개인 보호 장비용 고분자 나노 복합 섬유의 용액 블로우 방사
Summary
이 연구의 주요 목표는 용액 블로우 스피닝(SBS)을 통해 일관된 형태를 가진 고분자 섬유 매트를 제조하는 프로토콜을 설명하는 것입니다. 우리는 SBS를 사용하여 폴리머-엘라스토머 매트릭스에 나노 입자를 통합하여 보호 재료를 포함한 다양한 응용 분야를 위한 새롭고 조정 가능하며 유연한 고분자 섬유 나노복합체를 개발하는 것을 목표로 합니다.
Abstract
경량 보호 갑옷 시스템은 일반적으로 고탄성률(>109MPa ) 및 탄성 수지 재료(바인더)와 함께 제자리에 고정된 고강도 고분자 섬유로 구성되어 부직포 단방향 라미네이트를 형성합니다. 고강도 섬유의 기계적 특성을 개선하는 데 상당한 노력이 집중되었지만 바인더 재료의 특성을 개선하기 위한 작업은 거의 수행되지 않았습니다. 이러한 엘라스토머 폴리머 바인더의 성능을 향상시키기 위해, 용액 블로우 방사로 알려진 비교적 새롭고 간단한 제조 공정이 사용되었다. 이 기술은 나노 스케일에서 마이크로 스케일에 이르는 평균 직경을 가진 섬유 시트 또는 웹을 생산할 수 있습니다. 이를 달성하기 위해 용액 블로우 스피닝 (SBS) 장치가 폴리머 엘라스토머 용액으로 부직포 매트를 제조하기 위해 실험실에서 설계 및 제작되었습니다.
이 연구에서는 일반적으로 사용되는 바인더 재료 인 스티렌 – 부타디엔 – 스티렌 블록 – 코 – 폴리머 테트라 하이드로 푸란에 용해 된, 산화철 NP와 같은 금속 나노 입자 (NP)를 첨가하여 나노 복합 섬유 매트를 제조하는 데 사용되었으며, 이는 실리콘 오일로 캡슐화되어 SBS 공정을 통해 형성된 섬유에 통합되었습니다. 이 작업에 설명된 프로토콜은 고분자 몰 질량, 열역학적으로 적절한 용매 선택, 용액 내 폴리머 농도 및 캐리어 가스 압력을 포함하여 SBS 공정과 관련된 다양한 중요 파라미터의 효과에 대해 논의하여 다른 사람들이 유사한 실험을 수행하는 데 도움을 줄 뿐만 아니라 실험 설정의 구성을 최적화하기 위한 지침을 제공합니다. 생성 된 부직포 매트의 구조적 무결성 및 형태는 주사 전자 현미경 (SEM) 및 에너지 분산 X 선 분광법 (EDS)을 통한 원소 X 선 분석을 사용하여 검사되었다. 이 연구의 목표는 SBS 섬유 매트의 구조 및 형태를 최적화하기 위해 다양한 실험 파라미터 및 재료 선택의 효과를 평가하는 것이다.
Introduction
많은 경량, 탄도, 보호 갑옷 시스템은 현재 뛰어난 탄도 저항1,2를 제공하는 방향성, 초고 몰 질량 폴리에틸렌 섬유 또는 아라미드와 같은 고탄성 및 고강도 고분자 섬유를 사용하여 구성됩니다. 이 섬유는 필라멘트 수준까지 침투하고 섬유를 0°/90° 구성으로 고정하여 부직포 단방향 라미네이트를 형성할 수 있는 탄성 수지 재료(바인더)와 함께 사용됩니다. 고분자 엘라스토머 수지(바인더)의 비율은 적층체 구조의 구조적 완전성 및 탄도 방지 특성을 유지하기 위해 일방향 적층체 총 중량의 13%를 초과해서는 안 된다(3,4). 바인더는 고강도 섬유가 각 라미네이트 층(3) 내에 적절하게 배향되고 단단히 충전되도록 유지하기 때문에 갑옷의 매우 중요한 구성 요소입니다. 방탄복 응용 분야에서 바인더로 일반적으로 사용되는 엘라스토머 재료는 매우 낮은 인장 계수(예: ~23°C에서 ~17.2MPa), 낮은 유리 전이 온도(바람직하게는 -50°C 미만), 매우 높은 파단 신율(최대 300%)을 가지며 우수한접착 특성을 보여야 합니다5.
이러한 폴리머 엘라스토머의 성능을 향상시키기 위해, SBS는 방탄복 용도에서 바인더로서 사용될 수 있는 섬유질 엘라스토머 재료를 생성하기 위해 수행되었다. SBS는 상이한 중합체/용매 시스템의 사용 및 상이한 최종 생성물 6,7,8,9,10,11,12,13의 생성을 허용하는 비교적 새롭고 다재다능한 기술이다. 이 간단한 공정은 나노 및 마이크로 길이 스케일 14,15,16,17,18을 포함하는 섬유 시트 또는 웹을 제조하기 위해 평면 및 비평면 기판 모두에 컨 포멀 섬유를 신속히 (전기 방사 속도 의 10 배) 증착하는 것을 포함합니다. SBS 재료는 의료 제품, 공기 필터, 보호 장비, 센서, 광학 전자 장치 및 촉매14,19,20에 수많은 응용 분야를 가지고 있습니다. 작은 직경의 섬유를 개발하면 표면적 대 부피 비율을 크게 늘릴 수 있으며, 이는 특히 개인 보호 장비 분야에서 여러 응용 분야에서 매우 중요합니다. SBS에 의해 생성된 섬유의 직경 및 형태는 중합체의 몰 질량, 용액 내의 중합체 농도, 용액의 점도, 중합체 용액 유량, 가스 압력, 작동 거리 및 스프레이 노즐(14,15,17)의 직경에 의존한다.
SBS 장치의 중요한 특성은 내부 및 동심 외부 노즐로 구성된 스프레이 노즐이다. 휘발성 용매에 용해된 폴리머는 내부 노즐을 통해 펌핑되고 가압된 가스는 외부 노즐을 통해 흐릅니다. 외부 노즐을 빠져 나가는 고속 가스는 내부 노즐을 통해 흐르는 폴리머 용액의 전단을 유도합니다. 이것은 스프레이 노즐을 빠져 나갈 때 용액이 원뿔 모양을 형성하도록합니다. 원뿔 끝의 표면 장력이 극복되면 폴리머 용액의 미세한 흐름이 분출되고 용매가 빠르게 증발하여 폴리머 가닥이 폴리머 섬유로 합쳐져 증착됩니다. 용매가 증발함에 따라 섬유 구조의 형성은 중합체 몰 질량과 용액 농도에 크게 의존합니다. 섬유는 용액의 폴리머 사슬이 임계 중첩 농도(c*)로 알려진 농도에서 겹치기 시작할 때 사슬 얽힘에 의해 형성됩니다. 따라서 선택한 폴리머/용매 시스템의 c* 이상의 폴리머 용액으로 작업해야 합니다. 또한이를 달성하기위한 쉬운 전략은 상대적으로 몰 질량이 높은 폴리머를 선택하는 것입니다. 더 높은 몰 질량을 갖는 중합체는 중합체 이완 시간을 증가시켰으며, 이는 문헌21에 기재된 바와 같이, 섬유 구조의 형성의 증가와 직접적으로 관련된다. SBS에 사용되는 많은 매개 변수가 강한 상관 관계가 있기 때문에이 작업의 목표는 섬유 성 폴리머 – 엘라스토머 매트릭스에 나노 입자를 통합하여 방탄복 응용 분야에서 발견되는 일반적인 바인더 재료의 대안으로 사용되는 조정 가능하고 유연한 고분자 섬유 나노 복합체를 개발하기위한 지침을 제공하는 것입니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
본원에 기재된 방법은 용액 블로우 방사로 알려진 비교적 새로운 기술을 통해 중합체 엘라스토머 나노복합 섬유 매트를 제조하기 위한 프로토콜을 제공한다. 이 기술은 나노 스케일의 섬유의 제조를 허용하고, 대기압 및 실온 (27) 하에서 수행 될 수 있기 때문에 전기 방사 공정과 같은 다른 잘 확립 된 기술에 비해 몇 가지 이점을 갖는다. 더욱이, SBS는 국부적 환경 변화(온도 또?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 솔루션 블로우 스피닝 장치의 제조에 대한 중요한 공헌에 대해 Dwight D. Barry 씨에게 감사를 표하고 싶습니다. Zois Tsinas와 Ran Tao는 각각 Awards # 70NANB20H007 및 # 70NANB15H112에 따라 National Institute of Standards and Technology의 자금 지원을 인정하고자합니다.
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).
