Production of Homogeneous Particles by Controlled Neutralization of Electrosprays

Abstract

Aquesta tesi se centra en la reducció eficaç de la càrrega de les gotes delectrospray per produir partícules de polímer de mida homogènia mitjançant lelectrospray duna solució de polímer. En el procés d'electrospraying, s'emet un microraig constant, des de la punta de l'anomenat con de Taylor, que es trenca en petites gotes altament carregades. Quan es fa servir una solució que conté polímers, s'obtenen partícules de mida reduïda, des de l'escala micromètrica fins a la nanomètrica, depenent de les propietats del líquid i de les condicions de funcionament. Però l'alta càrrega induïda a les gotes per aquesta tècnica pot distorsionar la uniformitat de mida. Això passa si la gota pateix una inestabilitat de Coulomb. Després, la partícula de polímer creada perd la forma i la mida. S'ha desenvolupat una configuració de neutralització per electrospray en què es va reduir significativament la càrrega de la gota, evitant les inestabilitats de Coulomb, i havent generat partícules de polímer homogènies en condicions d'atmosfera controlada, obtenint la morfologia de partícula desitjada, i evitant les partícules filamentoses. Per aconseguir una reducció adequada de la càrrega de les partícules, hem desenvolupat i optimitzat una font d'ions unipolar basada en la descàrrega de corona. Aquesta eina de fabricació casolana es va acoblar estratègicament al sistema, permetent que les gotes delectrospray es descarreguin eficaçment abans que explotin.

Esta tesis se centra en la reducción eficaz de la carga de las gotas de electrospray para producir partículas de polímero de tamaño homogéneo mediante el electrospray de una solución de polímero. En el proceso de electrospraying, se emite un micro-chorro constante, desde la punta del llamado cono de Taylor, que se rompe en pequeñas gotas altamente cargadas. Cuando se utiliza una solución que contiene polímeros, se obtienen partículas de tamaño reducido, desde la escala micrométrica hasta la nanométrica, dependiendo de las propiedades del líquido y de las condiciones de funcionamiento. Pero la alta carga inducida en las gotas por esta técnica puede distorsionar la uniformidad de tamaño. Esto ocurre si la gota sufre una inestabilidad de Coulomb. Después, la partícula de polímero creada pierde su forma y tamaño. Se ha desarrollado una configuración de neutralización por electrospray en la que se redujo significativamente la carga de la gota, evitando las inestabilidades de Coulomb, y pudiendo generar partículas de polímero homogéneas en condiciones de atmósfera controlada, obteniendo la morfología de partícula deseada, y evitando las partículas filamentosas.

This thesis is focused on the efficient reduction of charge of electrospray droplets to produce homogeneously sized polymer particles by electrospraying a polymer solution. In the electrospraying process, a steady micro-jet is emitted, from the tip of the so-called Taylor cone, breaking up into highly charged tiny droplets. When using a polymercontaining solution, it results in narrowly dispersed particle sizes, from micrometer to nanometer scale, depending on liquid properties and operating conditions. Therefore, electrospray is gaining research interest in different fields such as pharmaceutics. Among its advantages over other liquid atomization methods includes its ability to produce much smaller particles (in the few-microns and nano-metric size ranges) with size homogeneity and high energy efficiency. But the high charge induced on the droplets by this technique may distort the size uniformity. This occurs if the droplet undergoes a Coulombic instability. After that, the created polymer particle loses its shape and size. An electrospray-neutralization setup has been developed in which the droplet charge was reduced significantly, preventing Coulombic instabilities, and being able to generate homogeneous polymer particles in a controlled atmosphere conditions, obtaining the desired particle morphology, and preventing filamentous particles