Oplossing Blow Spinning van polymere nanocomposietvezels voor persoonlijke beschermingsmiddelen
Summary
Het primaire doel van deze studie is om een protocol te beschrijven om polymere vezelmatten met consistente morfologie te bereiden via solution blow spinning (SBS). We willen SBS gebruiken om nieuwe, instelbare, flexibele polymere vezel nanocomposieten te ontwikkelen voor verschillende toepassingen, waaronder beschermende materialen, door nanodeeltjes op te nemen in een polymeer-elastomeermatrix.
Abstract
Lichtgewicht, beschermende pantsersystemen bestaan meestal uit hoge modulus (>109 MPa) en zeer sterke polymere vezels die op hun plaats worden gehouden met een elastisch harsmateriaal (bindmiddel) om een niet-geweven, unidirectioneel laminaat te vormen. Hoewel aanzienlijke inspanningen zich hebben gericht op het verbeteren van de mechanische eigenschappen van de zeer sterke vezels, is er weinig werk verricht om de eigenschappen van de bindmiddelmaterialen te verbeteren. Om de prestaties van deze elastomeerpolymeerbinders te verbeteren, werd een relatief nieuw en eenvoudig fabricageproces, bekend als solution blow spinning, gebruikt. Deze techniek is in staat om vellen of webben van vezels te produceren met gemiddelde diameters variërend van de nanoschaal tot de microschaal. Om dit te bereiken, is een oplossing blow spinning (SBS) apparaat ontworpen en gebouwd in het laboratorium om niet-geweven vezelmatten te fabriceren van polymeer elastomeer oplossingen.
In deze studie werd een veelgebruikt bindmiddelmateriaal, een styreen-butadieen-styreenblok-co-polymeer opgelost in tetrahydrofuraan, gebruikt om nanocomposietvezelmatten te produceren door metalen nanodeeltjes (NP’s) toe te voegen, zoals ijzeroxide NP’s, die werden ingekapseld met siliciumolie en dus werden opgenomen in de vezels gevormd via het SBS-proces. Het protocol dat in dit werk wordt beschreven, bespreekt de effecten van de verschillende kritische parameters die betrokken zijn bij het SBS-proces, waaronder de polymeermolaire massa, de selectie van het thermodynamisch geschikte oplosmiddel, de polymeerconcentratie in oplossing en de dragergasdruk om anderen te helpen bij het uitvoeren van vergelijkbare experimenten, evenals begeleiding om de configuratie van de experimentele opstelling te optimaliseren. De structurele integriteit en morfologie van de resulterende niet-geweven vezelmatten werden onderzocht met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM) en elementaire röntgenanalyse via energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDS). Het doel van deze studie is om de effecten van de verschillende experimentele parameters en materiaalselecties te evalueren om de structuur en morfologie van de SBS-vezelmatten te optimaliseren.
Introduction
Veel lichtgewicht, ballistische, beschermende pantsersystemen zijn momenteel gebouwd met behulp van polymere vezels met hoge modulus en hoge sterkte, zoals georiënteerde, ultrahoge molaire massa polyethyleenvezels of aramides, die een uitstekende ballistische weerstand bieden 1,2. Deze vezels worden gebruikt in combinatie met een elastisch harsmateriaal (bindmiddel) dat kan doordringen tot het filamentniveau en de vezels in een 0 ° / 90 ° -configuratie kan beveiligen om een niet-geweven, unidirectioneel laminaat te vormen. Het percentage polymeerelastomeerhars (bindmiddel) mag niet hoger zijn dan 13% van het totale gewicht van het unidirectionele laminaat om de structurele integriteit en antiballistische eigenschappen van de laminaatstructuur te behouden 3,4. Het bindmiddel is een zeer belangrijk onderdeel van het pantser omdat het de zeer sterke vezels goed georiënteerd en stevig verpakt houdt in elke laminaatlaag3. Elastomeermaterialen die vaak worden gebruikt als bindmiddelen in kogelvrije vesttoepassingen hebben een zeer lage trekmodulus (bijv. ~ 17,2 MPa bij ~ 23 ° C), lage glasovergangstemperatuur (bij voorkeur onder -50 ° C), zeer hoge rek bij breuk (zo hoog als 300%) en moeten uitstekende kleefeigenschappen vertonen5.
Om de prestaties van deze polymeerelastomeren te verbeteren, werd SBS uitgevoerd om vezelige elastomeermaterialen te maken die kunnen worden gebruikt als bindmiddelen in kogelvrije vesttoepassingen. SBS is een relatief nieuwe, veelzijdige techniek die het gebruik van verschillende polymeer/oplosmiddelsystemen en de creatie van verschillende eindproductenmogelijk maakt 6,7,8,9,10,11,12,13. Dit eenvoudige proces omvat de snelle (10x de snelheid van elektrospinning) afzetting van hoekgetrouwe vezels op zowel vlakke als niet-vlakke substraten om vellen of webben van vezels te fabriceren die nano- en microlengteschalen 14,15,16,17,18 omvatten. SBS-materialen hebben tal van toepassingen in medische producten, luchtfilters, beschermingsmiddelen, sensoren, optische elektronica en katalysatoren 14,19,20. Het ontwikkelen van vezels met een kleine diameter kan de oppervlakte-volumeverhouding drastisch vergroten, wat erg belangrijk is voor verschillende toepassingen, vooral op het gebied van persoonlijke beschermingsmiddelen. De diameter en morfologie van de door SBS gegenereerde vezels zijn afhankelijk van de molaire massa van het polymeer, de polymeerconcentratie in de oplossing, de viscositeit van de oplossing, het debiet van de polymeeroplossing, de gasdruk, de werkafstand en de diameter van de sproeikop 14,15,17.
Een belangrijk kenmerk van het SBS-apparaat is de sproeikop bestaande uit een binnenste en een concentrische buitenmondstuk. Het polymeer opgelost in een vluchtig oplosmiddel wordt door het binnenste mondstuk gepompt, terwijl een gas onder druk door het buitenste mondstuk stroomt. Het gas met hoge snelheid dat het buitenste mondstuk verlaat, induceert afschuif van de polymeeroplossing die door het binnenste mondstuk stroomt. Dit dwingt de oplossing om een conische vorm te vormen bij het verlaten van de sproeikop. Wanneer de oppervlaktespanning aan de punt van de kegel wordt overwonnen, wordt een fijne stroom polymeeroplossing uitgestoten en verdampt het oplosmiddel snel waardoor polymeerstrengen samensmelten en afzetten als polymeervezels. De vorming van een vezelachtige structuur, als oplosmiddel verdampt, hangt sterk af van de polymeer molaire massa en de oplossingsconcentratie. Vezels worden gevormd door ketenverstrengeling, wanneer polymeerketens in oplossing beginnen te overlappen bij een concentratie die bekend staat als de kritische overlapconcentratie (c *). Daarom is het noodzakelijk om te werken met polymeeroplossingen boven de c* van het geselecteerde polymeer/oplosmiddelsysteem. Een eenvoudige strategie om dit te bereiken is ook om polymeren met een relatief hoge molaire massa te kiezen. Polymeren met een hogere molaire massa hebben verhoogde polymeerontspanningstijden, wat direct verband houdt met een toename van de vorming van vezelachtige structuren, zoals beschreven in de literatuur21. Omdat veel van de parameters die in SBS worden gebruikt sterk gecorreleerd zijn, is het doel van dit werk om richtlijnen te bieden voor het ontwikkelen van afstembare en flexibele polymere vezelnanocomposieten die kunnen worden gebruikt als alternatieven voor typische bindmiddelmaterialen die worden aangetroffen in kogelvrije vesttoepassingen door nanodeeltjes op te nemen in de vezelige polymeer-elastomeermatrix.
Protocol
Representative Results
Discussion
De hierin beschreven methode biedt een protocol voor het produceren van polymeerelastomeer nanocomposiet vezelmatten via een relatief nieuwe techniek die bekend staat als solution blow spinning. Deze techniek maakt de fabricage van vezels op nanoschaal mogelijk en heeft verschillende voordelen ten opzichte van andere gevestigde technieken, zoals het elektrospinningproces, omdat het kan worden uitgevoerd onder atmosferische druk en kamertemperatuur27. Bovendien is SBS niet erg gevoelig voor lokale …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen de heer Dwight D. Barry bedanken voor zijn belangrijke bijdragen voor de fabricage van het oplossingsgeblazen spinapparaat. Zois Tsinas en Ran Tao willen graag de financiering van het National Institute of Standards and Technology erkennen onder respectievelijk Awards # 70NANB20H007 en # 70NANB15H112.
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).
