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

저자는 솔루션 블로우 스피닝 장치의 제조에 대한 중요한 공헌에 대해 Dwight D. Barry 씨에게 감사를 표하고 싶습니다. Zois Tsinas와 Ran Tao는 각각 Awards # 70NANB20H007 및 # 70NANB15H112에 따라 National Institute of Standards and Technology의 자금 지원을 인정하고자합니다.

알림: 이 섹션에 사용된 장비, 기기 및 화학 물질과 관련된 자세한 내용은 재료 표에서 찾을 수 있습니다. 이 전체 프로토콜은 먼저 기관 안전 부서/직원이 검토하고 승인하여 기관에 특정한 절차와 프로세스가 준수되는지 확인해야 합니다.
1. 적절한 용매를 이용한 고분자 용액의 제조
알림: 각 화학 물질/재료와 함께 사용할 적절한 개인 보호 ?...

<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>

본원에 기재된 방법은 용액 블로우 방사로 알려진 비교적 새로운 기술을 통해 중합체 엘라스토머 나노복합 섬유 매트를 제조하기 위한 프로토콜을 제공한다. 이 기술은 나노 스케일의 섬유의 제조를 허용하고, 대기압 및 실온 (27) 하에서 수행 될 수 있기 때문에 전기 방사 공정과 같은 다른 잘 확립 된 기술에 비해 몇 가지 이점을 갖는다. 더욱이, SBS는 국부적 환경 변화(온도 또?...

많은 경량, 탄도, 보호 갑옷 시스템은 현재 뛰어난 탄도 저항1,2를 제공하는 방향성, 초고 몰 질량 폴리에틸렌 섬유 또는 아라미드와 같은 고탄성 및 고강도 고분자 섬유를 사용하여 구성됩니다. 이 섬유는 필라멘트 수준까지 침투하고 섬유를 0°/90° 구성으로 고정하여 부직포 단방향 라미네이트를 형성할 수 있는 탄성 수지 재료(바인더)와 함께 사용됩니다. 고분자 엘라스토머 수지(바인더)의 비율은 적층체 구조의 구조적 완전성 및 탄도 방지 특성을 유지하기 위해 일방향 적층체 총 중량의 13%를 초과해서는 안 된다(3,4). 바인더는 고강도 섬유가 각 라미네이트 층(3) 내에 적절하게 배향되고 단단히 충전되도록 유지하기 때문에 갑옷의 매우 중요한 구성 요소입니다. 방탄복 응용 분야에서 바인더로 일반적으로 사용되는 엘라스토머 재료는 매우 낮은 인장 계수(예: ~23°C에서 ~17.2MPa), 낮은 유리 전이 온도(바람직하게는 -50°C 미만), 매우 높은 파단 신율(최대 300%)을 가지며 우수한접착 특성을 보여야 합니다5.
이러한 폴리머 엘라스토머의 성능을 향상시키기 위해, SBS는 방탄복 용도에서 바인더로서 사용될 수 있는 섬유질 엘라스토머 재료를 생성하기 위해 수행되었다. SBS는 상이한 중합체/용매 시스템의 사용 및 상이한 최종 생성물 6,7,8,9,10,11,12,13의 생성을 허용하는 비교적 새롭고 다재다능한 기술이다. 이 간단한 공정은 나노 및 마이크로 길이 스케일 14,15,16,17,18을 포함하는 섬유 시트 또는 웹을 제조하기 위해 평면 및 비평면 기판 모두에 컨 포멀 섬유를 신속히 (전기 방사 속도 의 10 배) 증착하는 것을 포함합니다. SBS 재료는 의료 제품, 공기 필터, 보호 장비, 센서, 광학 전자 장치 및 촉매14,19,20에 수많은 응용 분야를 가지고 있습니다. 작은 직경의 섬유를 개발하면 표면적 대 부피 비율을 크게 늘릴 수 있으며, 이는 특히 개인 보호 장비 분야에서 여러 응용 분야에서 매우 중요합니다. SBS에 의해 생성된 섬유의 직경 및 형태는 중합체의 몰 질량, 용액 내의 중합체 농도, 용액의 점도, 중합체 용액 유량, 가스 압력, 작동 거리 및 스프레이 노즐(14,15,17)의 직경에 의존한다.
SBS 장치의 중요한 특성은 내부 및 동심 외부 노즐로 구성된 스프레이 노즐이다. 휘발성 용매에 용해된 폴리머는 내부 노즐을 통해 펌핑되고 가압된 가스는 외부 노즐을 통해 흐릅니다. 외부 노즐을 빠져 나가는 고속 가스는 내부 노즐을 통해 흐르는 폴리머 용액의 전단을 유도합니다. 이것은 스프레이 노즐을 빠져 나갈 때 용액이 원뿔 모양을 형성하도록합니다. 원뿔 끝의 표면 장력이 극복되면 폴리머 용액의 미세한 흐름이 분출되고 용매가 빠르게 증발하여 폴리머 가닥이 폴리머 섬유로 합쳐져 증착됩니다. 용매가 증발함에 따라 섬유 구조의 형성은 중합체 몰 질량과 용액 농도에 크게 의존합니다. 섬유는 용액의 폴리머 사슬이 임계 중첩 농도(c*)로 알려진 농도에서 겹치기 시작할 때 사슬 얽힘에 의해 형성됩니다. 따라서 선택한 폴리머/용매 시스템의 c* 이상의 폴리머 용액으로 작업해야 합니다. 또한이를 달성하기위한 쉬운 전략은 상대적으로 몰 질량이 높은 폴리머를 선택하는 것입니다. 더 높은 몰 질량을 갖는 중합체는 중합체 이완 시간을 증가시켰으며, 이는 문헌21에 기재된 바와 같이, 섬유 구조의 형성의 증가와 직접적으로 관련된다. SBS에 사용되는 많은 매개 변수가 강한 상관 관계가 있기 때문에이 작업의 목표는 섬유 성 폴리머 - 엘라스토머 매트릭스에 나노 입자를 통합하여 방탄복 응용 분야에서 발견되는 일반적인 바인더 재료의 대안으로 사용되는 조정 가능하고 유연한 고분자 섬유 나노 복합체를 개발하기위한 지침을 제공하는 것입니다.

<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

경량 보호 갑옷 시스템은 일반적으로 고탄성률(>109MPa ) 및 탄성 수지 재료(바인더)와 함께 제자리에 고정된 고강도 고분자 섬유로 구성되어 부직포 단방향 라미네이트를 형성합니다. 고강도 섬유의 기계적 특성을 개선하는 데 상당한 노력이 집중되었지만 바인더 재료의 특성을 개선하기 위한 작업은 거의 수행되지 않았습니다. 이러한 엘라스토머 폴리머 바인더의 성능을 향상시키기 위해, 용액 블로우 방사로 알려진 비교적 새롭고 간단한 제조 공정이 사용되었다. 이 기술은 나노 스케일에서 마이크로 스케일에 이르는 평균 직경을 가진 섬유 시트 또는 웹을 생산할 수 있습니다. 이를 달성하기 위해 용액 블로우 스피닝 (SBS) 장치가 폴리머 엘라스토머 용액으로 부직포 매트를 제조하기 위해 실험실에서 설계 및 제작되었습니다.
이 연구에서는 일반적으로 사용되는 바인더 재료 인 스티렌 - 부타디엔 - 스티렌 블록 - 코 - 폴리머 테트라 하이드로 푸란에 용해 된, 산화철 NP와 같은 금속 나노 입자 (NP)를 첨가하여 나노 복합 섬유 매트를 제조하는 데 사용되었으며, 이는 실리콘 오일로 캡슐화되어 SBS 공정을 통해 형성된 섬유에 통합되었습니다. 이 작업에 설명된 프로토콜은 고분자 몰 질량, 열역학적으로 적절한 용매 선택, 용액 내 폴리머 농도 및 캐리어 가스 압력을 포함하여 SBS 공정과 관련된 다양한 중요 파라미터의 효과에 대해 논의하여 다른 사람들이 유사한 실험을 수행하는 데 도움을 줄 뿐만 아니라 실험 설정의 구성을 최적화하기 위한 지침을 제공합니다. 생성 된 부직포 매트의 구조적 무결성 및 형태는 주사 전자 현미경 (SEM) 및 에너지 분산 X 선 분광법 (EDS)을 통한 원소 X 선 분석을 사용하여 검사되었다. 이 연구의 목표는 SBS 섬유 매트의 구조 및 형태를 최적화하기 위해 다양한 실험 파라미터 및 재료 선택의 효과를 평가하는 것이다.

이 연구에서, 나노 및 마이크로 스케일의 폴리 (스티렌 - 부타디엔 - 스티렌 - 스티렌) 섬유로 구성된 부직포 매트는 산화철 NP의 존재 여부에 관계없이 합성되었다. 섬유를 형성하기 위해, SBS 파라미터는 사용된 폴리머/용매 시스템에 대해 신중하게 선택되어야 한다. 용해된 폴리머의 몰 질량과 용액 농도는 SBS 공정에 의해 생성된 구조의 형태를 제어하는 데 중요합니다. 이 연구에서는 25 ° C에서 ?...

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

이 연구의 주요 목표는 용액 블로우 스피닝(SBS)을 통해 일관된 형태를 가진 고분자 섬유 매트를 제조하는 프로토콜을 설명하는 것입니다. 우리는 SBS를 사용하여 폴리머-엘라스토머 매트릭스에 나노 입자를 통합하여 보호 재료를 포함한 다양한 응용 분야를 위한 새롭고 조정 가능하며 유연한 고분자 섬유 나노복합체를 개발하는 것을 목표로 합니다.

개인 보호 장비용 고분자 나노 복합 섬유의 용액 블로우 방사

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

이 자체 프로토콜은 열역학적으로 적절한 용매의 고분자 몰 질량 선택, 용액의 고분자 농도, 나노 물질의 통합, 캐리어 가스 압력 및 작동 거리를 포함하여 고분자 나노 복합 섬유의 용액 블로우 방사와 관련된 가장 중요한 매개 변수 및 단계를 다룹니다. SPS는 폴리머 용매 시스템 및 최종 제품과 관련하여 뛰어난 다양성을 제공하는 비교적 새로운 기술입니다. 또한 평면 및 비평면 기판 모두에 정형 섬유를 빠르게 증착하고 나노 및 마이크로 스케일 직경의 섬유 시트 또는 웹을 만드는 데 사용할 수 있습니다.이 연구의 목표는 섬유의 폴리머 엘라스토머 매트릭스에 나노 입자를 통합하여 방탄복 응용 분야에서 발견되는 일반적인 바인더 재료의 대안으로 사용할 수있는 조정 가능하고 유연한 고분자 섬유 나노 복합체를 개발하기위한 지침을 제공하는 것입니다. 현재, 조정 가능한 고분자 나노 복합 섬유에 용액 블로우 방사를 수행하기위한 상업적으로 이용 가능한 시스템 또는 표준 작동 절차는 없다. 우리의 입자와 장치의 시연은 다른 사람들이 자신의 응용을위한 자신의 프로세스를 효과적으로 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다.시작하려면 작은 주걱을 사용하여 원하는 양의 건조 폴리머를 깨끗한 20 밀리리터 붕규산 유리 바이알에 옮깁니다. 바이알을 화학 흄 후드에 넣고 약 10 밀리리터의 테트라 하이드로 퓨란을 추가하여 밀리리터 당 200 밀리그램 농도를 달성하십시오. 그런 다음 바이알을 닫고 믹서 또는 회전 장치에 놓습니다.건조한 산화철 나노 입자 분말을 깨끗한 20 밀리리터 유리 병에 넣으십시오. 그런 다음 10 밀리리터의 테트라 하이드로 퓨란을 바이알에 넣고 닫습니다. 나노 입자가 바이알의 바닥에서 보이지 않게 될 때까지 와류 믹서에서 샘플을 완전히 교반 한 다음 각 초음파 처리 사이에 2-5 분 간격으로 약 30 분 동안 샘플을 초음파 처리하여 나노 입자의 완전한 분산을 보장하고 샘플 가열을 피하십시오.화학 후드 내부의 나노 입자 분산액에 폴리머를 추가하고 바이알을 밀봉하십시오. 그런 다음 폴리머가 완전히 용해 될 때까지 실온에서 60 분 동안 70RPM의 회전 장치에 혼합하십시오. 에어브러시의 높이와 각도를 조정하여 컬렉터에 부착된 유리 현미경 슬라이드의 중심에 맞춰지고 제자리에 고정됩니다.가스 실린더가 벽걸이에 제대로 고정되었는지 확인하고 에어 브러시의 가스 흡입구를 질소 가압 가스 실린더에 연결하십시오. 가스 실린더의 메인 밸브를 켜고 원하는 흐름을 얻기 위해 압력을 천천히 조정하십시오. 그런 다음 메인 밸브를 닫습니다.장착된 바이스를 사용하여 컬렉터에 기판을 고정하고 컬렉터의 높이를 조정하여 에어브러시의 스프레이 방향과 패턴에 수직으로 정렬하여 기판에 재료를 증착합니다. 컬렉터를 에어브러시 노즐에서 가장 먼 위치로 밀어 최적의 작동 거리를 식별합니다. 고분자 나노입자 용매 혼합물을 용해된 가스 분석 붕규산 유리 주사기에 스테인리스 스틸 바늘이 장착된 주사기로 옮긴다.바늘이 위를 향하도록 주사기를 잡고 주사기를 부드럽게 두드려 샘플에서 기포를 제거한 다음 플런저를 천천히 눌러 과도한 공기를 제거합니다. 바늘을 분리하고 주사기를 주사기 펌프 장치에 부착하고 주사기를 고정합니다. 주사기 출구에서 나오는 PTFE 튜브를 에어 브러시의 적절한 입구에 연결하고 주사기 펌프 장치 메뉴에서 원하는 주입 속도를 선택합니다.질소 가스가 에어 브러시를 통해 흐르도록 질소 가스 실린더의 메인 밸브를 열고 시린지 펌프 장치를 시작하여 폴리머 나노 입자 용매 혼합물을 분배하여 분무 프로세스를 시작합니다. 스프레이 패턴을 관찰하고 막힘이 없는지 확인하십시오. 용액이 자유롭게 분사될 때까지 주입 속도를 점진적으로 높이거나 낮춥니다.용매 증발을 위한 컬렉터의 위치를 원하는 양의 재료가 기판에 증착될 때까지 에어브러시 쪽으로 밀어 조정합니다. 그런 다음 주사기 펌프 장치를 멈추고 질소 가스 실린더의 메인 밸브를 닫습니다. 임계 농도에서 용해된 폴리머 코일이 서로 겹치기 시작하여 얽힘을 유발합니다.임계 농도의 계산되고 실험적으로 예측 된 값은 유사했다. 따라서, 임계 농도 이상의 고분자 농도를 취입방사 용액 방사 공정에 사용하였다. 섬유 매트 형태에 대한 상이한 중합체 농도의 효과를 연구하였고, 바람직하지 않은 중합체 비드가 임계 중첩 중합체 농도보다 낮고 그 근처에 존재하는 것으로 관찰되었다.깨끗하고 형태학적으로 매끄러운 섬유는 임계 농도 이상의 중합체 농도에서 얻어졌다. 저배율에서 높은 폴리머 농도로부터 생성된 섬유 매트는 최소한의 비드 또는 섬유 용접으로 개별 및 원통형 섬유의 존재를 보여주었습니다. 더 높은 배율은 폴리머 비드가 없음을 확인합니다.섬유 형태에 대한 가스 압력의 영향도 연구되었습니다. 압력이 증가함에 따라 섬유 직경은 감소하는 반면 매우 높은 압력은 큰 폴리머 비드와 용접 섬유를 초래합니다. 고분자 섬유 내의 산화철 나노입자의 존재는 후방 산란 전자 분석을 이용하여 결정하였다.원소 분석은 산화철 나노 입자의 존재를 나타 냈습니다 적절한 용매의 선택뿐만 아니라 농도와 용액에서 폴리머의 몰 질량은이 프로토콜의 성공 또는 실패를 결정할 수있는 가장 중요한 매개 변수 중 일부입니다. 이 프로토콜에 설명 된 방법은 생체 재료, 고분자 기반 전도성 재료, 여과 장치 등을 포함한 다양한 다른 분야 및 응용 분야를위한 고분자 섬유 나노 복합체를 개발하는 데 적용될 수 있습니다.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

갤러리 모드 고분자 마이크로 광 전기장 센서 글린의 개발

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

연구

공학

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

빛의 통과 앤더슨 현지화 무질서 폴리머 광섬유의 제조 및 특성

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

새는 Wellbores에 대한 해결책으로 스틸 튜브의 기계적 확장

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

멀티 코어 섬유에 브래그 격자를 작성

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

어떻게 로터 게이지를 회전하기위한 진공 봄 전송 패키지를 빌드하는 방법

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

완전 해결 가공 된 무기 나노 결정 태양 광 발전 장치의 제작

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

캐스트 알루미늄 부품의 따뜻한 회전에 대한 실험 절차

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

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

SH SY5Y 세포의 포도 당 부족 유발 부상에 대 한 신경 보호 요원으로 대기압 플라즈마 제트의 새로운 응용 프로그램

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

흐름 기반 Dielectrophoresis: 고성능 솔루션 처리 나노와이어 소자의 제조에 대 한 낮은 비용 방법

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