Name: solution blow spinning of polymeric nano-composite fibers for personal protective equipment
Uploaded: 2021-03-18T15:00:00
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Les auteurs tiennent à remercier M. Dwight D. Barry pour son importante contribution à la fabrication de l’appareil de filage par soufflage en solution. Zois Tsinas et Ran Tao aimeraient remercier le National Institute of Standards and Technology pour le financement des prix # 70NANB20H007 et # 70NANB15H112, respectivement.

REMARQUE : Les détails relatifs à l’équipement, à l’instrumentation et aux produits chimiques utilisés dans cette section se trouvent dans le Tableau des matériaux. L’ensemble de ce protocole devrait d’abord être examiné et approuvé par le service ou le personnel de sécurité de l’établissement pour s’assurer que les procédures et les processus propres à l’établissement sont respectés.
1. Préparation de la solution polymère à l’aide du solvant a...

<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>

La méthode décrite ici fournit un protocole pour la production de tapis de fibres nanocomposites en élastomère polymère via une technique relativement nouvelle connue sous le nom de filage par soufflage en solution. Cette technique permet la fabrication de fibres à l’échelle nanométrique et présente plusieurs avantages par rapport à d’autres techniques bien établies, telles que le procédé d’électrofilage, car elle peut être réalisée sous pression atmosphérique et température ambiante<sup class="x...

De nombreux systèmes de blindage de protection balistique légers sont actuellement construits à l’aide de fibres polymères à haut module et à haute résistance, telles que des fibres de polyéthylène orientées et de masse molaire ultra-élevée ou des aramides, qui offrent une résistance balistique exceptionnelle 1,2. Ces fibres sont utilisées en combinaison avec un matériau de résine élastique (liant) qui peut pénétrer au niveau du filament et fixer les fibres dans une configuration 0°/90° pour former un stratifié unidirectionnel non tissé. Le pourcentage de résine élastomère polymère (liant) ne doit pas dépasser 13 % du poids total du stratifié unidirectionnel afin de maintenir l’intégrité structurelle et les propriétés antibalistiques de la structure stratifiée 3,4. Le liant est un composant très important de l’armure car il maintient les fibres à haute résistance correctement orientées et bien emballées dans chaque couche de stratifié3. Les matériaux élastomères couramment utilisés comme liants dans les applications de gilets pare-balles ont un module de traction très faible (par exemple, ~17,2 MPa à ~23 °C), une température de transition vitreuse basse (de préférence inférieure à -50 °C), un allongement très élevé à la rupture (jusqu’à 300%) et doivent présenter d’excellentes propriétés adhésives5.
Pour améliorer les performances de ces élastomères polymères, SBS a été réalisé pour créer des matériaux élastomères fibreux qui peuvent être utilisés comme liants dans les applications de gilets pare-balles. Le SBS est une technique relativement nouvelle et polyvalente permettant l’utilisation de différents systèmes polymères/solvants et la création de différents produits finis 6,7,8,9,10,11,12,13. Ce processus simple implique le dépôt rapide (10x le taux d’électrofilage) de fibres conformes sur des substrats planaires et non planaires pour fabriquer des feuilles ou des bandes de fibres qui englobent des échelles nano et micro 14,15,16,17,18. Les matériaux SBS ont de nombreuses applications dans les produits médicaux, les filtres à air, les équipements de protection, les capteurs, l’électronique optique et les catalyseurs14,19,20. Le développement de fibres de petit diamètre permet d’augmenter considérablement le rapport surface/volume, ce qui est très important pour plusieurs applications, en particulier dans le domaine des équipements de protection individuelle. Le diamètre et la morphologie des fibres générées par le SBS dépendent de la masse molaire du polymère, de la concentration du polymère dans la solution, de la viscosité de la solution, du débit de la solution de polymère, de la pression du gaz, de la distance de travail et du diamètre de la buse de pulvérisation14,15,17.
Une caractéristique importante de l’appareil SBS est la buse de pulvérisation composée d’une buse intérieure et d’une buse externe concentrique. Le polymère dissous dans un solvant volatil est pompé à travers la buse interne tandis qu’un gaz sous pression circule à travers la buse externe. Le gaz à grande vitesse sortant de la buse externe induit le cisaillement de la solution de polymère qui s’écoule à travers la buse interne. Cela force la solution à former une forme conique à la sortie de la buse de pulvérisation. Lorsque la tension superficielle à l’extrémité du cône est surmontée, un fin flux de solution polymère est éjecté et le solvant s’évapore rapidement, provoquant la fusion et le dépôt de brins de polymère sous forme de fibres polymères. La formation d’une structure fibreuse, lorsque le solvant s’évapore, dépend fortement de la masse molaire du polymère et de la concentration de la solution. Les fibres sont formées par enchevêtrement de chaînes, lorsque les chaînes polymères en solution commencent à se chevaucher à une concentration connue sous le nom de concentration de chevauchement critique (c*). Par conséquent, il est nécessaire de travailler avec des solutions polymères au-dessus du c* du système polymère/solvant sélectionné. En outre, une stratégie facile pour y parvenir consiste à choisir des polymères avec une masse molaire relativement élevée. Les polymères ayant une masse molaire plus élevée ont des temps de relaxation des polymères plus élevés, ce qui est directement lié à une augmentation de la formation de structures fibreuses, comme décrit dans la littérature21. Comme bon nombre des paramètres utilisés dans le SBS sont fortement corrélés, l’objectif de ce travail est de fournir des conseils pour développer des nanocomposites de fibres polymères accordables et flexibles à utiliser comme alternatives aux matériaux liants typiques trouvés dans les applications de gilets pare-balles en incorporant des nanoparticules dans la matrice fibreuse polymère-élastomère.

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	<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

Les systèmes de blindage de protection légers se composent généralement de fibres polymères à haut module (>109 MPa) et à haute résistance maintenues en place avec un matériau de résine élastique (liant) pour former un stratifié unidirectionnel non tissé. Bien que des efforts importants aient été consacrés à l’amélioration des propriétés mécaniques des fibres à haute résistance, peu de travaux ont été entrepris pour améliorer les propriétés des liants. Pour améliorer les performances de ces liants polymères élastomères, un procédé de fabrication relativement nouveau et simple, connu sous le nom de filage par soufflage en solution, a été utilisé. Cette technique est capable de produire des feuilles ou des toiles de fibres avec des diamètres moyens allant de l’échelle nanométrique à l’échelle microscopique. Pour ce faire, un appareil de filage par soufflage en solution (SBS) a été conçu et construit en laboratoire pour fabriquer des tapis de fibres non tissées à partir de solutions d’élastomères polymères.
Dans cette étude, un liant couramment utilisé, un copolymère bloc styrène-butadiène-styrène dissous dans du tétrahydrofurane, a été utilisé pour produire des tapis de fibres nanocomposites en ajoutant des nanoparticules métalliques (NP), telles que des NP d’oxyde de fer, qui ont été encapsulées avec de l’huile de silicium et donc incorporées dans les fibres formées via le procédé SBS. Le protocole décrit dans ce travail traitera des effets des divers paramètres critiques impliqués dans le procédé SBS, y compris la masse molaire du polymère, la sélection du solvant thermodynamiquement approprié, la concentration du polymère en solution et la pression du gaz porteur pour aider les autres à effectuer des expériences similaires, ainsi que fournir des conseils pour optimiser la configuration de la configuration expérimentale. L’intégrité structurelle et la morphologie des tapis de fibres non tissées qui en résultent ont été examinées à l’aide de la microscopie électronique à balayage (MEB) et de l’analyse élémentaire des rayons X par spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie (EDS). Le but de cette étude est d’évaluer les effets des différents paramètres expérimentaux et des sélections de matériaux afin d’optimiser la structure et la morphologie des tapis de fibres SBS.

Dans cette étude, des tapis de fibres non tissées constitués de fibres de poly(styrène-butadiène-styrène) à l’échelle nanométrique et microscopique ont été synthétisés avec et sans présence de NP d’oxyde de fer. Pour former des fibres, les paramètres SBS doivent être soigneusement sélectionnés pour le système polymère/solvant utilisé. La masse molaire du polymère dissous et la concentration de la solution sont essentielles pour contrôler la morphologie des structures produites par le procédé ...

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

L’objectif principal de cette étude est de décrire un protocole pour préparer des tapis de fibres polymères avec une morphologie cohérente via le filage en solution (SBS). Notre objectif est d’utiliser SBS pour développer de nouveaux nanocomposites de fibres polymères flexibles et accordables pour diverses applications, y compris des matériaux de protection, en incorporant des nanoparticules dans une matrice polymère-élastomère.

Filage par soufflage en solution de fibres nanocomposites polymères pour équipement de protection individuelle

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

Cet autoprotocole couvre certains des paramètres et des étapes les plus importants impliqués dans le filage en solution de fibres nanocomposites polymères, y compris la sélection de la masse molaire polymère de solvants thermodynamiquement appropriés, la concentration polymérique en solution, l’incorporation de nanomatériaux, la pression du gaz porteur et la distance de travail. SPS est une technique relativement nouvelle qui offre une grande polyvalence en ce qui concerne le système de solvant polymère et le produit final. En outre, il peut être utilisé pour déposer rapidement des fibres formelles sur des substrats planaires et non planaires et créer des sièges ou des toiles de fibres de diamètres nano et microscopiques.L’objectif de ce travail est de fournir des conseils pour développer des nanocomposites de fibres polymères accordables et flexibles qui peuvent être utilisés comme alternatives aux matériaux liants typiques trouvés dans les applications de gilets pare-balles en incorporant des nanoparticules dans la matrice d’élastomère polymère de la fibre. Actuellement, il n’existe pas de systèmes disponibles dans le commerce ou de procédures opérationnelles normalisées pour effectuer un filage par soufflage en solution sur des fibres nanocomposites polymères accordables. La démonstration de nos particules et de nos appareils pourrait aider d’autres personnes à développer efficacement leur propre procédé pour leur application.Pour commencer, transférez la quantité désirée de polymère sec dans un flacon de verre borosilicaté propre de 20 millilitres à l’aide d’une petite spatule. Placez le flacon dans la hotte chimique et ajoutez environ 10 millilitres de tétrahydrofurane pour atteindre une concentration de 200 milligrammes par millilitre. Fermez ensuite le flacon et placez-le sur le mélangeur ou le rotateur.Ajouter la poudre de nanoparticules d’oxyde de fer sec dans un flacon en verre propre de 20 millilitres. Ajoutez ensuite 10 millilitres de tétrahydrofurane dans le flacon et fermez-le. Bien agiter l’échantillon sur le mélangeur vortex jusqu’à ce que les nanoparticules deviennent invisibles au fond du flacon, puis sonifier l’échantillon pendant environ 30 minutes avec un intervalle de deux à cinq minutes entre chaque sonication, pour assurer la dispersion complète des nanoparticules et éviter le chauffage de l’échantillon.Ajouter le polymère dans la dispersion de nanoparticules à l’intérieur de la hotte chimique et sceller le flacon. Ensuite, mélangez-le sur le rotateur à 70 tr / min pendant 60 minutes à température ambiante jusqu’à ce que le polymère se dissolve complètement. Ajustez la hauteur et l’angle de l’aérographe pour qu’ils s’alignent avec le centre de la lame de microscope en verre fixée au collecteur et fixée en place.Assurez-vous que la bouteille de gaz est correctement fixée à son support mural et connectez l’entrée de gaz de l’aérographe à la bouteille de gaz sous pression d’azote. Allumez la vanne principale de la bouteille de gaz et ajustez lentement la pression pour obtenir le débit souhaité. Fermez ensuite la vanne principale.Fixez le substrat sur le collecteur à l’aide de l’étau équipé et ajustez la hauteur du collecteur pour l’aligner perpendiculairement à la direction de pulvérisation et au motif de l’aérographe pour déposer le matériau sur le substrat. Identifiez la distance de travail optimale en faisant glisser le collecteur vers sa position la plus éloignée de la buse de l’aérographe. Transférer le mélange de solvants de nanoparticules polymères dans une seringue en verre borosilicaté d’analyse des gaz dissous munie d’une aiguille en acier inoxydable.Retirez toutes les bulles d’air de l’échantillon en tenant la seringue avec l’aiguille pointée vers le haut et en tapotant doucement la seringue, puis appuyez lentement sur le piston pour déplacer tout excès d’air. Détachez l’aiguille, fixez la seringue à la pompe de seringue et fixez la seringue. Connectez le tube en PTFE provenant de la sortie de la seringue à l’entrée appropriée de l’aérographe et sélectionnez le débit d’injection souhaité dans le menu de l’unité de pompe à seringue.Ouvrez la vanne principale de la bouteille d’azote gazeux pour que l’azote gazeux circule à travers l’aérographe et lancez le processus de pulvérisation en démarrant l’unité de pompe de seringue pour distribuer le mélange de solvants de nanoparticules polymères. Observez le schéma de pulvérisation et assurez-vous qu’il n’y a pas de sabots. Augmentez ou diminuez progressivement le débit d’injection jusqu’à ce que la solution pulvérise librement.Ajustez la position du collecteur pour l’évaporation du solvant en le faisant glisser vers l’aérographe jusqu’à ce que la quantité souhaitée de matériau soit déposée sur le substrat. Ensuite, arrêtez l’unité de pompe à seringue et fermez la vanne principale de la bouteille d’azote gazeux. À la concentration critique, les bobines de polymères dissous commencent à se chevaucher et à provoquer un enchevêtrement.Les valeurs calculées et expérimentales prévues de la concentration critique étaient similaires. Par conséquent, une concentration de polymère supérieure à la concentration critique a été utilisée pour le processus de filage par soufflage en solution. L’effet de différentes concentrations de polymères sur la morphologie du tapis de fibres a été étudié, et il a été observé que des billes de polymère indésirables étaient présentes à des concentrations de polymères de chevauchement plus faibles et proches des concentrations critiques de polymère.Des fibres vierges et morphologiquement lisses ont été obtenues à des concentrations de polymères supérieures à la concentration critique. À faible grossissement, le tapis de fibres généré à partir d’une concentration élevée de polymères a montré la présence de fibres individuelles et de forme cylindrique avec un minimum de cordons ou de soudure de fibres. Un grossissement plus élevé confirme l’absence de billes de polymère.L’effet de la pression du gaz sur la morphologie des fibres a également été étudié. Lorsque la pression augmente, le diamètre de la fibre diminue tandis qu’une pression très élevée donne de grandes billes de polymère et des fibres soudées. La présence de nanoparticules d’oxyde de fer dans les fibres polymères a été déterminée à l’aide d’une analyse électronique rétrodiffusée.L’analyse élémentaire a en outre indiqué la présence de nanoparticules d’oxyde de fer La sélection d’un solvant approprié, ainsi que la masse molaire du polymère dans sa concentration et sa solution sont quelques-uns des paramètres les plus critiques qui peuvent dicter le succès ou l’échec de ce protocole. Les méthodes décrites dans ce protocole peuvent être appliquées pour développer des nanocomposites de fibres polymères pour divers autres domaines et applications, notamment les biomatériaux, les matériaux conducteurs à base de polymères, les dispositifs de filtration et autres.

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