Kişisel Koruyucu Ekipmanlar için Polimerik Nano-Kompozit Liflerin Çözelti Üfleme İpliği
Summary
Bu çalışmanın temel amacı, çözelti üflemeli eğirme (SBS) yoluyla tutarlı morfolojiye sahip polimerik fiber paspaslar hazırlamak için bir protokol tanımlamaktır. SBS’yi, nanopartikülleri bir polimer-elastomer matrisine dahil ederek, koruyucu malzemeler de dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar için yeni, ayarlanabilir, esnek polimerik fiber nanokompozitler geliştirmek için kullanmayı hedefliyoruz.
Abstract
Hafif, koruyucu zırh sistemleri tipik olarak dokunmamış, tek yönlü bir laminat oluşturmak için elastik bir reçine malzemesi (bağlayıcı) ile yerinde tutulan yüksek modüllü (>109 MPa) ve yüksek mukavemetli polimerik liflerden oluşur. Yüksek mukavemetli liflerin mekanik özelliklerini iyileştirmeye önemli çabalar odaklanmış olsa da, bağlayıcı malzemelerin özelliklerini iyileştirmek için çok az çalışma yapılmıştır. Bu elastomerik polimer bağlayıcıların performansını artırmak için, çözelti üfleme eğirme olarak bilinen nispeten yeni ve basit bir üretim süreci kullanılmıştır. Bu teknik, nano ölçekten mikro ölçeğe kadar değişen ortalama çaplara sahip levhalar veya lif ağları üretebilir. Bunu başarmak için, polimer elastomer çözeltilerinden dokunmamış elyaf paspaslar üretmek için laboratuvarda bir çözelti üfleme eğirme (SBS) aparatı tasarlanmış ve üretilmiştir.
Bu çalışmada, yaygın olarak kullanılan bir bağlayıcı malzeme, tetrahidrofuran içinde çözünmüş bir stiren-bütadien-stiren blok-ko-polimer, silikon yağı ile kapsüllenmiş ve böylece SBS işlemi ile oluşturulan liflere dahil edilen demir oksit NP’ler gibi metalik nanopartiküller (NP’ler) eklenerek nanokompozit lif paspasları üretmek için kullanılmıştır. Bu çalışmada açıklanan protokol, polimer molar kütlesi, termodinamik olarak uygun çözücünün seçimi, çözeltideki polimer konsantrasyonu ve benzer deneylerin gerçekleştirilmesinde başkalarına yardımcı olmak için taşıyıcı gaz basıncı dahil olmak üzere SBS prosesinde yer alan çeşitli kritik parametrelerin etkilerini tartışacak ve ayrıca deney düzeneğinin konfigürasyonunu optimize etmek için rehberlik sağlayacaktır. Elde edilen dokunmamış elyaf paspasların yapısal bütünlüğü ve morfolojisi, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve enerji dağıtıcı X-ışını spektroskopisi (EDS) yoluyla elementel X-ışını analizi kullanılarak incelenmiştir. Bu çalışmanın amacı, SBS fiber paspasların yapısını ve morfolojisini optimize etmek için çeşitli deneysel parametrelerin ve malzeme seçimlerinin etkilerini değerlendirmektir.
Introduction
Birçok hafif, balistik, koruyucu zırh sistemi şu anda olağanüstü balistik direnç sağlayan yönlendirilmiş, ultra yüksek molar kütleli polietilen lifler veya aramidler gibi yüksek modüllü ve yüksek mukavemetli polimerik lifler kullanılarak inşa edilmektedir 1,2. Bu lifler, filament seviyesine nüfuz edebilen ve dokunmamış, tek yönlü bir laminat oluşturmak için lifleri 0 ° / 90 ° konfigürasyonda sabitleyebilen elastik bir reçine malzemesi (bağlayıcı) ile birlikte kullanılır. Polimer elastomer reçinesinin (bağlayıcı) yüzdesi, laminat yapısının yapısal bütünlüğünü ve antibalistik özelliklerini korumak için tek yönlü laminatın toplam ağırlığının%13’ünü geçmemelidir 3,4. Bağlayıcı, zırhın çok önemli bir bileşenidir, çünkü yüksek mukavemetli lifleri her laminat katmanı3 içinde düzgün bir şekilde yönlendirilmiş ve sıkıca paketlenmiş halde tutar. Vücut zırhı uygulamalarında bağlayıcı olarak yaygın olarak kullanılan elastomer malzemeler çok düşük çekme modülüne (örneğin, ~ 23 ° C’de ~ 17.2 MPa), düşük cam geçiş sıcaklığına (tercihen -50 ° C’nin altında), kopmada çok yüksek uzama (% 300’e kadar) sahiptir ve mükemmel yapışkan özellikler göstermelidir5.
Bu polimer elastomerlerin performansını artırmak için, vücut zırhı uygulamalarında bağlayıcı olarak kullanılabilecek lifli elastomer malzemeler oluşturmak için SBS yapıldı. SBS, farklı polimer / çözücü sistemlerinin kullanılmasına ve farklı son ürünlerin oluşturulmasına izin veren nispeten yeni, çok yönlü bir tekniktir 6,7,8,9,10,11,12,13. Bu basit işlem, nano ve mikro uzunluk ölçekleri 14,15,16,17,18’i kapsayan lif tabakaları veya ağlarını üretmek için konformal liflerin hem düzlemsel hem de düzlemsel olmayan substratlara hızlı (elektrospinning hızının 10 katı) birikmesini içerir. SBS malzemelerinin tıbbi ürünler, hava filtreleri, koruyucu ekipmanlar, sensörler, optik elektronik ve katalizörler 14,19,20’de çok sayıda uygulaması vardır. Küçük çaplı liflerin geliştirilmesi, yüzey alanı/hacim oranını büyük ölçüde artırabilir, bu da özellikle kişisel koruyucu ekipman alanında birçok uygulama için çok önemlidir. SBS tarafından üretilen liflerin çapı ve morfolojisi, polimerin molar kütlesine, çözeltideki polimer konsantrasyonuna, çözeltinin viskozitesine, polimer çözeltisi akış hızına, gaz basıncına, çalışma mesafesine ve püskürtme nozulunun çapına bağlıdır14,15,17.
SBS aparatının önemli bir özelliği, bir iç ve bir eşmerkezli dış nozuldan oluşan sprey nozuludur. Uçucu bir çözücü içinde çözünen polimer, iç nozuldan pompalanırken, basınçlı bir gaz dış nozuldan akar. Dış nozuldan çıkan yüksek hızlı gaz, iç nozuldan akan polimer çözeltisinin kesilmesine neden olur. Bu, sprey nozulundan çıkarken çözeltiyi konik bir şekil oluşturmaya zorlar. Koninin ucundaki yüzey gerilimi aşıldığında, ince bir polimer çözeltisi akışı dışarı atılır ve çözücü hızla buharlaşarak polimer iplikçiklerinin polimer lifler olarak birleşmesine ve birikmesine neden olur. Çözücü buharlaştıkça lifli bir yapının oluşumu, polimer molar kütlesine ve çözelti konsantrasyonuna büyük ölçüde bağlıdır. Lifler, çözeltideki polimer zincirleri kritik örtüşme konsantrasyonu (c*) olarak bilinen bir konsantrasyonda üst üste binmeye başladığında, zincir dolaşıklığı ile oluşur. Bu nedenle, seçilen polimer / çözücü sisteminin c * ‘sinin üzerindeki polimer çözeltileri ile çalışmak gerekir. Ayrıca, bunu başarmak için kolay bir strateji, nispeten yüksek molar kütleye sahip polimerleri seçmektir. Daha yüksek molar kütleye sahip polimerler, literatürde açıklandığı gibi lifli yapıların oluşumundaki artışla doğrudan ilişkili olan polimer gevşeme sürelerini arttırmıştır21. SBS’de kullanılan parametrelerin birçoğu güçlü bir şekilde ilişkili olduğundan, bu çalışmanın amacı, nanopartikülleri lifli polimer-elastomer matrisine dahil ederek vücut zırhı uygulamalarında bulunan tipik bağlayıcı malzemeler için alternatif olarak kullanılacak ayarlanabilir ve esnek polimerik fiber nanokompozitlerin geliştirilmesine rehberlik etmektir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada açıklanan yöntem, çözelti üflemeli eğirme olarak bilinen nispeten yeni bir teknikle polimer elastomer nanokompozit fiber paspasların üretilmesi için bir protokol sağlar. Bu teknik, liflerin nano ölçekte üretilmesine izin verir ve atmosferik basınç ve oda sıcaklığı27 altında gerçekleştirilebildiği için elektrospinning işlemi gibi diğer köklü tekniklere göre çeşitli avantajlara sahiptir. Ayrıca, SBS yerel çevresel değişikliklere (sıcaklık veya nem) karş?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, çözelti üflemeli eğirme aparatının imalatına yaptığı önemli katkılardan dolayı Bay Dwight D. Barry’ye teşekkür etmek ister. Zois Tsinas ve Ran Tao, sırasıyla # 70NANB20H007 ve # 70NANB15H112 Ödülleri kapsamında Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’nden fon almayı kabul etmek istiyor.
Materials
| 45 MM Toolmaker Vise | Tormach Inc. | 32547 | To secure substrate onto the collector |
| ARES-G2 Rheometer | TA Instruments | 401000.501 | Rheometer |
| Branson Ultrasonics M Series – Ultrasonic Cleaning Bath | Fisher Scientific | 15-336-100 | To disperse nanoparticles |
| Cadence Science Micro-Mate Interchangeable Syringe | Fisher Scientific | 14-825-2A | Glass Syringe 5mL in 1/5mL, Luer Lock Tip |
| Chemical hood | Any company | ||
| Corning – Disposable Pasteur Glass Pipette | Sigma Aldrich | CLS7095D5X-200EA | Non-Sterile |
| DWK Life Sciences Wheaton – Glass Scintillation Vial | Fisher Scientific | 03-341-25G | 20 mL with cap |
| FEI Quanta 200 Scanning Electron Microscope (SEM) | FEI | For imaging samples | |
| Iron Oxide Nanopowder/Nanoparticles | US Research Nanomaterials, inc. | US3320 | Fe3O4, 98%, 20-3- nm, Silicon oil Coated |
| KD Scientific Legato 100 Single-Syringe Pump | Sigma Aldrich | Z401358-1EA | Single syringe infusion pump |
| Master Airbrush – Model S68 | TCP Global | MAS S68 | Nozzle/needle diameter: 0.35 mm |
| Mettler Toledo AB265-S/FACT Scale | Cole-Parmer Scientific | EW-11333-14 | For weighing polymer and Nanoparticles |
| N2 Gas Regulator | Any company | ||
| Nanoenclosure | Any company | ||
| Optical Microscopy Glass Slides | Fisher Scientific | 12-550-A3 | Used as a substrate for fiber mat deposition |
| OSP Slotted Bob, 33 mm | TA Instruments | 402796.902 | Bob, upper geometry |
| OSP Slotted Double Gap Cup, 34 mm | TA Instruments | 402782.901 | Double wall cup, lower geometry |
| Oxford BenchMate Digital Vortex Mixer | Pipette | VM-D | Rated up to 4,200 rpm, for mixing solutions |
| Oxford Benchmate Tube Roller | Pipette | OTR-24DR | Sample mixer/rotator |
| Polystyrene-block-polybutadiene-block-polystyrene | Sigma Aldrich | 432490-1KG | styrene 30 wt. %, Mw ~ 185,000 g/mol |
| SEM Pin Stub Specimen Mount | Ted Pella Inc. | 16119 | 18 mm diameter x 8 mm height |
| Spatula | VWR | 82027-532 | To load test materials |
| Tetrahydrofuran (THF) | Fisher Scientific | T425-1 | solvent, HPLC grade |
| TRIOS | TA Instruments | v4.3.1.39215 | Rheometer software |
References
- 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. Analysis of the temperature rise in the projectile and extended chain polyethylene fiber composite armor during ballistic impact and penetration. Polymer Engineering and Science. 34 (2), 141-152 (1994).
- Park, A. D., Park, D., No Park, A. J. . U.S. Patent. , (2006).
- No Park, A. D. . U.S. Patent. , (1995).
- Harpell, G. A., Prevorsek, D. C., Li, H. L. Flexible multi-layered armor. Patent No. WO/1989. , (1989).
- Cena, C., et al. BSCCO superconductor micro/nanofibers produced by solution blow-spinning technique. Ceramics International. 43 (10), 7663-7667 (2017).
- Miller, C. L., Stafford, G., Sigmon, N., Gilmore, J. A. Conductive nonwoven carbon nanotube-PLA composite nanofibers towards wound sensors via solution blow spinning. IEEE Transactions on Nanobioscience. 18 (2), 244-247 (2019).
- Iorio, M., et al. Conformational changes on PMMA induced by the presence of TiO 2 nanoparticles and the processing by Solution Blow Spinning. Colloid and Polymer Science. 296 (3), 461-469 (2018).
- Martínez-Sanz, M., et al. Antimicrobial poly (lactic acid)-based nanofibres developed by solution blow spinning. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 15 (1), 616-627 (2015).
- Wang, H., et al. Highly flexible indium tin oxide nanofiber transparent electrodes by blow spinning. ACS Applied Materials and Interfaces. 8 (48), 32661-32666 (2016).
- Greenhalgh, R. D., et al. Hybrid sol-gel inorganic/gelatin porous fibres via solution blow spinning. Journal of Materials Science. 52 (15), 9066-9081 (2017).
- Gonzalez-Abrego, M., et al. Mesoporous titania nanofibers by solution blow spinning. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 81 (2), 468-474 (2017).
- Oliveira, J. E., Zucolotto, V., Mattoso, L. H., Medeiros, E. S. Multi-walled carbon nanotubes and poly (lactic acid) nanocomposite fibrous membranes prepared by solution blow spinning. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 12 (3), 2733-2741 (2012).
- Medeiros, E. S., Glenn, G. M., Klamczynski, A. P., Orts, W. J., Mattoso, L. H. Solution blow spinning: A new method to produce micro-and nanofibers from polymer solutions. Journal of Applied Polymer Science. 113 (4), 2322-2330 (2009).
- Vasireddi, R., et al. Solution blow spinning of polymer/nanocomposite micro-/nanofibers with tunable diameters and morphologies using a gas dynamic virtual nozzle. Scientific Reports. 9 (1), 1-10 (2019).
- Tutak, W., et al. The support of bone marrow stromal cell differentiation by airbrushed nanofiber scaffolds. Biomaterials. 34 (10), 2389-2398 (2013).
- Daristotle, J. L., Behrens, A. M., Sandler, A. D., Kofinas, P. A review of the fundamental principles and applications of solution blow spinning. ACS Applied Materials and Interfaces. 8 (51), 34951-34963 (2016).
- Hofmann, E., et al. Microfluidic nozzle device for ultrafine fiber solution blow spinning with precise diameter control. Lab on a Chip. 18 (15), 2225-2234 (2018).
- Behrens, A. M., et al. In situ deposition of PLGA nanofibers via solution blow spinning. ACS Macro Letters. 3 (3), 249-254 (2014).
- Vural, M., Behrens, A. M., Ayyub, O. B., Ayoub, J. J., Kofinas, P. Sprayable elastic conductors based on block copolymer silver nanoparticle composites. ACS Nano. 9 (1), 336-344 (2015).
- Srinivasan, S., Chhatre, S. S., Mabry, J. M., Cohen, R. E., McKinley, G. H. Solution spraying of poly (methyl methacrylate) blends to fabricate microtextured, superoleophobic surfaces. Polymer. 52 (14), 3209-3218 (2011).
- Flory, P. J. . Principles of polymer chemistry. , (1953).
- Palangetic, L., et al. Dispersity and spinnability: Why highly polydisperse polymer solutions are desirable for electrospinning. Polymer. 55 (19), 4920-4931 (2014).
- Ying, Q., Chu, B. Overlap concentration of macromolecules in solution. Macromolecules. 20 (2), 362-366 (1987).
- Haro-Pérez, C., Andablo-Reyes, E., Díaz-Leyva, P., Arauz-Lara, J. L. Microrheology of viscoelastic fluids containing light-scattering inclusions. Physical Review E. 75 (4), 041505 (2007).
- Thiele, J., et al. Early development drug formulation on a chip: Fabrication of nanoparticles using a microfluidic spray dryer. Lab on a Chip. 11 (14), 2362-2368 (2011).
- Zhao, J., Xiong, W., Yu, N., Yang, X. Continuous jetting of alginate microfiber in atmosphere based on a microfluidic chip. Micromachines. 8 (1), 8 (2017).
- Jun, Y., Kang, E., Chae, S., Lee, S. H. Microfluidic spinning of micro-and nano-scale fibers for tissue engineering. Lab on a Chip. 14 (13), 2145-2160 (2014).
- Weng, B., Xu, F., Salinas, A., Lozano, K. Mass production of carbon nanotube reinforced poly (methyl methacrylate) nonwoven nanofiber mats. Carbon. 75, 217-226 (2014).
- Barton, A. F. Solubility parameters. Chemical Reviews. 75 (6), 731-753 (1975).
