פתרון סחיטה של סיבים ננו-מרוכבים פולימריים לציוד מגן אישי
Summary
המטרה העיקרית של מחקר זה היא לתאר פרוטוקול להכנת מחצלות סיבים פולימריים עם מורפולוגיה עקבית באמצעות סיבוב תמיסות (SBS). אנו שואפים להשתמש ב-SBS כדי לפתח ננו-קומפוזיטים חדשניים, ניתנים לכוונון וגמישים של סיבים פולימריים עבור יישומים שונים, כולל חומרי הגנה, על ידי שילוב ננו-חלקיקים במטריצת פולימר-אלסטומר.
Abstract
מערכות שריון קלות משקל ומגן מורכבות בדרך כלל ממודולוס גבוה (>109 MPa) וסיבים פולימריים בעלי חוזק גבוה המוחזקים במקום עם חומר שרף אלסטי (קלסר) ליצירת למינציה לא ארוגה וחד-כיוונית. בעוד מאמצים משמעותיים התמקדו בשיפור התכונות המכניות של הסיבים בעלי החוזק הגבוה, נעשתה עבודה מועטה לשיפור תכונותיהם של חומרי הקלסר. כדי לשפר את הביצועים של קלסרים פולימריים אלסטומריים אלה, נעשה שימוש בתהליך ייצור חדש ופשוט יחסית, המכונה סיבוב מכות תמיסה. טכניקה זו מסוגלת לייצר יריעות או רשתות של סיבים בקטרים ממוצעים הנעים בין קנה מידה ננומטרי למיקרו-קנה מידה. כדי להשיג זאת, תוכנן ונבנה במעבדה מנגנון מסתובב של מכת תמיסה (SBS) לייצור מחצלות סיבים לא ארוגים מתמיסות אלסטומרים פולימריים.
במחקר זה, חומר קו-פולימר נפוץ מסוג סטירן-בוטאדיאן-סטירן בלוק-קו-פולימר המומס בטטרהידרופורן, שימש לייצור מחצלות סיבים ננו-קומפוזיטים על-ידי הוספת ננו-חלקיקים מתכתיים (NPs), כגון NPs של תחמוצת ברזל, שנעטפו בשמן סיליקון ובכך שולבו בסיבים שנוצרו בתהליך SBS. הפרוטוקול המתואר בעבודה זו ידון בהשפעות של הפרמטרים הקריטיים השונים המעורבים בתהליך SBS, כולל המסה הטוחנת הפולימרית, בחירת הממס המתאים מבחינה תרמודינמית, ריכוז הפולימר בתמיסה ולחץ הגז המוביל כדי לסייע לאחרים בביצוע ניסויים דומים, וכן יספק הדרכה לאופטימיזציה של תצורת מערך הניסוי. השלמות המבנית והמורפולוגיה של מחצלות הסיבים הלא ארוגים שהתקבלו נבדקו באמצעות מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת (SEM) ואנליזת קרני רנטגן יסודית באמצעות ספקטרוסקופיית קרני רנטגן מפזרת אנרגיה (EDS). מטרת מחקר זה היא להעריך את ההשפעות של הפרמטרים הניסיוניים השונים ובחירות החומרים כדי לייעל את המבנה והמורפולוגיה של מחצלות סיבי SBS.
Introduction
מערכות שריון קלות משקל, בליסטיות ומגנות רבות נבנות כיום באמצעות סיבים פולימריים בעלי מודולוס גבוה וחוזק גבוה, כגון סיבי פוליאתילן בעלי מסה טוחנת גבוהה במיוחד או ארמידים, המספקים התנגדות בליסטית יוצאת דופן 1,2. סיבים אלה משמשים בשילוב עם חומר שרף אלסטי (קושר) שיכול לחדור לרמת החוט ולאבטח את הסיבים בתצורה של 0°/90° ליצירת למינציה לא ארוגה וחד-כיוונית. אחוז שרף האלסטומר הפולימרי (קושר) לא יעלה על 13% מהמשקל הכולל של הלמינציה החד-כיוונית כדי לשמור על השלמות המבנית והתכונות האנטי-בליסטיות של מבנה הלמינציה 3,4. הקלסר הוא מרכיב חשוב מאוד בשריון מכיוון שהוא שומר על הסיבים בעלי החוזק הגבוה מכוונים כראוי וארוזים היטב בתוך כל שכבת למינציה3. לחומרים אלסטומרים המשמשים בדרך כלל כחומרים מקשרים ביישומי שריון גוף יש מודולוס מתיחה נמוך מאוד (למשל, ~ 17.2 MPa ב ~ 23 ° C), טמפרטורת מעבר זכוכית נמוכה (רצוי מתחת ל -50 ° C), התארכות גבוהה מאוד בהפסקה (עד 300%) ועליהם להפגין תכונות דבק מצוינות5.
כדי לשפר את הביצועים של אלסטומרים פולימריים אלה, SBS בוצע כדי ליצור חומרים אלסטומרים סיביים שיכולים לשמש כקלסרים ביישומי שריון גוף. SBS היא טכניקה חדשה יחסית, רב-תכליתית המאפשרת שימוש במערכות פולימרים/ממסים שונות ויצירת מוצרים סופיים שונים 6,7,8,9,10,11,12,13. תהליך פשוט זה כולל תצהיר מהיר (פי 10 מקצב האלקטרוספינינג) של סיבים קונפורמיים על מצעים מישוריים ולא מישוריים כאחד כדי לייצר יריעות או רשתות של סיבים המקיפים ננו-ומיקרו אורך בקני מידה של 14,15,16,17,18. לחומרי SBS יש יישומים רבים במוצרים רפואיים, מסנני אוויר, ציוד מגן, חיישנים, אלקטרוניקה אופטית וזרזים14,19,20. פיתוח סיבים בקוטר קטן יכול להגדיל באופן דרסטי את שטח הפנים ליחס נפח, וזה חשוב מאוד עבור מספר יישומים, במיוחד בתחום ציוד המגן האישי. הקוטר והמורפולוגיה של הסיבים הנוצרים על ידי SBS תלויים במסה הטוחנת של הפולימר, ריכוז הפולימרים בתמיסה, צמיגות התמיסה, קצב זרימת התמיסה הפולימרית, לחץ הגז, מרחק העבודה וקוטר פיית הריסוס14,15,17.
מאפיין חשוב של מנגנון SBS הוא זרבובית הריסוס המורכבת מפיה חיצונית פנימית וקונצנטרית. הפולימר המומס בממס נדיף נשאב דרך הזרבובית הפנימית בעוד גז בלחץ זורם דרך הזרבובית החיצונית. הגז בעל המהירות הגבוהה היוצא מהזרבובית החיצונית גורם לגזירה של תמיסת הפולימר הזורמת דרך הזרבובית הפנימית. זה מאלץ את התמיסה ליצור צורה חרוטית בעת היציאה מפיית הריסוס. כאשר מתגברים על מתח הפנים בקצה החרוט, נפלט זרם עדין של תמיסה פולימרית, והממס מתאדה במהירות וגורם לגדילים פולימריים להתגבש ולהשקע כסיבי פולימר. היווצרות מבנה סיבי, כאשר הממס מתאדה, תלויה מאוד במסה הטוחנת הפולימרית ובריכוז התמיסה. סיבים נוצרים על ידי הסתבכות שרשרת, כאשר שרשראות פולימריות בתמיסה מתחילות לחפוף בריכוז המכונה ריכוז החפיפה הקריטי (c*). לכן, יש צורך לעבוד עם תמיסות פולימריות מעל c* של מערכת הפולימרים/ממסים שנבחרה. כמו כן, אסטרטגיה קלה להשיג זאת היא לבחור פולימרים עם מסה טוחנת גבוהה יחסית. לפולימרים בעלי מסה טוחנת גבוהה יותר יש זמני הרפיה גבוהים יותר של הפולימרים, מה שקשור ישירות לעלייה בהיווצרות מבנים סיביים, כפי שמתואר בספרות21. מכיוון שרבים מהפרמטרים המשמשים ב- SBS מתואמים מאוד, מטרת עבודה זו היא לספק הדרכה לפיתוח ננו-קומפוזיטים של סיבים פולימריים הניתנים לכוונון, גמישים שישמשו כחלופות לחומרים קושרים טיפוסיים הנמצאים ביישומי שריון גוף על ידי שילוב ננו-חלקיקים במטריצת פולימר-אלסטומר סיבית.
Protocol
Representative Results
Discussion
השיטה המתוארת כאן מספקת פרוטוקול לייצור מחצלות סיבים ננו-קומפוזיטים של אלסטומר פולימרי באמצעות טכניקה חדשה יחסית המכונה סיבוב תמיסה. טכניקה זו מאפשרת ייצור של סיבים בקנה מידה ננומטרי ויש לה מספר יתרונות על פני טכניקות מבוססות אחרות, כגון תהליך electrospinning, כפי שהוא יכול להתבצע תחת לחץ אטמוס?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מבקשים להודות למר דווייט ד. בארי על תרומתו החשובה לייצור מנגנון ספינינג הפתרון. זואיס צינאס ורן טאו רוצים להכיר במימון מהמכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה תחת פרסים # 70NANB20H007 ו # 70NANB15H112, בהתאמה.
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).
