個人用保護具用高分子ナノコンポジット繊維の溶液ブロー紡糸
Summary
この研究の主な目的は、溶液ブロースピニング(SBS)を介して一貫した形態のポリマー繊維マットを調製するためのプロトコルを説明することです。SBSを用いて、ポリマー-エラストマーマトリックスにナノ粒子を組み込むことにより、保護材料を含む様々な用途向けの新規で調整可能な柔軟なポリマー繊維ナノコンポジットの開発を目指しています。
Abstract
軽量の保護装甲システムは、通常、高弾性率(>109 MPa)と高強度のポリマー繊維を弾性樹脂材料(バインダー)で所定の位置に保持して、不織布の一方向ラミネートを形成します。高強度繊維の機械的特性の改善に多大な努力が注がれているが、バインダー材料の特性を改善するための研究はほとんど行われていない。これらのエラストマーポリマーバインダーの性能を向上させるために、溶液ブロー紡糸として知られる比較的新しく単純な製造プロセスが使用されました。この技術は、ナノスケールからマイクロスケールまでの範囲の平均直径を有する繊維のシートまたはウェブを製造することができる。これを達成するために、ポリマーエラストマー溶液から不織繊維マットを製造するために、溶液ブロー紡糸(SBS)装置が実験室で設計および構築されています。
本研究では、一般的に使用されるバインダー材料であるテトラヒドロフランに溶解したスチレン-ブタジエン-スチレンブロック共重合体を使用して、酸化鉄NPなどの金属ナノ粒子(NP)を添加し、シリコンオイルでカプセル化し、SBSプロセスを介して形成された繊維に取り込むことにより、ナノコンポジットファイバーマットを製造しました。この作業で説明されているプロトコルでは、ポリマーモル質量、熱力学的に適切な溶媒の選択、溶液中のポリマー濃度、キャリアガス圧力など、SBSプロセスに関連するさまざまな重要なパラメーターの影響について説明し、他の人が同様の実験を行うのを支援し、実験セットアップの構成を最適化するためのガイダンスを提供します。得られた不織繊維マットの構造的完全性と形態を、走査型電子顕微鏡(SEM)およびエネルギー分散型X線分光法(EDS)による元素X線分析を用いて調べた。この研究の目的は、SBSファイバーマットの構造と形態を最適化するためのさまざまな実験パラメータと材料選択の効果を評価することです。
Introduction
現在、多くの軽量弾道防護装甲システムは、配向した超高モル質量ポリエチレン繊維やアラミドなどの高弾性で高強度のポリマー繊維を使用して構築されており、優れた弾道抵抗を提供します1,2。これらの繊維は、フィラメントレベルまで浸透し、繊維を0°/90°の構成で固定して不織布の一方向積層体を形成する弾性樹脂材料(バインダー)と組み合わせて使用されます。ポリマーエラストマー樹脂(バインダー)の割合は、ラミネート構造の構造的完全性および弾道防止特性を維持するために一方向ラミネートの総重量の13%を超えてはならない3、4。バインダーは、高強度繊維を適切に配向させ、各ラミネート層3内に強固に詰め込むため、装甲の非常に重要な構成要素である。ボディアーマー用途でバインダーとして一般的に使用されるエラストマー材料は、引張弾性率が非常に低く(例えば、~23°Cで~17.2MPa)、低いガラス転移温度(好ましくは-50°C未満)、非常に高い破断伸び(300%と高い)を有し、優れた接着特性を示さなければならない5。
これらのポリマーエラストマーの性能を向上させるために、SBSはボディアーマー用途のバインダーとして使用できる繊維状エラストマー材料を作成するために実施されました。SBSは、さまざまなポリマー/溶媒システムの使用とさまざまな最終製品の作成を可能にする比較的新しい汎用性の高い技術です6,7,8,9,10,11,12,13。この単純なプロセスでは、平面および非平面の両方の基板上にコンフォーマルファイバを急速に(エレクトロスピニングの速度の10倍)堆積させて、ナノおよびマイクロの長さスケール14,15,16,17,18を含むファイバのシートまたはウェブを製造する。SBS材料は、医療製品、エアフィルター、保護具、センサー、光電子機器、および触媒14,19,20において多数の用途を有する。小径繊維を開発すると、表面積と体積の比率が大幅に増加する可能性があり、これはいくつかの用途、特に個人用保護具の分野で非常に重要です。SBSによって生成される繊維の直径および形態は、ポリマーのモル質量、溶液中のポリマー濃度、溶液の粘度、ポリマー溶液の流量、ガス圧、作動距離、およびスプレーノズル14、15、17の直径に依存する。
SBS装置の重要な特性は、内側ノズルと同心円状の外側ノズルからなるスプレーノズルである。揮発性溶媒に溶解したポリマーは内側のノズルを通ってポンプで送られ、加圧されたガスは外側のノズルを通って流れます。外側ノズルから出る高速ガスは、内側ノズルを流れるポリマー溶液のせん断を誘発する。これにより、スプレーノズルを出るときに溶液が円錐形を形成するようになります。円錐の先端の表面張力が克服されると、ポリマー溶液の微細な流れが放出され、溶媒が急速に蒸発してポリマーストランドが合体し、ポリマー繊維として堆積します。溶媒が蒸発するにつれての繊維状構造の形成は、ポリマーのモル質量と溶液濃度に強く依存します。繊維は、溶液中のポリマー鎖が臨界オーバーラップ濃度(c*)として知られる濃度でオーバーラップし始めると、鎖の絡み合いによって形成されます。したがって、選択したポリマー/溶媒系のc*を超えるポリマー溶液を使用する必要があります。また、これを達成するための簡単な戦略は、比較的高いモル質量を有するポリマーを選択することである。より高いモル質量を有するポリマーは、ポリマー緩和時間を増加させ、これは、文献21に記載されているように、繊維状構造の形成の増加に直接関係している。SBSで使用されるパラメータの多くは強く相関しているため、この作業の目標は、繊維状ポリマーエラストマーマトリックスにナノ粒子を組み込むことにより、ボディアーマー用途に見られる典型的なバインダー材料の代替として使用される、調整可能で柔軟なポリマー繊維ナノコンポジットを開発するためのガイダンスを提供することです。
Protocol
Representative Results
Discussion
本明細書に記載の方法は、溶液ブロー紡糸として知られる比較的新しい技術を介してポリマーエラストマーナノ複合繊維マットを製造するためのプロトコールを提供する。この技術は、ナノスケールでの繊維の製造を可能にし、大気圧および室温下で実施することができるため、エレクトロスピニングプロセスなどの他の確立された技術に比べていくつかの利点を有する27?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、ドワイト・D・バリー氏が溶液ブロー紡糸装置の製造に多大な貢献をしたことを称賛したいと思います。Zois TsinasとRan Taoは、それぞれ賞#70NANB20H007と#70NANB15H112の下で、国立標準技術研究所からの資金提供に感謝したいと思います。
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 |
Riferimenti
- 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).
