इस अध्ययन का प्राथमिक लक्ष्य समाधान ब्लो स्पिनिंग (एसबीएस) के माध्यम से सुसंगत आकृति विज्ञान के साथ बहुलक फाइबर मैट तैयार करने के लिए एक प्रोटोकॉल का वर्णन करना है। हमारा उद्देश्य पॉलिमर-इलास्टोमर मैट्रिक्स में नैनोकणों को शामिल करके सुरक्षात्मक सामग्री सहित विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए नवीन, असमर्थ, लचीले बहुलक फाइबर नैनोकम्पोजिट्स विकसित करने के लिए एसबीएस का उपयोग करना है।
हल्के वजन, सुरक्षात्मक कवच प्रणालियों में आम तौर पर उच्च मापांक (>109 एमपीए) और उच्च शक्ति वाले बहुलक फाइबर होते हैं जो एक लोचदार राल सामग्री (बाइंडर) के साथ एक गैर-बुना, यूनिडायरेक्शनल लैमिनेट बनाने के लिए होते हैं। जबकि महत्वपूर्ण प्रयासों ने उच्च शक्ति वाले तंतुओं के यांत्रिक गुणों में सुधार पर ध्यान केंद्रित किया है, बाइंडर सामग्री के गुणों में सुधार के लिए बहुत कम काम किया गया है। इन इलास्टोमेरिक बहुलक बाइंडर्स के प्रदर्शन में सुधार करने के लिए, एक अपेक्षाकृत नई और सरल निर्माण प्रक्रिया, जिसे समाधान ब्लो स्पिनिंग के रूप में जाना जाता है, का उपयोग किया गया था। यह तकनीक नैनोस्केल से लेकर माइक्रोस्केल तक के औसत व्यास वाले फाइबर की चादरें या जाले पैदा करने में सक्षम है। इसे प्राप्त करने के लिए, बहुलक इलास्टोमेर समाधानों से गैर-बुने हुए फाइबर मैट बनाने के लिए प्रयोगशाला में एक समाधान ब्लो स्पिनिंग (एसबीएस) उपकरण डिजाइन और बनाया गया है।
इस अध्ययन में, आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली बाइंडर सामग्री, टेट्राहाइड्रोफ्यूरान में घुलने वाली एक स्टाइरीन-ब्यूटाडीन-स्टाइरीन ब्लॉक-सह-बहुलक, का उपयोग धातु नैनोकणों (एनपी) जैसे आयरन ऑक्साइड एनपी को जोड़कर नैनोकम्पोजिट फाइबर मैट का उत्पादन करने के लिए किया गया था, जिन्हें सिलिकॉन तेल के साथ समझाया गया था और इस प्रकार एसबीएस प्रक्रिया के माध्यम से गठित फाइबर में शामिल किया गया था। इस काम में वर्णित प्रोटोकॉल एसबीएस प्रक्रिया में शामिल विभिन्न महत्वपूर्ण मापदंडों के प्रभावों पर चर्चा करेगा, जिसमें बहुलक दाढ़ द्रव्यमान, थर्मोडायनामिक रूप से उपयुक्त विलायक का चयन, समाधान में बहुलक एकाग्रता, और इसी तरह के प्रयोगों को करने में दूसरों की सहायता के लिए वाहक गैस दबाव शामिल है, साथ ही प्रयोगात्मक सेटअप के विन्यास को अनुकूलित करने के लिए मार्गदर्शन प्रदान करना है। परिणामी गैर-बुने हुए फाइबर मैट की संरचनात्मक अखंडता और आकृति विज्ञान की जांच स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) और ऊर्जा-फैलाने वाले एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (ईडीएस) के माध्यम से मौलिक एक्स-रे विश्लेषण का उपयोग करके की गई थी। इस अध्ययन का लक्ष्य एसबीएस फाइबर मैट की संरचना और आकृति विज्ञान को अनुकूलित करने के लिए विभिन्न प्रयोगात्मक मापदंडों और सामग्री चयनों के प्रभावों का मूल्यांकन करना है।
कई हल्के वजन, बैलिस्टिक, सुरक्षात्मक कवच प्रणालियों का निर्माण वर्तमान में उच्च-मापांक और उच्च शक्ति वाले बहुलक फाइबर का उपयोग करके किया जाता है, जैसे कि उन्मुख, अल्ट्रा-उच्च दाढ़ द्रव्यमान पॉलीथीन फाइबर या अरामिड्स, जो उत्कृष्ट बैलिस्टिक प्रतिरोध 1,2 प्रदान करते हैं। इन तंतुओं का उपयोग एक लोचदार राल सामग्री (बाइंडर) के साथ संयोजन में किया जाता है जो फिलामेंट स्तर में प्रवेश कर सकता है और फाइबर को 0 ° / 90 ° विन्यास में सुरक्षित करके एक गैर-बुना, यूनिडायरेक्शनल लैमिनेट बना सकता है। लैमिनेट संरचना 3,4 की संरचनात्मक अखंडता और एंटीबॉलिस्टिक गुणों को बनाए रखने के लिए बहुलक इलास्टोमेर राल (बाइंडर) का प्रतिशत यूनिडायरेक्शनल लैमिनेट के कुल वजन के13% से अधिक नहीं होना चाहिए। बाइंडर कवच का एक बहुत ही महत्वपूर्ण घटक है क्योंकि यह उच्च शक्ति वाले तंतुओं को ठीक से उन्मुख रखता है और प्रत्येक लैमिनेट परत3 के भीतर कसकर पैक करता है। शरीर के कवच अनुप्रयोगों में आमतौर पर बाइंडर के रूप में उपयोग की जाने वाली इलास्टोमेर सामग्री में बहुत कम तन्यता मापांक होता है (उदाहरण के लिए, ~ 23 डिग्री सेल्सियस पर ~ 17.2 एमपीए), कम ग्लास संक्रमण तापमान (अधिमानतः -50 डिग्री सेल्सियस से नीचे), ब्रेक पर बहुत अधिक बढ़ाव (300% जितना अधिक) और उत्कृष्ट चिपकनेवाले गुणों का प्रदर्शन करना चाहिए।
इन बहुलक इलास्टोमर्स के प्रदर्शन में सुधार करने के लिए, एसबीएस को रेशेदार इलास्टोमर सामग्री बनाने के लिए किया गया था जिसे शरीर के कवच अनुप्रयोगों में बाइंडर के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। एसबीएस एक अपेक्षाकृत नई, बहुमुखी तकनीक है जो विभिन्न बहुलक / विलायक प्रणालियों के उपयोग और विभिन्न अंत उत्पादों 6,7,8,9,10,11,12,13 के निर्माण की अनुमति देती है। इस सरल प्रक्रिया में नैनो और माइक्रो लेंथ स्केल14,15,16,17,18 को शामिल करने वाले फाइबर की शीट या जाल बनाने के लिए प्लानर और नॉनप्लानर सब्सट्रेट्स दोनों पर अनुरूप फाइबर का तेजी से (इलेक्ट्रोस्पिनिंग की दर 10 गुना) जमाव शामिल है। एसबीएस सामग्री में चिकित्सा उत्पादों, एयर फिल्टर, सुरक्षात्मक उपकरण, सेंसर, ऑप्टिकल इलेक्ट्रॉनिक्स और उत्प्रेरक 14,19,20 में कई अनुप्रयोग हैं। छोटे व्यास फाइबर विकसित करने से सतह क्षेत्र से मात्रा अनुपात में काफी वृद्धि हो सकती है, जो कई अनुप्रयोगों के लिए बहुत महत्वपूर्ण है, खासकर व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरण क्षेत्र में। एसबीएस द्वारा उत्पन्न तंतुओं का व्यास और आकृति विज्ञान बहुलक के दाढ़ द्रव्यमान, समाधान में बहुलक एकाग्रता, समाधान की चिपचिपाहट, बहुलक समाधान प्रवाह दर, गैस दबाव, काम करने की दूरी और स्प्रे नोजल के व्यास 14,15,17 पर निर्भर करता है।
एसबीएस तंत्र की एक महत्वपूर्ण विशेषता स्प्रे नोजल है जिसमें एक आंतरिक और एक संकेंद्रित बाहरी नोजल शामिल है। वाष्पशील विलायक में घुलने वाले बहुलक को आंतरिक नलिका के माध्यम से पंप किया जाता है जबकि बाहरी नलिका के माध्यम से एक दबाव वाली गैस बहती है। बाहरी नलिका से बाहर निकलने वाली उच्च वेग वाली गैस आंतरिक नलिका के माध्यम से बहने वाले बहुलक समाधान को कतरने के लिए प्रेरित करती है। स्प्रे नोजल से बाहर निकलने पर यह समाधान को शंक्वाकार आकार बनाने के लिए मजबूर करता है। जब शंकु की नोक पर सतह का तनाव दूर हो जाता है, तो बहुलक समाधान की एक अच्छी धारा बाहर निकल जाती है, और विलायक तेजी से वाष्पित हो जाता है जिससे बहुलक किस्में बहुलक फाइबर के रूप में संगठित और जमा हो जाती हैं। एक रेशेदार संरचना का गठन, जैसा कि विलायक वाष्पित होता है, बहुलक दाढ़ द्रव्यमान और समाधान एकाग्रता पर दृढ़ता से निर्भर करता है। फाइबर श्रृंखला उलझाव द्वारा बनते हैं, जब समाधान में बहुलक श्रृंखलाएं एक एकाग्रता पर ओवरलैप करना शुरू करती हैं जिसे महत्वपूर्ण ओवरलैप एकाग्रता (सी *) के रूप में जाना जाता है। इसलिए, चयनित बहुलक / विलायक प्रणाली के सी * के ऊपर बहुलक समाधानों के साथ काम करना आवश्यक है। इसके अलावा, इसे प्राप्त करने के लिए एक आसान रणनीति अपेक्षाकृत उच्च दाढ़ द्रव्यमान वाले पॉलिमर चुनना है। उच्च दाढ़ द्रव्यमान वाले पॉलिमर में बहुलक विश्राम समय में वृद्धि हुई है, जो सीधे रेशेदार संरचनाओं के गठन में वृद्धि से संबंधित है, जैसा कि साहित्य21 में वर्णित है। चूंकि एसबीएस में उपयोग किए जाने वाले कई पैरामीटर दृढ़ता से सहसंबद्ध हैं, इस काम का लक्ष्य रेशेदार बहुलक-इलास्टोमर मैट्रिक्स में नैनोकणों को शामिल करके शरीर के कवच अनुप्रयोगों में पाए जाने वाले विशिष्ट बाइंडर सामग्रियों के विकल्प के रूप में उपयोग किए जाने वाले असमर्थ, और लचीले बहुलक फाइबर नैनोकम्पोजिट्स को विकसित करने के लिए मार्गदर्शन प्रदान करना है।
यहां वर्णित विधि एक अपेक्षाकृत नई तकनीक के माध्यम से बहुलक इलास्टोमर नैनोकम्पोजिट फाइबर मैट के उत्पादन के लिए एक प्रोटोकॉल प्रदान करती है जिसे समाधान ब्लो स्पिनिंग के रूप में जाना जाता है। यह तकनीक न?…
The authors have nothing to disclose.
लेखक समाधान ब्लो स्पिनिंग उपकरण के निर्माण के लिए अपने महत्वपूर्ण योगदान के लिए श्री ड्वाइट डी बैरी को स्वीकार करना चाहते हैं। जोइस त्सिनास और रन ताओ क्रमशः पुरस्कार # 70NANB20H007 और # 70NANB15H112 के तहत राष्ट्रीय मानक और प्रौद्योगिकी संस्थान से वित्त पोषण स्वीकार करना चाहते हैं।
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 |