Solución Blow Spinning de fibras nanocompuestas poliméricas para equipos de protección personal

Resumen

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.

Resumen

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.

Introducción

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%....

Protocolo

NOTA: Los detalles relacionados con el equipo, la instrumentación y los productos químicos utilizados en esta sección se pueden encontrar en la Tabla de materiales. Todo este protocolo debe ser revisado y aprobado primero por el departamento / personal de seguridad institucional para garantizar que se cumplan los procedimientos y procesos específicos de la institución.

1. Preparación de la solución polimérica utilizando el disolvente apropiado

NOTA: Consulte las hojas de datos de seguridad del fabricante/proveedor y el departamento/personal de seguridad de la institución con respecto al equipo de p....

Resultados

En este estudio, se sintetizaron esteras de fibras no tejidas que consisten en fibras de poli (estireno-butadieno-estireno) en la escala nano y micro, con y sin la presencia de NP de óxido de hierro. Para formar fibras, los parámetros SBS deben seleccionarse cuidadosamente para el sistema de polímero/solvente utilizado. La masa molar del polímero disuelto y la concentración de la solución son críticas para controlar la morfología de las estructuras producidas por el proceso SBS. En este estudio, se utilizó un co.......

Discusión

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.......

Materiales

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