Solución Blow Spinning de fibras nanocompuestas poliméricas para equipos de protección personal
Summary
El objetivo principal de este estudio es describir un protocolo para preparar esteras de fibra polimérica con morfología consistente a través del hilado por soplado en solución (SBS). Nuestro objetivo es utilizar SBS para desarrollar nanocompuestos de fibra polimérica novedosos, sintonizables y flexibles para diversas aplicaciones, incluidos materiales de protección, mediante la incorporación de nanopartículas en una matriz de polímero-elastómero.
Abstract
Los sistemas de blindaje protectores livianos suelen consistir en fibras poliméricas de alto módulo (>109 MPa) y de alta resistencia que se mantienen en su lugar con un material de resina elástica (aglutinante) para formar un laminado unidireccional no tejido. Si bien los esfuerzos significativos se han centrado en mejorar las propiedades mecánicas de las fibras de alta resistencia, se ha realizado poco trabajo para mejorar las propiedades de los materiales aglutinantes. Para mejorar el rendimiento de estos aglutinantes de polímeros elastoméricos, se utilizó un proceso de fabricación relativamente nuevo y simple, conocido como hilado por soplado de solución. Esta técnica es capaz de producir láminas o redes de fibras con diámetros medios que van desde la nanoescala hasta la microescala. Para lograr esto, se ha diseñado y construido en el laboratorio un aparato de hilatura por soplado en solución (SBS) para fabricar esteras de fibra no tejida a partir de soluciones de elastómero polimérico.
En este estudio, se utilizó un material aglutinante de uso común, un copolímero de bloque estireno-butadieno-estireno disuelto en tetrahidrofurano, para producir esteras de fibra nanocompuestas mediante la adición de nanopartículas metálicas (NP), como NP de óxido de hierro, que se encapsularon con aceite de silicio y, por lo tanto, se incorporaron en las fibras formadas a través del proceso SBS. El protocolo descrito en este trabajo discutirá los efectos de los diversos parámetros críticos involucrados en el proceso SBS, incluida la masa molar del polímero, la selección del solvente termodinámicamente apropiado, la concentración del polímero en solución y la presión del gas portador para ayudar a otros a realizar experimentos similares, así como proporcionar orientación para optimizar la configuración de la configuración experimental. La integridad estructural y la morfología de las esteras de fibra no tejida resultantes se examinaron mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y análisis de rayos X elementales mediante espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS). El objetivo de este estudio es evaluar los efectos de los diversos parámetros experimentales y selecciones de materiales para optimizar la estructura y morfología de las esteras de fibra SBS.
Introduction
Muchos sistemas de blindaje ligeros, balísticos y protectores se construyen actualmente utilizando fibras poliméricas de alto módulo y alta resistencia, como fibras de polietileno orientadas de masa molar ultra alta o aramidas, que proporcionan una resistencia balística excepcional 1,2. Estas fibras se utilizan en combinación con un material de resina elástica (aglutinante) que puede penetrar hasta el nivel del filamento y asegurar las fibras en una configuración de 0 ° / 90 ° para formar un laminado unidireccional no tejido. El porcentaje de resina de elastómero polimérico (aglutinante) no debe exceder el 13% del peso total del laminado unidireccional para mantener la integridad estructural y las propiedades antibalísticas de la estructura laminada 3,4. El aglutinante es un componente muy importante de la armadura, ya que mantiene las fibras de alta resistencia correctamente orientadas y empaquetadas firmemente dentro de cada capa laminada3. Los materiales de elastómero comúnmente utilizados como aglutinantes en aplicaciones de armadura corporal tienen un módulo de tracción muy bajo (por ejemplo, ~ 17.2 MPa a ~ 23 ° C), baja temperatura de transición vítrea (preferiblemente por debajo de -50 ° C), muy alta elongación a la rotura (tan alta como 300%) y deben demostrar excelentes propiedades adhesivas5.
Para mejorar el rendimiento de estos elastómeros poliméricos, se realizó SBS para crear materiales de elastómero fibroso que se pueden usar como aglutinantes en aplicaciones de armadura corporal. SBS es una técnica relativamente nueva y versátil que permite el uso de diferentes sistemas de polímeros / solventes y la creación de diferentes productos finales 6,7,8,9,10,11,12,13. Este proceso simple implica la deposición rápida (10 veces la velocidad de electrohilado) de fibras conformadas sobre sustratos planos y no planos para fabricar láminas o redes de fibras que abarcan escalas de longitud nano y micro 14,15,16,17,18. Los materiales SBS tienen numerosas aplicaciones en productos médicos, filtros de aire, equipos de protección, sensores, electrónica óptica y catalizadores14,19,20. El desarrollo de fibras de diámetro pequeño puede aumentar drásticamente la relación entre el área de superficie y el volumen, lo cual es muy importante para varias aplicaciones, especialmente en el campo de los equipos de protección personal. El diámetro y la morfología de las fibras generadas por SBS dependen de la masa molar del polímero, la concentración del polímero en la solución, la viscosidad de la solución, el caudal de la solución polimérica, la presión del gas, la distancia de trabajo y el diámetro de la boquilla de pulverización14,15,17.
Una característica importante del aparato SBS es la boquilla de pulverización que consiste en una boquilla interior y una boquilla exterior concéntrica. El polímero disuelto en un disolvente volátil se bombea a través de la boquilla interior mientras que un gas presurizado fluye a través de la boquilla exterior. El gas de alta velocidad que sale de la boquilla exterior induce el cizallamiento de la solución de polímero que fluye a través de la boquilla interior. Esto obliga a la solución a formar una forma cónica al salir de la boquilla de pulverización. Cuando se supera la tensión superficial en la punta del cono, se expulsa una fina corriente de solución polimérica y el disolvente se evapora rápidamente, lo que hace que las hebras de polímero se unan y se depositen como fibras de polímero. La formación de una estructura fibrosa, a medida que el disolvente se evapora, depende en gran medida de la masa molar del polímero y de la concentración de la solución. Las fibras se forman por entrelazamiento de cadena, cuando las cadenas de polímeros en solución comienzan a superponerse a una concentración conocida como concentración crítica de superposición (c *). Por lo tanto, es necesario trabajar con soluciones poliméricas por encima de la c* del sistema polímero/disolvente seleccionado. Además, una estrategia fácil para lograr esto es elegir polímeros con masa molar relativamente alta. Los polímeros con mayor masa molar tienen mayores tiempos de relajación del polímero, lo que está directamente relacionado con un aumento en la formación de estructuras fibrosas, como se describe en la literatura21. Como muchos de los parámetros utilizados en SBS están fuertemente correlacionados, el objetivo de este trabajo es proporcionar orientación para desarrollar nanocompuestos de fibra polimérica sintonizables y flexibles para ser utilizados como alternativas para los materiales aglutinantes típicos que se encuentran en aplicaciones de armadura corporal mediante la incorporación de nanopartículas en la matriz fibrosa de polímero-elastómero.
Protocol
Representative Results
Discussion
El método descrito en este documento proporciona un protocolo para producir esteras de fibra nanocompuesta de elastómero polimérico a través de una técnica relativamente nueva conocida como hilado por soplado en solución. Esta técnica permite la fabricación de fibras en la nanoescala y tiene varias ventajas sobre otras técnicas bien establecidas, como el proceso de electrohilado, ya que puede llevarse a cabo bajo presión atmosférica y temperatura ambiente27. Además, el SBS no es altame…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean reconocer al Sr. Dwight D. Barry por sus importantes contribuciones para la fabricación del aparato de hilado de soplado de solución. Zois Tsinas y Ran Tao desean agradecer la financiación del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología bajo los premios # 70NANB20H007 y # 70NANB15H112, respectivamente.
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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