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En este artículo

  • Resumen
  • Resumen
  • Introducción
  • Protocolo
  • Resultados
  • Discusión
  • Divulgaciones
  • Agradecimientos
  • Materiales
  • Referencias
  • Reimpresiones y Permisos

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.......

Divulgaciones

La descripción completa de los procedimientos utilizados en este documento requiere la identificación de ciertos productos comerciales y sus proveedores. La inclusión de dicha información de ninguna manera debe interpretarse como una indicación de que dichos productos o proveedores están respaldados por el NIST o son recomendados por el NIST o que son necesariamente los mejores materiales, instrumentos, software o proveedores para los fines descritos.

Agradecimientos

Los autores desean reconocer al Sr. Dwight D. Barry por sus importantes contribuciones para la fabricación del aparato de hilado de soplado de solución. Zois Tsinas y Ran Tao desean agradecer la financiación del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología bajo los premios # 70NANB20H007 y # 70NANB15H112, respectivamente.

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Materiales

NameCompanyCatalog NumberComments
45 MM Toolmaker ViseTormach Inc.32547To secure substrate onto the collector
ARES-G2 RheometerTA Instruments401000.501Rheometer
Branson Ultrasonics M Series - Ultrasonic Cleaning BathFisher Scientific15-336-100To disperse nanoparticles
Cadence Science Micro-Mate Interchangeable SyringeFisher Scientific14-825-2AGlass Syringe 5mL in 1/5mL, Luer Lock Tip
Chemical hoodAny company
Corning - Disposable Pasteur Glass PipetteSigma AldrichCLS7095D5X-200EANon-Sterile
DWK Life Sciences Wheaton - Glass Scintillation VialFisher Scientific03-341-25G20 mL with cap
FEI Quanta 200 Scanning Electron Microscope (SEM)FEIFor imaging samples
Iron Oxide Nanopowder/NanoparticlesUS Research Nanomaterials, inc.US3320Fe3O4, 98%, 20-3- nm, Silicon oil Coated
KD Scientific Legato 100 Single-Syringe PumpSigma AldrichZ401358-1EASingle syringe infusion pump
Master Airbrush - Model S68TCP GlobalMAS S68Nozzle/needle diameter: 0.35 mm
Mettler Toledo AB265-S/FACT ScaleCole-Parmer ScientificEW-11333-14For weighing polymer and  Nanoparticles
N2 Gas RegulatorAny company
NanoenclosureAny company
Optical Microscopy Glass SlidesFisher Scientific12-550-A3Used as a substrate for fiber mat deposition
OSP Slotted Bob, 33 mmTA Instruments402796.902Bob, upper geometry
OSP Slotted Double Gap Cup, 34 mmTA Instruments402782.901Double wall cup, lower geometry
Oxford BenchMate Digital Vortex MixerPipetteVM-DRated up to 4,200 rpm, for mixing solutions
Oxford Benchmate Tube RollerPipetteOTR-24DRSample mixer/rotator
Polystyrene-block-polybutadiene-block-polystyreneSigma Aldrich432490-1KGstyrene 30 wt. %, Mw ~ 185,000 g/mol
SEM Pin Stub Specimen MountTed Pella Inc.1611918 mm diameter x 8 mm height
SpatulaVWR82027-532To load test materials
Tetrahydrofuran (THF)Fisher ScientificT425-1solvent, HPLC grade
TRIOSTA Instrumentsv4.3.1.39215Rheometer software

Referencias

  1. Lee, B. L., et al. Penetration failure mechanisms of armor-grade fiber composites under impact. Journal of Composite Materials. 35 (18), 1605-1633 (2001).
  2. Prevorsek, D. C., Kwon, Y. D., Chin, H. B.

Reimpresiones y Permisos

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