Electrohilado: técnica innovadora y versátil que permite fabricar nanofibras eficientes para aplicaciones en medicina, textiles y filtros avanzados.
Electrohilado | Innovador, Versátil y Eficiente
El electrohilado, conocido en inglés como electrospinning, es una técnica revolucionaria utilizada para producir fibras ultrafinas, típicamente en el rango de nanómetros, a partir de una solución polimérica. Este proceso es notable por su versatilidad y eficiencia, y ha encontrado aplicaciones en una amplia gama de campos que van desde la fabricación de filtros hasta la ingeniería de tejidos. En este artículo, exploraremos las bases del electrohilado, las teorías subyacentes, las fórmulas involucradas y por qué es una tecnología tan innovadora.
Bases del Electrohilado
El electrohilado se basa en la técnica de usar una fuerza eléctrica para estirar y formar fibras a partir de una solución o un fundido polimérico. La idea principal es que un alto voltaje se aplica entre una gota de solución polimérica y un colector. Cuando la fuerza electrostática supera la tensión superficial del líquido, se forma un chorro que se extiende y se solidifica formando fibras extremadamente finas.
- Suministro de solución polimérica
- Fuente de alto voltaje
- Colector para recoger las fibras
- Ambiente controlado para asegurar la calidad de las fibras
Teorías Subyacentes
Diversas teorías y principios físicos subyacen al proceso de electrohilado. A continuación, describimos algunas de las más fundamentales:
Teoría de la Fuerza Eléctrica
Una de las piedras angulares del electrohilado es la teoría de la fuerza eléctrica aplicada a los fluidos. En este contexto, la fuerza eléctrica \( F_e \) puede describirse por la ecuación:
\( F_e = Q \cdot E \)
donde:
- \( Q \) es la carga eléctrica en la gota de solución.
- \( E \) es el campo eléctrico aplicado.
Equilibrio de Fuerzas
El equilibrio entre la tensión superficial de la solución polimérica y la fuerza electrostática es crucial para la formación del chorro. La tensión superficial actúa para mantener la integridad de la gota, mientras que la fuerza electrostática busca estirarla. Este equilibrio se puede expresar mediante la ecuación de Young-Laplace:
\( \Delta P = 2 \gamma / r \)
donde:
- \( \Delta P \) es la presión de Laplace.
- \( \gamma \) es la tensión superficial del fluido.
- \( r \) es el radio de curvatura de la gota.
Viscosidad y Conductividad
La viscosidad y la conductividad de la solución polimérica son también factores muy importantes en el proceso de electrohilado. La viscosidad afecta a la formación del chorro y la finura de las fibras, mientras que la conductividad influye en la distribución de cargas en la solución. Para caracterizar estos efectos, se suele emplear la ecuación de Poiseuille para flujo viscoso:
\( Q = \frac{\pi r^4 \Delta P}{8 \eta L} \)
donde:
- \( Q \) es el caudal del fluido.
- \( \Delta P \) es la presión de Laplace.
- \( \eta \) es la viscosidad dinámica de la solución.
- \( L \) es la longitud del capilar.
Aplicación de Teorías y Fórmulas en el Proceso de Electrohilado
El proceso de electrohilado no solo se basa en la comprensión teórica, sino también en la implementación práctica de estas teorías y fórmulas. A continuación, se describe cómo se aplican estas teorías en el proceso físico:
Preparación de la Solución Polimérica
En primer lugar, se prepara una solución polimérica adecuada. La concentración de polímero, la viscosidad y la conductividad de la solución deben controlarse cuidadosamente para obtener fibras de calidad. Los polímeros más comunes utilizados en el electrohilado incluyen PVA (alcohol polivinílico), PCL (policaprolactona), y PLA (ácido poliláctico).
Aplicación del Voltaje
Una vez preparada la solución, se coloca en una jeringa con una aguja metálica. Se aplica un alto voltaje, que puede variar típicamente entre 10 kV y 30 kV, entre la aguja y el colector. Este voltaje crea un campo eléctrico que tira de la solución polimérica desde la punta de la aguja, formando el característico cono de Taylor.
Formación del Cono de Taylor
El cono de Taylor es una formación cónica que aparece cuando la fuerza electrostática balancea la tensión superficial de la solución en la punta de la aguja. Desde la punta del cono de Taylor, emerge un chorro de fluido que se estira y delgado a medida que se acelera hacia el colector. La formación y estabilidad del cono de Taylor son esenciales para obtener fibras uniformes.