Name: solution blow spinning of polymeric nano-composite fibers for personal protective equipment
Uploaded: 2021-03-18T15:00:00
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Os autores gostariam de agradecer ao Sr. Dwight D. Barry por suas importantes contribuições para a fabricação do aparelho de fiação de sopro de solução. Zois Tsinas e Ran Tao gostariam de reconhecer o financiamento do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia sob os Prêmios # 70NANB20H007 e # 70NANB15H112, respectivamente.

NOTA: Detalhes relacionados ao equipamento, instrumentação e produtos químicos usados nesta seção podem ser encontrados na Tabela de Materiais. Todo esse protocolo deve primeiro ser revisado e aprovado pelo departamento/pessoal de segurança institucional para garantir que os procedimentos e processos específicos da instituição sejam cumpridos.
1. Preparação da solução polimérica utilizando o solvente adequado
NOTA: Consulte as fichas de ...

<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>

O método aqui descrito fornece um protocolo para a produção de tapetes de fibra nanocompósitos de elastômero polimérico através de uma técnica relativamente nova conhecida como fiação por sopro de solução. Essa técnica permite a fabricação de fibras em nanoescala e apresenta diversas vantagens em relação a outras técnicas bem estabelecidas, como o processo de eletrofiação, pois pode ser realizado sob pressão atmosférica e temperatura ambiente27. Além disso, a SBS não é alt...

Muitos sistemas de blindagem leves, balísticos e protetores são atualmente construídos usando fibras poliméricas de alto módulo e alta resistência, como fibras de polietileno de massa molar orientadas e ultra-altas ou aramidas, que proporcionam excelente resistência balística 1,2. Essas fibras são usadas em combinação com um material de resina elástica (aglutinante) que pode penetrar até o nível do filamento e fixar as fibras em uma configuração de 0°/90° para formar um laminado unidirecional não tecido. A porcentagem da resina de elastômero polimérico (aglutinante) não deve exceder 13% do peso total do laminado unidirecional para manter a integridade estrutural e as propriedades antibalísticas da estrutura do laminado 3,4. O aglutinante é um componente muito importante da armadura, pois mantém as fibras de alta resistência adequadamente orientadas e bem embaladas dentro de cada camadalaminada 3. Os materiais de elastômero comumente usados como aglutinantes em aplicações de armaduras corporais têm módulo de tração muito baixo (por exemplo, ~17,2 MPa a ~23 °C), baixa temperatura de transição vítrea (de preferência abaixo de -50 °C), alongamento muito alto na ruptura (até 300%) e devem demonstrar excelentes propriedades adesivas5.
Para melhorar o desempenho desses elastômeros poliméricos, o SBS foi realizado para criar materiais fibrosos de elastômero que podem ser usados como aglutinantes em aplicações de armaduras corporais. A SBS é uma técnica relativamente nova e versátil que permite o uso de diferentes sistemas de polímeros/solventes e a criação de diferentes produtos finais 6,7,8,9,10,11,12,13. Esse processo simples envolve a deposição rápida (10x a taxa de eletrofiação) de fibras conformais em substratos planares e não planares para fabricar folhas ou teias de fibras que abrangem escalas de nano e micro comprimento 14,15,16,17,18. Os materiais SBS têm inúmeras aplicações em produtos médicos, filtros de ar, equipamentos de proteção, sensores, eletrônica óptica e catalisadores14,19,20. O desenvolvimento de fibras de pequeno diâmetro pode aumentar drasticamente a relação entre área de superfície e volume, o que é muito importante para várias aplicações, especialmente no campo de equipamentos de proteção individual. O diâmetro e a morfologia das fibras geradas pela SBS dependem da massa molar do polímero, da concentração do polímero na solução, da viscosidade da solução, da vazão da solução polimérica, da pressão do gás, da distância de trabalho e do diâmetro do bico de pulverização14,15,17.
Uma característica importante do aparelho SBS é o bocal de pulverização constituído por um bocal interior e um bico exterior concêntrico. O polímero dissolvido em um solvente volátil é bombeado através do bocal interno, enquanto um gás pressurizado flui através do bocal externo. O gás de alta velocidade que sai do bocal externo induz o cisalhamento da solução polimérica que flui através do bocal interno. Isso força a solução a formar uma forma cônica ao sair do bocal de pulverização. Quando a tensão superficial na ponta do cone é superada, um fluxo fino de solução polimérica é ejetado e o solvente evapora rapidamente, fazendo com que os filamentos poliméricos coalescam e se depositem como fibras poliméricas. A formação de uma estrutura fibrosa, à medida que o solvente evapora, depende fortemente da massa molar do polímero e da concentração da solução. As fibras são formadas pelo emaranhamento de cadeias, quando as cadeias poliméricas em solução começam a se sobrepor a uma concentração conhecida como concentração crítica de sobreposição (c*). Portanto, é necessário trabalhar com soluções poliméricas acima do c* do sistema polímero/solvente selecionado. Além disso, uma estratégia fácil para conseguir isso é escolher polímeros com massa molar relativamente alta. Polímeros com maior massa molar têm tempos de relaxamento do polímero aumentados, o que está diretamente relacionado ao aumento da formação de estruturas fibrosas, conforme descrito na literatura21. Como muitos dos parâmetros utilizados na SBS estão fortemente correlacionados, o objetivo deste trabalho é fornecer orientação para o desenvolvimento de nanocompósitos de fibra polimérica ajustáveis e flexíveis para serem usados como alternativas para materiais aglutinantes típicos encontrados em aplicações de armaduras corporais, incorporando nanopartículas na matriz fibrosa polímero-elastômero.

<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

Os sistemas de blindagem de proteção leves geralmente consistem em fibras poliméricas de alto módulo (>109 MPa) e de alta resistência mantidas no lugar com um material de resina elástica (aglutinante) para formar um laminado unidirecional não tecido. Embora esforços significativos tenham se concentrado em melhorar as propriedades mecânicas das fibras de alta resistência, pouco trabalho foi realizado para melhorar as propriedades dos materiais aglutinantes. Para melhorar o desempenho desses ligantes de polímero elastomérico, um processo de fabricação relativamente novo e simples, conhecido como fiação por sopro de solução, foi usado. Esta técnica é capaz de produzir folhas ou teias de fibras com diâmetros médios que vão desde a nanoescala até a microescala. Para conseguir isso, um aparelho de fiação por sopro de solução (SBS) foi projetado e construído em laboratório para fabricar tapetes de fibra não tecida a partir de soluções de elastômeros poliméricos.
Neste estudo, um material aglutinante comumente utilizado, um bloco-copolímero de estireno-butadieno-estireno dissolvido em tetraidrofurano, foi utilizado para produzir tapetes de fibras nanocompostas por meio da adição de nanopartículas metálicas (NPs), como NPs de óxido de ferro, que foram encapsuladas com óleo de silício e, portanto, incorporadas nas fibras formadas através do processo SBS. O protocolo descrito neste trabalho discutirá os efeitos dos vários parâmetros críticos envolvidos no processo de SBS, incluindo a massa molar do polímero, a seleção do solvente termodinamicamente apropriado, a concentração de polímero em solução e a pressão do gás transportador para auxiliar outros na realização de experimentos semelhantes, bem como fornecer orientação para otimizar a configuração da configuração experimental. A integridade estrutural e a morfologia dos tapetes de fibras não tecidas resultantes foram examinadas usando microscopia eletrônica de varredura (MEV) e análise de raios-X elementares via espectroscopia de raios-X por dispersão de energia (EDS). O objetivo deste trabalho é avaliar os efeitos dos diversos parâmetros experimentais e seleções de materiais para otimizar a estrutura e morfologia dos tapetes de fibras SBS.

Neste estudo, tapetes de fibras não tecidas, constituídos por fibras de poli(estireno-butadieno-estireno) em nano e microescala, foram sintetizados com e sem a presença de NPs de óxido de ferro. Para formar fibras, os parâmetros SBS devem ser cuidadosamente selecionados para o sistema polímero/solvente utilizado. A massa molar do polímero dissolvido e a concentração da solução são críticas no controle da morfologia das estruturas produzidas pelo processo SBS. Neste estudo, um bloco-copolímero poli(estireno-...

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

O objetivo principal deste trabalho é descrever um protocolo para o preparo de tapetes de fibras poliméricas com morfologia consistente via solução de fiação por sopro (SBS). Nosso objetivo é usar a SBS para desenvolver nanocompósitos de fibra polimérica novos, ajustáveis e flexíveis para várias aplicações, incluindo materiais de proteção, incorporando nanopartículas em uma matriz de polímero-elastômero.

Solução de Fiação por Sopro de Fibras Poliméricas Nano-Compósitas para Equipamentos de Proteção Individual

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

Este autoprotocolo abrange alguns dos parâmetros e etapas mais importantes envolvidos na fiação por sopro de solução de fibras poliméricas nanocompostas, incluindo seleção de massa molar polimérica de solventes termodinamicamente apropriados, concentração polimérica em solução, incorporação de nanomateriais, pressão de gás transportador e distância de trabalho. A SPS é uma técnica relativamente nova que oferece grande versatilidade em relação ao sistema de solvente de polímero e ao produto final. Além disso, pode ser usado para depositar rapidamente fibras formais em substratos planares e não planares e criar assentos ou teias de fibras de diâmetros nano e microescala.O objetivo deste trabalho é fornecer orientação para o desenvolvimento de nanocompósitos de fibras poliméricas ajustáveis e flexíveis que possam ser usados como alternativas para materiais aglutinantes típicos encontrados em aplicações de armaduras corporais, incorporando nanopartículas na matriz de elastômeros poliméricos da fibra. Atualmente, não existem sistemas comercialmente disponíveis ou procedimentos operacionais padrão para realizar uma solução de fiação por sopro em fibras poliméricas nanocompostas ajustáveis. A demonstração de nossas partículas e aparelhos poderia ajudar outros a desenvolver efetivamente seu próprio processo para sua aplicação.Para começar, transfira a quantidade desejada do polímero seco para um frasco de vidro de borossilicato de 20 mililitros limpo usando uma espátula pequena. Coloque o frasco para injetáveis no exaustor químico e adicione aproximadamente 10 mililitros de tetraidrofurano para obter uma concentração de 200 miligramas por mililitro. Em seguida, feche o frasco para injetáveis e coloque-o no misturador ou rotador.Adicione o pó seco de nanopartículas de óxido de ferro em um frasco de vidro limpo de 20 mililitros. Em seguida, adicione 10 mililitros de tetraidrofurano no frasco para injetáveis e feche-o. Agitar cuidadosamente a amostra no misturador de vórtice até que as nanopartículas se tornem invisíveis no fundo do frasco para injetáveis e, em seguida, sonicar a amostra durante aproximadamente 30 minutos com um intervalo de dois a cinco minutos entre cada sonicação, para garantir a dispersão completa das nanopartículas e para evitar o aquecimento da amostra.Adicione o polímero à dispersão de nanopartículas no interior do exaustor químico e sele o frasco para injetáveis. Em seguida, misture no rotador a 70 RPM por 60 minutos à temperatura ambiente até que o polímero se dissolva completamente. Ajuste a altura e o ângulo do aerógrafo para se alinhar com o centro da lâmina do microscópio de vidro presa ao coletor e fixada no lugar.Certifique-se de que o cilindro de gás esteja devidamente preso ao seu suporte de parede e conecte a entrada de gás do aerógrafo ao cilindro de gás pressurizado de nitrogênio. Ligue a válvula principal do cilindro de gás e ajuste lentamente a pressão para atingir o fluxo desejado. Em seguida, feche a válvula principal.Prenda o substrato no coletor usando o vice equipado e ajuste a altura do coletor para alinhar perpendicularmente à direção e ao padrão de pulverização do aerógrafo para depositar o material no substrato. Identifique a distância de trabalho ideal deslizando o coletor para a posição mais distante do bocal do aerógrafo. Transfira a mistura de solvente de nanopartículas de polímero para uma seringa de vidro borossilicato de análise de gás dissolvido equipada com uma agulha de aço inoxidável.Remova quaisquer bolhas de ar da amostra segurando a seringa com a agulha apontada para cima e batendo suavemente na seringa e, em seguida, pressione lentamente o êmbolo para deslocar qualquer excesso de ar. Retire a agulha, ligue a seringa à unidade de bombeamento da seringa e prenda a seringa. Ligue a tubulação de PTFE proveniente da saída da seringa à entrada apropriada no aerógrafo e selecione a taxa de injeção desejada no menu da unidade da bomba da seringa.Abra a válvula principal no cilindro de gás nitrogênio para que o gás nitrogênio flua através do aerógrafo e inicie o processo de pulverização iniciando a unidade de bomba de seringa para dispensar a mistura de solvente de nanopartículas de polímero. Observe o padrão de pulverização e certifique-se de que não haja entupimentos. Aumente ou diminua gradualmente a taxa de injeção até que a solução seja pulverizada livremente.Ajuste a posição do coletor para evaporação do solvente, deslizando-o em direção ao aerógrafo até que a quantidade desejada do material seja depositada no substrato. Em seguida, pare a unidade de bomba da seringa e feche a válvula principal do cilindro de gás nitrogênio. Na concentração crítica, as bobinas de polímero dissolvido começam a se sobrepor e causar emaranhamento.Os valores calculados e preditos experimentalmente da concentração crítica foram semelhantes. Portanto, uma concentração de polímero acima da concentração crítica foi utilizada para o processo de fiação por sopro da solução. O efeito de diferentes concentrações de polímeros sobre a morfologia do tapete de fibras foi estudado, e observou-se que esferas poliméricas indesejadas estavam presentes em concentrações mais baixas e próximas às concentrações críticas de polímeros de sobreposição.Fibras imaculadas e morfologicamente lisas foram obtidas em concentrações poliméricas acima da concentração crítica. Em baixa ampliação, o tapete de fibra gerado a partir de uma alta concentração de polímero mostrou a presença de fibras individuais e cilíndricas com o mínimo de contas ou soldagem de fibras. Maior ampliação confirma a ausência de esferas de polímero.O efeito da pressão gasosa sobre a morfologia das fibras também foi estudado. À medida que a pressão aumenta, o diâmetro da fibra diminui, enquanto a pressão muito alta resulta em grandes esferas de polímero e fibras soldadas. A presença de nanopartículas de óxido de ferro dentro das fibras poliméricas foi determinada por meio da análise eletrônica retroespalhada.A análise elementar indicou ainda a presença de nanopartículas de óxido de ferro A seleção de um solvente apropriado, bem como a massa molar do polímero em sua concentração e solução são alguns dos parâmetros mais críticos que podem ditar o sucesso ou o fracasso deste protocolo. Os métodos descritos neste protocolo podem ser aplicados para desenvolver nanocompósitos de fibras poliméricas para vários outros campos e aplicações, incluindo biomateriais, materiais condutores à base de polímeros, dispositivos de filtragem e outros.

Research

JoVE Journal

Engineering

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