Het primaire doel van deze studie is om een protocol te beschrijven om polymere vezelmatten met consistente morfologie te bereiden via solution blow spinning (SBS). We willen SBS gebruiken om nieuwe, instelbare, flexibele polymere vezel nanocomposieten te ontwikkelen voor verschillende toepassingen, waaronder beschermende materialen, door nanodeeltjes op te nemen in een polymeer-elastomeermatrix.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Oplossing Blow Spinning van polymere nanocomposietvezels voor persoonlijke beschermingsmiddelen
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Lichtgewicht, beschermende pantsersystemen bestaan meestal uit hoge modulus (>109 MPa) en zeer sterke polymere vezels die op hun plaats worden gehouden met een elastisch harsmateriaal (bindmiddel) om een niet-geweven, unidirectioneel laminaat te vormen. Hoewel aanzienlijke inspanningen zich hebben gericht op het verbeteren van de mechanische eigenschappen van de zeer sterke vezels, is er weinig werk verricht om de eigenschappen van de bindmiddelmaterialen te verbeteren. Om de prestaties van deze elastomeerpolymeerbinders te verbeteren, werd een relatief nieuw en eenvoudig fabricageproces, bekend als solution blow spinning, gebruikt. Deze techniek is in staat om vellen of webben van vezels te produceren met gemiddelde diameters variërend van de nanoschaal tot de microschaal. Om dit te bereiken, is een oplossing blow spinning (SBS) apparaat ontworpen en gebouwd in het laboratorium om niet-geweven vezelmatten te fabriceren van polymeer elastomeer oplossingen.
In deze studie werd een veelgebruikt bindmiddelmateriaal, een styreen-butadieen-styreenblok-co-polymeer opgelost in tetrahydrofuraan, gebruikt om nanocomposietvezelmatten te produceren door metalen nanodeeltjes (NP's) toe te voegen, zoals ijzeroxide NP's, die werden ingekapseld met siliciumolie en dus werden opgenomen in de vezels gevormd via het SBS-proces. Het protocol dat in dit werk wordt beschreven, bespreekt de effecten van de verschillende kritische parameters die betrokken zijn bij het SBS-proces, waaronder de polymeermolaire massa, de selectie van het thermodynamisch geschikte oplosmiddel, de polymeerconcentratie in oplossing en de dragergasdruk om anderen te helpen bij het uitvoeren van vergelijkbare experimenten, evenals begeleiding om de configuratie van de experimentele opstelling te optimaliseren. De structurele integriteit en morfologie van de resulterende niet-geweven vezelmatten werden onderzocht met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM) en elementaire röntgenanalyse via energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDS). Het doel van deze studie is om de effecten van de verschillende experimentele parameters en materiaalselecties te evalueren om de structuur en morfologie van de SBS-vezelmatten te optimaliseren.
Inleiding
Veel lichtgewicht, ballistische, beschermende pantsersystemen zijn momenteel gebouwd met behulp van polymere vezels met hoge modulus en hoge sterkte, zoals georiënteerde, ultrahoge molaire massa polyethyleenvezels of aramides, die een uitstekende ballistische weerstand bieden 1,2. Deze vezels worden gebruikt in combinatie met een elastisch harsmateriaal (bindmiddel) dat kan doordringen tot het filamentniveau en de vezels in een 0 ° / 90 ° -configuratie kan beveiligen om een niet-geweven, unidirectioneel laminaat te vormen. Het percentage polymeerelastomeerhars (bindmiddel) mag niet hoger zijn dan 13% van het t....
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
OPMERKING: Details met betrekking tot de apparatuur, instrumentatie en chemicaliën die in deze sectie worden gebruikt, zijn te vinden in de tabel met materialen. Dit hele protocol moet eerst worden beoordeeld en goedgekeurd door de institutionele veiligheidsafdeling / het personeel om ervoor te zorgen dat procedures en processen die specifiek zijn voor de instelling worden nageleefd.
1. Bereiding van polymeeroplossing met behulp van het juiste oplosmiddel
OPMERKING: Raadpleeg de veiligheidsinformatiebladen van de fabrikant/leverancier en de veiligheidsafdeling/het personeel van de instelling met be....
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
In deze studie werden niet-geweven vezelmatten bestaande uit poly (styreen-butadieen-styreen) vezels in de nano- en microschaal gesynthetiseerd met en zonder de aanwezigheid van ijzeroxide NP's. Om vezels te vormen, moeten de SBS-parameters zorgvuldig worden geselecteerd voor het gebruikte polymeer/ oplosmiddelsysteem. De molaire massa van het opgeloste polymeer en de oplossingsconcentratie zijn van cruciaal belang bij het beheersen van de morfologie van de structuren die door het SBS-proces worden geproduceerd. In deze .......
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
De hierin beschreven methode biedt een protocol voor het produceren van polymeerelastomeer nanocomposiet vezelmatten via een relatief nieuwe techniek die bekend staat als solution blow spinning. Deze techniek maakt de fabricage van vezels op nanoschaal mogelijk en heeft verschillende voordelen ten opzichte van andere gevestigde technieken, zoals het elektrospinningproces, omdat het kan worden uitgevoerd onder atmosferische druk en kamertemperatuur27. Bovendien is SBS niet erg gevoelig voor lokale .......
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De volledige beschrijving van de in dit document gebruikte procedures vereist de identificatie van bepaalde commerciële producten en hun leveranciers. Het opnemen van dergelijke informatie mag op geen enkele wijze worden opgevat als een aanwijzing dat dergelijke producten of leveranciers door NIST worden onderschreven of door NIST worden aanbevolen of dat zij noodzakelijkerwijs de beste materialen, instrumenten, software of leveranciers zijn voor de beschreven doeleinden.
Dankbetuigingen
De auteurs willen de heer Dwight D. Barry bedanken voor zijn belangrijke bijdragen voor de fabricage van het oplossingsgeblazen spinapparaat. Zois Tsinas en Ran Tao willen graag de financiering van het National Institute of Standards and Technology erkennen onder respectievelijk Awards # 70NANB20H007 en # 70NANB15H112.
....Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 45 MM Toolmaker Vise | Tormach Inc. | 32547 | Om het substraat op de collector te bevestigen |
| ARES-G2 Rheometer | TA Instruments | 401000.501 | Rheometer |
| Branson Ultrasonics M Series - Ultrasonic Cleaning Bath | Fisher Scientific | 15-336-100 | Om nanodeeltjes te verspreiden |
| Cadence Science Micro-Mate Interchangeable Syringe | Fisher Scientific | 14-825-2A | Glazen spuit 5mL in 1/5mL, Luer Lock Tip |
| Chemical hood | Elk bedrijf | ||
| Corning - Disposable Pasteur Glass Pipette | Sigma Aldrich | CLS7095D5X-200EA | Niet-steriele |
| DWK Life Sciences Wheaton - Glass Scintillation Vial | Fisher Scientific | 03-341-25G | 20 mL met dop |
| FEI Quanta 200 Scanning Electron Microscope (SEM) | FEI | Voor beeldvorming van monsters | |
| Iron Oxide Nanopowder/Nanoparticles | US Research Nanomaterials, inc. | US3320 | Fe3O4, 98%, 20-3- nm, met siliconenolicoating |
| KD Scientific Legato 100 Single-Syringe Pump | Sigma Aldrich | Z401358-1EA | Enkele spuit infusiepomp |
| Master Airbrush - Model S68 | TCP Global | MAS S68 | Nozzle/naald diameter: 0,35 mm |
| Mettler Toledo AB265-S/FACT Scale | Cole-Parmer Scientific | EW-11333-14 | Voor het wegen van polymeer en Nanodeeltjes |
| N2 Gas Regulator | Elk bedrijf | ||
| Nanoenclosure | Elk bedrijf | ||
| Optical Microscopy Glass Slides | Fisher Scientific | 12-550-A3 | Gebruikt als substraat voor fiber mat depositie |
| OSP Slotted Bob, 33 mm | TA Instruments | 402796.902 | Bob, bovenste geometrie |
| OSP Slotted Double Gap Cup, 34 mm | TA Instruments | 402782.901 | Dubbelwandige beker, onderste geometrie |
| Oxford BenchMate Digital Vortex Mixer | Pipette | VM-D | Nomineel tot 4.200 tpm, voor het mengen van oplossingen |
| Oxford Benchmate Tube Roller | Pipette | OTR-24DR | Steekproefmixer/rotator |
| Polystyrene-block-polybutadiene-block-polystyrene | Sigma Aldrich | 432490-1KG | styreen 30 wt. %, Mw ~ 185.000 g/mol |
| SEM Pin Stub Specimen Mount | Ted Pella Inc. | 16119 | 18 mm diameter x 8 mm hoogte |
| Spatula | VWR | 82027-532 | Om testmaterialen te laden |
| Tetrahydrofuran (THF) | Fisher Scientific | T425-1 | oplosmiddel, HPLC-kwaliteit |
| TRIOS | TA Instruments | v4.3.1.39215 | Rheometersoftware |
Referenties
- 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.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
