Summary

Løsning blåsespinning av polymere nanokomposittfibre for personlig verneutstyr

Published: March 18, 2021
doi:

Summary

Det primære målet med denne studien er å beskrive en protokoll for å fremstille polymerfibermatter med konsistent morfologi via løsningsblåsespinning (SBS). Vi tar sikte på å bruke SBS til å utvikle nye, tunable, fleksible polymere fiber nanokompositter for ulike applikasjoner, inkludert beskyttende materialer, ved å inkorporere nanopartikler i en polymer-elastomermatrise.

Abstract

Lette, beskyttende rustningssystemer består vanligvis av høy modul (>109 MPa) og høyfaste polymerfibre holdt på plass med et elastisk harpiksmateriale (bindemiddel) for å danne et ikke-vevd, ensrettet laminat. Mens betydelig innsats har fokusert på å forbedre de mekaniske egenskapene til høystyrkefibrene, har det blitt gjort lite arbeid for å forbedre egenskapene til bindemiddelmaterialene. For å forbedre ytelsen til disse elastomere polymerbindemidlene ble det brukt en relativt ny og enkel fabrikasjonsprosess, kjent som løsningsblåsespinning. Denne teknikken er i stand til å produsere ark eller nett av fibre med gjennomsnittlige diametre som spenner fra nanoskala til mikroskala. For å oppnå dette er et løsningsblåsespinner (SBS) -apparat designet og bygget i laboratoriet for å fremstille ikke-vevde fibermatter fra polymerelastomerløsninger.

I denne studien ble et vanlig bindemiddelmateriale, en styren-butadien-styrenblokk-kopolymer oppløst i tetrahydrofuran, brukt til å produsere nanokomposittfibermatter ved å tilsette metalliske nanopartikler (NP), slik som jernoksid-NP, som ble innkapslet med silisiumolje og dermed innlemmet i fibrene dannet via SBS-prosessen. Protokollen beskrevet i dette arbeidet vil diskutere effekten av de ulike kritiske parametrene som er involvert i SBS-prosessen, inkludert polymermolare masse, valg av termodynamisk passende løsningsmiddel, polymerkonsentrasjonen i løsning og bærergasstrykket for å hjelpe andre med å utføre lignende eksperimenter, samt gi veiledning for å optimalisere konfigurasjonen av det eksperimentelle oppsettet. Den strukturelle integriteten og morfologien til de resulterende ikke-vevde fibermattene ble undersøkt ved hjelp av scanning elektronmikroskopi (SEM) og elementær røntgenanalyse via energidispersiv røntgenspektroskopi (EDS). Målet med denne studien er å evaluere effekten av de ulike eksperimentelle parametrene og materialvalgene for å optimalisere strukturen og morfologien til SBS-fibermattene.

Introduction

Mange lette, ballistiske, beskyttende rustningssystemer er for tiden konstruert ved hjelp av høymodul og høystyrke polymerfibre, for eksempel orienterte, ultrahøye molare massepolyetylenfibre eller aramider, som gir enestående ballistisk motstand 1,2. Disse fibrene brukes i kombinasjon med et elastisk harpiksmateriale (bindemiddel) som kan trenge inn i filamentnivået og feste fibrene i en 0 ° / 90 ° konfigurasjon for å danne et ikke-vevd, ensrettet laminat. Prosentandelen av polymerelastomerharpiksen (bindemiddelet) bør ikke overstige 13% av totalvekten til det ensrettede laminatet for å opprettholde den strukturelle integriteten og antiballistiske egenskapene til laminatstrukturen 3,4. Bindemidlet er en svært viktig komponent i rustningen, da den holder høyfaste fibre riktig orientert og tett pakket i hvert laminatlag3. Elastomermaterialer som vanligvis brukes som bindemidler i kroppsrustningsapplikasjoner, har svært lav strekkmodul (f.eks. ~ 17,2 MPa ved ~ 23 ° C), lav glassovergangstemperatur (helst under -50 ° C), svært høy forlengelse ved pause (så høyt som 300%) og må demonstrere gode klebende egenskaper5.

For å forbedre ytelsen til disse polymerelastomerene ble SBS utført for å skape fibrøse elastomermaterialer som kan brukes som bindemidler i kroppspanserapplikasjoner. SBS er en relativt ny, allsidig teknikk som tillater bruk av forskjellige polymer / løsningsmiddelsystemer og opprettelse av forskjellige sluttprodukter 6,7,8,9,10,11,12,13. Denne enkle prosessen innebærer rask (10x frekvensen av elektrospinning) avsetning av konforme fibre på både plane og ikke-plane substrater for å fremstille ark eller nett av fibre som omfatter nano- og mikrolengdeskalaer 14,15,16,17,18. SBS-materialer har mange bruksområder innen medisinske produkter, luftfiltre, verneutstyr, sensorer, optisk elektronikk og katalysatorer14,19,20. Utvikling av fibre med liten diameter kan drastisk øke forholdet mellom overflate og volum, noe som er svært viktig for flere applikasjoner, spesielt innen personlig verneutstyr. Diameteren og morfologien til fibrene som genereres av SBS, avhenger av polymerens molare masse, polymerkonsentrasjon i løsningen, løsningens viskositet, polymerløsningsstrømningshastighet, gasstrykk, arbeidsavstand og diameter av sprøytedysen14,15,17.

En viktig egenskap ved SBS-apparatet er sprøytedysen som består av en indre og en konsentrisk ytre dyse. Polymeren oppløst i et flyktig løsningsmiddel pumpes gjennom den indre dysen mens en trykkgass strømmer gjennom den ytre dysen. Høyhastighetsgassen som går ut av den ytre dysen induserer skjæring av polymeroppløsningen som strømmer gjennom den indre dysen. Dette tvinger løsningen til å danne en konisk form når du går ut av sprøytedysen. Når overflatespenningen på spissen av kjeglen overvinnes, kastes en fin strøm av polymeroppløsning ut, og løsningsmidlet fordampes raskt, noe som får polymerstrenger til å samle seg og avsettes som polymerfibre. Dannelsen av en fibrøs struktur, som løsningsmiddel fordamper, avhenger sterkt av polymermolarmassen og løsningskonsentrasjonen. Fibre dannes ved kjedesammenfiltring, når polymerkjeder i oppløsning begynner å overlappe ved en konsentrasjon kjent som den kritiske overlappingskonsentrasjonen (c *). Derfor er det nødvendig å arbeide med polymerløsninger over c* for det valgte polymer-/løsningsmiddelsystemet. En enkel strategi for å oppnå dette er også å velge polymerer med relativt høy molar masse. Polymerer med høyere molar masse har økte polymeravslappingstider, noe som er direkte relatert til en økning i dannelsen av fibrøse strukturer, som beskrevet i litteraturen21. Siden mange av parametrene som brukes i SBS er sterkt korrelert, er målet med dette arbeidet å gi veiledning for å utvikle tunbare og fleksible polymerfibernanokompositter som skal brukes som alternativer for typiske bindemiddelmaterialer som finnes i kroppspanseringsapplikasjoner ved å inkorporere nanopartikler i den fibrøse polymer-elastomermatrisen.

Protocol

MERK: Detaljer relatert til utstyr, instrumentering og kjemikalier som brukes i denne delen, finner du i materialtabellen. Hele denne protokollen bør først gjennomgås og godkjennes av institusjonens sikkerhetsavdeling/personell for å sikre at prosedyrer og prosesser som er spesifikke for institusjonen, overholdes. 1. Fremstilling av polymeroppløsning ved bruk av egnet løsningsmiddel MERK: Rådfør deg med sikkerhetsdatablad for produsent / lever…

Representative Results

I denne studien ble ikke-vevde fibermatter bestående av poly (styren-butadien-styren) fibre i nano- og mikroskala syntetisert med og uten tilstedeværelse av jernoksid-NP. For å danne fibre må SBS-parametrene velges nøye for polymer / løsningsmiddelsystemet som brukes. Molarmassen til den oppløste polymeren og løsningskonsentrasjonen er avgjørende for å kontrollere morfologien til strukturene produsert av SBS-prosessen. I denne studien ble en blokk-kopolymer av poly (styren-butadien-styren) (styren 30 vekt%) bru…

Discussion

Metoden beskrevet her gir en protokoll for å produsere polymer elastomer nanokompositt fibermatter via en relativt ny teknikk kjent som løsningsblåsespinn. Denne teknikken tillater fremstilling av fibre i nanoskala og har flere fordeler i forhold til andre veletablerte teknikker, for eksempel elektrospinningsprosessen, da den kan utføres under atmosfærisk trykk og romtemperatur27. Videre er SBS ikke svært utsatt for lokale miljøendringer (temperatur eller fuktighet) og krever ikke sterke el…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne ønsker å anerkjenne Mr. Dwight D. Barry for hans viktige bidrag til fabrikasjon av løsningen blåse spinning apparatet. Zois Tsinas og Ran Tao ønsker å anerkjenne finansiering fra National Institute of Standards and Technology under Awards # 70NANB20H007 og # 70NANB15H112, henholdsvis.

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

  1. Lee, B. L., et al. Penetration failure mechanisms of armor-grade fiber composites under impact. Journal of Composite Materials. 35 (18), 1605-1633 (2001).
  2. 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).
  3. Park, A. D., Park, D., No Park, A. J. . U.S. Patent. , (2006).
  4. No Park, A. D. . U.S. Patent. , (1995).
  5. Harpell, G. A., Prevorsek, D. C., Li, H. L. Flexible multi-layered armor. Patent No. WO/1989. , (1989).
  6. Cena, C., et al. BSCCO superconductor micro/nanofibers produced by solution blow-spinning technique. Ceramics International. 43 (10), 7663-7667 (2017).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Gonzalez-Abrego, M., et al. Mesoporous titania nanofibers by solution blow spinning. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 81 (2), 468-474 (2017).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Tutak, W., et al. The support of bone marrow stromal cell differentiation by airbrushed nanofiber scaffolds. Biomaterials. 34 (10), 2389-2398 (2013).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Behrens, A. M., et al. In situ deposition of PLGA nanofibers via solution blow spinning. ACS Macro Letters. 3 (3), 249-254 (2014).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Flory, P. J. . Principles of polymer chemistry. , (1953).
  23. Palangetic, L., et al. Dispersity and spinnability: Why highly polydisperse polymer solutions are desirable for electrospinning. Polymer. 55 (19), 4920-4931 (2014).
  24. Ying, Q., Chu, B. Overlap concentration of macromolecules in solution. Macromolecules. 20 (2), 362-366 (1987).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Barton, A. F. Solubility parameters. Chemical Reviews. 75 (6), 731-753 (1975).
check_url/it/62283?article_type=t

Play Video

Citazione di questo articolo
Tsinas, Z., Tao, R., Forster, A. L. Solution Blow Spinning of Polymeric Nano-Composite Fibers for Personal Protective Equipment. J. Vis. Exp. (169), e62283, doi:10.3791/62283 (2021).

View Video