Solution Blow Spinning von polymeren Nanokompositfasern für persönliche Schutzausrüstung

Zusammenfassung

Das primäre Ziel dieser Studie ist es, ein Protokoll zur Herstellung von Polymerfasermatten mit konsistenter Morphologie mittels Lösungsblasspinnen (SBS) zu beschreiben. Unser Ziel ist es, mit SBS neuartige, abstimmbare, flexible Polymerfaser-Nanokomposite für verschiedene Anwendungen, einschließlich Schutzmaterialien, zu entwickeln, indem wir Nanopartikel in eine Polymer-Elastomer-Matrix integrieren.

Zusammenfassung

Leichte, schützende Panzersysteme bestehen typischerweise aus hochmoduligen (>10⁹ MPa) und hochfesten Polymerfasern, die mit einem elastischen Harzmaterial (Bindemittel) zu einem nicht gewebten, unidirektionalen Laminat gehalten werden. Während sich erhebliche Anstrengungen auf die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der hochfesten Fasern konzentriert haben, wurde wenig daran gearbeitet, die Eigenschaften der Bindemittelmaterialien zu verbessern. Um die Leistung dieser elastomeren Polymerbindemittel zu verbessern, wurde ein relativ neues und einfaches Herstellungsverfahren, das sogenannte Lösungsblasspinnen, verwendet. Diese Technik ist in der Lage, Fasern mit durchschnittlichen Durchmessern von der Nanoskala bis zur Mikroskala herzustellen. Um dies zu erreichen, wurde eine Lösungsblasspinnanlage (SBS) entwickelt und im Labor gebaut, um Vliesfasermatten aus Polymerelastomerlösungen herzustellen.

In dieser Studie wurde ein häufig verwendetes Bindemittelmaterial, ein in Tetrahydrofuran gelöstes Styrol-Butadien-Styrol-Block-Co-Polymer, zur Herstellung von Nanokomposit-Fasermatten verwendet, indem metallische Nanopartikel (NPs) wie Eisenoxid-NPs hinzugefügt wurden, die mit Siliziumöl verkapselt und somit in die über den SBS-Prozess gebildeten Fasern eingebaut wurden. Das in dieser Arbeit beschriebene Protokoll wird die Auswirkungen der verschiedenen kritischen Parameter diskutieren, die am SBS-Prozess beteiligt sind, einschließlich der molaren Polymermasse, der Auswahl des thermodynamisch geeigneten Lösungsmittels, der Polymerkonzentration in Lösung und des Trägergasdrucks, um andere bei der Durchführung ähnlicher Experimente zu unterstützen, sowie Anleitungen zur Optimierung der Konfiguration des Versuchsaufbaus geben. Die strukturelle Integrität und Morphologie der resultierenden Vliesstoffmatten wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und elementarer Röntgenanalyse mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) untersucht. Ziel dieser Studie ist es, die Auswirkungen der verschiedenen experimentellen Parameter und Materialauswahl zu bewerten, um die Struktur und Morphologie der SBS-Fasermatten zu optimieren.

Einleitung

Viele leichte, ballistische Schutzpanzerungssysteme werden derzeit aus hochmoduligen und hochfesten Polymerfasern hergestellt, wie z. B. orientierten, ultrahochmolaren Polyethylenfasern oder Aramiden, die eine hervorragende ballistische Beständigkeit bieten ^1,2. Diese Fasern werden in Kombination mit einem elastischen Harzmaterial (Bindemittel) verwendet, das bis zur Filamentebene eindringen und die Fasern in einer 0°/90°-Konfiguration sichern kann, um ein nicht gewebtes, unidirektionales Laminat zu bilden. Der Prozentsatz des Polymerelastomerharzes (Bindemittel) sollte 13% des Gesamtgewichts des unidirektiona....

Protokoll

HINWEIS: Details zu den in diesem Abschnitt verwendeten Geräten, Instrumenten und Chemikalien finden Sie in der Materialtabelle. Dieses gesamte Protokoll sollte zunächst von der Abteilung für institutionelle Sicherheit / Personal überprüft und genehmigt werden, um sicherzustellen, dass die für die Institution spezifischen Verfahren und Prozesse eingehalten werden.

1. Herstellung der Polymerlösung unter Verwendung des geeigneten Lösungsmittels

HINWEIS: Konsultieren Sie die Sicherheitsdatenblätter des Herstellers/Lieferanten und die Sicherheitsabteilung / das Sicherheitspersonal der Institution bezüg....

Ergebnisse

In dieser Studie wurden Vliesfasermatten, die aus Poly(styrol-Butadien-Styrol)-Fasern im Nano- und Mikrobereich bestehen, mit und ohne Anwesenheit von Eisenoxid-NPs synthetisiert. Um Fasern zu bilden, müssen die SBS-Parameter sorgfältig für das verwendete Polymer-/Lösungsmittelsystem ausgewählt werden. Die molare Masse des gelösten Polymers und die Lösungskonzentration sind entscheidend für die Kontrolle der Morphologie der durch den SBS-Prozess erzeugten Strukturen. In dieser Studie wurde ein Poly(styrol-Butadie.......

Diskussion

Das hierin beschriebene Verfahren stellt ein Protokoll zur Herstellung von Polymerelastomer-Nanokompositfasermatten mittels einer relativ neuen Technik bereit, die als Lösungsföhnen bekannt ist. Diese Technik ermöglicht die Herstellung von Fasern im Nanomaßstab und hat mehrere Vorteile gegenüber anderen etablierten Techniken, wie dem Elektrospinnverfahren, da es unter Atmosphärendruck und Raumtemperatur durchgeführt werden kann²⁷. Darüber hinaus ist SBS nicht sehr anfällig für lokale Umw.......

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
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