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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

18 de março de 2021

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....

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Protocolo

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 dados de segurança do fabricante/fornecedor e o departamento/pessoal de segurança da instituição sobre os equipamentos de proteção individual (EPI) adequados a util....

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Resultados

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-butadieno-esti.......

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Discussão

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 altamente suscetível a mudan.......

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Divulgações

A descrição completa dos procedimentos utilizados neste documento requer a identificação de certos produtos comerciais e seus fornecedores. A inclusão de tais informações não deve, de forma alguma, ser interpretada como indicando que tais produtos ou fornecedores são endossados pelo NIST ou são recomendados pelo NIST ou que são necessariamente os melhores materiais, instrumentos, software ou fornecedores para os fins descritos.

Agradecimentos

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.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Morsa de Ferramentas de 45 MMTormach Inc.32547Para fixar o substrato no coletor
ARES-G2 RheometerTA Instruments401000.501Reômetro
Branson Ultrasonics M Series - Banho de Limpeza UltrassônicaFisher Scientific15-336-100Para dispersar nanopartículas
Cadence Science  Seringa Intercambiável Micro-Mate SeringaFisher Scientific14-825-2A5mL em 1/5mL, Ponta Luer Lock
Capuz químicoQualquer empresa
Corning - Pipeta de Vidro Pasteur DescartávelSigma AldrichCLS7095D5X-200EANão Estéril
DWK Life Sciences  Wheaton - Frasco de Cintilação de VidroFisher Scientific03-341-25G20 mL com tampa
FEI Quanta 200 Microscópio Eletrônico de Varredura (SEM)FEIPara amostras
de imagem Nanopowder de Óxido de Ferro/NanopartículasUS Research Nanomaterials, inc.US3320Fe3O4, 98%, 20-3- nm, Revestido a óleo de silicone
Bomba de seringa única KD Scientific Legato 100Sigma AldrichZ401358-1EABomba de infusão de seringa única
Master Airbrush - Modelo S68TCP GlobalMAS S68Diâmetro do bico/agulha: 0,35 mm
Balança Mettler Toledo AB265-S/FACTCole-Parmer ScientificEW-11333-14Para pesagem de polímero e  Nanopartículas
N2 Regulador de GásQualquer empresa
NanoenclosureQualquer empresa
Microscopia Óptica Lâminas de VidroFisher Scientific12-550-A3Usado como substrato para deposição de esteira de fibra
OSP Slotted Bob, 33 mmTA Instruments402796.902Bob, geometria superior
OSP Slotted Double Gap Cup, 34 mmTA Instruments402782.901Copo de parede dupla, geometria inferior
Oxford BenchMate Digital Vortex MixerPipetaVM-DClassificado para até 4.200 rpm, para soluções de mistura
Oxford Benchmate TubeRoller PipetaOTR-24DRMisturador/rotador de
amostras Poliestireno-bloco-polibutadieno-bloco-poliestirenoSigma Aldrich432490-1KGestireno 30 % em peso, Mw ~ 185.000 g/mol
SEM Pin Stub Specimen MountTed Pella Inc.1611918 mm de diâmetro x 8 mm de altura
VWR82027-532Para carregar materiais de teste
Tetrahidrofurano (THF)Fisher ScientificT425-1solvente, grau HPLC
TRIOSTA Instrumentsv4.3.1.39215Software reômetro
de Vidro Espátula de

Referências

  1. Lee, B. L., et al. Penetration failure mechanisms of armor-grade fiber composites under impact. Journal of Composite Materials. 35 (18), 1605-1633 (2001).
  2. Prevorsek, D. C., Kwon, Y. D., Chin, H. B.

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Reimpressões e permissões

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