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

Zois Tsinas; Ran Tao; Amanda L. Forster

doi:10.3791/62283

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Artigo de método

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

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DOI:

10.3791/62283

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18 de março de 2021

Zois Tsinas¹^,² , Ran Tao¹^,³ , Amanda L. Forster¹

¹Material Measurement Laboratory, National Institute of Standards and Technology, ²Theiss Research, ³Department of Chemical Engineering, Texas Tech University

Neste artigo

Resumo

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.

Resumo

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.

Introdução

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 lamina....