Name: solution blow spinning of polymeric nano-composite fibers for personal protective equipment
Uploaded: 2021-03-18T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Solution Blow Spinning of Polymeric Nano-Composite Fibers for Personal Protective Equipment at JoVE.com

Forfatterne vil gerne anerkende Mr. Dwight D. Barry for hans vigtige bidrag til fremstilling af løsningen blow spinning apparat. Zois Tsinas og Ran Tao vil gerne anerkende finansiering fra National Institute of Standards and Technology under henholdsvis Awards # 70NANB20H007 og # 70NANB15H112.

BEMÆRK: Detaljer relateret til udstyr, instrumentering og kemikalier, der anvendes i dette afsnit, findes i materialetabellen. Hele denne protokol skal først gennemgås og godkendes af den institutionelle sikkerhedsafdeling/personale for at sikre, at procedurer og processer, der er specifikke for institutionen, overholdes.
1. Fremstilling af polymeropløsning under anvendelse af det passende opløsningsmiddel
BEMÆRK: Konsulter sikkerhedsdatablade f...

<ol>
	<li>Lee, B. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Penetration+failure+mechanisms+of+armor-grade+fiber+composites+under+impact.">Penetration failure mechanisms of armor-grade fiber composites under impact.</a> Journal of Composite Materials. 35 (18), 1605-1633 (2001).</li><li>Prevorsek, D. C., Kwon, Y. D., Chin, H. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+the+temperature+rise+in+the+projectile+and+extended+chain+polyethylene+fiber+composite+armor+during+ballistic+impact+and+penetration.">Analysis of the temperature rise in the projectile and extended chain polyethylene fiber composite armor during ballistic impact and penetration.</a> Polymer Engineering and Science. 34 (2), 141-152 (1994).</li><li>Park, A. D., Park, D., No Park, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> U.S. Patent. , (2006).</li><li>No Park, A. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> U.S. Patent. , (1995).</li><li>Harpell, G. A., Prevorsek, D. C., Li, H. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flexible+multi-layered+armor.">Flexible multi-layered armor.</a> Patent No. WO/1989. , (1989).</li><li>Cena, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=BSCCO+superconductor+micro/nanofibers+produced+by+solution+blow-spinning+technique.">BSCCO superconductor micro/nanofibers produced by solution blow-spinning technique.</a> Ceramics International. 43 (10), 7663-7667 (2017).</li><li>Miller, C. L., Stafford, G., Sigmon, N., Gilmore, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Conductive+nonwoven+carbon+nanotube-PLA+composite+nanofibers+towards+wound+sensors+via+solution+blow+spinning.">Conductive nonwoven carbon nanotube-PLA composite nanofibers towards wound sensors via solution blow spinning.</a> IEEE Transactions on Nanobioscience. 18 (2), 244-247 (2019).</li><li>Iorio, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Conformational+changes+on+PMMA+induced+by+the+presence+of+TiO+2+nanoparticles+and+the+processing+by+Solution+Blow+Spinning.">Conformational changes on PMMA induced by the presence of TiO 2 nanoparticles and the processing by Solution Blow Spinning.</a> Colloid and Polymer Science. 296 (3), 461-469 (2018).</li><li>Mart&#237;nez-Sanz, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Antimicrobial+poly+(lactic+acid)-based+nanofibres+developed+by+solution+blow+spinning.">Antimicrobial poly (lactic acid)-based nanofibres developed by solution blow spinning.</a> Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 15 (1), 616-627 (2015).</li><li>Wang, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Highly+flexible+indium+tin+oxide+nanofiber+transparent+electrodes+by+blow+spinning.">Highly flexible indium tin oxide nanofiber transparent electrodes by blow spinning.</a> ACS Applied Materials and Interfaces. 8 (48), 32661-32666 (2016).</li><li>Greenhalgh, R. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hybrid+sol-gel+inorganic/gelatin+porous+fibres+via+solution+blow+spinning.">Hybrid sol-gel inorganic/gelatin porous fibres via solution blow spinning.</a> Journal of Materials Science. 52 (15), 9066-9081 (2017).</li><li>Gonzalez-Abrego, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mesoporous+titania+nanofibers+by+solution+blow+spinning.">Mesoporous titania nanofibers by solution blow spinning.</a> Journal of Sol-Gel Science and Technology. 81 (2), 468-474 (2017).</li><li>Oliveira, J. E., Zucolotto, V., Mattoso, L. H., Medeiros, E. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multi-walled+carbon+nanotubes+and+poly+(lactic+acid)+nanocomposite+fibrous+membranes+prepared+by+solution+blow+spinning.">Multi-walled carbon nanotubes and poly (lactic acid) nanocomposite fibrous membranes prepared by solution blow spinning.</a> Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 12 (3), 2733-2741 (2012).</li><li>Medeiros, E. S., Glenn, G. M., Klamczynski, A. P., Orts, W. J., Mattoso, L. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solution+blow+spinning:+A+new+method+to+produce+micro-and+nanofibers+from+polymer+solutions.">Solution blow spinning: A new method to produce micro-and nanofibers from polymer solutions.</a> Journal of Applied Polymer Science. 113 (4), 2322-2330 (2009).</li><li>Vasireddi, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solution+blow+spinning+of+polymer/nanocomposite+micro-/nanofibers+with+tunable+diameters+and+morphologies+using+a+gas+dynamic+virtual+nozzle.">Solution blow spinning of polymer/nanocomposite micro-/nanofibers with tunable diameters and morphologies using a gas dynamic virtual nozzle.</a> Scientific Reports. 9 (1), 1-10 (2019).</li><li>Tutak, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+support+of+bone+marrow+stromal+cell+differentiation+by+airbrushed+nanofiber+scaffolds.">The support of bone marrow stromal cell differentiation by airbrushed nanofiber scaffolds.</a> Biomaterials. 34 (10), 2389-2398 (2013).</li><li>Daristotle, J. L., Behrens, A. M., Sandler, A. D., Kofinas, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+of+the+fundamental+principles+and+applications+of+solution+blow+spinning.">A review of the fundamental principles and applications of solution blow spinning.</a> ACS Applied Materials and Interfaces. 8 (51), 34951-34963 (2016).</li><li>Hofmann, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+nozzle+device+for+ultrafine+fiber+solution+blow+spinning+with+precise+diameter+control.">Microfluidic nozzle device for ultrafine fiber solution blow spinning with precise diameter control.</a> Lab on a Chip. 18 (15), 2225-2234 (2018).</li><li>Behrens, A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+deposition+of+PLGA+nanofibers+via+solution+blow+spinning.">In situ deposition of PLGA nanofibers via solution blow spinning.</a> ACS Macro Letters. 3 (3), 249-254 (2014).</li><li>Vural, M., Behrens, A. M., Ayyub, O. B., Ayoub, J. J., Kofinas, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sprayable+elastic+conductors+based+on+block+copolymer+silver+nanoparticle+composites.">Sprayable elastic conductors based on block copolymer silver nanoparticle composites.</a> ACS Nano. 9 (1), 336-344 (2015).</li><li>Srinivasan, S., Chhatre, S. S., Mabry, J. M., Cohen, R. E., McKinley, G. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solution+spraying+of+poly+(methyl+methacrylate)+blends+to+fabricate+microtextured,+superoleophobic+surfaces.">Solution spraying of poly (methyl methacrylate) blends to fabricate microtextured, superoleophobic surfaces.</a> Polymer. 52 (14), 3209-3218 (2011).</li><li>Flory, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Principles of polymer chemistry. , (1953).</li><li>Palangetic, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dispersity+and+spinnability:+Why+highly+polydisperse+polymer+solutions+are+desirable+for+electrospinning.">Dispersity and spinnability: Why highly polydisperse polymer solutions are desirable for electrospinning.</a> Polymer. 55 (19), 4920-4931 (2014).</li><li>Ying, Q., Chu, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Overlap+concentration+of+macromolecules+in+solution.">Overlap concentration of macromolecules in solution.</a> Macromolecules. 20 (2), 362-366 (1987).</li><li>Haro-P&#233;rez, C., Andablo-Reyes, E., D&#237;az-Leyva, P., Arauz-Lara, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microrheology+of+viscoelastic+fluids+containing+light-scattering+inclusions.">Microrheology of viscoelastic fluids containing light-scattering inclusions.</a> Physical Review E. 75 (4), 041505 (2007).</li><li>Thiele, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Early+development+drug+formulation+on+a+chip:+Fabrication+of+nanoparticles+using+a+microfluidic+spray+dryer.">Early development drug formulation on a chip: Fabrication of nanoparticles using a microfluidic spray dryer.</a> Lab on a Chip. 11 (14), 2362-2368 (2011).</li><li>Zhao, J., Xiong, W., Yu, N., Yang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Continuous+jetting+of+alginate+microfiber+in+atmosphere+based+on+a+microfluidic+chip.">Continuous jetting of alginate microfiber in atmosphere based on a microfluidic chip.</a> Micromachines. 8 (1), 8 (2017).</li><li>Jun, Y., Kang, E., Chae, S., Lee, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+spinning+of+micro-and+nano-scale+fibers+for+tissue+engineering.">Microfluidic spinning of micro-and nano-scale fibers for tissue engineering.</a> Lab on a Chip. 14 (13), 2145-2160 (2014).</li><li>Weng, B., Xu, F., Salinas, A., Lozano, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mass+production+of+carbon+nanotube+reinforced+poly+(methyl+methacrylate)+nonwoven+nanofiber+mats.">Mass production of carbon nanotube reinforced poly (methyl methacrylate) nonwoven nanofiber mats.</a> Carbon. 75, 217-226 (2014).</li><li>Barton, A. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solubility+parameters.">Solubility parameters.</a> Chemical Reviews. 75 (6), 731-753 (1975).</li></ol>

Metoden beskrevet heri giver en protokol til fremstilling af polymerelastomer nanokompositfibermåtter via en relativt ny teknik kendt som opløsningsblæsning. Denne teknik tillader fremstilling af fibre i nanoskala og har flere fordele i forhold til andre veletablerede teknikker, såsom elektrospinningsprocessen, da den kan udføres under atmosfærisk tryk og stuetemperatur27. Desuden er SBS ikke særlig modtagelig for lokale miljøændringer (temperatur eller fugtighed) og kræver ikke hårde e...

Mange lette, ballistiske, beskyttende rustningssystemer er i øjeblikket konstrueret ved hjælp af højmodul og højstyrke polymere fibre, såsom orienterede, ultrahøje molære massepolyethylenfibre eller aramider, som giver fremragende ballistisk modstand 1,2. Disse fibre anvendes i kombination med et elastisk harpiksmateriale (bindemiddel), der kan trænge ind i filamentniveauet og fastgøre fibrene i en 0 ° / 90 ° konfiguration for at danne et ikke-vævet, ensrettet laminat. Procentdelen af polymerelastomerharpiks (bindemiddel) bør ikke overstige 13% af den samlede vægt af det ensrettede laminat for at opretholde laminatstrukturens strukturelle integritet og antiballistiske egenskaber 3,4. Bindemidlet er en meget vigtig komponent i rustningen, da det holder højstyrkefibrene korrekt orienteret og tæt pakket inden for hvert laminatlag3. Elastomermaterialer, der almindeligvis anvendes som bindemidler i kropspanserapplikationer, har meget lavt trækmodul (f.eks. ~ 17,2 MPa ved ~ 23 ° C), lav glasovergangstemperatur (helst under -50 ° C), meget høj forlængelse ved pause (så høj som 300%) og skal demonstrere fremragende klæbeegenskaber5.
For at forbedre ydeevnen af disse polymerelastomerer blev SBS udført for at skabe fibrøse elastomermaterialer, der kan bruges som bindemidler i kropspanserapplikationer. SBS er en relativt ny, alsidig teknik, der muliggør brug af forskellige polymer-/opløsningsmiddelsystemer og oprettelse af forskellige slutprodukter 6,7,8,9,10,11,12,13. Denne enkle proces involverer hurtig (10x hastigheden af elektrospinning) aflejring af konforme fibre på både plane og ikke-plane substrater for at fremstille plader eller baner af fibre, der omfatter nano- og mikrolængdeskalaer 14,15,16,17,18. SBS-materialer har adskillige anvendelser inden for medicinske produkter, luftfiltre, beskyttelsesudstyr, sensorer, optisk elektronik og katalysatorer14,19,20. Udvikling af fibre med lille diameter kan drastisk øge forholdet mellem overfladeareal og volumen, hvilket er meget vigtigt for flere applikationer, især inden for personlige værnemidler. Diameteren og morfologien af de fibre, der genereres af SBS, afhænger af polymerens molære masse, polymerkoncentrationen i opløsningen, opløsningens viskositet, polymeropløsningens strømningshastighed, gastryk, arbejdsafstand og diameter af sprøjtedysen14,15,17.
Et vigtigt kendetegn ved SBS-apparatet er sprøjtedysen bestående af en indre og en koncentrisk ydre dyse. Polymeren opløst i et flygtigt opløsningsmiddel pumpes gennem den indre dyse, mens en trykgas strømmer gennem den ydre dyse. Den højhastighedsgas, der forlader den ydre dyse, inducerer forskydning af polymeropløsningen, der strømmer gennem den indre dyse. Dette tvinger opløsningen til at danne en konisk form, når sprøjtedysen forlades. Når overfladespændingen ved keglens spids er overvundet, udstødes en fin strøm af polymeropløsning, og opløsningsmidlet fordamper hurtigt, hvilket får polymerstrenge til at samle sig og aflejres som polymerfibre. Dannelsen af en fibrøs struktur, som opløsningsmiddel fordamper, afhænger stærkt af polymermolmassen og opløsningskoncentrationen. Fibre dannes ved kædesammenfiltring, når polymerkæder i opløsning begynder at overlappe hinanden ved en koncentration kendt som den kritiske overlapningskoncentration (c *). Derfor er det nødvendigt at arbejde med polymeropløsninger over c* for det valgte polymer-/opløsningsmiddelsystem. En nem strategi for at opnå dette er også at vælge polymerer med relativt høj molær masse. Polymerer med højere molær masse har øget polymerafslapningstider, hvilket er direkte relateret til en stigning i dannelsen af fibrøse strukturer, som beskrevet i litteraturen21. Da mange af de parametre, der anvendes i SBS, er stærkt korrelerede, er målet med dette arbejde at give vejledning til at udvikle tunable og fleksible polymere fiber nanokompositter, der skal bruges som alternativer til typiske bindemiddelmaterialer, der findes i kropspanserapplikationer ved at inkorporere nanopartikler i den fibrøse polymer-elastomermatrix.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>45 MM Toolmaker Vise</td>
			<td>Tormach Inc.</td>
			<td>32547</td>
			<td>To secure substrate onto the collector</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ARES-G2 Rheometer</td>
			<td>TA Instruments</td>
			<td>401000.501</td>
			<td>Rheometer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Branson Ultrasonics M Series - Ultrasonic Cleaning Bath</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>15-336-100</td>
			<td>To disperse nanoparticles</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cadence Science&#160;Micro-Mate Interchangeable Syringe</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>14-825-2A</td>
			<td>Glass Syringe 5mL in 1/5mL, Luer Lock Tip</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chemical hood</td>
			<td>Any company</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Corning - Disposable Pasteur Glass Pipette</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>CLS7095D5X-200EA</td>
			<td>Non-Sterile</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DWK Life Sciences&#160;Wheaton - Glass Scintillation Vial</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>03-341-25G</td>
			<td>20 mL with cap</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FEI Quanta 200 Scanning Electron Microscope (SEM)</td>
			<td>FEI</td>
			<td></td>
			<td>For imaging samples</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Iron Oxide Nanopowder/Nanoparticles</td>
			<td>US Research Nanomaterials, inc.</td>
			<td>US3320</td>
			<td>Fe3O4, 98%, 20-3- nm, Silicon oil Coated</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>KD Scientific Legato 100 Single-Syringe Pump</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>Z401358-1EA</td>
			<td>Single syringe infusion pump</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Master Airbrush - Model S68</td>
			<td>TCP Global</td>
			<td>MAS S68</td>
			<td>Nozzle/needle diameter: 0.35 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mettler Toledo AB265-S/FACT Scale</td>
			<td>Cole-Parmer Scientific</td>
			<td>EW-11333-14</td>
			<td>For weighing polymer and&#160; Nanoparticles</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N2 Gas Regulator</td>
			<td>Any company</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nanoenclosure</td>
			<td>Any company</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical Microscopy Glass Slides</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>12-550-A3</td>
			<td>Used as a substrate for fiber mat deposition</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>OSP Slotted Bob, 33 mm</td>
			<td>TA Instruments</td>
			<td>402796.902</td>
			<td>Bob, upper geometry</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>OSP Slotted Double Gap Cup, 34 mm</td>
			<td>TA Instruments</td>
			<td>402782.901</td>
			<td>Double wall cup, lower geometry</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oxford BenchMate Digital Vortex Mixer</td>
			<td>Pipette</td>
			<td>VM-D</td>
			<td>Rated up to 4,200 rpm, for mixing solutions</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oxford Benchmate Tube Roller</td>
			<td>Pipette</td>
			<td>OTR-24DR</td>
			<td>Sample mixer/rotator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polystyrene-block-polybutadiene-block-polystyrene</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>432490-1KG</td>
			<td>styrene 30 wt. %, Mw ~ 185,000 g/mol</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SEM Pin Stub Specimen Mount</td>
			<td>Ted Pella Inc.</td>
			<td>16119</td>
			<td>18 mm diameter x 8 mm height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spatula</td>
			<td>VWR</td>
			<td>82027-532</td>
			<td>To load test materials</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tetrahydrofuran (THF)</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>T425-1</td>
			<td>solvent, HPLC grade</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TRIOS</td>
			<td>TA Instruments</td>
			<td>v4.3.1.39215</td>
			<td>Rheometer software</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

solution blow spinning of polymeric nano-composite fibers for personal protective equipment

Letvægtige, beskyttende rustningssystemer består typisk af højmodul (>109 MPa) og højstyrke polymerfibre, der holdes på plads med et elastisk harpiksmateriale (bindemiddel) for at danne et ikke-vævet, ensrettet laminat. Mens en betydelig indsats har fokuseret på at forbedre de mekaniske egenskaber af højstyrkefibrene, er der kun gjort lidt arbejde for at forbedre bindemiddelmaterialernes egenskaber. For at forbedre ydeevnen af disse elastomere polymerbindemidler blev der anvendt en relativt ny og enkel fremstillingsproces, kendt som opløsningsblæsning. Denne teknik er i stand til at producere plader eller baner af fibre med gennemsnitlige diametre lige fra nanoskala til mikroskala. For at opnå dette er et opløsningsblæsespindingsapparat (SBS) designet og bygget i laboratoriet til fremstilling af ikke-vævede fibermåtter fra polymerelastomeropløsninger.
I denne undersøgelse blev et almindeligt anvendt bindemiddelmateriale, en styren-butadien-styren-blok-co-polymer opløst i tetrahydrofuran, brugt til at fremstille nanokompositfibermåtter ved at tilføje metalliske nanopartikler (NP'er), såsom jernoxid-NP'er, der blev indkapslet med siliciumolie og dermed inkorporeret i fibrene dannet via SBS-processen. Protokollen, der er beskrevet i dette arbejde, vil diskutere virkningerne af de forskellige kritiske parametre, der er involveret i SBS-processen, herunder polymermolmassen, udvælgelsen af det termodynamisk passende opløsningsmiddel, polymerkoncentrationen i opløsningen og bærergastrykket for at hjælpe andre med at udføre lignende eksperimenter samt give vejledning til optimering af konfigurationen af den eksperimentelle opsætning. Den strukturelle integritet og morfologi af de resulterende ikke-vævede fibermåtter blev undersøgt ved hjælp af scanningselektronmikroskopi (SEM) og elementær røntgenanalyse via energidispergerende røntgenspektroskopi (EDS). Målet med denne undersøgelse er at evaluere virkningerne af de forskellige eksperimentelle parametre og materialevalg for at optimere strukturen og morfologien af SBS fibermåtter.

I denne undersøgelse blev ikke-vævede fibermåtter bestående af poly (styren-butadien-styren) fibre i nano- og mikroskala syntetiseret med og uden tilstedeværelse af jernoxid-NP'er. For at danne fibre skal SBS-parametrene vælges omhyggeligt for det anvendte polymer-/opløsningsmiddelsystem. Den molære masse af den opløste polymer og opløsningskoncentrationen er afgørende for at kontrollere morfologien af strukturerne produceret ved SBS-processen. I denne undersøgelse blev en poly(styren-butadien-styren) blok-co...

Watch this Scientific Journal Video about Solution Blow Spinning of Polymeric Nano-Composite Fibers for Personal Protective Equipment at JoVE.com

Solution Blow Spinning of Polymeric Nano-Composite Fibers for Personal Protective Equipment

Det primære mål med denne undersøgelse er at beskrive en protokol til fremstilling af polymere fibermåtter med konsistent morfologi via opløsningsblæsespinding (SBS). Vi sigter mod at bruge SBS til at udvikle nye, tunable, fleksible polymere fiber nanokompositter til forskellige anvendelser, herunder beskyttende materialer, ved at inkorporere nanopartikler i en polymer-elastomer matrix.

Løsning Blæsespinding af polymere nanokompositfibre til personlige værnemidler

Light-weight, protective armor systems typically consist of high modulus (&#62;109 MPa) and high-strength polymeric fibers held in place with an elastic ...

Denne selvprotokol dækker nogle af de vigtigste parametre og trin, der er involveret i opløsningsblæsespinding af polymere nanokompositfibre, herunder polymer molær massevalg af termodynamisk passende opløsningsmidler, polymerkoncentration i opløsning, inkorporering af nanomaterialer, bæregastryk og arbejdsafstand. SPS er en relativt ny teknik, der giver stor alsidighed med hensyn til polymeropløsningsmiddelsystemet og slutproduktet. Desuden kan det bruges til hurtigt at deponere formelle fibre på både plane og ikke-plane substrater og skabe sidder eller baner af fibre af både nano- og mikroskaladiametre.Målet med dette arbejde er at give vejledning til at udvikle justerbare og fleksible polymere fiber nanokompositter, der kan bruges som alternativer til typiske bindemiddelmaterialer, der findes i kropspanserapplikationer ved at inkorporere nanopartikler i fiberens polymerelastomermatrix. I øjeblikket er der ingen kommercielt tilgængelige systemer eller standardprocedurer til at udføre en løsning blæser spinding på indstillelige polymere nanokompositfibre. Demonstrationen af vores partikel og apparatur kan hjælpe andre med effektivt at udvikle deres egen proces til deres anvendelse.Til at begynde med overføres den ønskede mængde af den tørre polymer til et rent 20 ml borosilikatglashætteglas ved hjælp af en lille spatel. Anbring hætteglasset i den kemiske røghætte og tilsæt ca. 10 ml tetrahydrofuran for at opnå en koncentration på 200 milligram pr. milliliter. Luk derefter hætteglasset og læg det på mixeren eller rotatoren.Tilsæt tørt jernoxid nanopartikelpulver i et rent 20 ml glas hætteglas. Tilsæt derefter 10 ml tetrahydrofuran i hætteglasset og luk det. Grundigt omrøres prøven på hvirvelblanderen, indtil nanopartiklerne bliver usynlige i bunden af hætteglasset, og sonikerer derefter prøven i ca. 30 minutter med et interval på to til fem minutter mellem hver sonikering for at sikre fuldstændig dispersion af nanopartiklerne og for at undgå prøveopvarmning.Tilsæt polymeren i nanopartikeldispersionen inde i kemikaliehætten, og forsegl hætteglasset. Bland det derefter på rotatoren ved 70 o / min i 60 minutter ved stuetemperatur, indtil polymeren opløses fuldstændigt. Juster luftbørstens højde og vinkel, så den flugter med midten af glasmikroskopet, der er fastgjort til opsamleren og fastgjort på plads.Sørg for, at gasflasken er korrekt fastgjort til vægbeslaget, og tilslut airbrushens gasindløb til nitrogentrykgascylinderen. Tænd for gascylinderens hovedventil, og juster langsomt trykket for at opnå det ønskede flow. Luk derefter hovedventilen.Fastgør substratet på opsamleren ved hjælp af den udstyrede skruestik, og juster opsamlerens højde for at justere vinkelret på luftbørstens sprøjteretning og mønster for at deponere materialet på underlaget. Identificer den optimale arbejdsafstand ved at skubbe opsamleren til sin fjerneste position væk fra airbrush-dysen. Polymernanopartikelopløsningsmiddelblandingen overføres til en borosilikatglassprøjte med opløst gas udstyret med en kanyle i rustfrit stål.Fjern eventuelle luftbobler fra prøven ved at holde sprøjten med nålen pegende opad og banke forsigtigt på sprøjten, og tryk derefter langsomt stemplet ned for at fortrænge overskydende luft. Tag kanylen af, fastgør sprøjten til sprøjtepumpeenheden, og fastgør sprøjten. Tilslut PTFE-slangen, der kommer fra sprøjtens udløb, til det relevante indløb på airbrushen, og vælg den ønskede injektionshastighed i sprøjtepumpeenhedens menu.Åbn hovedventilen på nitrogengascylinderen, så nitrogengassen kan strømme gennem airbrushen, og start sprøjteprocessen ved at starte sprøjtepumpeenheden for at dispensere polymernanopartikelopløsningsmiddelblandingen. Overhold sprøjtemønsteret og sørg for, at der ikke er træsko. Gradvist øge eller mindske injektionshastigheden, indtil opløsningen sprøjter frit.Juster opsamlerens position til fordampning af opløsningsmiddel ved at skubbe den mod airbrushen, indtil den ønskede mængde af materialet er deponeret på underlaget. Stop derefter sprøjtepumpeenheden og luk hovedventilen på nitrogengascylinderen. Ved den kritiske koncentration begynder de opløste polymerspoler at overlappe hinanden og forårsage sammenfiltring.De beregnede og eksperimentelt forudsagte værdier for den kritiske koncentration var ens. Derfor blev der anvendt en polymerkoncentration over den kritiske koncentration til opløsningens blæsespindingsproces. Virkningen af forskellige polymerkoncentrationer på fibermåttemorfologien blev undersøgt, og det blev observeret, at uønskede polymerperler var til stede ved lavere og nær de kritiske overlappende polymerkoncentrationer.Uberørte og morfologisk glatte fibre blev opnået ved polymerkoncentrationer over den kritiske koncentration. Ved lav forstørrelse viste fibermåtten genereret fra en høj polymerkoncentration tilstedeværelsen af individuelle og cylindrisk formede fibre med minimale perler eller fibersvejsning. Højere forstørrelse bekræfter fraværet af polymerperler.Virkningen af gastryk på fibermorfologi blev også undersøgt. Når trykket øges, falder fiberdiameteren, mens meget højt tryk resulterer i store polymerperler og svejsede fibre. Tilstedeværelsen af jernoxidnanopartikler i polymerfibrene blev bestemt ved hjælp af tilbagespredt elektronanalyse.Elementanalysen indikerede yderligere tilstedeværelsen af jernoxidnanopartikler Udvælgelse af et passende opløsningsmiddel såvel som polymerens molære masse i dens koncentration og opløsning er nogle af de mest kritiske parametre, der kan diktere succes eller fiasko i denne protokol. Metoderne beskrevet i denne protokol kan anvendes til at udvikle polymere fiber nanokompositter til forskellige andre områder og applikationer, herunder biomaterialer, polymerbaserede ledende materialer, filtreringsanordninger og andre.

Research

JoVE Journal

Engineering

Development of Whispering Gallery Mode Polymeric Micro-optical Electric Field Sensors

Udvikling af Whispering Gallery mode Polymere Micro-optiske elektrisk felt-følere

Optical modes of dielectric micro-cavities have received significant attention in recent years for their potential in a broad range of applications. The ...

Fabrication and Characterization of Disordered Polymer Optical Fibers for Transverse Anderson Localization of Light

Fremstilling og karakterisering af Disordered Polymer Optiske fibre til Tværgående Anderson lokalisering Light

We develop and characterize a disordered polymer optical fiber that uses transverse Anderson localization as a novel waveguiding mechanism. The developed ...

Mechanical Expansion of Steel Tubing as a Solution to Leaky Wellbores

Mekanisk Udvidelse af Steel Tubing som en løsning på Utætte brøndboringer

Wellbore cement, a procedural component of wellbore completion operations, primarily provides zonal isolation and mechanical support of the metal pipe ...

Writing Bragg Gratings in Multicore Fibers

Skrivning Bragg Riste i Multicore Fibers

Fiber Bragg gratings in multicore fibers can be used as compact and robust filters in astronomical and other research and commercial applications. Strong ...

How to Build a Vacuum Spring-transport Package for Spinning Rotor Gauges

Hvordan man opbygger en Vacuum Spring-transport pakke til Spinning Rotor Målere

The spinning rotor gauge (SRG) is a high-vacuum gauge often used as a secondary or transfer standard for vacuum pressures in the range of 1.0 x 10-4 Pa to ...

Fabrication of Fully Solution Processed Inorganic Nanocrystal Photovoltaic Devices

Fremstilling af Fully Løsning Forarbejdede Uorganiske nanocrystal fotovoltaiske Devices

We demonstrate a method for the preparation of fully solution processed inorganic solar cells from a spin and spray coating deposition of nanocrystal ...

Experimental Procedure for Warm Spinning of Cast Aluminum Components

Eksperimentel Procedure for Warm Spinning i støbt aluminium komponenter

High performance, cast aluminum automotive wheels are increasingly being incrementally formed via flow forming/metal spinning at elevated temperatures to ...

Scalable Solution-processed Fabrication Strategy for High-performance, Flexible, Transparent Electrodes with Embedded Metal Mesh

Scalable Solution-Processed Fabrication Strategi for High Performance, Fleksibel, Transparent Elektroder med Embedded Metal Mesh

Here, the authors report the embedded metal-mesh transparent electrode (EMTE), a new transparent electrode (TE) with a metal mesh completely embedded in a ...

New Application of an Atmospheric Pressure Plasma Jet as a Neuro-protective Agent Against Glucose Deprivation-induced Injury of SH-SY5Y Cells

Ny anvendelse af et atmosfæretryk Plasma Jet som en Neuro-beskyttende middel mod glukose afsavn-induceret skade af SH-SY5Y celler

The atmospheric pressure plasma jet (APPJ) has attracted the attention of many researchers from multiple disciplines in recent years because its emissions ...

Flow-assisted Dielectrophoresis: A Low Cost Method for the Fabrication of High Performance Solution-processable Nanowire Devices

Flow-assisteret dielektroforesis: En billig metode til fremstilling af højtydende løsning-bearbejdes Nanotråd enheder

Flow-assisted dielectrophoresis (DEP) is an efficient self-assembly method for the controllable and reproducible positioning, alignment, and selection of ...