פתרון סחיטה של סיבים ננו-מרוכבים פולימריים לציוד מגן אישי

Summary

המטרה העיקרית של מחקר זה היא לתאר פרוטוקול להכנת מחצלות סיבים פולימריים עם מורפולוגיה עקבית באמצעות סיבוב תמיסות (SBS). אנו שואפים להשתמש ב-SBS כדי לפתח ננו-קומפוזיטים חדשניים, ניתנים לכוונון וגמישים של סיבים פולימריים עבור יישומים שונים, כולל חומרי הגנה, על ידי שילוב ננו-חלקיקים במטריצת פולימר-אלסטומר.

Abstract

מערכות שריון קלות משקל ומגן מורכבות בדרך כלל ממודולוס גבוה (>10⁹ MPa) וסיבים פולימריים בעלי חוזק גבוה המוחזקים במקום עם חומר שרף אלסטי (קלסר) ליצירת למינציה לא ארוגה וחד-כיוונית. בעוד מאמצים משמעותיים התמקדו בשיפור התכונות המכניות של הסיבים בעלי החוזק הגבוה, נעשתה עבודה מועטה לשיפור תכונותיהם של חומרי הקלסר. כדי לשפר את הביצועים של קלסרים פולימריים אלסטומריים אלה, נעשה שימוש בתהליך ייצור חדש ופשוט יחסית, המכונה סיבוב מכות תמיסה. טכניקה זו מסוגלת לייצר יריעות או רשתות של סיבים בקטרים ממוצעים הנעים בין קנה מידה ננומטרי למיקרו-קנה מידה. כדי להשיג זאת, תוכנן ונבנה במעבדה מנגנון מסתובב של מכת תמיסה (SBS) לייצור מחצלות סיבים לא ארוגים מתמיסות אלסטומרים פולימריים.

במחקר זה, חומר קו-פולימר נפוץ מסוג סטירן-בוטאדיאן-סטירן בלוק-קו-פולימר המומס בטטרהידרופורן, שימש לייצור מחצלות סיבים ננו-קומפוזיטים על-ידי הוספת ננו-חלקיקים מתכתיים (NPs), כגון NPs של תחמוצת ברזל, שנעטפו בשמן סיליקון ובכך שולבו בסיבים שנוצרו בתהליך SBS. הפרוטוקול המתואר בעבודה זו ידון בהשפעות של הפרמטרים הקריטיים השונים המעורבים בתהליך SBS, כולל המסה הטוחנת הפולימרית, בחירת הממס המתאים מבחינה תרמודינמית, ריכוז הפולימר בתמיסה ולחץ הגז המוביל כדי לסייע לאחרים בביצוע ניסויים דומים, וכן יספק הדרכה לאופטימיזציה של תצורת מערך הניסוי. השלמות המבנית והמורפולוגיה של מחצלות הסיבים הלא ארוגים שהתקבלו נבדקו באמצעות מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת (SEM) ואנליזת קרני רנטגן יסודית באמצעות ספקטרוסקופיית קרני רנטגן מפזרת אנרגיה (EDS). מטרת מחקר זה היא להעריך את ההשפעות של הפרמטרים הניסיוניים השונים ובחירות החומרים כדי לייעל את המבנה והמורפולוגיה של מחצלות סיבי SBS.

Introduction

מערכות שריון קלות משקל, בליסטיות ומגנות רבות נבנות כיום באמצעות סיבים פולימריים בעלי מודולוס גבוה וחוזק גבוה, כגון סיבי פוליאתילן בעלי מסה טוחנת גבוהה במיוחד או ארמידים, המספקים התנגדות בליסטית יוצאת דופן ^1,2. סיבים אלה משמשים בשילוב עם חומר שרף אלסטי (קושר) שיכול לחדור לרמת החוט ולאבטח את הסיבים בתצורה של 0°/90° ליצירת למינציה לא ארוגה וחד-כיוונית. אחוז שרף האלסטומר הפולימרי (קושר) לא יעלה על 13% מהמשקל הכולל של הלמינציה החד-כיוונית כדי לשמור על השלמות המבנית והתכונות האנטי-בליסטיות של מבנה הלמינציה ^3,4. הקלסר הוא מרכיב חשוב מאוד בשריון מכיוון שהוא שו....

Protocol

הערה: פרטים הקשורים לציוד, למכשור ולכימיקלים המשמשים בסעיף זה ניתן למצוא בטבלת החומרים. כל הפרוטוקול הזה צריך להיבדק ולאשר תחילה על ידי מחלקת הבטיחות המוסדית/כוח אדם כדי לוודא שהנהלים והתהליכים הספציפיים למוסד נשמרים.

1. הכנת תמיסת פולימר באמצעות הממס המתאים

הערה: התייעץ עם גיליונות נתוני בטיחות של היצרן/הספק ועם מחלקת הבטיחות/כוח האדם של המוסד בנוגע לציוד מגן אישי (PPE) מתאים לשימוש עם כל כימיקל/חומר.

1. השתמשו במרית מעבדה קטנה ונקייה, והעבירו את הכמות הרצויה (למשל, ~2 גרם) של פולימר יבש (פולי(סטירן-בוטאדיאן-סטירן)) לבקבוקון זכוכית בורוסיליקט נקי וריק של 20 מ"ל. אטמו את הבקבוקון,....

תוצאות

במחקר זה, מחצלות סיבים לא ארוגים המורכבים מסיבי פולי(סטירן-בוטאדיאן-סטירן) בקנה מידה ננומטרי ומיקרו, סונתזו עם וללא נוכחות של NPs תחמוצת ברזל. כדי ליצור סיבים, יש לבחור בקפידה את הפרמטרים של SBS עבור מערכת הפולימר/ממס שבה נעשה שימוש. המסה הטוחנת של הפולימר המומס וריכוז התמיסה הם קריטיים בשליטה.......

Discussion

השיטה המתוארת כאן מספקת פרוטוקול לייצור מחצלות סיבים ננו-קומפוזיטים של אלסטומר פולימרי באמצעות טכניקה חדשה יחסית המכונה סיבוב תמיסה. טכניקה זו מאפשרת ייצור של סיבים בקנה מידה ננומטרי ויש לה מספר יתרונות על פני טכניקות מבוססות אחרות, כגון תהליך electrospinning, כפי שהוא יכול להתבצע תחת לחץ אטמוס?.......

Materials

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