristic zones are created with a higher concentration of material and others with less.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓNPREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION

Se describe a continuación, con ayuda de las figuras 1 a 12, una realización preferente de la máquina de electroestirado con uniformidad de material mejorada. A preferred embodiment of the electrostretching machine with improved material uniformity is described below with the help of Figures 1 to 12.

Tal y como se muestra en la figura 1, las máquinas de electroestirado del estado de la técnica comprenden un inyector (1) que comprende a su vez unos emisores (2), separados entre ellos una cierta distancia. A través de estos emisores (2) se dispensa una disolución formada por un polímero y un disolvente, almacenada en un depósito (12), impulsada por una bomba (13) y que sale a un flujo controlado por cada emisor (2) generando unas fibras-partículas (4). As shown in Figure 1, prior art electrostretching machines comprise an injector (1) which in turn comprises emitters (2), separated from each other by a certain distance. A solution consisting of a polymer and a solvent, stored in a tank (12), is dispensed through these emitters (2) by a pump (13) and flows out at a controlled rate from each emitter (2), generating fiber-particles (4).

Adicionalmente, las máquinas de electroestirado comprenden un colector (3), que puede ser una superficie plana estática o en movimiento, o un cilindro capaz de rotar respecto a su eje axial con velocidad ajustable, o un sistemaroll-to-roll.La distancia entre inyector (1) y colector (3) es ajustable. Additionally, the electro-stretching machines comprise a collector (3), which can be a static or moving flat surface, or a cylinder capable of rotating about its axial axis with adjustable speed, or a roll-to-roll system. The distance between the injector (1) and the collector (3) is adjustable.

El inyector (1) y el colector (3) están destinados a conectarse a una primera fuente de alto voltaje (5) y a una segunda fuente de alto voltaje (10) respectivamente, que generan una diferencia de potencial entre ambos. The injector (1) and the collector (3) are intended to be connected to a first high voltage source (5) and a second high voltage source (10) respectively, which generate a potential difference between them.

En la parte inferior de la figura 1 se muestra un perfil (20) de deposición de fibras (4) utilizando la máquina de electroestirado del estado de la técnica, con mayor concentración en el centro y menor en los bordes, de manera que no presentan la uniformidad deseada. At the bottom of Figure 1 is shown a profile (20) of fiber deposition (4) using the state-of-the-art electrostretching machine, with a higher concentration in the center and lower at the edges, so that they do not have the desired uniformity.

En un primer aspecto de la invención, mostrado en detalle en la figura 2, la máquina de electroestirado comprende adicionalmente unos electrodos directores (6), dispuestos en ambos extremos de la región de dispensación, concretamente en ambos extremos del emisor (1), y conectados a una tercera fuente de alto voltaje (15). In a first aspect of the invention, shown in detail in Figure 2, the electrostretching machine further comprises some directing electrodes (6), arranged at both ends of the dispensing region, specifically at both ends of the emitter (1), and connected to a third high-voltage source (15).

Los electrodos directores (6) ejercen una fuerza repulsiva o atractiva sobre las fibras-partículas (4) más exteriores del inyector (1), que a su vez se transmite hacia las del interior, contrarrestando la propia fuerza de repulsión que se genera entre las fibras-partículas. En este aspecto de la invención, la tercera fuente de alimentación de alto voltaje (15) puede ser de voltaje constante o variable. Si es de voltaje constante, el perfil (20) de deposición se asemeja al primero de los mostrados en la parte inferior de la figura 2, mitigando notablemente el efecto de borde y concentrado su deposición en una zona más estrecha. Si el voltaje aplicado varía con el tiempo, el perfil (20) de deposición que se consigue es el segundo que se muestra en la parte inferior de la figura 2, consiguiendo una uniformidad todavía mayor. The guide electrodes (6) exert a repulsive or attractive force on the outermost fiber-particles (4) of the injector (1), which is then transmitted to the inner fiber-particles, counteracting the repulsive force generated between them. In this aspect of the invention, the third high-voltage power supply (15) can be either constant or variable. If it is constant voltage, the deposition profile (20) resembles the first one shown in the lower part of Figure 2, significantly mitigating the edge effect and concentrating the deposition in a narrower area. If the applied voltage varies over time, the resulting deposition profile (20) is the second one shown in the lower part of Figure 2, achieving even greater uniformity.

Además, la tercera fuente de alimentación de alto voltaje (15) puede proporcionar un voltaje a los electrodos directores (6) igual al de los inyectores (1). In addition, the third high-voltage power supply (15) can provide a voltage to the directing electrodes (6) equal to that of the injectors (1).

Por otra parte, tal y como se representan en la figura 4, los electrodos directores (6) pueden estar separados de los inyectores (1) o unidos a los inyectores (1), como en la figura 2 y 3. En este segundo caso, la máquina puede comprender adicionalmente unos separadores (14) posicionados entre los inyectores (1) y los electrodos directores (6), como en la figura 2 y 5. Furthermore, as shown in Figure 4, the guide electrodes (6) can be separate from the injectors (1) or attached to the injectors (1), as in Figures 2 and 3. In this second case, the machine can additionally include separators (14) positioned between the injectors (1) and the guide electrodes (6), as in Figures 2 and 5.

Por otra parte, los electrodos directores (6) pueden presentar distintas geometrías. Pueden ser unas barras perpendiculares al colector (3), como en la figura 4, una superficie plana perpendicular al colector (3), como en la figura 5, una superficie plana plegada formando al menos un ángulo mayor que 0° con respecto a la perpendicular al colector (3), como en la figura 6, o una superficie curva, como en la figura 7. Furthermore, the guide electrodes (6) can have different geometries. They can be bars perpendicular to the collector (3), as in Figure 4, a flat surface perpendicular to the collector (3), as in Figure 5, a flat surface folded at least at an angle greater than 0° with respect to the perpendicular to the collector (3), as in Figure 6, or a curved surface, as in Figure 7.

Finalmente, la máquina de electroestirado puede comprender adicionalmente un módulo o módulos de desplazamiento (16) conectado(s) al inyector (1), que lo desplaza transversalmente con respecto al colector (3). Finally, the electro-drawing machine may additionally comprise a displacement module or modules (16) connected to the injector (1), which displaces it transversely with respect to the collector (3).

En un segundo aspecto de la invención, mostrado en las figuras 8 a 11, el colector (3) de la máquina de electroestirado comprende un electrodo colector de banda (7), que comprende una primera cinta transportadora motorizada de material aislante y unas zonas de material conductor (8), aisladas eléctricamente entre ellas, dispuestas sobre la superficie de material aislante del electrodo colector de banda (7). Además, el colector (3) comprende tantas fuentes de alto voltaje alterno (10) como zonas de material conductor (8), cada una de ellas conectada a una de las zonas de material conductor (8), y en las que se puede configurar la amplitud, frecuencia y fase de cada una de ellas por separado. In a second aspect of the invention, shown in Figures 8 to 11, the collector (3) of the electrostretching machine comprises a strip collector electrode (7), which includes a first motorized conveyor belt of insulating material and electrically insulated zones of conductive material (8) arranged on the insulating surface of the strip collector electrode (7). Furthermore, the collector (3) comprises as many alternating high-voltage sources (10) as there are zones of conductive material (8), each connected to one of the zones of conductive material (8), and the amplitude, frequency, and phase of each source can be configured separately.

Por otra parte, el colector (3) comprende, como se muestra en dicha figura 8 un sustrato dieléctrico (11) o moderadamente conductor (resistividad superficial mayor a 1x106 Ohm), dispuesto sobre el electrodo colector de banda (7), entre las zonas de material conductor (8) y los emisores (2), destinado a recibir la deposición de las fibras-partículas (4), dispuesto además en una segunda cinta transportadora motorizada (9). Furthermore, the collector (3) comprises, as shown in Figure 8, a dielectric (11) or moderately conductive substrate (surface resistivity greater than 1x106 Ohm), arranged on the strip collector electrode (7), between the conductive material zones (8) and the emitters (2), intended to receive the deposition of the fiber-particles (4), also arranged on a second motorized conveyor belt (9).

Como en el caso anterior y como aparece, por ejemplo, en la figura 8, la máquina de electroestirado comprende adicionalmente un módulo o módulos de desplazamiento (16) conectado(s) al inyector (1), que lo desplaza con respecto al electrodo colector de banda (7). As in the previous case and as shown, for example, in Figure 8, the electro-stretching machine further comprises a displacement module or modules (16) connected to the injector (1), which displaces it with respect to the strip collector electrode (7).

Con esta realización se consigue modificar constantemente la geometría del campo eléctrico generado entre inyector (1) y colector (3), de manera que la deposición de las fibras-partículas (4) ocurre en toda la superficie del colector (3), y no solo en las zonas preferentes generadas por acción de un campo eléctrico constante. This embodiment makes it possible to constantly modify the geometry of the electric field generated between injector (1) and collector (3), so that the deposition of the fiber-particles (4) occurs on the entire surface of the collector (3), and not only in the preferred areas generated by the action of a constant electric field.

En otra realización de la invención, representada en la figura 9, las zonas de material conductor (8) dispuestas sobre el electrodo colector de banda (7) de material aislante se disponen de forma alterna siguiendo un cierto patrón geométrico. Como se ha expuesto anteriormente, sobre el electrodo colector de banda (7) se encuentra el sustrato dieléctrico o moderadamente conductor, donde se depositan las fibras-partículas (4). En esta realización, el electrodo colector de banda (7) patronado móvil se conecta a una fuente de alto voltaje que alimenta las zonas conductoras de forma continua. Durante su funcionamiento, el electrodo colector de banda (7) patronado se mueve a una velocidad mayor que la del sustrato (11), de manera que las líneas de campo eléctrico proyectadas sobre el sustrato (11) cambian constantemente, consiguiendo con ello que la deposición de las fibras-partículas (4) ocurra en toda la superficie del electrodo colector de banda (7). In another embodiment of the invention, shown in Figure 9, the conductive material zones (8) arranged on the insulating strip collector electrode (7) are arranged alternately according to a specific geometric pattern. As previously stated, the dielectric or moderately conductive substrate, where the fiber-particles (4) are deposited, is located on the strip collector electrode (7). In this embodiment, the movable patterned strip collector electrode (7) is connected to a high-voltage source that continuously supplies power to the conductive zones. During operation, the patterned strip collector electrode (7) moves at a higher speed than the substrate (11), so that the electric field lines projected onto the substrate (11) are constantly changing, thereby ensuring that the fiber-particles (4) are deposited across the entire surface of the strip collector electrode (7).

En otra variación de la realización de la invención anterior representada en la figura 10, el colector (3) comprende adicionalmente un electrodo estático conductor ranurado (21), con zonas sin material a modo de rejilla, posicionado entre el electrodo colector de banda (7) y el sustrato (11). In another variation of the embodiment of the above invention shown in Figure 10, the collector (3) further comprises a slotted conductive static electrode (21), with grid-like areas without material, positioned between the strip collector electrode (7) and the substrate (11).

El electrodo colector de banda (7) se desplaza a una velocidad superior que la del sustrato (11) y así, la superposición del electrodo estático conductor ranurado (21) y el electrodo colector de banda (7) móvil patronado consigue modificar constantemente las líneas del campo eléctrico que se crean entre los inyectores (1) y colector (3), logrando con ello que la deposición de las fibraspartículas ocurra en toda la superficie del colector (3). The strip collector electrode (7) moves at a higher speed than the substrate (11) and thus the superposition of the slotted conductive static electrode (21) and the patterned moving strip collector electrode (7) constantly modifies the electric field lines created between the injectors (1) and collector (3), thereby making the deposition of the fiber particles occur on the entire surface of the collector (3).

En otra variación de la realización de la invención anterior, representada en la figura 11, el colector (3) comprende adicionalmente un electrodo estático patronado (19) con regiones de material conductor y regiones de material aislante alternas, colocado en la parte inferior del electrodo colector de banda (7), en una cara opuesta al sustrato (11). In another variation of the embodiment of the above invention, represented in Figure 11, the collector (3) further comprises a patterned static electrode (19) with alternating regions of conductive material and insulating material, placed on the lower part of the band collector electrode (7), on a face opposite the substrate (11).

En esta realización, el alto voltaje se aplica tanto al electrodo colector de banda (7) como al electrodo estático patronado (19), y la velocidad del electrodo colector de banda (7) es igual a la del sustrato (11). La superposición del electrodo colector de banda (7) móvil respecto al electrodo estático patronado (19) consigue modificar constantemente las líneas del campo eléctrico que se crean entre los inyectores (1) y colector (3), logrando con ello que la deposición de las fibraspartículas ocurra en toda la superficie del colector (3). In this embodiment, the high voltage is applied to both the strip collector electrode (7) and the static pattern electrode (19), and the speed of the strip collector electrode (7) is equal to that of the substrate (11). The overlap of the moving strip collector electrode (7) with respect to the static pattern electrode (19) constantly modifies the electric field lines created between the injectors (1) and the collector (3), thereby ensuring that the fiber-particle deposition occurs across the entire surface of the collector (3).

En un ejemplo de realización del primer aspecto de la invención, los electrodos directores (6) comprenden una lámina rectangular de material conductor segmentada en tres partes mediante pliegues, orientada en la dirección del eje del inyector (1), de manera que la parte central esté físicamente unida al inyector (1) o separada de él, y las dos partes laterales queden suspendidas a ambos lados en forma de campana. In an example of the first aspect of the invention, the guiding electrodes (6) comprise a rectangular sheet of conductive material segmented into three parts by means of folds, oriented in the direction of the injector axis (1), such that the central part is physically attached to or separated from the injector (1), and the two side parts are suspended on both sides in a bell shape.

El ángulo de los pliegues variará en función del efecto que se quiera conseguir sobre el campo eléctrico creado entre inyector (1) y colector (3), variando entre 90 y 180 grados con respecto a la parte central. El voltaje al que están sometidos los electrodos directores (6) podrá ser el mismo que el inyector (1), o diferente, siendo también posible que varíe con el tiempo. The angle of the folds will vary depending on the desired effect on the electric field created between the injector (1) and the collector (3), ranging from 90 to 180 degrees with respect to the central part. The voltage applied to the guide electrodes (6) may be the same as that of the injector (1), or different, and may also vary over time.

En este ejemplo, la lámina rectangular que actúa como electrodos directores (6) está compuesta de aluminio y tiene un grosor de entre 0.1 y 50 mm, una longitud de entre 1 y 20 cm, y un ancho de entre 1 y 20 cm. En caso de utilizar un voltaje variable en el tiempo, la señal de voltaje aplicado tendrá un valor promedio de entre 50 y -50 kV, con una amplitud de señal de entre 0.1 y 10 kV, y una frecuencia de entre 1 y 10000 Hz. In this example, the rectangular sheet acting as the director electrodes (6) is made of aluminum and has a thickness of between 0.1 and 50 mm, a length of between 1 and 20 cm, and a width of between 1 and 20 cm. If a time-varying voltage is used, the applied voltage signal will have an average value of between 50 and -50 kV, with a signal amplitude of between 0.1 and 10 kV, and a frequency of between 1 and 10000 Hz.

En un ejemplo de realización del segundo aspecto de la invención, el colector (3) tiene un ancho total de entre 10 y 500 cm y comprende tres zonas de material conductor (8), como en la figura 8, orientadas en la dirección perpendicular al emisor (1). La señal de voltaje aplicado a las tres zonas de material conductor (8) es de un valor promedio de entre 50 y -50 kV, con una amplitud de señal de entre 0.1 y 10 kV, el desfase entre zonas de material conductor (8) es de 120 grados y la frecuencia de conmutación de fases es de entre 1 y 10000 Hz. In an embodiment of the second aspect of the invention, the collector (3) has a total width of between 10 and 500 cm and comprises three zones of conductive material (8), as in Figure 8, oriented in the direction perpendicular to the emitter (1). The voltage signal applied to the three zones of conductive material (8) has an average value of between 50 and -50 kV, with a signal amplitude of between 0.1 and 10 kV, the phase shift between zones of conductive material (8) is 120 degrees, and the phase switching frequency is between 1 and 10000 Hz.

En otro ejemplo de realización del segundo aspecto de la invención, el colector (3) tiene un ancho total de entre 10 y 500 cm, y la geometría de las zonas de material conductor (8) corresponde a rectángulos cuyo lado corto va de 1 a 50 cm y su lado largo de 1 a 50 cm, dispuestas sobre el electrodo colector de banda (7) de material aislante. Las zonas de material conductor (8) están sometidas a voltajes entre 50 y -50 kV y la velocidad lineal del colector (3) es de entre 0.01 y 1000 mm/s. In another embodiment of the second aspect of the invention, the collector (3) has a total width of between 10 and 500 cm, and the geometry of the conductive material zones (8) corresponds to rectangles with a short side ranging from 1 to 50 cm and a long side from 1 to 50 cm, arranged on the strip collector electrode (7) of insulating material. The conductive material zones (8) are subjected to voltages between 50 and -50 kV, and the linear speed of the collector (3) is between 0.01 and 1000 mm/s.

Claims

1. An electrostretching machine with improved material uniformity, comprising one or more injectors (1) with one or more emitters (2), intended to dispense a solution that forms a cloud of fibers or particles (4) in a dispensing region; and a collector (3), on which the fiber-particles (4) are deposited; wherein the injectors (1) are intended to be connected to a first high-voltage power supply (5) and the collector (3) is intended to be connected to a second high-voltage power supply (10), both high-voltage power supplies (5, 10) generating a potential difference between them, the machine being characterized in that it further comprises

- some director electrodes (6), arranged at one end of the dispensing region, between the emitters (2) and the collector (3), and

- a third high-voltage power supply (15), connected to the director electrodes (6) which subjects them to a voltage to exert a repulsive or attractive force on the fiber-particles (4).

2. - The machine of claim 1, wherein the third high voltage power supply (5) is of constant voltage.

3. - The machine of claim 1, wherein the third high voltage power supply (5) is variable voltage.

4. - The machine of claim 1, wherein the third high voltage power supply (5) provides a voltage to the directing electrodes (6) equal to that of the injectors (1).

5. - The machine of claim 1, wherein the third high voltage power supply (5) provides a voltage to the directing electrodes (6) different from that of the injector (1) and the collector (3).

6. - The machine of claim 1, wherein the directing electrodes (6) are separated from the injectors (1).

7. - The machine of claim 1, wherein the directing electrodes (6) are attached to the injectors (1).

8. - The machine of claim 7, further comprising separators (14) positioned between the injectors (1) and the guiding electrodes (6).

9. - The machine of claim 1, wherein the directing electrodes (6) are bars perpendicular to the collector (3).

10. - The machine of claim 1, wherein the directing electrodes (6) are a flat surface perpendicular to the collector (3).

11. - The machine of claim 1, wherein the directing electrodes (6) are a flat surface folded at least once forming an angle greater than 0° with respect to the perpendicular to the collector (3).

12. - The machine of claim 1, wherein the directing electrodes (6) are a curved surface.

13. - The machine of claim 1, further comprising a displacement module (16) connected to the injector (1), which displaces it transversely with respect to the collector (3).

14. - An electrostretching machine with improved material uniformity through a patterned collector (3), comprising one or more injectors (1) which in turn comprise one or more emitters (2), intended to dispense a solution that forms a cloud of fibers or particles (4), and a collector (3), on which the fiber-particles (4) are deposited, wherein the injectors (1) are intended to be connected to a first high-voltage power supply (5) and the collector (3) is intended to be connected to a second high-voltage power supply (10), both voltage sources generating a potential difference between them, the machine being characterized in that the collector (3) comprises:

- a strip collector electrode (7), comprising a first motorized conveyor belt of insulating material,

- some areas of conductive material (8), electrically insulated from each other, arranged on the surface of insulating material of the strip collector electrode (7), between it and the injectors (1),

- as many high voltage sources (10) as zones of conductive material (8) each of them connected to one of the zones of conductive material (8),

- a dielectric (11) or moderately conductive substrate, disposed on the strip collector electrode (7), between the zones of conductive material (8) and the injectors (1), intended to receive the deposition of the fiber-particles (4), disposed on a second motorized conveyor belt (9), and

- a displacement module (16) connected to the injector (1) and the strip collector electrode (7) and the dielectric substrate (11), displacing them with respect to the injector (1).

15. - The machine of claim 14, wherein at least one of the high-voltage sources (10) is of variable voltage and wherein the collector (3) further comprises a control module, connected to the high-voltage sources (10) configured so that one or more high-voltage sources (10) apply a time-variable, different, and time-shifted voltage to each zone of conductive material (8),

16. - The machine of claim 14, wherein the zones of conductive material (8) arranged on the strip collector electrode (7) of insulating material are arranged alternately following a geometric pattern, the high voltage sources (10) being continuously powered and wherein the patterned strip collector (7) moves at a higher speed than that of the substrate (11).

17. - The machine of claim 16, wherein the collector (3) further comprises a slotted conductive static electrode (21), with grid-like areas without material, positioned between the strip collector electrode (7) and the substrate (11).

18. - The machine of claim 14, wherein the collector (3) further comprises a patterned static electrode (19) with alternating regions of conductive material and insulating material, positioned on the lower part of the strip collector electrode (7), on a face opposite the substrate (11) and wherein the patterned strip collector (7) moves at a speed equal to that of the substrate (11).