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.
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Article de méthode
Filage par soufflage en solution de fibres nanocomposites polymères pour équipement de protection individuelle
Dans cet article
Résumé
Résumé
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.
Introduction
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....
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Protocole
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 approprié
REMARQUE : Consultez les fiches de données de sécurité du fabricant ou du fournisseur et le service ou le personnel de sécurité de l’établissement a....
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Résultats
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 SBS. Dans cette étude, un cop.......
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Discussion
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 ambiante27. De plus, l.......
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Déclarations de divulgation
La description complète des procédures utilisées dans le présent document exige l’identification de certains produits commerciaux et de leurs fournisseurs. L’inclusion de ces informations ne doit en aucun cas être interprétée comme indiquant que ces produits ou fournisseurs sont approuvés par le NIST ou sont recommandés par le NIST ou qu’ils sont nécessairement les meilleurs matériaux, instruments, logiciels ou fournisseurs aux fins décrites.
Remerciements
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.
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Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Outilleur de 45 MM Vise | Tormach Inc. | 32547 | Pour fixer le substrat sur le collecteur |
| ARES-G2 Rhéomètre | TA Instruments | 401000.501 | Rhéomètre |
| Branson Ultrasonics M Series - Bain de nettoyage par ultrasons | Fisher Scientific | 15-336-100 | Pour disperser les nanoparticules |
| Cadence Science ; Micro-Mate Seringue interchangeable | Fisher Scientific | 14-825-2A | Seringue en verre 5mL en 1/5mL, Luer Lock Tip |
| Capot chimique | N’importe quelle entreprise | ||
| Corning - Pipette jetable en verre Pasteur | Sigma Aldrich | CLS7095D5X-200EA | Non Stérile |
| DWK Life Sciences ; Wheaton - Flacon à scintillation en verre | Fisher Scientific | 03-341-25G | 20 mL avec bouchon |
| FEI Quanta 200 Microscope électronique à balayage (MEB) | FEI | Pour l’imagerie d’échantillons | |
| Oxyde de fer Nanopoudre/Nanoparticules | US Research Nanomaterials, inc. | US3320 | Fe3O4, 98 %, 20-3- nm, Huile de silicium Enduit d’huile de silicium |
| KD Scientific Legato 100 Pompe à seringue unique | Sigma Aldrich | Z401358-1EA | Pompe à perfusion à seringue |
| unique Master Airbrush - Modèle S68 | TCP Global | MAS S68 | Diamètre de la buse/aiguille : 0,35 mm |
| Mettler Toledo AB265-S/FACT Balance | Cole-Parmer Scientific | EW-11333-14 | Pour peser les polymères et les polymères Nanoparticules |
| N2 Régulateur | de gaz N’importe quelle entreprise | ||
| Nanoenclosure | Toute entreprise | ||
| Microscopie optique Lames de verre | Fisher Scientific | 12-550-A3 | Utilisé comme substrat pour le dépôt de tapis de fibres |
| OSP Slotted Bob, 33 mm | TA Instruments | 402796.902 | Bob, géométrie supérieure |
| OSP Slotted Double Gap Cup, 34 mm | TA Instruments | 402782.901 | Coupelle à double paroi, géométrie inférieure |
| Oxford BenchMate Digital Vortex | Mixer | Pipette VM-D | Nominale jusqu’à 4 200 tr/min, pour solutions de mélange |
| Oxford Benchmate Tube | Roller Pipette | OTR-24DR | Mélangeur/rotateur d’échantillons |
| Polystyrène-bloc-polybutadiène-bloc de polystyrène | Sigma Aldrich | 432490-1KG | styrène 30 % en poids, Mw ~ 185 000 g/mol |
| Spécimen de tronçon de broche MEB Mount | Ted Pella Inc. | 16119 | Spatule de 18 mm de diamètre x 8 mm de hauteur |
| VWR | 82027-532 | Pour charger les matériaux d’essai | |
| Tétrahydrofurane (THF) | Fisher Scientific | T425-1 | solvant, grade HPLC |
| TRIOS | TA Instruments | v4.3.1.39215 | Logiciel de rhéomètre |
Références
- Lee, B. L., et al. Penetration failure mechanisms of armor-grade fiber composites under impact. Journal of Composite Materials. 35 (18), 1605-1633 (2001).
- Prevorsek, D. C., Kwon, Y. D., Chin, H. B.
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Réimpressions et autorisations
