Udrede højstyrke Copolymer Aramid fibre til bestemmelse af mekaniske egenskaber

Summary

Hovedformålet med undersøgelsen er at udvikle en protokol for at forberede konsekvent prøver for nøjagtig mekanisk testning af højstyrke copolymer aramid fibre, ved at fjerne en belægning og udrede de enkelte fiber tråde uden at indføre betydelige kemiske eller fysiske forringelse.

Abstract

Traditionelt, bløde kropspanser er gjort fra poly (p-phenylendiamin terephthalamide) (PPTA) og ultrahøj molekylvægt polyethylen. Men for at diversificere fiber valg i USA 's organ rustning marked, copolymer fibre baseret på en kombination af 5-amino - 2-(p- aminophenyl) benzimidazol (PBIA) og den mere konventionelle PPTA blev indført. Meget lidt er kendt om den langsigtede stabilitet af disse fibre, men som kondens polymerer, de forventes at have potentielle følsomhed over for fugt og luftfugtighed. Derfor er karakteriserer styrken af de materialer og forståelse deres sårbarhed over for miljømæssige forhold vigtige for at vurdere deres brug levetid i sikkerhedsapplikationer. Ballistisk modstand og andre vigtige strukturelle egenskaber af disse fibre er baseret på deres styrke. Du kan præcist bestemme styrken af de enkelte fibre, er det nødvendigt at adskille dem fra Garnet uden at indføre nogen skade. Tre aramid-baserede copolymer fibre blev udvalgt til undersøgelsen. Fibrene blev skyllet med acetone efterfulgt af methanol til at fjerne en organisk belægning, der holdt de enkelte fibre i hver garn bundt sammen. Denne belægning gør det vanskeligt at adskille enkelt fibre fra garn bundle for mekaniske test uden at beskadige fibrene og påvirker deres styrke. Efter vask, fourier transform infrarød (FTIR) spektroskopi blev udført på både vasket og uvaskede prøver og resultaterne blev sammenlignet. Dette eksperiment viser, at der er ingen betydelige variationer i spektre af poly (p-phenylendiamin-benzimidazol-terephthalamide-co -p-phenylendiamin terephthalamide) (PBIA-co-PPTA1) og PBIA-co-PPTA3 efter vask, og kun en lille variation i intensitet for PBIA. Dette indikerer at acetone og methanol skylninger ikke negativt påvirker fibrene og forårsager kemisk nedbrydning. Derudover blev enkelt fiber trækstyrke test udført på den vaskede fibre til at karakterisere deres indledende trækstyrke og stamme til at mislykkes, og sammenligne dem med andre rapporterede værdier. Iterativ proceduremæssige udvikling var nødvendigt at finde en succesfuld metode til udførelse af trækstyrke test på disse fibre.

Introduction

I øjeblikket er betydelig fokus inden for personlig beskyttelse på at reducere massen af kroppen rustning behov for personlig beskyttelse for de retshåndhævende og militære applikationer¹. Traditionelle rustning designs har påberåbt sig materialer som poly (p-phenylendiamin terephthalamide) (PPTA), også kendt som aramid, og polyethylen yde beskyttelse mod ballistiske trusler². Der er imidlertid en interesse i at udforske forskellige højstyrke fiber materialer til deres potentiale til at reducere vægten af rustning skal stoppe en specifik ballistiske trussel. Dette har ført til udforskning af alternative materialer såsom aramid copolymer fibre. Disse fibre er lavet ved reaktion mellem [5-amino - 2-(p- aminophenyl) benzimidazol] (amidobenzimidazole, ABI) og p- phenylendiamin (p-PDA) med terpthaloyldichlorid chlorid til form poly (p- phenylendiamin-benzimidazol-terephthalamide-co -p-phenylendiamin terephthalamide). I denne undersøgelse undersøger vi tre forskellige fibre, som alle er kommercielt produceret materialer hidrørende fra en industri-kontakt. En er en homopolymer fiber, der er foretaget af reagerende ABI med p-phenylendiamin form poly 5-amino - 2-(p- aminophenyl) benzimidazol eller PBIA. De to andre copolymer fibre undersøgt i denne undersøgelse forventes at være tilfældig copolymerer med forskellige nøgletal for PBIA og PPTA forbindelser³. De relative forhold mellem disse forbindelser kunne ikke bestemmes eksperimentelt ved hjælp af solid-state Kernemagnetisk resonans. Disse fibre er udpeget som PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 at udvide de betegnelser, der anvendes i en tidligere publikation⁴. PBIA-co-PPTA3 var ikke tidligere undersøgt, men har en lignende struktur. Disse fiber systemer har også været genstand for flere nyligt udstedte patenter^5,6,7.

Overlegen ballistisk modstand af kroppen rustning er baseret på de mekaniske egenskaber af de materialer, der omfatter det, såsom trækstyrke og stamme til fiasko^8,9,10. Betydelig indsats^11,12,13 har været fokuseret på undersøge den langsigtede stabilitet af polymere fibre anvendes i kropspanser ved at undersøge skadelige ændringer i disse mekaniske egenskaber efter udsættelse for miljøforhold. Effekten af miljøforhold på aramid copolymer fibre har ikke været genstand for en masse forskning^3,4. En udfordring til at studere disse materialer er vanskeligheden i udrede garn til test. Forudgående arbejde af McDonough⁴ undersøgt en teknik, hvorved vand blev brugt til at udrede garn før udførelse enkelt fiber trækstyrke test. Men der var ingen fuldstændig forståelse på hvorvidt den mekaniske styrke af fibre blev ændret af dette vand eksponering. Et alternativ til at udrede fibrene er at teste den mekaniske styrke af garn bundt, men dette kræver en stor mængde af materiale, og betragtes som gennemsnitlig styrke fibre i garn bundt, giver mindre specifikke oplysninger. Målet med dette projekt er at undersøge effekten af forhøjet luftfugtighed og temperatur på de mekaniske egenskaber af aramid copolymer fibre. Det er således vigtigt at finde en alternativ opløsningsmiddel for belægning fjernelse og fiber disentanglement, der gør det muligt at skelne hydrolyse i fibre på grund af miljøeksponering fra der induceres ved forberedelse af prøver. Forberedelse af enkelt fibre til at teste kompliceres yderligere af deres lille størrelse. I dette arbejde, vi undersøge flere fælles opløsningsmidler (vand, methanol og acetone) og vælg acetone som det bedste valg for forberedelse af enkelt fibre til test. Alle fibre blev skyllet med methanol inden yderligere test. Fourier transform infrarød (FTIR) spektroskopi udføres for at afgøre, om belægning opløsning og disentanglement trin forårsaget nogen kemiske nedbrydning i materialet. Den detaljerede video protokollen viser prøve forberedelsestrin disentanglement, kemisk analyse og mekanisk testning af copolymer aramid fibre er beregnet til at hjælpe andre forskere med at udvikle metoder til at udføre lignende undersøgelser af enkelt fibers i deres laboratorier.

Protocol

1. opløsning af belægning på Copolymer fibre til støtte i Fiber adskillelse

1. Iført passende valgt kemisk resistente handsker til at forhindre forurening af fiber, skåret 160 mm 170 mm fra hver garn bundt udvundet ved hjælp af keramisk sakse eller en frisk stål barberblad. Reserve resten af garnet, hvis det er nødvendigt for videre analyse i en mærket beholder.
2. Knude eller klemme enderne af garn til at holde Garnet fra sammenfiltring når nedsænket i opløsningsmidlet.
   Bemærk: For denne undersøgelse, opløsningsmidler med vidtrækkende polaritet (fra polaritet serien) blev oprindeligt undersøgt. Baseret på kvalitative resultater, blev en mere dybdegående undersøgelse udført ved hjælp af acetone, vand og methanol. Endelig, acetone blev valgt som den bedste opløsningsmiddel for fiber adskillelse baseret på lethed, hvormed detangling og scanning elektronmikroskopi (SEM) resultaterne (beskrevet senere).
3. Fordyb fiber i 2 mL 3 ml af opløsningsmidlet i en mærket petriskål og dække med petriskål låget.
4. Tillad garn i blød i acetone i 30 min, så kassér opløsningsmiddel.
5. Gentag trin 1.3 til 1.4 mindst to yderligere gange og lad derefter opløsningsmidlet til at fordampe.
6. At fjerne enhver acetone rester og til støtte i tørring, fordybe prøven i 2 mL 3 ml methanol.
7. Tillad garn i blød i methanol mindst 30 min.
8. Fjern Garnet fra opløsningsmidlet og lad tørre i mindst 24 timer.

2. analyse af belægning opløsning skridt af Scanning elektronmikroskopi

1. Adskille de enkelte fibre med pincet, der er tidligere vaskes ved hjælp af forskellige opløsningsmidler fra bundt garn til analyse i et stereo mikroskop hvis nødvendigt.
2. Montere fibrene på påbegyndt rustfrit stål (1 cm i diameter) ved at tilslutte dem med pincet til dobbeltsidet carbon bånd.
3. Coat fibre med et ledende materiale såsom Au/Pd at mindske overfladen opladning virkninger under SEM.
4. Indlæse fiber prøver i en scanning elektron mikroskop og billed dem på 2 kV accelererende spænding og 50 pA-100 pA elektron aktuelle. Anvende afgift neutralisering indstillinger til counter opladning effekter, hvor det er nødvendigt.

3. analyse af belægning opløsning skridt af Fourier Transform infrarød spektroskopi

1. Klip ca 30 mm til 40 mm af vasket garn bundt.
2. Få en selvklæbende IR sample kort og fjern den beskyttende opbakning.
3. Mens iført handsker til at beskytte twist prøve fra forurening, lidt fiber bundt coalesce prøve analyseres og prøven anbringes over vinduet i kortet.
4. Forberede FTIR analyse efter fabrikantens specifikationer. Tænd purge gas, udfylde detektoren med flydende kvælstof, og installere ATR tilbehøret bruger magnetisk justering plade i stikprøven rum.
5. Program parametre for antal scanninger og instrument opløsning i fanen Avanceret måling af instrument software, i dette tilfælde, 128 scanninger er gennemsnit med en opløsning på 4 cm^-1.
6. Rengøre vinduet af ATR-tilbehør med en lav lint tørre og methanol.
7. Indsamle en baggrund ved at trykke på knappen indsamle baggrund i vinduet grundlæggende måling af softwaren med de parametre, der er valgt i trin 3.5.
8. Juster fiber prøven over vinduet i ATR tilbehør, ved hjælp af mikroskop og video monitor til at placere fiber.
9. Indsamle en prøve spektrum ved at trykke på knappen indsamle prøven i vinduet grundlæggende måling af softwaren ved hjælp af de parametre, der er valgt i trin 3.5.
10. Gentag trin 3.6-3,9, indsamle mindst 3 spectra pr. sample, indtil alle prøver er blevet analyseret.

4. analyse af fibre af vidvinkel X-Ray spredning

1. Mens iført nitrilhandsker, skåret ca 25 mm af garn fra garn spole ved hjælp af et barberblad.
2. Centrere hver bundt af garnet over 6,25 mm indvendig hul i en 25 mm rustfri skive.
3. Tape garn bundle til vaskemaskinen til at holde det på plads ved hjælp af cellofan tape.
4. Gentag trin 4.1 til 4.3 for de andre to typer af garn.
5. Tape skiver der indeholder garn bundter til en rustfrit stål prøve indehaveren blok (som indeholder metallisk stænger for positionering), som vist i figur 1. Fibrene skal være i den lodret konfiguration for analyse.
6. Montere en sølv behenate kontrolprøve til prøven indehaveren blok i den samme position som skiverne.
7. Åbn døren til instrumentet og montere prøve indehaveren blok til analyse fase ved hjælp af magnetiske justering systemet.
8. Lukke døren til prøven indehaveren kammer og aktivere vakuumpumpe til at evakuere prøve analyse kammer. Monitor vakuum gauge monteret ved siden af instrumentet, indtil tomrummet når ca 1600 Pa.
9. Åbne instrument software, aktivere strålen og udføre en vandret scanning for at bestemme x-placering af hver prøve på prøveholderen.
10. Efter at identificere x-placering af hver prøve, udføre en lodret scanning for at optimere y-placering for at opnå maksimal signal intensiteten for hver prøve.
11. Når x- og y-placeringer bestemmes, begynde målingen ved at analysere sølv behenate stikprøven for at bestemme afstanden mellem prøven og hver detektor.
12. Analysere den første fiber prøve ved hjælp af en 10 min eksponeringstid.
13. Gentag trin 4.13 to ekstra gange for alt Skan tid på 30 min.
    Bemærk: Denne protokol anvendes i stedet for én lang 30 min scanning tilfælde fordi der er problemer med prøven eksponering til at minimere spildt instrument tid.
14. Gennemsnitlig 3 scanninger for at opnå det endelige resultat ved hjælp af funktionen middel i Fit 2D software.
15. Gentag trin 4.13-4.15 for hver ekstra prøve.

5. garn Disentanglement og forberedelse til trækstyrke test

1. Få et 30 cm x 30 cm eller større gennemsigtig plast bord (polycarbonat plader anvendes i disse eksperimenter) der kan placeres på en mørk baggrund, eller en mørk plast bord af samme dimensioner.
2. Udskårne stykker af lave kurs afdækningstape (ca 10 mm 5 mm) og have dem tilgængelige for de følgende trin. Udføre dette trin på en glasoverflade og klippe båndet med et barberblad.
3. Tape begge ender af en 20 mm sporvidde rektangulært papir skabelon til plast bord, således at den ligger helt fladt.
   Bemærk: 20 mm er valgt som den optimale gauge længde for disse test, baseret på tidligere arbejde og tilgængelige kæbe adskillelse af instrument.
4. Nitril handsker til at forhindre forurening, skåret ca 70 mm til 80 mm skylles garn og placere den på et glas dias eller andre ren overflade (figur 2a-b).
5. Ved hjælp af et stereo mikroskop til at bistå disentanglement, forsigtigt fjerne en enkelt fiber fra garn med pincet. Sørge for at undgå blokering eller beskadige fiber under denne proces. Kassér eventuelle fibre, der er beskadiget (figur 2 c).
6. Sted en enkelt fiber oven på papir skabelon, og sørg for, at fiber er justeret med markører på skabelonen (figur 2d- f).
7. Tape begge ender af fiber til bestyrelsen. For at forbedre synligheden af fiber, sætte en mørk baggrund nedenunder den gennemsigtige plast bord eller bruge en sort plast bord. Fiber bør lægge straight og lidt undervist på tværs af skabelonen (figur 2f).
8. Gentag trin 5.3 til 5.7 indtil ca 35 til 45 fibre er monteret på separate papir skabeloner for hver type af fiber. I dette tilfælde, der er tre typer af fibre: PBIA-co-PPTA1, PBIA og PBIA-co-PPTA3.
9. Når alle fibre er tapede til plast bord, tilføje en lille dråbe Cyanocrylat lim til hver ende af fiber justeret til skabelonen papir. Forlade 1 cm uden lim på enderne af papir skabeloner for gribende under trækstyrke test.
   Bemærk: Ren blev fundet for at være den bedste lim til dette materiale, en mislykket forsøg med en 24 h kur epoxy er vist i de repræsentative resultater.
10. Tillad limen hærde i mindst 24 timer før afprøvning.

6. enkelt Fiber trækstyrke test

1. Bestemme gage længde og den udvidelse, der giver de mest konsistente resultater for modellen af interesse. Disse parametre kan være dikteret af mængden af tilgængelig prøve og begrænsninger af opsætningen af eksperimenterende.
2. Forberede instrument til test ved at installere trækstyrke greb og kalibrering af kløften.
3. Programmet instrument til at flytte greb til at give et hul på 30 mm, som er den gage længde valgt baseret på størrelsen af skabelonen papir og 10 mm plads tilbage i hver ende til kæben.
4. Løsn grebet ansigter for at skabe et hul til at indlæse skabelonen papir, der indeholder en enkelt fiber.
5. Flytte en af prøverne forberedt i trin 5 til instrumentet. Ved hjælp af behandskede hænder, en lille spatel og pincet, feed skabelon gennem begge greb, ved hjælp af de omhandlede varemærker på skabelonen til at bistå placeringen. Sørg for, at limen er uden for området greb.
6. Forsigtigt Juster og lukke top greb ansigt, mens du stadig støtte fiber, så den ikke glider ned.
7. Stram top og bund skruerne med en momentnøgle, indtil skruerne er lige stram.
8. Gentag trin 6.7 for bunden skruer.
9. Spænd skruerne på de øvre og nedre greb ved hjælp af en momentnøgle. Sørge for at stramme skruerne i en cross mønster at afbalancere belastningen på fiber.
   Bemærk: Den passende drejningsmoment at bruge kan variere og skal bestemmes eksperimentelt. 30 cN·m blev brugt i disse eksperimenter.
10. Trim begge sider af skabelonen papir med en saks.
11. Programmere instrument til at udføre traekproevningen med en konstant hastighed på udvidelse af 0.0125 mm/s, overvåge displayet og stoppe testen, når fiber er brudt.
12. I slutningen af testen, skal du fjerne fiber fra greb ved at løsne greb ansigterne. Observere den pause placering og bevare den brudte fiber i en mærket beholder for yderligere analyse.
    Bemærk: Fibre, der bryder på greb ansigt er kasseret fra analyse som "kæbe pauser" som beskrevet i ASTM D3822.
13. Returnere afstanden til 30 mm og gentage trin 6.4-6.12 indtil alle prøver er testet.
14. Gemme brudt fiber fragmenter i skabelonen for yderligere mikroskopisk analyse.

Representative Results

Copolymer aramid fibre studerede her er vanskelige at adskille fra garn bundter i enkelte fibre til test. Fibrene er viklet ind og belagt med behandling af kemikalier, der gør dem meget svært at adskille uden at beskadige fibrene. Figur 3 viser den strukturelle morfologi af fibre i et garn. Selv som del af en større pakke Vis fiber overflader omfattende ruhed og tårer, der er sandsynligvis forårsaget af en stærk adhæsion til tilstødende fibre. I tidligere arbejde med McDonough⁴, et al., vand blev brugt til at adskille fibrene før trækstyrke test, men den kemiske analyse af fibre udarbejdet ved hjælp af denne metode rejst vigtige spørgsmål vedrørende prøveforberedelsen og dens effekter på mekaniske egenskaber. I den første del af dette arbejde, effektiviteten af tre forskellige opløsningsmidler (valgt af fjernelse fra hele polaritet række opløsningsmidler), herunder vand, sammenlignes ved hjælp af SEM for at undersøge effekten af forskellige vask protokoller på fysiske udseende af de adskilte fibre. Vand og acetone nedsænket fibre blev skyllet i methanol efter vask til at fjerne ethvert opløsningsmiddel rester og støtte i tørring vand fordybet fibre hurtigere. Figur 2 viser en oversigt over fiber bundt disentanglement procedure. Vasket fibrene er også sammenlignes som modtaget fibre, der var adskilt fra garn bundt, uden nogen yderligere prøve forberedelse. Resulterende micrographs er præsenteret i figur 4, figur 5 figur 6.

I figur 4a, Bemærk, at fysiske skader på PBIA-co-PPTA1 fiber i form af atrieflimren, når de "tørre" fiber blev adskilt uden brug af eventuelle oploesningsvaesker. Bemærk også tilstedeværelsen af afskalning og langsgående riller på fiber overflader på grund af nedsænkning i vand (figur 4b), som kunne være et tegn på nedbrydning mekanismer såsom hydrolyse, eller forårsaget af ufuldstændig fjernelse af den kemiske belægning fra den fiber. Disse funktioner er moderat observeret i methanol (fig. 4 c)) og acetone (figur 4 d) nedsænket fibre, men acetone nedsænket fiber synes at have den mindste opløsningsmiddel-induceret skade og overvejende udstiller en ren og glat overflade . Som det primære mål med undersøgelsen var at udvikle en metode til at adskille enkelte fibre til mekaniske test samtidig sikre minimal fiber skader (fysiske eller kemiske) under adskillelse proces, kan spor af resterende kemiske coating iagttages i SEM billeder af vasket fibre (figur 5a). Målet var ikke at opløses fuldstændigt belægning, lige nok til at være i stand til at adskille Garner med minimal skade.

I figur 5a, de fysiske skader på PBIA-co-PPTA3 fiber i form af langsgående riller og atrieflimren er observeret især på fiber kanterne af de "tørre" fiber adskilt uden nogen fordybelse. Fiber nedsænket i vand (figur 5b) viser også nogle skader på kanterne, hvor det synes at have holdt sig til en tilstødende fiber før adskillelse. Methanol (figur 5 c) og acetone (fig. 5 d) nedsænket fibre begge viser langt mindre atrieflimren, men som bemærket tidligere, fibrene nedsænket i acetone kvalitativt synes at have mindre overflade artefakter end andre fibre.

I figur 5, de fysiske skader på de tørre PBIA er observeret for at være mindre alvorlig end de andre to fibre, men der er nogle beviser for langsgående riller langs fiber i den nederste del af billedet (figur 6a). Fiber nedsænket i vand (fig. 6b) viser mindre skader på de kanter på grund af stærk tilknytning til et tilstødende fiber. Methanol og acetone nedsænket fibre (figur 6 c-d) Vis lignende fysiske egenskaber som vand fordybet fiber.

For at yderligere undersøge effekten af acetone skylning på fibrene, blev FTIR spektroskopi udført. Resultatet af denne analyse er præsenteret i figur 7. Nogle intensitet ændringer er observeret efter vask, men ingen større ændringer i spectra vejledende for kemisk nedbrydning (fx., ændringer i regionen OH/NH omkring 3300 cm^-1 eller dannelsen af en carbonyl peak omkring 1700 cm^-1) er observeret. Derfor, acetone skylning procedure blev valgt som den bedste fiber forberedelse metode for resten af undersøgelsen.

Det næste skridt i denne undersøgelse var at bestemme den bedste metode til trækstyrke test enkelt fibre med opsætningen af eksisterende udstyr. Et forsøg blev gjort til direkte test fibre ved montering fibre i greb og udførelse af testen. Denne metode kræver minimal prøveforberedelse, og prøverne udstillet ingen skred fra greb, blev dette betragtet som den hurtigste måde at udføre testen. De fleste af de fibre, der er testet på denne måde brød imidlertid ret på greb ansigt, et fænomen kendt som en "kæbe pause". Som beskrevet i ASTM D3822¹⁴, angiver dette resultat, at prøven er ugyldig. Derfor blev baseret på anbefalingerne fra ASTM D3822 standard, den indre fibre derefter monteret på karton skabelon før testning.

Fibrene blev levet op til karton-skabeloner ved hjælp af enten epoxy eller ren og lov til at helbrede i mindst 24 timer før afprøvning. To typer af epoxy lim blev testet, én, der kræver en 24 h kur og det andet kræver en 1 h kur. Næsten alle prøver overholdt papir skabeloner med epoxy lim (både den langsomme og hurtige cure) udstillet en ukarakteristisk glide opførsel og ujævne stress stamme kurver, som det fremgår af den repræsentative eksemplet i figur 8a. Dog skildrer figur 8b en repræsentativ stress-strain kurve fremstillet med ren lim, der er overvejende prøve skred. En lignende adfærd blev observeret i alle de fiber systemer anvendes i den aktuelle undersøgelse, hvorved Cyanocrylat den mest velegnede test selvklæbende at lime fibre på skabelonerne. Efter succesen med ren lim, blev alle prøver testet i overensstemmelse med anbefalingerne i en tidligere undersøgelse på enkelt fiber test af polyethylen¹⁴. Samlet set fibrene fulgt med ren generelt havde glat og kontinuerlig stress-strain kurver og ikke udviser betydelige skred. Mens et par fibre mislykkedes nær toppen af området sporvidde af fiber, hjalp brug af skabelonen os med at udelukke disse fibre effektivt.

Efter afregning på karton skabelon og ren kunne lim metode, trækstyrke og stamme til svigt af alle tre fibre måles. Resultaterne af disse test er præsenteret i tabel 1. For hver fiber, 35 prøver blev testet, og den fjerde kolonne i tabellen rapporter vellykket antallet af prøver i hvert datasæt (mellem 15 og 26 tests). En nominel diameter på 14 µm blev brugt til at beregne brudstyrke for alle fibre, baseret på tidligere arbejde og målinger fra micrographs af mere end 30 fibre. SEM billeddannelse af de mislykkede fibre (figur 9) angiver, at alle fibrene gennemgå sprødt fraktur resulterer i atrieflimren. Da fibrene bruges i den aktuelle undersøgelse er for det meste ikke-krystallinsk (som vist af vidvinkel X-ray spredning (WAXS) målinger i figur 10), er minimal plastisk deformation observeret i SEM billeder af disse fiber tværsnit, uden tegn på necking.

Montering-konfigurationen for WAXS analysen er vist i figur 1, og resultaterne af denne analyse er præsenteret i figur 10. WAXS Analysen viste, at den ækvatoriale diffraktion spredning af PBIA, PBIA-co-PPTA1 og PBIA-co-PPTA3 fibre var meget ens, bestående af en bred asymmetrisk højdepunkt på en 2θ på omkring 22°. Dette er udtryk for en ikke-krystallinsk struktur med en mangel på retning i et plan vinkelret på polymer kæde akse. Men diffraktionsmønster og diffractograms af meridional spredning afslørede tilstedeværelsen af to store Bragg toppe på 2θ vinkler omkring 26 ° og 28° (figur 10). Den stærkeste top af to er på en 2θ af 28° med en d-afstand af omkring 0.31 nm, og er også til stede på meridional diffraktion scanninger af typiske PPTA fibre¹⁵. Det faktum, at disse Bragg toppe på PBIA, PBIA-co-PPTA1 og PBIA-co-PPTA3 fibrene er meget svag er betegnende for det meget lave antal PPTA forbindelser i strukturen copolymer af disse fibre. Derudover afslørede PBIA-co-PPTA1 og PBIA-co-PPTA3 fibre diffractograms af meridional spredning tilstedeværelsen af to svage toppe på 2θ vinkler omkring 18° og 21°. I sidste ende, disse fibre viser en meget lav grad af crystallinity langs den kæde akse.

Figur 1: en illustrativ proces til at vise metoden til montering fibre på skiver for analyse af WAXS. Sølv behenate kontrolprøve er ikke afbilledet i dette fotografi. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2: en illustrativ proces at udrede en enkelt fiber fra garn bundle for trækstyrke test. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3: repræsentant scanning elektron micrographs af fibre i en fiber garn. (a) PBIA-co-PPTA1, (b) PBIA-co-PPTA3, og (c) PBIA. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4: repræsentant scanning elektron micrographs af adskilt enkelt fibre af PBIA-co-PPTA1 efter behandling. a adskilt tør fiber (ingen fordybelse), (b) fiber efter nedsænkning i vand, (c) fiber efter neddykning i methanol og (d) fiber efter neddykning i acetone. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5: repræsentant scanning elektron micrographs af adskilt enkelt fibre af PBIA-co-PPTA3 efter behandling. a adskilt tør fiber (ingen fordybelse), (b) fiber efter nedsænkning i vand, (c) fiber efter neddykning i methanol og (d) fiber efter neddykning i acetone. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6: repræsentant scanning elektron micrographs af adskilt enkelt fibre af PBIA efter behandling. a adskilt tør fiber (ingen fordybelse), (b) fiber efter nedsænkning i vand, (c) fiber efter neddykning i methanol og (d) fiber efter neddykning i acetone. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 7: repræsentant ATR-FTIR spektre af som modtaget tørre (sort) og acetone vasket (rød) fibre. Andre end svag intensitet ændringer, blev ingen større forskelle med angivelse af kemiske ændringer observeret i fibrene før og efter vask. Alle spektre præsenteret er gennemsnittet af mindst 3 målinger og blev indsamlet med en opløsning på 4 cm^-1. Standardusikkerhed i absorbans for denne teknik er ca. 5%. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 8: repræsentative stress-strain kurver af PBIA-co-PPTA1 fiber tilberedt med epoxy lim (venstre) og ren lim (til højre). Bemærk den ujævne karakter af epoxy kurve og den højere stamme til at mislykkes, som kan være repræsentant for skred i limen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 9: Scanning elektron micrographs af mislykkedes enkelt fiber tværsnit efter acetone behandling: (a) PBIA-co-PPTA1, (b) PBIA-co-PPTA3, og (c) PBIA. Alle fiber eksemplarer udstiller atrieflimren og sprødt fraktur. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 10: vidvinkel røntgen diffraktion mønstre af PBIA-co-PPTA3 (a), PBIA-co-PPTA1 (c) og PBIA (e) fibre. Meridional vidvinkel X-ray diffractograms PBIA-co-PPTA3 (b), PBIA-co-PPTA1 (d) og PBIA (f) fibre. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Fiber type	Trækstyrke (SD) GPa	Stamme til fiasko (SD) %	Modulus (GPa)	Antal prøver
PBIA-co PPTA1	3.26 (0,60)	2.34 (0.31)	1,39 (0,11)	15
PBIA-co-PPTA3	3,05 (0,54)	2.15 (0,30)	1.38 (0,15)	26
PBIA	2,46 (0,45)	2,46 (0,45)	1.06 (0,09)	20

Tabel 1: betyde enkelt fiber trækstyrke egenskaber af acetone vasket PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 og PBIA. Standardafvigelsen er rapporteret i parentes ved siden af værdien.

Discussion

Den metode beskrevet heri giver en alternativ opløsningsmiddel-baseret protokol til fjernelse af belægninger fra aramid copolymer fibre uden brug af vand. To tidligere undersøgelser^3,4 viste tegn på hydrolyse i fibre af denne kemiske sammensætning, med eksponering for vanddamp eller flydende vand. Undgå hydrolyse forberedelsen prøven er kritisk for den næste fase af eksperimenter hvor disse sæt af fibre vil blive undersøgt for deres modtagelighed for aldring på grund af hydrolyse ved eksponering for varme og fugtige omgivelser.

Adskillelse og montering af fibre er det mest afgørende skridt i denne forsøgsplan. Skal være ekstrem omhu at isolere kun en enkelt fiber (som fibrene kan holde sammen), uden at beskadige dem med hårdhændet behandling under montering trin. Valg af den rigtige lim er også kritisk, som det fremgår af de dårlige resultater med epoxy lim i forhold til ren. Tidligere arbejde har også vist, at valg af den korrekte lim for en given fiber kan være en betydelig eksperimentelle udfordring¹⁶. Dette var især nødvendigt for PBIA-co-PPTA3 prøve, hvor protokollen anvendes heri resulteret i nogle tests, der skal udelukkes fra analyse. Men dette resultat vil give en retningslinje for fremtidige eksperimenter i form af forberede yderligere prøver for ældning undersøgelser.

McDonough og kolleger⁴ rapporteret både våde og tørre trækstyrker og stamme til fiaskoer for to af de tre fibre undersøgt i denne undersøgelse. De brugte en anden eksperimentel apparater og var i stand til med held direkte greb fibre i dette apparat i stedet for ved hjælp af en skabelon. Når de våde test resultater fra Mcdonoughs arbejde er i forhold til disse resultater, viste PBIA en statistisk signifikant forskel i styrke egenskaber. Den gennemsnitlige trækstyrke i eksemplet PBIA var omkring 0,5 GPa højere end rapporteret af McDonough⁴. FTIR resultater på de våde PBIA prøver, der indgår i denne tidligere studie³ viste tegn af hydrolyse, som kan medføre en reduktion i styrken. Yderligere, manglende evne til at gennemføre storstilet diameter målinger med høj præcision begrænser os til at bruge gennemsnitlige målinger på tværs af en fiber tværsnit, som kan forvrænge vores resultater. Det ultimative mål for vores forskning er at undersøge ændringer i trækstyrke i forhold til den unaged prøve på grund af aldring, kunne vores resultater forbedres ved direkte måling af diameteren af hver fiber i stedet for at stole på en nominel værdi at få en mere nøjagtig trækstyrke. Forbedringer i dette aspekt af vores metode vil blive indarbejdet i det fremtidige arbejde.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Stereo microscope	National	DC4-456H	Digital microscope
RSA-G2 Solids Analyzer	TA Instruments		Dynamic mechanical thermal analyzer used in transient tensile mode with Film Tension Clamp Accesory
Vertex 80	Bruker Optics		Fourier Transform Infrared spectrometer used to analyze results of washing protocol, equipped with mercury cadmium telluride (MCT) detector.
Durascope	Smiths Detection		Attenuated total reflectance accessory used to perform FTIR
Torque hex-end wrench	M.H.H. Engineering	Quickset Minor	Torque wrench
Methanol	J.T. Baker	9093-02	methanol solvent
Acetone	Fisher	A185-4	acetone solvent
Cyanoacrylate	Loctite		Super glue
FEI Helios 660 Dual Beam FIB/SEM	FEI Helios		Scanning electron microscope
Denton Desktop sputter coater			sputter coater
25 mm O.D. stainless steel washers with a 6.25 mm hole			25 mm O.D. stainless steel washers with a 6.25 mm hole
Silver behenate			Wide angle X-ray scattering (WAXS) standard
Xenocs Xeuss SAXS/WAXS small angle X-ray scattering system	Xenocs Xeuss		SAXS/WAXS small angle X-ray scattering system equipped with an X-ray video-rate imager for SAXS analysis with a minimum Q = 0.0045 Å-1, detector separate X-ray video-rate imager for WAXS analysis (up to about 45° 2θ) sample holder chamber.
Fit 2D software			Software to analyze WAXS data