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

Forfatterne ønsker å anerkjenne Mr. Dwight D. Barry for hans viktige bidrag til fabrikasjon av løsningen blåse spinning apparatet. Zois Tsinas og Ran Tao ønsker å anerkjenne finansiering fra National Institute of Standards and Technology under Awards # 70NANB20H007 og # 70NANB15H112, henholdsvis.

MERK: Detaljer relatert til utstyr, instrumentering og kjemikalier som brukes i denne delen, finner du i materialtabellen. Hele denne protokollen bør først gjennomgås og godkjennes av institusjonens sikkerhetsavdeling/personell for å sikre at prosedyrer og prosesser som er spesifikke for institusjonen, overholdes.
1. Fremstilling av polymeroppløsning ved bruk av egnet løsningsmiddel
MERK: Rådfør deg med sikkerhetsdatablad for produsent / lever...

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

Metoden beskrevet her gir en protokoll for å produsere polymer elastomer nanokompositt fibermatter via en relativt ny teknikk kjent som løsningsblåsespinn. Denne teknikken tillater fremstilling av fibre i nanoskala og har flere fordeler i forhold til andre veletablerte teknikker, for eksempel elektrospinningsprosessen, da den kan utføres under atmosfærisk trykk og romtemperatur27. Videre er SBS ikke svært utsatt for lokale miljøendringer (temperatur eller fuktighet) og krever ikke sterke el...

Mange lette, ballistiske, beskyttende rustningssystemer er for tiden konstruert ved hjelp av høymodul og høystyrke polymerfibre, for eksempel orienterte, ultrahøye molare massepolyetylenfibre eller aramider, som gir enestående ballistisk motstand 1,2. Disse fibrene brukes i kombinasjon med et elastisk harpiksmateriale (bindemiddel) som kan trenge inn i filamentnivået og feste fibrene i en 0 ° / 90 ° konfigurasjon for å danne et ikke-vevd, ensrettet laminat. Prosentandelen av polymerelastomerharpiksen (bindemiddelet) bør ikke overstige 13% av totalvekten til det ensrettede laminatet for å opprettholde den strukturelle integriteten og antiballistiske egenskapene til laminatstrukturen 3,4. Bindemidlet er en svært viktig komponent i rustningen, da den holder høyfaste fibre riktig orientert og tett pakket i hvert laminatlag3. Elastomermaterialer som vanligvis brukes som bindemidler i kroppsrustningsapplikasjoner, har svært lav strekkmodul (f.eks. ~ 17,2 MPa ved ~ 23 ° C), lav glassovergangstemperatur (helst under -50 ° C), svært høy forlengelse ved pause (så høyt som 300%) og må demonstrere gode klebende egenskaper5.
For å forbedre ytelsen til disse polymerelastomerene ble SBS utført for å skape fibrøse elastomermaterialer som kan brukes som bindemidler i kroppspanserapplikasjoner. SBS er en relativt ny, allsidig teknikk som tillater bruk av forskjellige polymer / løsningsmiddelsystemer og opprettelse av forskjellige sluttprodukter 6,7,8,9,10,11,12,13. Denne enkle prosessen innebærer rask (10x frekvensen av elektrospinning) avsetning av konforme fibre på både plane og ikke-plane substrater for å fremstille ark eller nett av fibre som omfatter nano- og mikrolengdeskalaer 14,15,16,17,18. SBS-materialer har mange bruksområder innen medisinske produkter, luftfiltre, verneutstyr, sensorer, optisk elektronikk og katalysatorer14,19,20. Utvikling av fibre med liten diameter kan drastisk øke forholdet mellom overflate og volum, noe som er svært viktig for flere applikasjoner, spesielt innen personlig verneutstyr. Diameteren og morfologien til fibrene som genereres av SBS, avhenger av polymerens molare masse, polymerkonsentrasjon i løsningen, løsningens viskositet, polymerløsningsstrømningshastighet, gasstrykk, arbeidsavstand og diameter av sprøytedysen14,15,17.
En viktig egenskap ved SBS-apparatet er sprøytedysen som består av en indre og en konsentrisk ytre dyse. Polymeren oppløst i et flyktig løsningsmiddel pumpes gjennom den indre dysen mens en trykkgass strømmer gjennom den ytre dysen. Høyhastighetsgassen som går ut av den ytre dysen induserer skjæring av polymeroppløsningen som strømmer gjennom den indre dysen. Dette tvinger løsningen til å danne en konisk form når du går ut av sprøytedysen. Når overflatespenningen på spissen av kjeglen overvinnes, kastes en fin strøm av polymeroppløsning ut, og løsningsmidlet fordampes raskt, noe som får polymerstrenger til å samle seg og avsettes som polymerfibre. Dannelsen av en fibrøs struktur, som løsningsmiddel fordamper, avhenger sterkt av polymermolarmassen og løsningskonsentrasjonen. Fibre dannes ved kjedesammenfiltring, når polymerkjeder i oppløsning begynner å overlappe ved en konsentrasjon kjent som den kritiske overlappingskonsentrasjonen (c *). Derfor er det nødvendig å arbeide med polymerløsninger over c* for det valgte polymer-/løsningsmiddelsystemet. En enkel strategi for å oppnå dette er også å velge polymerer med relativt høy molar masse. Polymerer med høyere molar masse har økte polymeravslappingstider, noe som er direkte relatert til en økning i dannelsen av fibrøse strukturer, som beskrevet i litteraturen21. Siden mange av parametrene som brukes i SBS er sterkt korrelert, er målet med dette arbeidet å gi veiledning for å utvikle tunbare og fleksible polymerfibernanokompositter som skal brukes som alternativer for typiske bindemiddelmaterialer som finnes i kroppspanseringsapplikasjoner ved å inkorporere nanopartikler i den fibrøse polymer-elastomermatrisen.

<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

Lette, beskyttende rustningssystemer består vanligvis av høy modul (>109 MPa) og høyfaste polymerfibre holdt på plass med et elastisk harpiksmateriale (bindemiddel) for å danne et ikke-vevd, ensrettet laminat. Mens betydelig innsats har fokusert på å forbedre de mekaniske egenskapene til høystyrkefibrene, har det blitt gjort lite arbeid for å forbedre egenskapene til bindemiddelmaterialene. For å forbedre ytelsen til disse elastomere polymerbindemidlene ble det brukt en relativt ny og enkel fabrikasjonsprosess, kjent som løsningsblåsespinning. Denne teknikken er i stand til å produsere ark eller nett av fibre med gjennomsnittlige diametre som spenner fra nanoskala til mikroskala. For å oppnå dette er et løsningsblåsespinner (SBS) -apparat designet og bygget i laboratoriet for å fremstille ikke-vevde fibermatter fra polymerelastomerløsninger.
I denne studien ble et vanlig bindemiddelmateriale, en styren-butadien-styrenblokk-kopolymer oppløst i tetrahydrofuran, brukt til å produsere nanokomposittfibermatter ved å tilsette metalliske nanopartikler (NP), slik som jernoksid-NP, som ble innkapslet med silisiumolje og dermed innlemmet i fibrene dannet via SBS-prosessen. Protokollen beskrevet i dette arbeidet vil diskutere effekten av de ulike kritiske parametrene som er involvert i SBS-prosessen, inkludert polymermolare masse, valg av termodynamisk passende løsningsmiddel, polymerkonsentrasjonen i løsning og bærergasstrykket for å hjelpe andre med å utføre lignende eksperimenter, samt gi veiledning for å optimalisere konfigurasjonen av det eksperimentelle oppsettet. Den strukturelle integriteten og morfologien til de resulterende ikke-vevde fibermattene ble undersøkt ved hjelp av scanning elektronmikroskopi (SEM) og elementær røntgenanalyse via energidispersiv røntgenspektroskopi (EDS). Målet med denne studien er å evaluere effekten av de ulike eksperimentelle parametrene og materialvalgene for å optimalisere strukturen og morfologien til SBS-fibermattene.

I denne studien ble ikke-vevde fibermatter bestående av poly (styren-butadien-styren) fibre i nano- og mikroskala syntetisert med og uten tilstedeværelse av jernoksid-NP. For å danne fibre må SBS-parametrene velges nøye for polymer / løsningsmiddelsystemet som brukes. Molarmassen til den oppløste polymeren og løsningskonsentrasjonen er avgjørende for å kontrollere morfologien til strukturene produsert av SBS-prosessen. I denne studien ble en blokk-kopolymer av poly (styren-butadien-styren) (styren 30 vekt%) bru...

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

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

Det primære målet med denne studien er å beskrive en protokoll for å fremstille polymerfibermatter med konsistent morfologi via løsningsblåsespinning (SBS). Vi tar sikte på å bruke SBS til å utvikle nye, tunable, fleksible polymere fiber nanokompositter for ulike applikasjoner, inkludert beskyttende materialer, ved å inkorporere nanopartikler i en polymer-elastomermatrise.

Løsning blåsespinning av polymere nanokomposittfibre for personlig verneutstyr

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

Denne selvprotokollen dekker noen av de viktigste parametrene og trinnene som er involvert i løsningsblåsespinning av polymere nanokomposittfibre, inkludert polymermolar massevalg av termodynamisk passende løsningsmidler, polymerkonsentrasjon i løsning, inkorporering av nanomaterialer, bærergasstrykk og arbeidsavstand. SPS er en relativt ny teknikk som gir stor allsidighet med hensyn til polymerløsningsmiddelsystemet og sluttproduktet. Videre kan den brukes til raskt å deponere formelle fibre på både plane og ikke-plane substrater og skape sits eller nett av fibre med både nano- og mikroskaladiametre.Målet med dette arbeidet er å gi veiledning for å utvikle justerbare og fleksible polymere fiber nanokompositter som kan brukes som alternativer for typiske bindemiddelmaterialer som finnes i kroppspanserapplikasjoner ved å inkorporere nanopartikler i fiberens polymerelastomermatrise. For tiden er det ingen kommersielt tilgjengelige systemer eller standard driftsprosedyrer for å utføre en løsning som spinner på tuneable polymere nanokomposittfibre. Demonstrasjonen av partikkelen og apparatet vårt kan hjelpe andre til effektivt å utvikle sin egen prosess for deres anvendelse.For å begynne, overfør ønsket mengde av den tørre polymeren til et rent 20 milliliter borosilikatglassflaske ved hjelp av en liten spatel. Plasser hetteglasset i den kjemiske avtrekkshetten og tilsett ca. 10 ml tetrahydrofuran for å oppnå en konsentrasjon på 200 milligram per milliliter. Lukk deretter hetteglasset og legg det på mikseren eller rotatoren.Tilsett tørt jernoksid nanopartikkelpulver i et rent 20 milliliter hetteglass. Tilsett deretter 10 ml tetrahydrofuran i hetteglasset og lukk det. Agiter prøven grundig på virvelblanderen til nanopartiklene blir usynlige i bunnen av hetteglasset, og soniker deretter prøven i ca. 30 minutter med et to til fem minutters intervall mellom hver sonikering, for å sikre fullstendig dispersjon av nanopartiklene, og for å unngå prøveoppvarming.Tilsett polymeren i nanopartikkeldispersjonen inne i den kjemiske hetten og forsegl hetteglasset. Bland den deretter på rotatoren ved 70 o / min i 60 minutter ved romtemperatur til polymeren er helt oppløst. Juster høyden og vinkelen på airbrush å justere med midten av glasset mikroskop lysbildet festet til samleren og festet på plass.Forsikre deg om at gassflasken er ordentlig festet til veggfestet, og koble gassinnløpet til airbrush til nitrogentrykkgassflasken. Slå på hovedventilen til gassflasken og juster trykket sakte for å oppnå ønsket strømning. Lukk deretter hovedventilen.Fest underlaget på samleren ved hjelp av den utstyrte skruen og juster høyden på samleren for å justere vinkelrett på sprøyteretningen og mønsteret til airbrush for å avsette materialet på underlaget. Identifiser den optimale arbeidsavstanden ved å skyve kollektoren til sin lengste posisjon vekk fra airbrush-dysen. Overfør polymer nanopartikkelløsningsmiddelblandingen til en oppløst gassanalyse borosilikatglasssprøyte utstyrt med en rustfritt stålnål.Fjern eventuelle luftbobler fra prøven ved å holde sprøyten med nålen pekende opp og banke forsiktig på sprøyten, og trykk deretter stempelet sakte inn for å fortrenge overflødig luft. Løsne kanylen, fest sprøyten til sprøytepumpeenheten og fest sprøyten. Koble PTFE-slangen som kommer fra utløpet av sprøyten til riktig innløp på airbrush og velg ønsket injeksjonshastighet fra menyen til sprøytepumpeenheten.Åpne hovedventilen på nitrogengassflasken for at nitrogengassen skal strømme gjennom airbrush og starte sprøyteprosessen ved å starte sprøytepumpeenheten for å dispensere polymer nanopartikkel løsningsmiddelblandingen. Følg sprøytemønsteret og sørg for at det ikke er tresko. Øk eller reduser injeksjonshastigheten gradvis til oppløsningen sprøytes fritt.Juster posisjonen til kollektoren for fordampning av løsningsmidler ved å skyve den mot airbrush til ønsket mengde av materialet er avsatt på underlaget. Stopp deretter sprøytepumpeenheten og lukk hovedventilen til nitrogengassflasken. Ved den kritiske konsentrasjonen begynner de oppløste polymerspolene å overlappe hverandre og forårsake forviklinger.De beregnede og eksperimentelt predikerte verdiene for den kritiske konsentrasjonen var like. Derfor ble en polymerkonsentrasjon over den kritiske konsentrasjonen brukt til løsningsblåsespinningsprosessen. Effekten av forskjellige polymerkonsentrasjoner på fibermattemorfologien ble studert, og det ble observert at uønskede polymerperler var tilstede ved lavere og nær de kritiske overlappende polymerkonsentrasjonene.Uberørte og morfologisk glatte fibre ble oppnådd ved polymerkonsentrasjoner over den kritiske konsentrasjonen. Ved lav forstørrelse viste fibermatten generert fra en høy polymerkonsentrasjon tilstedeværelsen av individuelle og sylindriske fibre med minimal perler eller fibersveising. Høyere forstørrelse bekrefter fraværet av polymerperler.Effekten av gasstrykk på fibermorfologi ble også studert. Når trykket øker, reduseres fiberdiameteren mens svært høyt trykk resulterer i store polymerperler og sveisede fibre. Tilstedeværelsen av jernoksid nanopartikler i polymerfibrene ble bestemt ved hjelp av tilbake spredt elektronanalyse.Den elementære analysen indikerte videre tilstedeværelsen av jernoksid nanopartikler Valg av et passende løsningsmiddel, samt molare massen av polymeren i konsentrasjonen og løsningen er noen av de mest kritiske parametrene som kan diktere suksess eller fiasko i denne protokollen. Metodene beskrevet i denne protokollen kan brukes til å utvikle polymere fiber nanokompositter for forskjellige andre felt og applikasjoner, inkludert biomaterialer, polymerbaserte ledende materialer, filtreringsanordninger og andre.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Utvikling av Whispering Gallery Mode Polymer Micro-optiske elektriske feltet Sensorer

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

Fabrikasjon og karakterisering av uordnede Polymer optiske fibre for Tverrgående Anderson Lokalisering of Light

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

Mechanical Expansion of Steel Tubing as a Solution to Leaky Wellbores

Mekanisk Utvidelse av stålrør som en løsning til Leaky brønnbaner

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

Skrive Bragg Gitter i Multicore Fibers

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

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

Hvordan bygge en Vacuum Spring-transport Package for Spinning Rotor Gauges

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

Fabrikasjon av Fully Løsning Behandlet uorganiske nanocrystal photovoltaic enheter

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

Eksperimentell Prosedyre for Warm Spinning av støpt aluminium komponenter

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

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

Skalerbar løsning-behandlet Fabrication Strategy for High-Performance, Fleksibel, Transparent Elektroder med innebygd 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

Nytt program for en atmosfærisk trykk Plasma Jet som Nevro-beskyttende Agent mot glukose deprivasjon-indusert skade SH-SY5Y celler

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

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

Flyt-assistert Dielectrophoresis: En rimelig metode for fabrikasjon av høytytende løsningen-processable Nanowire enheter

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