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

De auteurs willen de heer Dwight D. Barry bedanken voor zijn belangrijke bijdragen voor de fabricage van het oplossingsgeblazen spinapparaat. Zois Tsinas en Ran Tao willen graag de financiering van het National Institute of Standards and Technology erkennen onder respectievelijk Awards # 70NANB20H007 en # 70NANB15H112.

OPMERKING: Details met betrekking tot de apparatuur, instrumentatie en chemicaliën die in deze sectie worden gebruikt, zijn te vinden in de tabel met materialen. Dit hele protocol moet eerst worden beoordeeld en goedgekeurd door de institutionele veiligheidsafdeling / het personeel om ervoor te zorgen dat procedures en processen die specifiek zijn voor de instelling worden nageleefd.
1. Bereiding van polymeeroplossing met behulp van het juiste oplosmiddel
<p class="jove_con...

<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>

De hierin beschreven methode biedt een protocol voor het produceren van polymeerelastomeer nanocomposiet vezelmatten via een relatief nieuwe techniek die bekend staat als solution blow spinning. Deze techniek maakt de fabricage van vezels op nanoschaal mogelijk en heeft verschillende voordelen ten opzichte van andere gevestigde technieken, zoals het elektrospinningproces, omdat het kan worden uitgevoerd onder atmosferische druk en kamertemperatuur27. Bovendien is SBS niet erg gevoelig voor lokale ...

Veel lichtgewicht, ballistische, beschermende pantsersystemen zijn momenteel gebouwd met behulp van polymere vezels met hoge modulus en hoge sterkte, zoals georiënteerde, ultrahoge molaire massa polyethyleenvezels of aramides, die een uitstekende ballistische weerstand bieden 1,2. Deze vezels worden gebruikt in combinatie met een elastisch harsmateriaal (bindmiddel) dat kan doordringen tot het filamentniveau en de vezels in een 0 ° / 90 ° -configuratie kan beveiligen om een niet-geweven, unidirectioneel laminaat te vormen. Het percentage polymeerelastomeerhars (bindmiddel) mag niet hoger zijn dan 13% van het totale gewicht van het unidirectionele laminaat om de structurele integriteit en antiballistische eigenschappen van de laminaatstructuur te behouden 3,4. Het bindmiddel is een zeer belangrijk onderdeel van het pantser omdat het de zeer sterke vezels goed georiënteerd en stevig verpakt houdt in elke laminaatlaag3. Elastomeermaterialen die vaak worden gebruikt als bindmiddelen in kogelvrije vesttoepassingen hebben een zeer lage trekmodulus (bijv. ~ 17,2 MPa bij ~ 23 ° C), lage glasovergangstemperatuur (bij voorkeur onder -50 ° C), zeer hoge rek bij breuk (zo hoog als 300%) en moeten uitstekende kleefeigenschappen vertonen5.
Om de prestaties van deze polymeerelastomeren te verbeteren, werd SBS uitgevoerd om vezelige elastomeermaterialen te maken die kunnen worden gebruikt als bindmiddelen in kogelvrije vesttoepassingen. SBS is een relatief nieuwe, veelzijdige techniek die het gebruik van verschillende polymeer/oplosmiddelsystemen en de creatie van verschillende eindproductenmogelijk maakt 6,7,8,9,10,11,12,13. Dit eenvoudige proces omvat de snelle (10x de snelheid van elektrospinning) afzetting van hoekgetrouwe vezels op zowel vlakke als niet-vlakke substraten om vellen of webben van vezels te fabriceren die nano- en microlengteschalen 14,15,16,17,18 omvatten. SBS-materialen hebben tal van toepassingen in medische producten, luchtfilters, beschermingsmiddelen, sensoren, optische elektronica en katalysatoren 14,19,20. Het ontwikkelen van vezels met een kleine diameter kan de oppervlakte-volumeverhouding drastisch vergroten, wat erg belangrijk is voor verschillende toepassingen, vooral op het gebied van persoonlijke beschermingsmiddelen. De diameter en morfologie van de door SBS gegenereerde vezels zijn afhankelijk van de molaire massa van het polymeer, de polymeerconcentratie in de oplossing, de viscositeit van de oplossing, het debiet van de polymeeroplossing, de gasdruk, de werkafstand en de diameter van de sproeikop 14,15,17.
Een belangrijk kenmerk van het SBS-apparaat is de sproeikop bestaande uit een binnenste en een concentrische buitenmondstuk. Het polymeer opgelost in een vluchtig oplosmiddel wordt door het binnenste mondstuk gepompt, terwijl een gas onder druk door het buitenste mondstuk stroomt. Het gas met hoge snelheid dat het buitenste mondstuk verlaat, induceert afschuif van de polymeeroplossing die door het binnenste mondstuk stroomt. Dit dwingt de oplossing om een conische vorm te vormen bij het verlaten van de sproeikop. Wanneer de oppervlaktespanning aan de punt van de kegel wordt overwonnen, wordt een fijne stroom polymeeroplossing uitgestoten en verdampt het oplosmiddel snel waardoor polymeerstrengen samensmelten en afzetten als polymeervezels. De vorming van een vezelachtige structuur, als oplosmiddel verdampt, hangt sterk af van de polymeer molaire massa en de oplossingsconcentratie. Vezels worden gevormd door ketenverstrengeling, wanneer polymeerketens in oplossing beginnen te overlappen bij een concentratie die bekend staat als de kritische overlapconcentratie (c *). Daarom is het noodzakelijk om te werken met polymeeroplossingen boven de c* van het geselecteerde polymeer/oplosmiddelsysteem. Een eenvoudige strategie om dit te bereiken is ook om polymeren met een relatief hoge molaire massa te kiezen. Polymeren met een hogere molaire massa hebben verhoogde polymeerontspanningstijden, wat direct verband houdt met een toename van de vorming van vezelachtige structuren, zoals beschreven in de literatuur21. Omdat veel van de parameters die in SBS worden gebruikt sterk gecorreleerd zijn, is het doel van dit werk om richtlijnen te bieden voor het ontwikkelen van afstembare en flexibele polymere vezelnanocomposieten die kunnen worden gebruikt als alternatieven voor typische bindmiddelmaterialen die worden aangetroffen in kogelvrije vesttoepassingen door nanodeeltjes op te nemen in de vezelige polymeer-elastomeermatrix.

<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

Lichtgewicht, beschermende pantsersystemen bestaan meestal uit hoge modulus (>109 MPa) en zeer sterke polymere vezels die op hun plaats worden gehouden met een elastisch harsmateriaal (bindmiddel) om een niet-geweven, unidirectioneel laminaat te vormen. Hoewel aanzienlijke inspanningen zich hebben gericht op het verbeteren van de mechanische eigenschappen van de zeer sterke vezels, is er weinig werk verricht om de eigenschappen van de bindmiddelmaterialen te verbeteren. Om de prestaties van deze elastomeerpolymeerbinders te verbeteren, werd een relatief nieuw en eenvoudig fabricageproces, bekend als solution blow spinning, gebruikt. Deze techniek is in staat om vellen of webben van vezels te produceren met gemiddelde diameters variërend van de nanoschaal tot de microschaal. Om dit te bereiken, is een oplossing blow spinning (SBS) apparaat ontworpen en gebouwd in het laboratorium om niet-geweven vezelmatten te fabriceren van polymeer elastomeer oplossingen.
In deze studie werd een veelgebruikt bindmiddelmateriaal, een styreen-butadieen-styreenblok-co-polymeer opgelost in tetrahydrofuraan, gebruikt om nanocomposietvezelmatten te produceren door metalen nanodeeltjes (NP's) toe te voegen, zoals ijzeroxide NP's, die werden ingekapseld met siliciumolie en dus werden opgenomen in de vezels gevormd via het SBS-proces. Het protocol dat in dit werk wordt beschreven, bespreekt de effecten van de verschillende kritische parameters die betrokken zijn bij het SBS-proces, waaronder de polymeermolaire massa, de selectie van het thermodynamisch geschikte oplosmiddel, de polymeerconcentratie in oplossing en de dragergasdruk om anderen te helpen bij het uitvoeren van vergelijkbare experimenten, evenals begeleiding om de configuratie van de experimentele opstelling te optimaliseren. De structurele integriteit en morfologie van de resulterende niet-geweven vezelmatten werden onderzocht met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM) en elementaire röntgenanalyse via energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDS). Het doel van deze studie is om de effecten van de verschillende experimentele parameters en materiaalselecties te evalueren om de structuur en morfologie van de SBS-vezelmatten te optimaliseren.

In deze studie werden niet-geweven vezelmatten bestaande uit poly (styreen-butadieen-styreen) vezels in de nano- en microschaal gesynthetiseerd met en zonder de aanwezigheid van ijzeroxide NP's. Om vezels te vormen, moeten de SBS-parameters zorgvuldig worden geselecteerd voor het gebruikte polymeer/ oplosmiddelsysteem. De molaire massa van het opgeloste polymeer en de oplossingsconcentratie zijn van cruciaal belang bij het beheersen van de morfologie van de structuren die door het SBS-proces worden geproduceerd. In deze ...

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

Het primaire doel van deze studie is om een protocol te beschrijven om polymere vezelmatten met consistente morfologie te bereiden via solution blow spinning (SBS). We willen SBS gebruiken om nieuwe, instelbare, flexibele polymere vezel nanocomposieten te ontwikkelen voor verschillende toepassingen, waaronder beschermende materialen, door nanodeeltjes op te nemen in een polymeer-elastomeermatrix.

Oplossing Blow Spinning van polymere nanocomposietvezels voor persoonlijke beschermingsmiddelen

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

Dit zelfprotocol omvat enkele van de belangrijkste parameters en stappen die betrokken zijn bij het blazen van oplossingen van polymere nanocomposietvezels, waaronder polymeer molaire massaselectie van thermodynamisch geschikte oplosmiddelen, polymere concentratie in oplossing, opname van nanomaterialen, dragergasdruk en werkafstand. SPS is een relatief nieuwe techniek die een grote veelzijdigheid biedt met betrekking tot het polymeer oplosmiddelsysteem en het eindproduct. Bovendien kan het worden gebruikt om snel formele vezels op zowel vlakke als niet-vlakke substraten af te zetten en sits of webs van vezels van zowel de nano- als microschaaldiameters te creëren.Het doel van dit werk is om begeleiding te bieden bij het ontwikkelen van afstembare en flexibele polymere vezel nanocomposieten die kunnen worden gebruikt als alternatieven voor typische bindmiddelmaterialen die worden aangetroffen in kogelvrije vesttoepassingen door nanodeeltjes op te nemen in de polymeerelastomeermatrix van de vezel. Momenteel zijn er geen in de handel verkrijgbare systemen of standaard operationele procedures om een oplossingswaaien draaien uit te voeren op afstembare polymere nanocomposietvezels. De demonstratie van onze deeltjes en apparaten kan anderen helpen om effectief hun eigen proces voor hun toepassing te ontwikkelen.Breng om te beginnen de gewenste hoeveelheid van het droge polymeer over in een schone injectieflacon van 20 milliliter borosilicaatglas met behulp van een kleine spatel. Plaats de injectieflacon in de chemische zuurkast en voeg ongeveer 10 milliliter tetrahydrofuraan toe om een concentratie van 200 milligram per milliliter te bereiken. Sluit vervolgens de injectieflacon en plaats deze op de mixer of rotator.Voeg droog ijzeroxide nanodeeltjespoeder toe aan een schone glazen injectieflacon van 20 milliliter. Voeg vervolgens 10 milliliter tetrahydrofuraan toe aan de injectieflacon en sluit deze. Roer het monster grondig op de vortexmixer totdat de nanodeeltjes onzichtbaar worden op de bodem van de injectieflacon en soniceer het monster vervolgens gedurende ongeveer 30 minuten met een interval van twee tot vijf minuten tussen elke ultrasoonapparaat, om de volledige dispersie van de nanodeeltjes te garanderen en om te voorkomen dat het monster wordt verwarmd.Voeg het polymeer toe aan de nanodeeltjesdispersie in de chemische kap en sluit de injectieflacon af. Meng het vervolgens op de rotator bij 70 RPM gedurende 60 minuten bij kamertemperatuur totdat het polymeer volledig is opgelost. Pas de hoogte en hoek van de airbrush aan om uit te lijnen met het midden van de glazen microscoopglaas die aan de collector is bevestigd en op zijn plaats is bevestigd.Zorg ervoor dat de gasfles goed is bevestigd aan de muurbevestiging en sluit de gasinlaat van de airbrush aan op de gasfles met stikstofdruk. Zet de hoofdklep van de gasfles aan en pas langzaam de druk aan om de gewenste stroom te bereiken. Sluit vervolgens de hoofdklep.Bevestig het substraat op de collector met behulp van de uitgeruste bankschroef en pas de hoogte van de collector aan om loodrecht op de spuitrichting en het patroon van de airbrush uit te lijnen om het materiaal op het substraat te deponeren. Identificeer de optimale werkafstand door de collector naar de verste positie te schuiven, weg van het airbrushmondstuk. Breng het polymeer nanodeeltjes oplosmiddelmengsel over in een spuit van borosilicaatglas voor analyse van opgelost gas, uitgerust met een roestvrijstalen naald.Verwijder eventuele luchtbellen uit het monster door de spuit met de naald naar boven gericht vast te houden en zachtjes op de spuit te tikken en vervolgens langzaam op de zuiger te drukken om overtollige lucht te verplaatsen. Maak de naald los, bevestig de spuit aan de spuitpompeenheid en zet de spuit vast. Sluit de PTFE-slang die uit de uitlaat van de spuit komt aan op de juiste inlaat op de airbrush en selecteer de gewenste injectiesnelheid in het menu van de spuitpompeenheid.Open de hoofdklep op de stikstofgasfles zodat het stikstofgas door de airbrush stroomt en start het spuitproces door de spuitpompeenheid te starten om het polymeer nanodeeltjes oplosmiddelmengsel af te geven. Observeer het spuitpatroon en zorg ervoor dat er geen klompen zijn. Verhoog of verlaag stapsgewijs de injectiesnelheid totdat de oplossing vrij spuit.Pas de positie van de collector voor oplosmiddelverdamping aan door deze naar de airbrush te schuiven totdat de gewenste hoeveelheid van het materiaal op het substraat is afgezet. Stop vervolgens de spuitpompeenheid en sluit de hoofdklep van de stikstofgasfles. Bij de kritische concentratie beginnen de opgeloste polymeerspoelen elkaar te overlappen en verstrengeling te veroorzaken.De berekende en experimenteel voorspelde waarden van de kritische concentratie waren vergelijkbaar. Daarom werd een polymeerconcentratie boven de kritische concentratie gebruikt voor het oplossingsblaasspinproces. Het effect van verschillende polymeerconcentraties op de morfologie van de vezelmat werd bestudeerd en er werd waargenomen dat ongewenste polymeerparels aanwezig waren bij lagere en bijna de kritische overlappolymeerconcentraties.Ongerepte en morfologisch gladde vezels werden verkregen bij polymeerconcentraties boven de kritische concentratie. Bij lage vergroting vertoonde de vezelmat gegenereerd uit een hoge polymeerconcentratie de aanwezigheid van individuele en cilindrisch gevormde vezels met minimale kralen of vezellassen. Hogere vergroting bevestigt de afwezigheid van polymeerparels.Het effect van gasdruk op vezelmorfologie werd ook bestudeerd. Naarmate de druk toeneemt, neemt de vezeldiameter af, terwijl zeer hoge druk resulteert in grote polymeerparels en gelaste vezels. De aanwezigheid van ijzeroxide nanodeeltjes in de polymeervezels werd bepaald met behulp van back scattered electron analyse.De elementaire analyse gaf verder de aanwezigheid van ijzeroxide nanodeeltjes aan Selectie van een geschikt oplosmiddel, evenals de molaire massa van het polymeer in zijn concentratie en oplossing zijn enkele van de meest kritische parameters die het succes of falen van dit protocol kunnen dicteren. De methoden die in dit protocol worden beschreven, kunnen worden toegepast om polymere vezel nanocomposieten te ontwikkelen voor verschillende andere gebieden en toepassingen, waaronder biomaterialen, op polymeren gebaseerde geleidende materialen, filtratie-apparaten en andere.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Ontwikkeling van Whispering Gallery Mode Polymeer Micro-optische Electric Field Sensors

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

Fabricage en karakterisering van wanordelijke polymeer optische vezels voor Transversale Anderson lokalisatie van Licht

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

Mechanische Uitbreiding van stalen buizen als een oplossing voor lekkende boorputten

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

Het schrijven van Bragg Roosters in 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

Hoe maak je een Vacuum Spring-transport Package Build for draaiende rotor Meters

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

Fabricage van Fully Solution Verwerkte Anorganische Nanocrystal Fotovoltaïsche apparaten

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

Experimentele procedure voor Warm Spinning van gegoten aluminium onderdelen

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

Schaalbare Oplossing-Verwerkte Fabricage Strategie voor High Performance, Flexibele, Transparante Elektroden Met 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

Nieuwe toepassing van een atmosferische druk Plasma Jet als een Agent van de Neuro-beschermende tegen Glucose ontbering-geïnduceerde letsel van SH-SY5Y cellen

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

Stroom-bijgewoonde diëlektroforese: Een Low-Cost methode voor de fabricage van hoogwaardige oplossing-verwerkbaar Nanowire apparaten

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