Løsning Blæsespinding af polymere nanokompositfibre til personlige værnemidler

Summary

Det primære mål med denne undersøgelse er at beskrive en protokol til fremstilling af polymere fibermåtter med konsistent morfologi via opløsningsblæsespinding (SBS). Vi sigter mod at bruge SBS til at udvikle nye, tunable, fleksible polymere fiber nanokompositter til forskellige anvendelser, herunder beskyttende materialer, ved at inkorporere nanopartikler i en polymer-elastomer matrix.

Abstract

Letvægtige, beskyttende rustningssystemer består typisk af højmodul (>10⁹ MPa) og højstyrke polymerfibre, der holdes på plads med et elastisk harpiksmateriale (bindemiddel) for at danne et ikke-vævet, ensrettet laminat. Mens en betydelig indsats har fokuseret på at forbedre de mekaniske egenskaber af højstyrkefibrene, er der kun gjort lidt arbejde for at forbedre bindemiddelmaterialernes egenskaber. For at forbedre ydeevnen af disse elastomere polymerbindemidler blev der anvendt en relativt ny og enkel fremstillingsproces, kendt som opløsningsblæsning. Denne teknik er i stand til at producere plader eller baner af fibre med gennemsnitlige diametre lige fra nanoskala til mikroskala. For at opnå dette er et opløsningsblæsespindingsapparat (SBS) designet og bygget i laboratoriet til fremstilling af ikke-vævede fibermåtter fra polymerelastomeropløsninger.

I denne undersøgelse blev et almindeligt anvendt bindemiddelmateriale, en styren-butadien-styren-blok-co-polymer opløst i tetrahydrofuran, brugt til at fremstille nanokompositfibermåtter ved at tilføje metalliske nanopartikler (NP’er), såsom jernoxid-NP’er, der blev indkapslet med siliciumolie og dermed inkorporeret i fibrene dannet via SBS-processen. Protokollen, der er beskrevet i dette arbejde, vil diskutere virkningerne af de forskellige kritiske parametre, der er involveret i SBS-processen, herunder polymermolmassen, udvælgelsen af det termodynamisk passende opløsningsmiddel, polymerkoncentrationen i opløsningen og bærergastrykket for at hjælpe andre med at udføre lignende eksperimenter samt give vejledning til optimering af konfigurationen af den eksperimentelle opsætning. Den strukturelle integritet og morfologi af de resulterende ikke-vævede fibermåtter blev undersøgt ved hjælp af scanningselektronmikroskopi (SEM) og elementær røntgenanalyse via energidispergerende røntgenspektroskopi (EDS). Målet med denne undersøgelse er at evaluere virkningerne af de forskellige eksperimentelle parametre og materialevalg for at optimere strukturen og morfologien af SBS fibermåtter.

Introduction

Mange lette, ballistiske, beskyttende rustningssystemer er i øjeblikket konstrueret ved hjælp af højmodul og højstyrke polymere fibre, såsom orienterede, ultrahøje molære massepolyethylenfibre eller aramider, som giver fremragende ballistisk modstand ^1,2. Disse fibre anvendes i kombination med et elastisk harpiksmateriale (bindemiddel), der kan trænge ind i filamentniveauet og fastgøre fibrene i en 0 ° / 90 ° konfiguration for at danne et ikke-vævet, ensrettet laminat. Procentdelen af polymerelastomerharpiks (bindemiddel) bør ikke overstige 13% af den samlede vægt af det ensrettede laminat for at opretholde laminatstrukturens strukturelle integritet og antiballistiske egenskaber ^3,4. Bindemidlet er en meget vigtig komponent i rustningen, da det holder højstyrkefibrene korrekt orienteret og tæt pakket inden for hvert laminatlag³. Elastomermaterialer, der almindeligvis anvendes som bindemidler i kropspanserapplikationer, har meget lavt trækmodul (f.eks. ~ 17,2 MPa ved ~ 23 ° C), lav glasovergangstemperatur (helst under -50 ° C), meget høj forlængelse ved pause (så høj som 300%) og skal demonstrere fremragende klæbeegenskaber⁵.

For at forbedre ydeevnen af disse polymerelastomerer blev SBS udført for at skabe fibrøse elastomermaterialer, der kan bruges som bindemidler i kropspanserapplikationer. SBS er en relativt ny, alsidig teknik, der muliggør brug af forskellige polymer-/opløsningsmiddelsystemer og oprettelse af forskellige slutprodukter 6,7,8,9,10,11,12,13. Denne enkle proces involverer hurtig (10x hastigheden af elektrospinning) aflejring af konforme fibre på både plane og ikke-plane substrater for at fremstille plader eller baner af fibre, der omfatter nano- og mikrolængdeskalaer 14,15,16,17,18. SBS-materialer har adskillige anvendelser inden for medicinske produkter, luftfiltre, beskyttelsesudstyr, sensorer, optisk elektronik og katalysatorer^14,19,20. Udvikling af fibre med lille diameter kan drastisk øge forholdet mellem overfladeareal og volumen, hvilket er meget vigtigt for flere applikationer, især inden for personlige værnemidler. Diameteren og morfologien af de fibre, der genereres af SBS, afhænger af polymerens molære masse, polymerkoncentrationen i opløsningen, opløsningens viskositet, polymeropløsningens strømningshastighed, gastryk, arbejdsafstand og diameter af sprøjtedysen^14,15,17.

Et vigtigt kendetegn ved SBS-apparatet er sprøjtedysen bestående af en indre og en koncentrisk ydre dyse. Polymeren opløst i et flygtigt opløsningsmiddel pumpes gennem den indre dyse, mens en trykgas strømmer gennem den ydre dyse. Den højhastighedsgas, der forlader den ydre dyse, inducerer forskydning af polymeropløsningen, der strømmer gennem den indre dyse. Dette tvinger opløsningen til at danne en konisk form, når sprøjtedysen forlades. Når overfladespændingen ved keglens spids er overvundet, udstødes en fin strøm af polymeropløsning, og opløsningsmidlet fordamper hurtigt, hvilket får polymerstrenge til at samle sig og aflejres som polymerfibre. Dannelsen af en fibrøs struktur, som opløsningsmiddel fordamper, afhænger stærkt af polymermolmassen og opløsningskoncentrationen. Fibre dannes ved kædesammenfiltring, når polymerkæder i opløsning begynder at overlappe hinanden ved en koncentration kendt som den kritiske overlapningskoncentration (c *). Derfor er det nødvendigt at arbejde med polymeropløsninger over c* for det valgte polymer-/opløsningsmiddelsystem. En nem strategi for at opnå dette er også at vælge polymerer med relativt høj molær masse. Polymerer med højere molær masse har øget polymerafslapningstider, hvilket er direkte relateret til en stigning i dannelsen af fibrøse strukturer, som beskrevet i litteraturen²¹. Da mange af de parametre, der anvendes i SBS, er stærkt korrelerede, er målet med dette arbejde at give vejledning til at udvikle tunable og fleksible polymere fiber nanokompositter, der skal bruges som alternativer til typiske bindemiddelmaterialer, der findes i kropspanserapplikationer ved at inkorporere nanopartikler i den fibrøse polymer-elastomermatrix.

Protocol

BEMÆRK: Detaljer relateret til udstyr, instrumentering og kemikalier, der anvendes i dette afsnit, findes i materialetabellen. Hele denne protokol skal først gennemgås og godkendes af den institutionelle sikkerhedsafdeling/personale for at sikre, at procedurer og processer, der er specifikke for institutionen, overholdes. 1. Fremstilling af polymeropløsning under anvendelse af det passende opløsningsmiddel BEMÆRK: Konsulter sikkerhedsdatablade f…

Representative Results

I denne undersøgelse blev ikke-vævede fibermåtter bestående af poly (styren-butadien-styren) fibre i nano- og mikroskala syntetiseret med og uden tilstedeværelse af jernoxid-NP’er. For at danne fibre skal SBS-parametrene vælges omhyggeligt for det anvendte polymer-/opløsningsmiddelsystem. Den molære masse af den opløste polymer og opløsningskoncentrationen er afgørende for at kontrollere morfologien af strukturerne produceret ved SBS-processen. I denne undersøgelse blev en poly(styren-butadien-styren) blok-co…

Discussion

Metoden beskrevet heri giver en protokol til fremstilling af polymerelastomer nanokompositfibermåtter via en relativt ny teknik kendt som opløsningsblæsning. Denne teknik tillader fremstilling af fibre i nanoskala og har flere fordele i forhold til andre veletablerede teknikker, såsom elektrospinningsprocessen, da den kan udføres under atmosfærisk tryk og stuetemperatur²⁷. Desuden er SBS ikke særlig modtagelig for lokale miljøændringer (temperatur eller fugtighed) og kræver ikke hårde e…

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