Summary
Het primaire doel van de studie is voor de ontwikkeling van een protocol ter voorbereiding van consistente exemplaren voor nauwkeurige mechanische testen van hoge sterkte copolymeer aramidevezels, door het verwijderen van een coating en de individuele vezels strengen ontwarren zonder de invoering van belangrijke chemische of fysische achteruitgang.
Abstract
Traditioneel, zachte body armor is gemaakt van poly (p-phenylene terephthalamide) (PPTA) en ultrahoge moleculairgewicht-polyethyleen. Echter, diversificatie van de vezel keuzen in de markt van de Verenigde Staten lichaam armor, copolymeer vezels op basis van de combinatie van 5-amino - 2 - benzimidazol (p- aminophenyl) (PBIA) en de meer conventionele PPTA werden geïntroduceerd. Er is weinig bekend over de stabiliteit van deze vezels in de lange termijn, maar als de condensatie polymeren, zij naar verwachting hebben potentiële gevoeligheid voor vocht en vocht. Karakterisering van de sterkte van de materialen en het begrip daarom hun kwetsbaarheid voor milieuomstandigheden belangrijk voor de evaluatie van de levensduur van hun gebruik in veiligheidstoepassingen. Ballistische weerstand en andere kritische structurele eigenschappen van deze vezels zijn gebaseerd op hun sterkte. Nauwkeurig bepalen van de sterkte van de individuele vezels, is het noodzakelijk om hen van het garen te ontwarren zonder schade. Drie copolymeren op basis van aramide vezels werden geselecteerd voor de studie. De vezels werden gewassen met aceton, gevolgd door methanol te verwijderen van een organische coating die de individuele vezels in elke bundel garen bij elkaar gehouden. Deze coating maakt het moeilijk te scheiden van één vezels van de bundel garen voor de mechanische testen zonder beschadiging van de vezels en invloed op hun sterkte. Na het wassen, fourier transformatie (FTIR) infraroodspectroscopie werd uitgevoerd op monsters die zowel gewassen en ongewassen en de resultaten werden vergeleken. Dit experiment heeft aangetoond dat er geen aanzienlijke variaties in de spectra van poly (p-phenylene-benzimidazol-terephthalamide-co -p-phenylene terephthalamide) (PBIA-co-PPTA1) en PBIA-co-PPTA3 na het wassen, en slechts een kleine variatie in intensiteit voor PBIA. Dit geeft aan dat de aceton en methanol gespoeld zijn niet ongunstig beïnvloeden de vezels veroorzaken chemische aantasting. Daarnaast enkele vezel treksterkte getest op de gewassen vezels te karakteriseren van hun eerste treksterkte en stam te mislukken, en die andere gerapporteerde waarden te vergelijken. Procedurele bijsturing was nodig om een succesvolle methode voor het uitvoeren van de treksterkte testen op deze vezels te vinden.
Introduction
Belangrijk aandachtspunt op het gebied van persoonlijke bescherming is momenteel op het terugdringen van de massa van de body armor die nodig zijn voor de bescherming van de persoonsgegevens voor rechtshandhaving en militaire toepassingen1. Traditionele pantser ontwerpen hebben vertrouwd op materialen zoals poly (p-phenylene terephthalamide) (PPTA), ook bekend als aramide, en polyethyleen om te beschermen tegen ballistische dreigingen2. Er is echter een belang in het verkennen van verschillende hoge sterkte vezel materialen voor hun potentieel om het gewicht van armor nodig om te stoppen met een specifieke ballistische bedreiging te verminderen. Dit heeft geleid tot de verkenning van alternatieve materialen zoals copolymeer aramidevezels. Deze vezels zijn vervaardigd door de reactie van [5-amino - 2-(p- aminophenyl) benzimidazol] (amidobenzimidazole, ABI) en p- fenyleendiamine (p-PDA) met terephthaloyl chloride aan formulier poly (p- phenylene-benzimidazol-terephthalamide-co -p-phenylene terephthalamide). In deze studie onderzoeken we drie verschillende vezels, die allemaal commercieel geproduceerde materialen verkregen uit een contact van de industrie. Een is een homopolymeer vezel die is aangebracht door reagerende ABI met p-fenyleendiamine formulier poly 5-amino - 2-(p- aminophenyl) benzimidazol of PBIA. De andere twee copolymeer vezels onderzocht in deze studie naar willekeurige copolymeren met verschillende verhoudingen van PBIA en PPTA verbanden3verwachting. De relatieve verhoudingen van deze verbanden kon niet worden vastgesteld experimenteel gebruik van solid-state nucleaire magnetische resonantie. Deze vezels zijn aangewezen als PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 uit te breiden van de benamingen die in een eerdere publicatie4gebruikt. PBIA-co-PPTA3 was niet eerder onderzocht, maar heeft een vergelijkbare structuur. Deze vezel-systemen zijn ook de focus van verschillende onlangs verleende octrooien5,6,7.
Superieure ballistische weerstand van body armor is gebaseerd op de mechanische eigenschappen van de materialen waaruit het, zoals de ultieme treksterkte en stam tot mislukking8,9,10. 12,13 van de11,van de aanzienlijke inspanningen hebben gericht geweest op het onderzoek van de stabiliteit op de lange termijn van polymere vezels gebruikt in kogelvrije vesten door nadelige veranderingen in deze mechanische eigenschappen onderzoeken na blootstelling aan milieu-omstandigheden. Het effect van omgevingsfactoren op copolymeer aramidevezels niet het onderwerp geweest van veel onderzoek3,4. Een uitdaging aan het bestuderen van deze materialen is de moeilijkheid in het ontwarren van garens om te testen. Voorafgaande werk van McDonough4 onderzocht een techniek waarmee water werd gebruikt om te ontwarren garens vóór het uitvoeren van enkele vezel treksterkte testen. Er was echter geen volledige overeenstemming over of de mechanische sterkte van de vezels door de blootstelling van dit water was gewijzigd. Een alternatief voor het ontwarren van de vezels is het testen van de mechanische sterkte van de garen-bundel, maar dit vereist een grote hoeveelheid materiaal, en wordt beschouwd als het gemiddelde van de sterkte van de vezels in de bundel garen, minder specifieke voorlichting. Het doel van dit project is te onderzoeken van het effect van de verhoogde vochtigheid en temperatuur op de mechanische eigenschappen van aramidevezels copolymeer. Het is dus essentieel om te vinden van een alternatieve oplosmiddel voor coating verwijderen en loskoppelen van de glasvezel waarmee ons te onderscheiden van hydrolyse in de vezels als gevolg van de milieublootstelling daaruit geïnduceerd door bereiding van de monsters. De voorbereiding van enkele vezels voor het testen wordt verder bemoeilijkt door hun kleine omvang. In dit werk, we onderzoeken van verschillende gemeenschappelijke oplosmiddelen (water, methanol en aceton) en selecteer aceton als de beste keuze voor de voorbereiding van enkele vezels voor het testen. Alle vezels werden gespoeld met methanol alvorens verder te worden getest. Fourier transformatie (FTIR) Infraroodspectroscopie is uitgevoerd om te bepalen als de coating ontbinding en ontvlechting stap een chemische aantasting in het materiaal veroorzaakt. De gedetailleerde video-protocol tonen de sample voorbereiding stappen van ontvlechting, chemische analyse en mechanische testen van copolymeren aramidevezels is bedoeld om te helpen andere onderzoekers bij de ontwikkeling van methodologieën voor het uitvoeren van soortgelijke studies van enkele vezels in hun laboratoria.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. ontbinding van de Coating op copolymeer vezels om te helpen bij de scheiding van de vezels
- Chemisch bestendige handschoenen om te voorkomen dat besmetting van de vezel, gesneden van 160 mm tot 170 mm van elk garen bundel geëxtraheerd met behulp van keramische schaar of een verse stalen scheermesje dragen op passende wijze worden geselecteerd. De rest van het garen reserveren indien nodig voor verdere analyse in een gelabelde container.
- Knoop of klem van de uiteinden van de draad te houden van het garen in de war raken wanneer ondergedompeld in het oplosmiddel.
Opmerking: Voor deze studie worden oplosmiddelen van breed opgezette polariteit (uit de serie van polariteit) werden aanvankelijk onderzocht. Op basis van kwalitatieve resultaten, werd een meer diepgaand onderzoek uitgevoerd met behulp van aceton, water en methanol. Ten slotte, aceton werd geselecteerd als de beste oplosmiddel voor scheiding van de vezels op basis van het gebruiksgemak ontklitten en de scanning elektronen microscopie (SEM) resultaten (wordt later beschreven). - Dompel de vezel in 2 mL tot 3 mL van het oplosmiddel in een gelabelde petrischaal en dek met de petrischaal deksel.
- Toestaan dat de garens weken in aceton voor 30 min, en vervolgens ontdoen van het oplosmiddel.
- Herhaal stap 1.3 tot en met 1.4 ten minste twee extra keer en laat het oplosmiddel te verdampen.
- Aceton residu te verwijderen en om te helpen bij het drogen, dompel het monster in 2 mL tot 3 mL methanol.
- Laat de garens te genieten in methanol ten minste 30 min.
- Verwijder het garen van het oplosmiddel en laten drogen voor ten minste 24 uur.
2. analyse van de Coating van ontbinding stap door Scanning elektronen microscopie
- Scheid de individuele vezels met een pincet, die eerder zijn gewassen waarbij verschillende oplosmiddelen worden gebruikt uit de bundel garen, p.a. onder een stereomicroscoop indien nodig.
- Monteren van de vezels op een roestvrijstalen stub (1 cm diameter) door vast te houden hen met een pincet op koolstof dubbelzijdige tape.
- Jas van de vezels met een geleidend materiaal zoals Au/Pd te verzachten van het oppervlak opladen effecten optreden onder de SEM.
- Laden van de vezel monsters in een Scannende Elektronen Microscoop en beeld ze op 2 kV om spanning en 50 pA-100 pA elektron huidige te versnellen. Gratis neutralisatie instellingen toepassen op teller opladen effecten, waar nodig.
3. analyse van de Coating ontbinding stap door Fourier Transform infrarood spectroscopie
- Snijd ongeveer 30 mm tot 40 mm van de gewassen garen bundel.
- Verkrijgen van een KLEEFKAART IR monster en verwijder de beschermende steun.
- Terwijl het dragen van handschoenen te beschermen het monster tegen verontreiniging, draai lichtjes de vezelbundel samensmelten van het monster voor analyse en het monster op het venster in de kaart plaatst.
- De FTIR voorbereiden analyse volgens specificaties van de fabrikant. Zet het gas purge, vul de detector met vloeibare stikstof en installeren van de ATR-accessoire met behulp van de magnetische uitlijning plaat in het compartiment van de steekproef.
- De parameters voor aantal scans en instrument resolutie op het tabblad Geavanceerde meting van het instrument software, in dit geval Program, 128 scans zijn gemiddeld met een resolutie van 4 cm-1.
- Reinig het raam van de ATR-accessoire met een lage lint wipe en methanol.
- Een achtergrond verzamelen door te drukken op de knop verzamelen achtergrond in het venster van de fundamentele meting van de software met de parameters in stap 3.5 hebt geselecteerd.
- Hiermee lijnt u het vezel monster over het venster in de ATR-accessoire, met behulp van de Microscoop en de monitor aan de positie van de vezel van de hulp.
- Het verzamelen van een monster spectrum door op de knop verzamelen monster in het venster van de fundamentele meting van de software met behulp van de parameters in stap 3.5 hebt geselecteerd.
- Herhaal stap 3.6-3.9, verzamelen van ten minste 3 spectra per monster, totdat alle monsters hebben geanalyseerd.
4. analyse van de vezels door Wide Angle X-Ray Scattering
- Terwijl het dragen van nitril handschoenen, snijden ongeveer 25 mm van het garen van de spoel van de garen met een scheermesje.
- Hiermee centreert u elke bundel van het garen over het gat 6,25 mm binnenste van een 25 mm RVS wasmachine.
- Tape de bundel garen om de ring te houden in plaats van met behulp van cellofaan tape.
- Herhaal stap 4.1 tot 4.3 voor de andere twee soorten garen.
- Tape de wasmachines met het garen bundels aan een roestvrij stalen monster houder blok (waarin metalen staven voor plaatsbepaling) zoals aangegeven in Figuur 1. De vezels moeten worden in de verticale configuratie voor analyse.
- Monteer een controlemonster zilveren behenate aan het monster houder blok in dezelfde positie als de sluitringen.
- Open de deur naar het instrument en mount het monster houder blok naar de fase van de analyse met behulp van de magnetische uitlijning systeem.
- Sluit de deur naar de monsterkamer houder en activeren de vacuümpomp om te evacueren van de analyse van de monsterkamer. Monitor de vacuüm gauge naast het instrument gemonteerd totdat het vacuüm ongeveer 1600 bereikt Pa.
- Open de software instrument, activeren de lichtbundel en uitvoeren van een horizontale scan om de x-locatie van elk monster op de monsterhouder te bepalen.
- Na het identificeren van x-locatie van elk monster, uitvoeren van een verticale scan voor het optimaliseren van de y-locatie voor het verkrijgen van de intensiteit van de maximale signaal voor elk monster.
- Zodra de x- en y-locaties zijn vastgesteld, begint de meting door het analyseren van de zilveren behenate controlemonster om te bepalen van de afstand tussen het monster en elke detector.
- In het eerste voorbeeld van de vezel met behulp van een 10 min belichtingstijd te analyseren.
- Herhaal stap 4.13 extra tweemaal voor een totaal scan tijd van 30 minuten.
Opmerking: Dit protocol wordt gebruikt in plaats van één lange 30 min scan geval omdat er zijn problemen met de belichting van de steekproef om verspilde instrument tijd te minimaliseren. - Het gemiddelde van de 3 scans om de laatste resultaat met behulp van de functie gemiddelde in Fit 2D software te verkrijgen.
- Herhaal stap 4.13-4.15 voor elk extra monster.
5. garen loskoppelen en voorbereiding voor het testen van de treksterkte
- Verkrijgen van een 30 x 30 cm of groter transparant plastic board (polycarbonaat vellen in deze experimenten worden gebruikt) die kan worden geplaatst op een donkere achtergrond, of een donkere plastic bord met dezelfde afmetingen.
- Gesneden stukjes plakband lage kleefkracht (ongeveer 10 mm 5 mm) en hebben ze beschikbaar voor de volgende stappen uit. Deze stap uitvoeren op een glazen oppervlak en snijd de tape met een scheermesje.
- Beide uiteinden van een 20 mm spoorbreedte papier rechthoekig sjabloon op het kunststof bord tape zodat het volledig plat ligt.
Opmerking: 20 mm is geselecteerd als het optimale meter lengte voor deze tests op basis van eerdere werk en de beschikbare kaak scheiding van het instrument. - Nitril handschoenen ter voorkoming van verontreiniging, ongeveer 70 mm tot 80 mm gespoeld garen knippen en deze plaatsen op een glasplaatje of andere schoon oppervlak (Figuur 2a-b).
- Met behulp van een stereomicroscoop helpen ontvlechting, verwijder voorzichtig een enkele vezel van de garens met pincet. Zorg om te voorkomen dat Afbramen of beschadiging van de vezel tijdens dit proces. Welke vezels die zijn beschadigd (Figuur 2 c).
- Plaats een enkele vezel op de top van het papieren sjabloon, om ervoor te zorgen dat de vezel is afgestemd op de markeringen op de sjabloon (figuur 2d- f).
- Tape beide uiteinden van de vezel naar het bord. Ter verbetering van de zichtbaarheid van de vezel, een donkere achtergrond onder het doorzichtige plastic bord kunt of een zwarte kunststof bord. De vezel moet rechtdoor en lichtjes onderwezen over de sjabloon (figuur 2f) leggen.
- Herhaal stap 5.3 tot en met 5.7 tot ongeveer 35 tot 45 vezels zijn gemonteerd op aparte papier Sjablonen voor elk type van vezel. In dit geval, er zijn drie soorten vezels: PBIA-co-PPTA1, PBIA en PBIA-co-PPTA3.
- Zodra alle vezels zijn geplakt is aan de plastic bord, voeg een kleine daling van Cyanoacrylaat lijm aan elk uiteinde van de vezel uitgelijnd aan het papieren sjabloon. Laat 1 cm vrij van lijm aan de uiteinden van de papier-Sjablonen voor aangrijpend tijdens het testen van de treksterkte.
Opmerking: Cyanoacrylaat bleek te zijn de beste lijm voor dit materiaal, een mislukte poging met een 24u genezen epoxy wordt weergegeven in de resultaten van de vertegenwoordiger. - Laat de lijm te genezen voor ten minste 24 uur vóór de proef.
6. interne Fiber treksterkte testen
- Het bepalen van de lengte van de pand en het tempo van de uitbreiding waarmee de meest consistente resultaten voor het model van belang. Deze parameters kunnen worden gedicteerd door de hoeveelheid beschikbare monster en de beperkingen van de experimentele opstelling.
- Voorbereiding van het instrument voor het testen door te installeren treksterkte grepen en kalibreren van de kloof.
- Programma het instrument te verplaatsen van de grepen zodat een gat van 30 mm, dat de lengte van de gage geselecteerd is op basis van de grootte van het papieren sjabloon en de 10 mm ruimte overgelaten aan elk uiteinde van de kaak.
- Los van de gezichten van de grip om te maken een gat voor het laden van het papieren sjabloon waarin de één vezel.
- Een van de monsters bereid bij stap 5 het instrument verplaatst. Met behulp van gehandschoende handen, een kleine spatel en pincet, voeden de sjabloon via beide handgrepen, gebruik van de merken op de sjabloon bij de plaatsing. Zorg ervoor dat de lijm buiten het gebied van de grip.
- Zachtjes uitlijnen en sluit de top grip gezicht, terwijl nog steeds ondersteuning van de vezel, zodat het niet doet glijden.
- Draai de schroeven van het boven- en onderkant met een momentsleutel totdat de schroeven gewoon strak zijn.
- Herhaal stap 6.7 voor de onderste schroeven.
- Draai de schroeven op de bovenste en onderste handgrepen met een momentsleutel. Zorg te Draai de schroeven in een kruis patroon de belasting op de glasvezel te verdelen.
Opmerking: De passende koppel te gebruiken kan variëren en moet experimenteel worden bepaald. 30 cN·m werd gebruikt in deze experimenten. - Beide zijden van het papieren sjabloon knippen met een schaar.
- Het programma van het instrument op treksterkte detest met een constante snelheid van uitbreiding van 0,0125 mm/s, controle van het display en de test te stoppen wanneer de vezel heeft gebroken.
- Aan het eind van de test, door de vezel uit de handvatten door het losdraaien van de greep gezichten te verwijderen. Observeren van de locatie van het einde en het behoud van de gebroken vezel in een gelabelde container voor verdere analyse.
Opmerking: Vezels die op het gezicht van de grip afbreken zijn verwijderd van analyse als "kaak-einden" zoals beschreven in ASTM D3822. - De kloof terug naar 30 mm en herhaal stappen 6.4-6.12 totdat alle monsters worden getest.
- Sla de gebroken vezel fragmenten in de sjabloon voor verdere microscopische analyse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De copolymeren aramidevezels bestudeerd hier zijn moeilijk te scheiden van garen bundels in individuele vezels voor het testen. De vezels zijn verstrikt en bekleed met de verwerking van chemische stoffen, waardoor ze zeer moeilijk te scheiden zonder schade aan de vezels. Figuur 3 toont de structurele morfologie van vezels binnen een garen. Zelfs als onderdeel van een grotere bundel Toon de vezel oppervlakken uitgebreide ruwheid en tranen die waarschijnlijk door sterke hechting op aangrenzende vezels veroorzaakt worden. In vorige werk door McDonough4, et al., water werd gebruikt om te scheiden van de vezels voor de treksterkte test, echter de chemische analyse van vezels die zijn opgesteld op basis van deze methode opgeworpen belangrijke vragen met betrekking tot de bereiding van de monsters en de effecten op de mechanische eigenschappen. In het eerste deel van dit werk, de effectiviteit van drie verschillende oplosmiddelen (gekozen door de eliminatie van het bereik van de gehele polariteit van oplosmiddelen), met inbegrip van water, worden vergeleken met behulp van SEM te onderzoeken van het effect van verschillende wassen protocollen op de fysieke verschijning van de gescheiden vezels. Het water en aceton ondergedompeld vezels werden gespoeld in methanol na het wassen verwijdert alle resten van oplosmiddelen en de steun in het water ondergedompeld vezels sneller drogen. Figuur 2 geeft een overzicht van de vezel procedure voor de ontvlechting van de bundel. De gewassen vezels zijn ook vergeleken met als ontvangen vezels die werden gescheiden van de bundel garen zonder om het even welk monster verdere voorbereiding. Resulterende microfoto worden weergegeven in Figuur 4en Figuur 5, Figuur 6.
In figuur 4a, merk op dat de fysieke schade aan de vezel PBIA-co-PPTA1 in de vorm van fibrillatie wanneer de "droge" vezel werd gescheiden zonder het gebruik van oplosmiddelen. Merk ook op de aanwezigheid van schilferen en lengterichting groeven op de glasvezel oppervlakken als gevolg van onderdompeling in water (figuur 4b), die kon worden indicatieve van degradatie mechanismen zoals hydrolyse, of veroorzaakt door onvolledige verwijdering van de chemische coating van de vezel. Deze functies zijn matig waargenomen in de methanol (Figuur 4 c)) en aceton (Figuur 4 d) ondergedompeld vezels, maar de aceton ondergedompeld vezel lijkt te hebben de minste oplosmiddel-veroorzaakte schade en overwegend vertoont een schoon en glad oppervlak . Als het primaire doel van de studie was het ontwikkelen van een methodologie om te scheiden van individuele vezels voor mechanische testen waarbij minimale vezel schade (fysieke of chemische) tijdens het scheidingsproces, kunnen sporen van residuele chemische coating worden waargenomen in SEM beelden van de gewassen vezels (figuur 5a). Het doel was niet volledig los van de coating, net genoeg om te kunnen scheiden van de garens met minimale schade.
In figuur 5a, de fysieke schade aan de vezel PBIA-co-PPTA3 in de vorm van de lengterichting groeven en fibrillatie worden nageleefd met name aan de randen van de vezel van de "droge" vezel afgescheiden zonder een onderdompeling. De vezel ondergedompeld in water (Figuur 5b) toont ook wat schade aan de randen waar het lijkt te hebben genomen naar een aangrenzende fiber voorafgaand aan de scheiding. De methanol (Figuur 5 c) en aceton (Figuur 5 d) ondergedompeld vezels beide tonen veel minder fibrillatie, maar zoals eerder opgemerkt, de vezels ondergedompeld in aceton kwalitatief lijken te hebben minder oppervlakte artefacten dan de andere vezels.
In Figuur 5, de fysieke schade aan de droge PBIA als minder ernstig dan de andere twee vezels is waargenomen, maar er is enig bewijs van lengterichting groeven langs de vezel in het onderste gedeelte van de afbeelding (Figuur 6a). De vezel ondergedompeld in water (Figuur 6b) toont kleine beschadigingen aan de randen veroorzaakt door sterke gehechtheid aan een aangrenzende vezel. De methanol en aceton ondergedompeld vezels (Figuur 6 c-d) Toon soortgelijke fysieke kenmerken als de water ondergedompeld vezel.
Verder onderzoek naar het effect van de aceton spoelen op de vezels, werd FTIR spectroscopie uitgevoerd. Het resultaat van deze analyse is voorgesteld in Figuur 7. Sommige intensiteit veranderingen worden waargenomen na het wassen, maar geen grote veranderingen in de spectra indicatieve van chemische aantasting (bv., wijzigingen in de OH/NH regio rond 3300 cm-1 of de vorming van een carbonylgroep piek rond 1700 cm-1) zijn waargenomen. Daarom is de aceton spoelen procedure werd geselecteerd als de beste methode van de voorbereiding van de vezel voor de rest van de studie.
De volgende stap in deze studie was om te bepalen van de beste methode van treksterkte testen enkele vezels met de bestaande installatie van de apparatuur. Een poging was gedaan om te testen direct vezels door montage van vezels in de handvatten en het uitvoeren van de test. Deze methode vereist minimale monstervoorbereiding en de monsters tentoongesteld geen slippage uit de greep, werd dit beschouwd als de meest snelle manier om Voer de test uit. Echter brak de meeste van de vezels getest op deze manier gelijk op het gezicht van de grip, een fenomeen dat bekend staat als een "kaak break". Zoals beschreven in ASTM D382214, dit resultaat geeft aan dat de test ongeldig. Daarom, op basis van de aanbevelingen van de ASTM D3822 standaard, de één vezels waren dan gemonteerd op een sjabloon cardstock vóór de proef.
De vezels werden vastgehouden aan de cardstock sjablonen met epoxy of cyanoacrylaat en toegestaan om te genezen gedurende ten minste 24 uur vóór de proef. Twee soorten epoxy lijm werden getest, één waarbij een 24u genezen en anderzijds een 1U behandeling vereisen. Bijna alle monsters vastgehouden aan de papier-Sjablonen met de epoxy lijm (zowel de traag, en de snelle genezing) tentoongesteld van een ongebruikelijk slipping gedrag en gekartelde stress stam curven, zoals blijkt uit het gegeven in figuur 8arepresentatief voorbeeld. Figuur 8b toont echter een representatieve spanning-spanning-curve verkregen met de Cyanoacrylaat lijm, die overwegend verstoken van monster ontsporing is. Een soortgelijk probleem werd waargenomen in alle van de glasvezel-systemen gebruikt in de huidige studie, waardoor cyanoacrylaat de meest geschikte test Lijm lijm van de vezels van de sjablonen. Na het succes van Cyanoacrylaat lijm, werden alle monsters getest volgens de aanbevelingen die in een eerdere studie op één vezel testen van polyethyleen14. Over het geheel genomen de vezels gehandeld met de cyanoacrylaat over het algemeen vloeiend spanning-spanning bochten had en niet vertonen aanzienlijke ontsporing. Terwijl een paar vezels is mislukt in de buurt van de bovenkant van het gebied van de spoorbreedte van de vezel, hielp het gebruik van de sjabloon ons uit deze vezels effectief te sluiten.
Na afwikkeling van de cardstock sjabloon en cyanoacrylaat kon lijm methode, de treksterkte en de spanning tot het falen van alle drie vezels worden gemeten. De resultaten van deze tests zijn opgenomen in tabel 1. Voor elk type van vezel, 35 monsters werden getest, en de vierde kolom van de tabel meldt het succesvolle nummer voor tests in elke gegevensset (tussen 15 en 26 tests). Een nominale diameter 14 µm werd gebruikt voor het berekenen van de treksterkte voor alle vezels, gebaseerd op eerdere werk en metingen van microfoto van meer dan 30 vezels. SEM beeldvorming van de mislukte vezels (Figuur 9) geeft aan dat alle de vezels ondergaan brosse breuk, resulterend in fibrillatie. Als de vezels gebruikt in de huidige studie zijn meestal niet-kristallijne (zoals door de groothoek X-ray verstrooiing (WAXS) metingen in Figuur 10), wordt minimale plastische vervorming waargenomen in SEM beelden van deze vezel dwarsdoorsneden, zonder enig bewijs van Insnoering.
De montage-configuratie voor de WAXS-analyse is afgebeeld in Figuur 1, en de resultaten van deze analyse worden gepresenteerd in Figuur 10. De analyse van de WAXS aangegeven dat de equatoriale diffractie verstrooiing van de PBIA, PBIA-co-PPTA1 en PBIA-co-PPTA3 vezels zeer vergelijkbaar zijn was, bestaande uit een brede, asymmetrische piek bij een 2θ van ongeveer 22°. Dit is een indicatie van een niet-kristallijne structuur met een gebrek aan richting in het vlak loodrecht op de as van de keten polymeer. Echter bleek het patroon diffractie en de diffractograms van de meridional verstrooiing de aanwezigheid van twee grote Bragg pieken op 2θ hoeken van ongeveer 26° en 28° (Figuur 10). De sterkste piek van de twee is op een 2θ van 28° met een d-afstand van ongeveer 0.31 nm, en is ook aanwezig op de scans van meridional diffractie van typische PPTA vezels15. Het feit dat deze Bragg pieken op de PBIA, PBIA-co-PPTA1 en PBIA-co-PPTA3 vezels zeer zwak zijn is kenmerkend voor de zeer lage bedrag van het PPTA-verbanden in de copolymeren structuur van deze vezels. Bovendien, bleek de PBIA-co-PPTA1 en PBIA-co-PPTA3 diffractograms van de vezels van de meridional verstrooiing de aanwezigheid van twee zwakke pieken bij 2θ hoeken van ongeveer 18° en 21°. Deze vezels Toon uiteindelijk een zeer lage graad van kristalliniteit langs de as van de keten.
Figuur 1: een illustratieve proces om te laten zien van de methodologie voor de montage van de vezels op sluitringen voor analyse door WAXS. De zilveren behenate controlemonster is niet afgebeeld in deze foto. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2: een illustratieve proces te ontwarren van een enkele vezel van de garens bundel voor het testen van de treksterkte. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3: vertegenwoordiger scanning electron microfoto van de vezels binnen een vezel garen. (a) PBIA-co-PPTA1, (b) PBIA-co-PPTA3, en (c) PBIA. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4: vertegenwoordiger scanning electron microfoto van gescheiden één vezels van PBIA-co-PPTA1 na de behandeling. (a) gescheiden droge vezel (geen immersie), (b) vezel na onderdompeling in water, (c) vezel na onderdompeling in methanol en (d) vezel na onderdompeling in aceton. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 5: vertegenwoordiger scanning electron microfoto van gescheiden één vezels van PBIA-co-PPTA3 na de behandeling. (a) gescheiden droge vezel (geen immersie), (b) vezel na onderdompeling in water, (c) vezel na onderdompeling in methanol en (d) vezel na onderdompeling in aceton. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 6: vertegenwoordiger scanning electron microfoto van gescheiden één vezels van PBIA na de behandeling. (a) gescheiden droge vezel (geen immersie), (b) vezel na onderdompeling in water, (c) vezel na onderdompeling in methanol en (d) vezel na onderdompeling in aceton. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 7: vertegenwoordiger ATR-FTIR spectra van als ontvangen droog (zwart) en aceton gewassen (rood) vezels. Andere dan lichte intensiteit verandert, werden geen grote verschillen die aangeeft chemische veranderingen waargenomen in de vezels vóór en na het wassen. Alle spectra gepresenteerd zijn het gemiddelde van ten minste 3 metingen en werden verzameld bij een resolutie van 4 cm-1. De standaard onzekerheid in absorptie voor deze techniek is ongeveer 5%. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 8: vertegenwoordiger spanning-spanning curven van PBIA-co-PPTA1 vezel bereid met epoxy lijm (links) en Cyanoacrylaat lijm (rechts). Opmerking het grillige karakter van de epoxy-curve en de hogere spanning te mislukken, die representatief voor ontsporing in de lijm zijn kan. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 9: één vezel dwarsdoorsneden Scanning electron microfoto van mislukte na aceton behandeling: (c) PBIA, (a) PBIA-co-PPTA1 en (b) PBIA-co-PPTA3. Alle exemplaren van de vezel exposeren fibrillatie en brosse breuk. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 10: groothoek X-ray diffractie patronen van PBIA-co-PPTA3 (a), PBIA-co-PPTA1 (c) en PBIA (e) vezels. Meridional groothoek X-ray diffractograms van PBIA-co-PPTA3 (b), PBIA-co-PPTA1 (d) en PBIA (f) vezels. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
| Type vezel | Treksterkte (SD) GPa | Stam tot mislukking (SD) % | Modulus (GPa) | Aantal monsters |
| 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: betekent één vezel treksterkte eigenschappen van aceton gewassen PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 en PBIA. De standaarddeviatie wordt gemeld tussen haakjes naast de waarde.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De hierin beschreven methode biedt een alternatieve solventgebaseerde protocol voor het verwijderen van coatings van aramidevezels copolymeer zonder water te gebruiken. Twee eerdere studies3,4 toonde het bewijs van hydrolyse in de vezels van de chemische compositie, met blootstelling aan waterdamp of vloeibaar water. Vermijden van hydrolyse tijdens de bereiding van de monsters is van cruciaal belang voor de volgende fase van experimenten waar deze sets van vezels zal worden onderzocht voor hun gevoeligheid voor vergrijzing als gevolg van de hydrolyse van blootstelling aan warme en vochtige omgevingen.
Scheiden en montage van de vezels is de meest kritische stap in dit experimentele protocol. Uiterste zorg moet worden genomen om het isoleren van slechts een enkele vezel (zoals de vezels aan elkaar plakken kunnen), zonder ze te beschadigen met ruwe behandeling tijdens de montage stappen. De selectie van de juiste lijm is ook kritisch, zoals blijkt uit de slechte resultaten met de epoxy lijm in vergelijking met de cyanoacrylaat. Vorige werk is ook gebleken dat de selectie van de juiste lijm voor een bepaalde fiber een grote experimentele uitdaging16kan zijn. Dit was vooral noodzakelijk voor het monster PBIA-co-PPTA3, waar het protocol gebruikt hierin resulteerde in sommige tests die moeten worden uitgesloten van de analyse. Dit resultaat zal evenwel een richtsnoer voor toekomstige experimenten in de vorm van de voorbereiding van aanvullende monsters voor veroudering van studies.
McDonough en collega's4 gemeld zowel natte als droge treksterkte sterke en stam tot mislukkingen voor twee van de drie vezels onderzocht in deze studie. Ze gebruikt een verschillende experimentele apparatuur en waren in staat om met succes direct grip de vezels in dit apparaat in plaats van met behulp van een sjabloon. Wanneer worden de natte testende resultaten van McDonough van werk vergeleken met deze resultaten, de PBIA toonde een statistisch significant verschil in de sterkte-eigenschappen. De gemiddelde treksterkte van het monster PBIA was ongeveer 0,5 GPa hoger dan dat gemeld door McDonough4. FTIR resultaten op de natte PBIA monsters gebruikt in deze eerdere studie3 toonden bewijs van hydrolyse, die leiden een vermindering in de sterkte tot kan. Verder, het onvermogen om grootschalige diameter metingen uitvoeren met hoge nauwkeurigheid ons beperkt tot het gebruik van gemiddelde metingen via een vezel dwarsdoorsnede, die onze resultaten kunnen scheeftrekken. Hoewel het uiteindelijke doel van ons onderzoek te bestuderen van de veranderingen in de treksterkte ten opzichte van het unaged monster als gevolg van veroudering, kunnen onze resultaten worden verbeterd door direct het meten van de diameter van elke vezel in plaats van te vertrouwen op een nominale waarde te verkrijgen van een meer nauwkeurige treksterkte. Verbeteringen in dit aspect van onze methode zullen worden opgenomen voor toekomstige werkzaamheden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De volledige beschrijving van de procedures in dit document vereist de identificatie van bepaalde commerciële producten en hun leveranciers. De opneming van dergelijke informatie mag op geen enkele wijze worden geïnterpreteerd als die aangeeft dat dergelijke producten of leveranciers zijn onderschreven door NIST of worden aanbevolen door NIST of dat ze noodzakelijkerwijs de beste materialen, instrumenten, software of leveranciers voor de doeleinden zijn beschreven.
Acknowledgments
De auteurs wil erkennen van Dr. Will Osborn voor nuttige discussies en hulp bij de voorbereiding van de sjabloon cardstock.
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 |
References
- Joseph, A., Wiley, A., Orr, R., Schram, B., Dawes, J. J. The impact of load carriage on measures of power and agility in tactical occupations: A critical review. International Journal of Environmental Research and Public Health. 15 (1), (2018).
- High-performance fibres. , CRC Press. Boca Raton, FL. (2001).
- Messin, G. H. R., Rice, K. D., Riley, M. A., Watson, S. S., Sieber, J. R., Forster, A. L. Effect of moisture on copolymer fibers based on 5-amino-2-(p-aminophenyl)- benzimidazole. Polymer Degradation and Stability. 96 (10), 1847-1857 (2011).
- McDonough, W. G., et al. Testing and analyses of copolymer fibers based on 5-amino-2-(p-aminophenyl)-benzimidazole. Fibers and Polymers. 16 (9), 1836-1852 (2015).
- De Vos, R. E. T. P., Surquin, J. E., Marlieke, E. J. US patent. , 8,362,192 (2013).
- Lee, K. S. US patent. , 8,716,434 (2014).
- Mallon, F. K. US patent. , 8,716,430 (2014).
- Cunniff, P. M. Dimensionless Parameters for Optimization of Textile-Based Armor Systems. 18th Int Symp Ballist. , 1302-1310 (1999).
- Cuniff, P. M., Song, J. W., Ward, J. E. Investigation of High Performance Fibers for Ballistic Impact Resistance Potential. Int SAMPE Tech Conf Ser. 21, 840-851 (1989).
- Cheng, M., Chen, W., Weerasooriya, T. Mechanical Properties of Kevlar® KM2 Single Fiber. Journal of Engineering Materials and Technolog. 127 (2), 197 (2005).
- Forster, A. L., et al. Hydrolytic stability of polybenzobisoxazole and polyterephthalamide body armor. Polymer Degradation and Stability. 96 (2), 247-254 (2011).
- Forster, A. L., et al. Long-term stability of UHMWPE fibers. Polymer Degradation and Stability. , 45-51 (2015).
- Holmes, G. A., Kim, J. -H., Ho, D. L., McDonough, W. G. The Role of Folding in the Degradation of Ballistic Fibers. Polymer Composites. 31, 879-886 (2010).
- ASTM International. ASTM D3822/D3822M-14 Standard Test Method for Tensile Properties of Single Textile Fibers. , 1-10 (2015).
- Levchenko, A. A., Antipov, E. M., Plate, N. A., Stamm, M. Comparative analysis of structure and temperature behaviour of two copolyamides - Regular KEVLAR and statistical ARMOS. Macromolecular Symposia. 146, 145-151 (1999).
- Jenket, D. Failure Mechanisms Of Ultra High Molar Mass Polyethylene Single Fibers At Extreme Temperatures And Strain-Rates. , (2017).
