Filage par soufflage en solution de fibres nanocomposites polymères pour équipement de protection individuelle
Summary
L’objectif principal de cette étude est de décrire un protocole pour préparer des tapis de fibres polymères avec une morphologie cohérente via le filage en solution (SBS). Notre objectif est d’utiliser SBS pour développer de nouveaux nanocomposites de fibres polymères flexibles et accordables pour diverses applications, y compris des matériaux de protection, en incorporant des nanoparticules dans une matrice polymère-élastomère.
Abstract
Les systèmes de blindage de protection légers se composent généralement de fibres polymères à haut module (>109 MPa) et à haute résistance maintenues en place avec un matériau de résine élastique (liant) pour former un stratifié unidirectionnel non tissé. Bien que des efforts importants aient été consacrés à l’amélioration des propriétés mécaniques des fibres à haute résistance, peu de travaux ont été entrepris pour améliorer les propriétés des liants. Pour améliorer les performances de ces liants polymères élastomères, un procédé de fabrication relativement nouveau et simple, connu sous le nom de filage par soufflage en solution, a été utilisé. Cette technique est capable de produire des feuilles ou des toiles de fibres avec des diamètres moyens allant de l’échelle nanométrique à l’échelle microscopique. Pour ce faire, un appareil de filage par soufflage en solution (SBS) a été conçu et construit en laboratoire pour fabriquer des tapis de fibres non tissées à partir de solutions d’élastomères polymères.
Dans cette étude, un liant couramment utilisé, un copolymère bloc styrène-butadiène-styrène dissous dans du tétrahydrofurane, a été utilisé pour produire des tapis de fibres nanocomposites en ajoutant des nanoparticules métalliques (NP), telles que des NP d’oxyde de fer, qui ont été encapsulées avec de l’huile de silicium et donc incorporées dans les fibres formées via le procédé SBS. Le protocole décrit dans ce travail traitera des effets des divers paramètres critiques impliqués dans le procédé SBS, y compris la masse molaire du polymère, la sélection du solvant thermodynamiquement approprié, la concentration du polymère en solution et la pression du gaz porteur pour aider les autres à effectuer des expériences similaires, ainsi que fournir des conseils pour optimiser la configuration de la configuration expérimentale. L’intégrité structurelle et la morphologie des tapis de fibres non tissées qui en résultent ont été examinées à l’aide de la microscopie électronique à balayage (MEB) et de l’analyse élémentaire des rayons X par spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie (EDS). Le but de cette étude est d’évaluer les effets des différents paramètres expérimentaux et des sélections de matériaux afin d’optimiser la structure et la morphologie des tapis de fibres SBS.
Introduction
De nombreux systèmes de blindage de protection balistique légers sont actuellement construits à l’aide de fibres polymères à haut module et à haute résistance, telles que des fibres de polyéthylène orientées et de masse molaire ultra-élevée ou des aramides, qui offrent une résistance balistique exceptionnelle 1,2. Ces fibres sont utilisées en combinaison avec un matériau de résine élastique (liant) qui peut pénétrer au niveau du filament et fixer les fibres dans une configuration 0°/90° pour former un stratifié unidirectionnel non tissé. Le pourcentage de résine élastomère polymère (liant) ne doit pas dépasser 13 % du poids total du stratifié unidirectionnel afin de maintenir l’intégrité structurelle et les propriétés antibalistiques de la structure stratifiée 3,4. Le liant est un composant très important de l’armure car il maintient les fibres à haute résistance correctement orientées et bien emballées dans chaque couche de stratifié3. Les matériaux élastomères couramment utilisés comme liants dans les applications de gilets pare-balles ont un module de traction très faible (par exemple, ~17,2 MPa à ~23 °C), une température de transition vitreuse basse (de préférence inférieure à -50 °C), un allongement très élevé à la rupture (jusqu’à 300%) et doivent présenter d’excellentes propriétés adhésives5.
Pour améliorer les performances de ces élastomères polymères, SBS a été réalisé pour créer des matériaux élastomères fibreux qui peuvent être utilisés comme liants dans les applications de gilets pare-balles. Le SBS est une technique relativement nouvelle et polyvalente permettant l’utilisation de différents systèmes polymères/solvants et la création de différents produits finis 6,7,8,9,10,11,12,13. Ce processus simple implique le dépôt rapide (10x le taux d’électrofilage) de fibres conformes sur des substrats planaires et non planaires pour fabriquer des feuilles ou des bandes de fibres qui englobent des échelles nano et micro 14,15,16,17,18. Les matériaux SBS ont de nombreuses applications dans les produits médicaux, les filtres à air, les équipements de protection, les capteurs, l’électronique optique et les catalyseurs14,19,20. Le développement de fibres de petit diamètre permet d’augmenter considérablement le rapport surface/volume, ce qui est très important pour plusieurs applications, en particulier dans le domaine des équipements de protection individuelle. Le diamètre et la morphologie des fibres générées par le SBS dépendent de la masse molaire du polymère, de la concentration du polymère dans la solution, de la viscosité de la solution, du débit de la solution de polymère, de la pression du gaz, de la distance de travail et du diamètre de la buse de pulvérisation14,15,17.
Une caractéristique importante de l’appareil SBS est la buse de pulvérisation composée d’une buse intérieure et d’une buse externe concentrique. Le polymère dissous dans un solvant volatil est pompé à travers la buse interne tandis qu’un gaz sous pression circule à travers la buse externe. Le gaz à grande vitesse sortant de la buse externe induit le cisaillement de la solution de polymère qui s’écoule à travers la buse interne. Cela force la solution à former une forme conique à la sortie de la buse de pulvérisation. Lorsque la tension superficielle à l’extrémité du cône est surmontée, un fin flux de solution polymère est éjecté et le solvant s’évapore rapidement, provoquant la fusion et le dépôt de brins de polymère sous forme de fibres polymères. La formation d’une structure fibreuse, lorsque le solvant s’évapore, dépend fortement de la masse molaire du polymère et de la concentration de la solution. Les fibres sont formées par enchevêtrement de chaînes, lorsque les chaînes polymères en solution commencent à se chevaucher à une concentration connue sous le nom de concentration de chevauchement critique (c*). Par conséquent, il est nécessaire de travailler avec des solutions polymères au-dessus du c* du système polymère/solvant sélectionné. En outre, une stratégie facile pour y parvenir consiste à choisir des polymères avec une masse molaire relativement élevée. Les polymères ayant une masse molaire plus élevée ont des temps de relaxation des polymères plus élevés, ce qui est directement lié à une augmentation de la formation de structures fibreuses, comme décrit dans la littérature21. Comme bon nombre des paramètres utilisés dans le SBS sont fortement corrélés, l’objectif de ce travail est de fournir des conseils pour développer des nanocomposites de fibres polymères accordables et flexibles à utiliser comme alternatives aux matériaux liants typiques trouvés dans les applications de gilets pare-balles en incorporant des nanoparticules dans la matrice fibreuse polymère-élastomère.
Protocol
Representative Results
Discussion
La méthode décrite ici fournit un protocole pour la production de tapis de fibres nanocomposites en élastomère polymère via une technique relativement nouvelle connue sous le nom de filage par soufflage en solution. Cette technique permet la fabrication de fibres à l’échelle nanométrique et présente plusieurs avantages par rapport à d’autres techniques bien établies, telles que le procédé d’électrofilage, car elle peut être réalisée sous pression atmosphérique et température ambiante<sup class="x…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs tiennent à remercier M. Dwight D. Barry pour son importante contribution à la fabrication de l’appareil de filage par soufflage en solution. Zois Tsinas et Ran Tao aimeraient remercier le National Institute of Standards and Technology pour le financement des prix # 70NANB20H007 et # 70NANB15H112, respectivement.
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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