Решение Выдувное прядение полимерных нанокомпозитных волокон для средств индивидуальной защиты
Summary
Основной целью этого исследования является описание протокола приготовления полимерно-волокнистых матов с последовательной морфологией с помощью выдувного прядения раствора (SBS). Мы стремимся использовать SBS для разработки новых, настраиваемых, гибких нанокомпозитов полимерного волокна для различных применений, включая защитные материалы, путем включения наночастиц в полимерно-эластомерную матрицу.
Abstract
Легкие системы защитной брони обычно состоят из высокого модуля (>109 МПа) и высокопрочных полимерных волокон, удерживаемых на месте с помощью эластичного смоляного материала (связующего), чтобы сформировать нетканый однонаправленный ламинат. В то время как значительные усилия были сосредоточены на улучшении механических свойств высокопрочных волокон, мало что было предпринято для улучшения свойств связующих материалов. Для повышения производительности этих эластомерных полимерных связующих использовался относительно новый и простой процесс изготовления, известный как выдувное прядение раствора. Этот метод способен производить листы или полотна волокон со средними диаметрами, варьирующимися от наноразмерных до микромасштабных. Для достижения этой цели в лаборатории был разработан и построен аппарат для выдувного прядения раствора (SBS) для изготовления нетканых волоконных матов из растворов полимерных эластомеров.
В этом исследовании широко используемый связующий материал, стирол-бутадиен-стирольный блок-сополимер, растворенный в тетрагидрофуране, использовался для получения нанокомпозитных волоконных матов путем добавления металлических наночастиц (NP), таких как NP оксида железа, которые были инкапсулированы кремниевым маслом и, таким образом, включены в волокна, образованные в процессе SBS. В протоколе, описанном в этой работе, будут обсуждаться эффекты различных критических параметров, участвующих в процессе SBS, включая полимерную молярную массу, выбор термодинамически подходящего растворителя, концентрацию полимера в растворе и давление газа-носителя, чтобы помочь другим в выполнении аналогичных экспериментов, а также дать руководство по оптимизации конфигурации экспериментальной установки. Структурную целостность и морфологию полученных нетканых волоконных матов исследовали с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и элементного рентгеновского анализа с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДС). Целью данного исследования является оценка влияния различных экспериментальных параметров и выбора материала для оптимизации структуры и морфологии волоконных матов SBS.
Introduction
Многие легкие, баллистические, защитные броневые системы в настоящее время построены с использованием высокомодульных и высокопрочных полимерных волокон, таких как ориентированные полиэтиленовые волокна сверхвысокой молярной массы или арамиды, которые обеспечивают выдающееся баллистическое сопротивление 1,2. Эти волокна используются в сочетании с эластичным смоляным материалом (связующим веществом), который может проникать до уровня нити и закреплять волокна в конфигурации 0 ° / 90 ° для формирования нетканого, однонаправленного ламината. Процентное содержание полимерной эластомерной смолы (связующего) не должно превышать 13% от общей массы однонаправленного ламината для поддержания структурной целостности и антибаллистических свойств структуры ламината 3,4. Связующее является очень важным компонентом брони, поскольку оно сохраняет высокопрочные волокна правильно ориентированными и плотно упакованными внутри каждого слоя ламината3. Эластомерные материалы, обычно используемые в качестве связующих в бронежилетах, имеют очень низкий модуль растяжения (например, ~17,2 МПа при ~23 °C), низкую температуру стеклования (предпочтительно ниже -50 °C), очень высокое удлинение при разрыве (до 300%) и должны демонстрировать отличные адгезионные свойства5.
Чтобы улучшить производительность этих полимерных эластомеров, SBS был выполнен для создания волокнистых эластомерных материалов, которые могут быть использованы в качестве связующих в бронежилетах. SBS является относительно новым, универсальным методом, позволяющим использовать различные системы полимеров / растворителей и создавать различные конечные продукты 6,7,8,9,10,11,12,13. Этот простой процесс включает в себя быстрое (в 10 раз превышающее скорость электроспиннинга) осаждение конформных волокон как на плоские, так и на непланарные подложки для изготовления листов или полотна волокон, которые охватывают нано- и микроразмерные масштабы 14,15,16,17,18. Материалы SBS имеют множество применений в медицинских изделиях, воздушных фильтрах, защитном оборудовании, датчиках, оптической электронике и катализаторах 14,19,20. Разработка волокон малого диаметра может резко увеличить соотношение площади поверхности к объему, что очень важно для нескольких применений, особенно в области средств индивидуальной защиты. Диаметр и морфология волокон, образуемых SBS, зависят от молярной массы полимера, концентрации полимера в растворе, вязкости раствора, расхода раствора полимера, давления газа, рабочего расстояния и диаметра распылительного сопла 14,15,17.
Важной характеристикой аппарата SBS является распылительное сопло, состоящее из внутреннего и концентрического наружного сопла. Полимер, растворенный в летучем растворителе, прокачивается через внутреннее сопло, в то время как газ под давлением протекает через внешнее сопло. Высокоскоростной газ, выходящий из наружного сопла, вызывает сдвиг полимерного раствора, протекающего через внутреннее сопло. Это заставляет раствор образовывать коническую форму при выходе из распылительного сопла. При преодолении поверхностного натяжения на кончике конуса выбрасывается мелкая струя полимерного раствора, и растворитель быстро испаряется, заставляя полимерные нити сливаться и откладываться в виде полимерных волокон. Образование волокнистой структуры, по мере испарения растворителя, сильно зависит от молярной массы полимера и концентрации раствора. Волокна образуются путем запутывания цепи, когда полимерные цепи в растворе начинают перекрываться при концентрации, известной как критическая концентрация перекрытия (c*). Поэтому необходимо работать с полимерными растворами выше c* выбранной системы полимер/растворитель. Кроме того, простая стратегия для достижения этого заключается в выборе полимеров с относительно высокой молярной массой. Полимеры с более высокой молярной массой имеют увеличенное время релаксации полимера, что напрямую связано с увеличением образования волокнистых структур, как описано в литературе21. Поскольку многие параметры, используемые в SBS, сильно коррелируют, целью этой работы является предоставление руководства по разработке перестраиваемых и гибких нанокомпозитов полимерного волокна, которые будут использоваться в качестве альтернативы типичным связующим материалам, обнаруженным в бронежилетах, путем включения наночастиц в волокнистую полимерно-эластомерную матрицу.
Protocol
Representative Results
Discussion
Способ, описанный в настоящем описании, обеспечивает протокол получения полимерных эластомерных нанокомпозитных волоконных матов с помощью относительно нового метода, известного как выдувное прядение раствора. Этот метод позволяет изготавливать волокна в наномасштабе и имеет ряд п?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы воздать должное г-ну Дуайту Д. Барри за его важный вклад в изготовление устройства для прядения раствора. Зоис Цинас и Ран Тао хотели бы отметить финансирование от Национального института стандартов и технологий в рамках премий No 70NANB20H007 и No 70NANB15H112 соответственно.
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).
