Lição 13.9Micro e nanoCapítulo 13 · Micro e nanofabricação

Eletrofiação (electrospinning)

Puxa um jato de polímero até virar nanofibras com alta tensão

A eletrofiação usa alta tensão para puxar uma solução de polímero até virar fibras centenas de vezes mais finas que um fio de cabelo. As fibras se acumulam em uma teia leve e aerada chamada manta de nanofibras. Essas mantas melhoram filtros de ar e máscaras e servem de arcabouço para o cultivo de tecidos.

Foto: Farizat Aidyn, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

eletrofiação · montagem, ampliação do cone de Taylor e teia de fibrasOs números circulados correspondem às etapas abaixo; os dois quadros emoldurados ampliam a ponta da agulha e a teia pronta.

Como funciona

Prepare a solução. Um polímero é dissolvido em um solvente, ou fundido, até a viscosidade certa (o quanto um líquido é espesso e escoa devagar).
Alimente uma gota. Uma bomba de seringa empurra a solução devagar até a ponta de uma agulha de metal, onde pende uma gota.
Aplique alta tensão. Uma fonte de normalmente 5 a 50 quilovolts carrega a gota. As forças elétricas vencem a tensão superficial e puxam a gota até formar uma ponta chamada cone de Taylor.
Jato e chicoteio. Um jato fino sai da ponta do cone, depois espirala e chicoteia loucamente. Ele se estica milhares de vezes enquanto o solvente evapora.
Colete as fibras. As fibras secas pousam em um coletor aterrado: uma placa plana para uma teia aleatória, um tambor girando rápido para fibras alinhadas ou um tecido em movimento em uma fábrica. A manta é então descolada, laminada sobre um suporte ou esterilizada para uso médico.

Dados-chave

Materiais: Soluções ou fundidos de polímeros: náilon, poliéster (PET), PVDF, PAN, PCL biodegradável, PVA, colágeno, acetato de celulose; também precursores cerâmicos
Peças típicas: Mantas de fibras não tecidas (como feltro, sem trama), camadas filtrantes sobre tecidos, tubos, fios alinhados
Tamanho da peça: Fibras de dezenas de nanômetros a alguns mícrons de espessura; mantas de amostras de laboratório a rolos industriais de metros de largura
Precisão: Sem tolerância dimensional propriamente dita: a receita e os ajustes controlam o diâmetro da fibra e sua dispersão
Acabamento superficial: Teia macia, como feltro, com enorme área superficial e poros finos que retêm partículas submicrométricas
Tamanho de lote adequado: De gramas de laboratório a linhas de produção rolo a rolo com metros de largura
Custo de ferramental e máquinas: Montagem de laboratório a partir de alguns milhares de dólares; linhas industriais bem mais
Velocidade: Uma única agulha faz bem menos de um grama de fibra por hora; linhas de fábrica sem agulha revestem tecido continuamente

Pontos fortes e limites

Pontos fortes

Fibras ultrafinas com enorme área superficial
Montagem de laboratório simples e de baixo custo
Enorme variedade de polímeros, misturas e aditivos (medicamentos, partículas)
Imita a rede de fibras em volta das células do corpo, o que ajuda as células a crescer

Limites

Baixa produção com agulhas individuais
Muitas receitas usam solventes tóxicos ou inflamáveis
O tamanho da fibra varia com a umidade, a tensão e a distância
Mantas fracas normalmente precisam de uma camada de suporte; aplicam-se regras de segurança de alta tensão

Onde é usado

FiltraçãoCamadas de nanofibras em filtros de ventilação de prédios, de ar de motores e de máscaras
MedicinaCurativos, arcabouços de engenharia de tecidos, enxertos vasculares, adesivos de liberação de medicamentos
EnergiaSeparadores de baterias, membranas de células a combustível
TêxteisMembranas impermeáveis e respiráveis, roupas de proteção
CosméticosMáscaras e adesivos faciais de nanofibras
PesquisaSensores, catalisadores, nanofibras cerâmicas

Como reconhecê-lo

As fibras isoladas são invisíveis a olho nu; só a teia aparece, como uma película branca ou translúcida finíssima.
Olhe alguns filtros de ar, de aspirador ou de motor de alta eficiência: um revestimento delicado sobre um tecido mais grosso que parece leve demais para funcionar.
Sob um microscópio eletrônico, a teia parece espaguete emaranhado, com fios de espessura quase igual.
As versões médicas acabam em feridas ou dentro do corpo, como curativos e arcabouços que podem se dissolver devagar.

Compare com

Extrusão3.3empurra o material por uma abertura de matriz com forma; faz fibras e perfis comuns, bem mais grossos e rápidos.Trefilação3.4afina fio de metal maciço puxando-o por matrizes; a eletrofiação afina um jato líquido com forças elétricas.Polimerização por dois fótons13.8posiciona cada microdetalhe com exatidão; a eletrofiação faz uma teia aleatória, barata, com pouco controle de onde cada fibra pousa.

Assista

Hosein Rostamani · Um passo a passo simples de laboratório, da solução à manta de fibras

Inovenso Ltd. Electrospinning Company · Close do cone de Taylor e do jato em um bico

ELMARCO · Jatos industriais sem agulha subindo de um tambor giratório

Foshan MBRT Nanofiberlabs Co.,Ltd · Uma visão geral dos produtos e usos de nanofibras

Veja fotos reais

Wikipedia: Electrospinning — micrografia eletrônica de nanofibras, diagramas de montagem e uma tabela de parâmetros
Busca de fotos no Wikimedia Commons

Lembre-se

A força elétrica faz o estiramento: gota, cone, jato chicoteante, fibra seca.
As fibras têm de dezenas de nanômetros a alguns mícrons de espessura, e a teia tem enorme área superficial.
Agulhas únicas são lentas; as fábricas usam linhas sem agulha para revestir tecidos filtrantes.