Solução de Fiação por Sopro de Fibras Poliméricas Nano-Compósitas para Equipamentos de Proteção Individual
Summary
O objetivo principal deste trabalho é descrever um protocolo para o preparo de tapetes de fibras poliméricas com morfologia consistente via solução de fiação por sopro (SBS). Nosso objetivo é usar a SBS para desenvolver nanocompósitos de fibra polimérica novos, ajustáveis e flexíveis para várias aplicações, incluindo materiais de proteção, incorporando nanopartículas em uma matriz de polímero-elastômero.
Abstract
Os sistemas de blindagem de proteção leves geralmente consistem em fibras poliméricas de alto módulo (>109 MPa) e de alta resistência mantidas no lugar com um material de resina elástica (aglutinante) para formar um laminado unidirecional não tecido. Embora esforços significativos tenham se concentrado em melhorar as propriedades mecânicas das fibras de alta resistência, pouco trabalho foi realizado para melhorar as propriedades dos materiais aglutinantes. Para melhorar o desempenho desses ligantes de polímero elastomérico, um processo de fabricação relativamente novo e simples, conhecido como fiação por sopro de solução, foi usado. Esta técnica é capaz de produzir folhas ou teias de fibras com diâmetros médios que vão desde a nanoescala até a microescala. Para conseguir isso, um aparelho de fiação por sopro de solução (SBS) foi projetado e construído em laboratório para fabricar tapetes de fibra não tecida a partir de soluções de elastômeros poliméricos.
Neste estudo, um material aglutinante comumente utilizado, um bloco-copolímero de estireno-butadieno-estireno dissolvido em tetraidrofurano, foi utilizado para produzir tapetes de fibras nanocompostas por meio da adição de nanopartículas metálicas (NPs), como NPs de óxido de ferro, que foram encapsuladas com óleo de silício e, portanto, incorporadas nas fibras formadas através do processo SBS. O protocolo descrito neste trabalho discutirá os efeitos dos vários parâmetros críticos envolvidos no processo de SBS, incluindo a massa molar do polímero, a seleção do solvente termodinamicamente apropriado, a concentração de polímero em solução e a pressão do gás transportador para auxiliar outros na realização de experimentos semelhantes, bem como fornecer orientação para otimizar a configuração da configuração experimental. A integridade estrutural e a morfologia dos tapetes de fibras não tecidas resultantes foram examinadas usando microscopia eletrônica de varredura (MEV) e análise de raios-X elementares via espectroscopia de raios-X por dispersão de energia (EDS). O objetivo deste trabalho é avaliar os efeitos dos diversos parâmetros experimentais e seleções de materiais para otimizar a estrutura e morfologia dos tapetes de fibras SBS.
Introduction
Muitos sistemas de blindagem leves, balísticos e protetores são atualmente construídos usando fibras poliméricas de alto módulo e alta resistência, como fibras de polietileno de massa molar orientadas e ultra-altas ou aramidas, que proporcionam excelente resistência balística 1,2. Essas fibras são usadas em combinação com um material de resina elástica (aglutinante) que pode penetrar até o nível do filamento e fixar as fibras em uma configuração de 0°/90° para formar um laminado unidirecional não tecido. A porcentagem da resina de elastômero polimérico (aglutinante) não deve exceder 13% do peso total do laminado unidirecional para manter a integridade estrutural e as propriedades antibalísticas da estrutura do laminado 3,4. O aglutinante é um componente muito importante da armadura, pois mantém as fibras de alta resistência adequadamente orientadas e bem embaladas dentro de cada camadalaminada 3. Os materiais de elastômero comumente usados como aglutinantes em aplicações de armaduras corporais têm módulo de tração muito baixo (por exemplo, ~17,2 MPa a ~23 °C), baixa temperatura de transição vítrea (de preferência abaixo de -50 °C), alongamento muito alto na ruptura (até 300%) e devem demonstrar excelentes propriedades adesivas5.
Para melhorar o desempenho desses elastômeros poliméricos, o SBS foi realizado para criar materiais fibrosos de elastômero que podem ser usados como aglutinantes em aplicações de armaduras corporais. A SBS é uma técnica relativamente nova e versátil que permite o uso de diferentes sistemas de polímeros/solventes e a criação de diferentes produtos finais 6,7,8,9,10,11,12,13. Esse processo simples envolve a deposição rápida (10x a taxa de eletrofiação) de fibras conformais em substratos planares e não planares para fabricar folhas ou teias de fibras que abrangem escalas de nano e micro comprimento 14,15,16,17,18. Os materiais SBS têm inúmeras aplicações em produtos médicos, filtros de ar, equipamentos de proteção, sensores, eletrônica óptica e catalisadores14,19,20. O desenvolvimento de fibras de pequeno diâmetro pode aumentar drasticamente a relação entre área de superfície e volume, o que é muito importante para várias aplicações, especialmente no campo de equipamentos de proteção individual. O diâmetro e a morfologia das fibras geradas pela SBS dependem da massa molar do polímero, da concentração do polímero na solução, da viscosidade da solução, da vazão da solução polimérica, da pressão do gás, da distância de trabalho e do diâmetro do bico de pulverização14,15,17.
Uma característica importante do aparelho SBS é o bocal de pulverização constituído por um bocal interior e um bico exterior concêntrico. O polímero dissolvido em um solvente volátil é bombeado através do bocal interno, enquanto um gás pressurizado flui através do bocal externo. O gás de alta velocidade que sai do bocal externo induz o cisalhamento da solução polimérica que flui através do bocal interno. Isso força a solução a formar uma forma cônica ao sair do bocal de pulverização. Quando a tensão superficial na ponta do cone é superada, um fluxo fino de solução polimérica é ejetado e o solvente evapora rapidamente, fazendo com que os filamentos poliméricos coalescam e se depositem como fibras poliméricas. A formação de uma estrutura fibrosa, à medida que o solvente evapora, depende fortemente da massa molar do polímero e da concentração da solução. As fibras são formadas pelo emaranhamento de cadeias, quando as cadeias poliméricas em solução começam a se sobrepor a uma concentração conhecida como concentração crítica de sobreposição (c*). Portanto, é necessário trabalhar com soluções poliméricas acima do c* do sistema polímero/solvente selecionado. Além disso, uma estratégia fácil para conseguir isso é escolher polímeros com massa molar relativamente alta. Polímeros com maior massa molar têm tempos de relaxamento do polímero aumentados, o que está diretamente relacionado ao aumento da formação de estruturas fibrosas, conforme descrito na literatura21. Como muitos dos parâmetros utilizados na SBS estão fortemente correlacionados, o objetivo deste trabalho é fornecer orientação para o desenvolvimento de nanocompósitos de fibra polimérica ajustáveis e flexíveis para serem usados como alternativas para materiais aglutinantes típicos encontrados em aplicações de armaduras corporais, incorporando nanopartículas na matriz fibrosa polímero-elastômero.
Protocol
Representative Results
Discussion
O método aqui descrito fornece um protocolo para a produção de tapetes de fibra nanocompósitos de elastômero polimérico através de uma técnica relativamente nova conhecida como fiação por sopro de solução. Essa técnica permite a fabricação de fibras em nanoescala e apresenta diversas vantagens em relação a outras técnicas bem estabelecidas, como o processo de eletrofiação, pois pode ser realizado sob pressão atmosférica e temperatura ambiente27. Além disso, a SBS não é alt…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostariam de agradecer ao Sr. Dwight D. Barry por suas importantes contribuições para a fabricação do aparelho de fiação de sopro de solução. Zois Tsinas e Ran Tao gostariam de reconhecer o financiamento do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia sob os Prêmios # 70NANB20H007 e # 70NANB15H112, respectivamente.
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 |
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