El objetivo principal de este estudio es describir un protocolo para preparar esteras de fibra polimérica con morfología consistente a través del hilado por soplado en solución (SBS). Nuestro objetivo es utilizar SBS para desarrollar nanocompuestos de fibra polimérica novedosos, sintonizables y flexibles para diversas aplicaciones, incluidos materiales de protección, mediante la incorporación de nanopartículas en una matriz de polímero-elastómero.
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Artículo de método
Solución Blow Spinning de fibras nanocompuestas poliméricas para equipos de protección personal
En este artículo
Resumen
Resumen
Los sistemas de blindaje protectores livianos suelen consistir en fibras poliméricas de alto módulo (>109 MPa) y de alta resistencia que se mantienen en su lugar con un material de resina elástica (aglutinante) para formar un laminado unidireccional no tejido. Si bien los esfuerzos significativos se han centrado en mejorar las propiedades mecánicas de las fibras de alta resistencia, se ha realizado poco trabajo para mejorar las propiedades de los materiales aglutinantes. Para mejorar el rendimiento de estos aglutinantes de polímeros elastoméricos, se utilizó un proceso de fabricación relativamente nuevo y simple, conocido como hilado por soplado de solución. Esta técnica es capaz de producir láminas o redes de fibras con diámetros medios que van desde la nanoescala hasta la microescala. Para lograr esto, se ha diseñado y construido en el laboratorio un aparato de hilatura por soplado en solución (SBS) para fabricar esteras de fibra no tejida a partir de soluciones de elastómero polimérico.
En este estudio, se utilizó un material aglutinante de uso común, un copolímero de bloque estireno-butadieno-estireno disuelto en tetrahidrofurano, para producir esteras de fibra nanocompuestas mediante la adición de nanopartículas metálicas (NP), como NP de óxido de hierro, que se encapsularon con aceite de silicio y, por lo tanto, se incorporaron en las fibras formadas a través del proceso SBS. El protocolo descrito en este trabajo discutirá los efectos de los diversos parámetros críticos involucrados en el proceso SBS, incluida la masa molar del polímero, la selección del solvente termodinámicamente apropiado, la concentración del polímero en solución y la presión del gas portador para ayudar a otros a realizar experimentos similares, así como proporcionar orientación para optimizar la configuración de la configuración experimental. La integridad estructural y la morfología de las esteras de fibra no tejida resultantes se examinaron mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y análisis de rayos X elementales mediante espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS). El objetivo de este estudio es evaluar los efectos de los diversos parámetros experimentales y selecciones de materiales para optimizar la estructura y morfología de las esteras de fibra SBS.
Introducción
Muchos sistemas de blindaje ligeros, balísticos y protectores se construyen actualmente utilizando fibras poliméricas de alto módulo y alta resistencia, como fibras de polietileno orientadas de masa molar ultra alta o aramidas, que proporcionan una resistencia balística excepcional 1,2. Estas fibras se utilizan en combinación con un material de resina elástica (aglutinante) que puede penetrar hasta el nivel del filamento y asegurar las fibras en una configuración de 0 ° / 90 ° para formar un laminado unidireccional no tejido. El porcentaje de resina de elastómero polimérico (aglutinante) no debe exceder el 13%....
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Protocolo
NOTA: Los detalles relacionados con el equipo, la instrumentación y los productos químicos utilizados en esta sección se pueden encontrar en la Tabla de materiales. Todo este protocolo debe ser revisado y aprobado primero por el departamento / personal de seguridad institucional para garantizar que se cumplan los procedimientos y procesos específicos de la institución.
1. Preparación de la solución polimérica utilizando el disolvente apropiado
NOTA: Consulte las hojas de datos de seguridad del fabricante/proveedor y el departamento/personal de seguridad de la institución con respecto al equipo de p....
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Resultados
En este estudio, se sintetizaron esteras de fibras no tejidas que consisten en fibras de poli (estireno-butadieno-estireno) en la escala nano y micro, con y sin la presencia de NP de óxido de hierro. Para formar fibras, los parámetros SBS deben seleccionarse cuidadosamente para el sistema de polímero/solvente utilizado. La masa molar del polímero disuelto y la concentración de la solución son críticas para controlar la morfología de las estructuras producidas por el proceso SBS. En este estudio, se utilizó un copolímero .......
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Discusión
El método descrito en este documento proporciona un protocolo para producir esteras de fibra nanocompuesta de elastómero polimérico a través de una técnica relativamente nueva conocida como hilado por soplado en solución. Esta técnica permite la fabricación de fibras en la nanoescala y tiene varias ventajas sobre otras técnicas bien establecidas, como el proceso de electrohilado, ya que puede llevarse a cabo bajo presión atmosférica y temperatura ambiente27. Además, el SBS no es altamente suscepti.......
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Divulgaciones
La descripción completa de los procedimientos utilizados en este documento requiere la identificación de ciertos productos comerciales y sus proveedores. La inclusión de dicha información de ninguna manera debe interpretarse como una indicación de que dichos productos o proveedores están respaldados por el NIST o son recomendados por el NIST o que son necesariamente los mejores materiales, instrumentos, software o proveedores para los fines descritos.
Agradecimientos
Los autores desean reconocer al Sr. Dwight D. Barry por sus importantes contribuciones para la fabricación del aparato de hilado de soplado de solución. Zois Tsinas y Ran Tao desean agradecer la financiación del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología bajo los premios # 70NANB20H007 y # 70NANB15H112, respectivamente.
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| 45 MM Fabricante de herramientas Tornillo de banco | Tormach Inc. | 32547 | Para asegurar el sustrato en el colector |
| Reómetro ARES-G2 | TA Instruments | 401000.501 | Reómetro |
| Branson Ultrasonics M Series - Baño de limpieza ultrasónica | Fisher Scientific | 15-336-100 | Para dispersar nanopartículas |
| Cadence Science Jeringa intercambiable Micro-Mate | Fisher Scientific | 14-825-2A | Jeringa de vidrio 5mL en 1/5mL, Luer Lock |
| Tip Campana química | Cualquier empresa | ||
| Corning - Pipeta de vidrio desechable Pasteur | Sigma Aldrich | CLS7095D5X-200EA | DWK no estéril |
| Ciencias de la vida Wheaton - Vial de centelleo de vidrio | Fisher Scientific | 03-341-25G | 20 mL con tapa |
| FEI Quanta 200 Microscopio electrónico de barrido (SEM) | FEI | Para imágenes | |
| de muestras Óxido de hierro Nanopolvo/Nanopartículas | US Research Nanomaterials, inc. | US3320 | Fe3O4, 98%, 20-3 nm, Aceite de silicona recubierto |
| KD Scientific Legato 100 Bomba de jeringa única | Sigma Aldrich | Z401358-1EA | Bomba de infusión de jeringa única |
| Master Airbrush - Modelo S68 | TCP Global | MAS S68 | Diámetro de la boquilla/aguja: 0,35 mm |
| Mettler Toledo AB265-S/FACT Báscula | Cole-Parmer Scientific | EW-11333-14 | Para pesar polímeros y Nanopartículas |
| N2 Regulador de gas | Cualquier empresa | ||
| Nanoenclosure | Cualquier empresa | ||
| Microscopía óptica Portaobjetos de vidrio | Fisher Scientific | 12-550-A3 | Se utiliza como sustrato para la deposición de esteras |
| de fibra OSP Slotted Bob, 33 mm | TA Instruments | 402796.902 | Bob, geometría superior |
| OSP Slotted Double Gap Cup, 34 mm | TA Instrumentos | 402782.901 | Vaso de doble pared, geometría inferior |
| Oxford BenchMate Mezclador de vórtice digital | Pipeta VM-D | Clasificado hasta 4.200 rpm, para soluciones de mezcla | |
| Oxford Benchmate Pipeta de rodillo de tubo | OTR-24DR | Mezclador/rotador de muestras | |
| Poliestireno-bloque-polibutadieno-poliestireno | Sigma Aldrich | 432490-1KG | estireno 30 % en peso, Mw ~ 185.000 g/mol |
| SEM Pin Stub Specimen Mount | Ted Pella Inc. | 16119 | 18 mm de diámetro x 8 mm de altura |
| Espátula | VWR | 82027-532 | Para cargar materiales de prueba |
| Tetrahidrofurano (THF) | Fisher Scientific | T425-1 | solvente, grado HPLC |
| TRIOS | TA Instruments | v4.3.1.39215 | Software de reómetro |
Referencias
- Lee, B. L., et al. Penetration failure mechanisms of armor-grade fiber composites under impact. Journal of Composite Materials. 35 (18), 1605-1633 (2001).
- Prevorsek, D. C., Kwon, Y. D., Chin, H. B.
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Reimpresiones y permisos
