Lösningsblåsspinning av polymera nanokompositfibrer för personlig skyddsutrustning
Summary
Det primära målet med denna studie är att beskriva ett protokoll för att framställa polymera fibermattor med konsekvent morfologi via lösningsblåsspinning (SBS). Vi strävar efter att använda SBS för att utveckla nya, avstämbara, flexibla polymera fibernanokompositer för olika tillämpningar, inklusive skyddsmaterial, genom att införliva nanopartiklar i en polymer-elastomermatris.
Abstract
Lätta, skyddande pansarsystem består vanligtvis av högmodul (>109 MPa) och höghållfasta polymerfibrer som hålls på plats med ett elastiskt hartsmaterial (bindemedel) för att bilda ett non-woven, enkelriktat laminat. Medan betydande ansträngningar har fokuserats på att förbättra de mekaniska egenskaperna hos de höghållfasta fibrerna, har lite arbete gjorts för att förbättra bindemedelsmaterialens egenskaper. För att förbättra prestandan hos dessa elastomera polymerbindemedel användes en relativt ny och enkel tillverkningsprocess, känd som lösningsblåsspinning. Denna teknik kan producera ark eller banor av fibrer med medeldiametrar som sträcker sig från nanoskalan till mikroskalan. För att uppnå detta har en SBS-apparat (solution blow spinning) konstruerats och byggts i laboratoriet för att tillverka fibermattor av polymerelastomerlösningar.
I denna studie användes ett vanligt bindemedelsmaterial, en styren-butadien-styren-block-co-polymer upplöst i tetrahydrofuran, för att producera nanokompositfibermattor genom att tillsätta metalliska nanopartiklar (NP), såsom järnoxid-NP, som kapslades in med kiselolja och därmed införlivades i fibrerna som bildades via SBS-processen. Protokollet som beskrivs i detta arbete kommer att diskutera effekterna av de olika kritiska parametrarna som är involverade i SBS-processen, inklusive polymermolmassan, valet av det termodynamiskt lämpliga lösningsmedlet, polymerkoncentrationen i lösning och bärgastrycket för att hjälpa andra att utföra liknande experiment, samt ge vägledning för att optimera konfigurationen av den experimentella installationen. Den strukturella integriteten och morfologin hos de resulterande fibermattorna undersöktes med hjälp av svepelektronmikroskopi (SEM) och elementär röntgenanalys via energidispersiv röntgenspektroskopi (EDS). Målet med denna studie är att utvärdera effekterna av de olika experimentella parametrarna och materialvalen för att optimera strukturen och morfologin hos SBS-fibermattorna.
Introduction
Många lätta, ballistiska, skyddande pansarsystem är för närvarande konstruerade med hjälp av högmodulära och höghållfasta polymerfibrer, såsom orienterade, ultrahöga molmassapolyetenfibrer eller aramider, som ger enastående ballistiskt motstånd 1,2. Dessa fibrer används i kombination med ett elastiskt hartsmaterial (bindemedel) som kan tränga in i filamentnivån och säkra fibrerna i en 0 ° / 90 ° konfiguration för att bilda ett non-woven, enkelriktat laminat. Procentandelen av polymerelastomerhartset (bindemedlet) bör inte överstiga 13% av det enkelriktade laminatets totala vikt för att bibehålla den strukturella integriteten och antiballistiska egenskaperna hos laminatstrukturen 3,4. Bindemedlet är en mycket viktig komponent i rustningen eftersom det håller de höghållfasta fibrerna ordentligt orienterade och tätt packade i varje laminatskikt3. Elastomermaterial som vanligtvis används som bindemedel i kroppspansarapplikationer har mycket låg dragmodul (t.ex. ~ 17,2 MPa vid ~ 23 ° C), låg glasövergångstemperatur (helst under -50 ° C), mycket hög töjning vid brott (så hög som 300%) och måste visa utmärkta limegenskaper5.
För att förbättra prestandan hos dessa polymerelastomerer utfördes SBS för att skapa fibrösa elastomermaterial som kan användas som bindemedel i kroppspansarapplikationer. SBS är en relativt ny, mångsidig teknik som möjliggör användning av olika polymer-/lösningsmedelssystem och skapande av olika slutprodukter 6,7,8,9,10,11,12,13. Denna enkla process involverar snabb (10x elektrospinningshastigheten) avsättning av konforma fibrer på både plana och icke-plana substrat för att tillverka ark eller banor av fibrer som omfattar nano- och mikrolängdskalor 14,15,16,17,18. SBS-material har många tillämpningar inom medicinska produkter, luftfilter, skyddsutrustning, sensorer, optisk elektronik och katalysatorer14,19,20. Att utveckla fibrer med liten diameter kan drastiskt öka förhållandet mellan yta och volym, vilket är mycket viktigt för flera applikationer, särskilt inom området personlig skyddsutrustning. Diametern och morfologin hos fibrerna som genereras av SBS beror på polymerens molära massa, polymerkoncentration i lösningen, lösningens viskositet, polymerlösningsflödeshastighet, gastryck, arbetsavstånd och sprutmunstyckets diameter14,15,17.
En viktig egenskap hos SBS-apparaten är sprutmunstycket som består av ett inre och ett koncentriskt yttre munstycke. Polymeren upplöst i ett flyktigt lösningsmedel pumpas genom det inre munstycket medan en trycksatt gas strömmar genom det yttre munstycket. Höghastighetsgasen som lämnar det yttre munstycket inducerar skjuvning av polymerlösningen som strömmar genom det inre munstycket. Detta tvingar lösningen att bilda en konisk form när den lämnar sprutmunstycket. När ytspänningen vid konens spets övervinns matas en fin ström av polymerlösning ut och lösningsmedlet avdunstar snabbt vilket gör att polymersträngar samlas och deponeras som polymerfibrer. Bildandet av en fibrös struktur, när lösningsmedlet avdunstar, beror starkt på polymermolmassan och lösningskoncentrationen. Fibrer bildas genom kedjeförvirring, när polymerkedjor i lösning börjar överlappa varandra vid en koncentration som kallas den kritiska överlappningskoncentrationen (c *). Därför är det nödvändigt att arbeta med polymerlösningar över c* för det valda polymer-/lösningsmedelssystemet. En enkel strategi för att uppnå detta är också att välja polymerer med relativt hög molmassa. Polymerer med högre molmassa har ökade polymeravslappningstider, vilket är direkt relaterat till en ökning av bildandet av fibrösa strukturer, som beskrivs i litteraturen21. Eftersom många av parametrarna som används i SBS är starkt korrelerade, är målet med detta arbete att ge vägledning för att utveckla avstämbara och flexibla polymerfibernanokompositer som ska användas som alternativ för typiska bindemedelsmaterial som finns i kroppspansarapplikationer genom att införliva nanopartiklar i den fibrösa polymer-elastomermatrisen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Metoden som beskrivs häri ger ett protokoll för att producera polymerelastomernanokompositfibermattor via en relativt ny teknik som kallas lösningsblåsspinning. Denna teknik möjliggör tillverkning av fibrer i nanoskala och har flera fördelar jämfört med andra väletablerade tekniker, såsom elektrospinningsprocessen, eftersom den kan utföras under atmosfärstryck och rumstemperatur27. Dessutom är SBS inte särskilt mottagligt för lokala miljöförändringar (temperatur eller luftfuktig…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka Dwight D. Barry för hans viktiga bidrag för tillverkning av lösningsblåsspinnapparaten. Zois Tsinas och Ran Tao vill erkänna finansiering från National Institute of Standards and Technology under utmärkelserna # 70NANB20H007 respektive # 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).
