Solution blow spinning di fibre polimeriche nano-composite per dispositivi di protezione individuale
Summary
L’obiettivo principale di questo studio è quello di descrivere un protocollo per preparare tappeti in fibra polimerica con morfologia coerente tramite solution blow spinning (SBS). Miriamo a utilizzare SBS per sviluppare nanocompositi in fibra polimerica nuovi, sintonizzabili e flessibili per varie applicazioni, compresi i materiali protettivi, incorporando nanoparticelle in una matrice polimero-elastomero.
Abstract
I sistemi di armature protettive leggeri sono tipicamente costituiti da fibre polimeriche ad alto modulo (>109 MPa) e ad alta resistenza tenute in posizione con un materiale di resina elastica (legante) per formare un laminato unidirezionale non tessuto. Mentre sforzi significativi si sono concentrati sul miglioramento delle proprietà meccaniche delle fibre ad alta resistenza, poco lavoro è stato intrapreso per migliorare le proprietà dei materiali leganti. Per migliorare le prestazioni di questi leganti polimerici elastomerici, è stato utilizzato un processo di fabbricazione relativamente nuovo e semplice, noto come rotazione per soffiaggio in soluzione. Questa tecnica è in grado di produrre fogli o nastri di fibre con diametri medi che vanno dalla nanoscala alla microscala. Per raggiungere questo obiettivo, un apparato SBS (solution blow spinning) è stato progettato e costruito in laboratorio per fabbricare tappetini in fibra non tessuta da soluzioni di elastomero polimerico.
In questo studio, un materiale legante comunemente usato, un copolimero a blocchi stirene-butadiene-stirene disciolto in tetraidrofurano, è stato utilizzato per produrre tappetini in fibra nanocomposita aggiungendo nanoparticelle metalliche (NP), come NP di ossido di ferro, che sono state incapsulate con olio di silicio e quindi incorporate nelle fibre formate tramite il processo SBS. Il protocollo descritto in questo lavoro discuterà gli effetti dei vari parametri critici coinvolti nel processo SBS, tra cui la massa molare del polimero, la selezione del solvente termodinamicamente appropriato, la concentrazione del polimero in soluzione e la pressione del gas di trasporto per aiutare altri a eseguire esperimenti simili, oltre a fornire indicazioni per ottimizzare la configurazione della configurazione sperimentale. L’integrità strutturale e la morfologia delle stuoie in fibra non tessuta risultanti sono state esaminate utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM) e l’analisi a raggi X elementare tramite spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS). L’obiettivo di questo studio è valutare gli effetti dei vari parametri sperimentali e delle selezioni dei materiali per ottimizzare la struttura e la morfologia dei tappetini in fibra SBS.
Introduction
Molti sistemi di armatura leggera, balistica e protettiva sono attualmente costruiti utilizzando fibre polimeriche ad alto modulo e ad alta resistenza, come le fibre orientate in polietilene ad altissima massa molare o le arramidi, che forniscono un’eccezionale resistenza balistica 1,2. Queste fibre sono utilizzate in combinazione con un materiale di resina elastica (legante) che può penetrare fino al livello del filamento e fissare le fibre in una configurazione 0°/90° per formare un laminato unidirezionale non tessuto. La percentuale della resina di elastomero polimerico (legante) non deve superare il 13% del peso totale del laminato unidirezionale per mantenere l’integrità strutturale e le proprietà antibalistiche della struttura del laminato 3,4. Il legante è un componente molto importante dell’armatura in quanto mantiene le fibre ad alta resistenza correttamente orientate e strettamente imballate all’interno di ogni strato laminato3. I materiali elastomerici comunemente usati come leganti nelle applicazioni di armature antiproiettile hanno un modulo di trazione molto basso (ad esempio, ~ 17,2 MPa a ~ 23 ° C), bassa temperatura di transizione vetrosa (preferibilmente inferiore a -50 ° C), allungamento molto elevato a rottura (fino al 300%) e devono dimostrare eccellenti proprietà adesive5.
Per migliorare le prestazioni di questi elastomeri polimerici, SBS è stato eseguito per creare materiali elastomerici fibrosi che possono essere utilizzati come leganti nelle applicazioni di armature. SBS è una tecnica relativamente nuova e versatile che consente l’uso di diversi sistemi polimeri/solventi e la creazione di diversi prodotti finali 6,7,8,9,10,11,12,13. Questo semplice processo comporta la rapida (10 volte la velocità di elettrofilatura) deposizione di fibre conformi su substrati planari e non planari per fabbricare fogli o reti di fibre che comprendono scale di lunghezza nano e micro 14,15,16,17,18. I materiali SBS hanno numerose applicazioni in prodotti medici, filtri dell’aria, dispositivi di protezione, sensori, elettronica ottica e catalizzatori14,19,20. Lo sviluppo di fibre di piccolo diametro può aumentare drasticamente il rapporto superficie/volume, che è molto importante per diverse applicazioni, specialmente nel campo dei dispositivi di protezione individuale. Il diametro e la morfologia delle fibre generate da SBS dipendono dalla massa molare del polimero, dalla concentrazione del polimero nella soluzione, dalla viscosità della soluzione, dalla portata della soluzione polimerica, dalla pressione del gas, dalla distanza di lavoro e dal diametro dell’ugello di spruzzatura14,15,17.
Una caratteristica importante dell’apparato SBS è l’ugello di spruzzatura costituito da un ugello interno e uno concentrico esterno. Il polimero disciolto in un solvente volatile viene pompato attraverso l’ugello interno mentre un gas pressurizzato scorre attraverso l’ugello esterno. Il gas ad alta velocità che esce dall’ugello esterno induce il taglio della soluzione polimerica che scorre attraverso l’ugello interno. Ciò forza la soluzione a formare una forma conica quando esce dall’ugello di spruzzatura. Quando la tensione superficiale sulla punta del cono viene superata, viene espulso un flusso sottile di soluzione polimerica e il solvente evapora rapidamente causando la fusione e il deposito di filamenti polimerici come fibre polimeriche. La formazione di una struttura fibrosa, quando il solvente evapora, dipende fortemente dalla massa molare del polimero e dalla concentrazione della soluzione. Le fibre sono formate dall’entanglement della catena, quando le catene polimeriche in soluzione iniziano a sovrapporsi a una concentrazione nota come concentrazione critica di sovrapposizione (c *). Pertanto, è necessario lavorare con soluzioni polimeriche al di sopra del c* del sistema polimero/solvente selezionato. Inoltre, una strategia semplice per raggiungere questo obiettivo è scegliere polimeri con massa molare relativamente elevata. I polimeri con massa molare più elevata hanno aumentato i tempi di rilassamento del polimero, che è direttamente correlato ad un aumento della formazione di strutture fibrose, come descritto nella letteratura21. Poiché molti dei parametri utilizzati in SBS sono fortemente correlati, l’obiettivo di questo lavoro è quello di fornire una guida per sviluppare nanocompositi in fibra polimerica sintonizzabili e flessibili da utilizzare come alternative ai tipici materiali leganti presenti nelle applicazioni di armature incorporando nanoparticelle nella matrice fibrosa-elastomero polimerico.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il metodo qui descritto fornisce un protocollo per la produzione di tappetini in fibra nanocomposita di elastomero polimerico tramite una tecnica relativamente nuova nota come rotazione a soffio in soluzione. Questa tecnica consente la fabbricazione di fibre su scala nanometrica e presenta diversi vantaggi rispetto ad altre tecniche consolidate, come il processo di elettrofilatura, in quanto può essere eseguita sotto pressione atmosferica e temperatura ambiente27. Inoltre, SBS non è altamente su…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori desiderano ringraziare il signor Dwight D. Barry per i suoi importanti contributi alla fabbricazione dell’apparato di filatura a soffio in soluzione. Zois Tsinas e Ran Tao desiderano riconoscere il finanziamento del National Institute of Standards and Technology sotto i premi # 70NANB20H007 e # 70NANB15H112, rispettivamente.
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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