解开高强度共聚芳纶纤维以测定其力学性能

摘要

本研究的主要目标是建立一种制备高强共聚芳纶纤维一致试样的方案，通过去除涂层并分离单根纤维束，且不引入显著的化学或物理降解，从而实现准确的力学性能测试。

摘要

传统上，软体防弹衣由聚(p对苯二胺对苯二甲酰胺（PPTA）和超高分子量聚乙烯。然而，为了增加美国防弹衣市场中纤维选择的多样性，基于5-氨基-2-(p-氨基苯基)苯并咪唑（PBIA）以及更传统的PPTA被引入。目前对这些纤维的长期稳定性知之甚少，但由于它们属于缩聚物，预计可能对水分和湿度较为敏感。因此，表征材料的强度并了解其对环境条件的敏感性，对于评估其在安全应用中的使用寿命至关重要。这些纤维的抗弹性能及其他关键结构性能均依赖于其强度。为准确测定单根纤维的强度，必须在不造成任何损伤的前提下将其从纱线中分离出来。本研究选取了三种基于芳纶的共聚物纤维。纤维依次用丙酮和甲醇清洗，以去除将每束纱线中单根纤维粘合在一起的有机涂层。该涂层的存在使得在不损伤纤维并影响其强度的前提下，难以将单根纤维从纱线束中分离用于力学测试。清洗后，对清洗前后样品均进行了傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，并比较了结果。实验表明，聚（对苯撑-苯并咪唑对苯二甲酰胺-co-p对洗涤后的PBIA-co-PPTA1和PBIA-co-PPTA3进行测试，仅观察到PBIA的强度有微小变化，表明丙酮和甲醇冲洗未对纤维造成不利影响或引发化学降解。此外，对洗涤后的纤维进行了单根纤维拉伸测试，以表征其初始拉伸强度和断裂应变，并将其与文献报道的其他数值进行比较。为成功实施这些纤维的拉伸测试，需通过迭代优化实验流程以确定有效方法。

引言

目前，个人防护领域的研究重点之一是减轻执法和军事应用中所需防弹衣的质量¹。传统的防弹装甲设计主要依赖聚对苯二甲酰对苯二胺（poly(p-phenylene terephthalamide)，PPTA），也称为芳纶，以及聚乙烯等材料来抵御弹道威胁²。然而，人们越来越关注探索其他高强度纤维材料，以期降低阻止特定弹道威胁所需的装甲重量。这促使研究人员开始探索诸如芳纶共聚物纤维等替代材料。这类纤维由[5-氨基-2-(p-氨基苯基)苯并咪唑]（酰胺基苯并咪唑，ABI）和对苯二胺（p-PDA）与对苯二甲酰氯反应生成，形成聚（对苯二胺-苯并咪唑对苯二甲酰胺-共-对苯二甲酰对苯二胺）（poly(p-phenylene-benzimidazole-terephthalamide-co-p-phenylene terephthalamide)）。在本研究中，我们考察了三种不同的纤维，均为通过产业合作方获得的商业化材料。其中一种为均聚物纤维，由ABI与对苯二胺（p-PDA）反应生成聚5-氨基-2-(p-氨基苯基)苯并咪唑（PBIA）。另外两种为共聚物纤维，预期为具有不同PBIA与PPTA链段比例的无规共聚物³。这些链段的相对比例无法通过固态核磁共振实验测定。根据此前发表文献中使用的命名方....

方案

1. 溶解共聚物纤维上的涂层以促进纤维分离

1. 佩戴适当选择的耐化学手套以防止纤维污染，使用陶瓷剪刀或新的钢制剃刀片从每束提取的纱线中截取160 mm至170 mm长度。如有需要，将剩余纱线保存在已标记的容器中，以备后续分析使用。
2. 将纱线两端打结或夹紧，以防止其在溶剂中浸泡时缠绕。
   注意：本研究最初探索了极性范围广泛的溶剂（来自极性序列）。根据定性结果，进一步深入考察了丙酮、水和甲醇。最终，基于解缠难易程度及扫描电子显微镜（SEM）结果（后文详述），选择丙酮作为纤维分离的最佳溶剂。
3. 将纤维浸入已标记的培养皿中的2 mL至3 mL溶剂内，并用培养皿盖盖好。
4. 让纱线在丙酮中浸泡30分钟，然后弃去溶剂。
5. 重复步骤1.3至1.4至少两次，随后让溶剂自然挥发。
6. 为去除任何残留的丙酮并促进干燥，将样品浸入2 mL至3 mL的甲醇中。
7. 让纱线在甲醇中至少浸泡30分钟。
8. 将纱线从溶剂中取出，并静置干燥至少24小时。

2. 通过扫描电子显微镜分析涂层溶解过程

1. 如有必要，使用经过不同溶剂清洗过的镊子将单根纤维从纱线束中分离出来，以便在体视显微镜下进行分析。
2. 用镊子将纤维粘附到直径为1 cm的不锈钢样品台上的双面导电碳胶带上，以固定纤维。
3. 用导电材料....

结果

此处研究的共聚芳纶纤维难以从纱束中分离成单根纤维进行测试。这些纤维相互缠结，并涂覆有加工用化学物质，使得在不损伤纤维的情况下极难将其分开。 图3 显示纱线中纤维的结构形态。即使作为较大束状结构的一部分，纤维表面仍表现出明显的粗糙和撕裂，这可能是由于与相邻纤维强烈粘附所致。在McDonough此前的研究中⁴, 等，使用水在拉伸测试前分离纤维，然而，采用该方法制备的纤维的化学分析结果引发了关于样品制备及其对力学性能影响的重要问题。在本研究的第一部分，通过扫描电镜（SEM）比较了三种不同溶剂（从溶剂的完整极性范围中经排除法选定，包括水）的有效性，以考察不同洗涤方案对分离后纤维物理形貌的影响。经水和丙酮浸泡的纤维在洗涤后均用甲醇冲洗，以去除任何残留溶剂，并促进水浸泡纤维的快速干燥。 图2 展示了纤维束解离过程的概览。对经过清洗的纤维与未经任何进一步样品预处理、直接从纱线束中分离出的纤维进行了比较。.......

讨论

本文所述方法提供了一种无需用水的基于溶剂的替代方案，用于去除芳纶共聚物纤维上的涂层。此前两项研究^3,4表明，此类化学成分的纤维在接触水蒸气或液态水时会发生水解。在样品制备过程中避免水解，对于后续实验至关重要，因为这些纤维将被用于评估其在温暖潮湿环境中因水解而导致的老化敏感性。

分离和安装纤维是本实验方案中最关键的步骤。在安装过程中必须格外小心，以确保仅分离出单根纤维（因为纤维可能粘连在一起），同时避免因操作粗暴而损坏纤维。选择合适的粘合剂也至关重要，这一点从环氧类粘合剂与氰基丙烯酸酯粘合剂相比结果较差即可得到证实。先前的研究也表明，针对特定纤维选择合适的粘合剂可能是一项重要的实验挑战¹⁶。这一点在PBIA-co-PPTA3样品中尤为明显，本研究所采用的方案导致部分测试数据必须从分析中剔除。然而，该结果将为未来的实验提供指导，即在开展老化研究时应制备更多的样品。

M.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
体视显微镜	National	DC4-456H	数码显微镜
RSA-G2 固体分析仪	TA Instruments		用于瞬态拉伸模式的动态机械热分析仪，配备薄膜拉伸夹具附件
Vertex 80	Bruker Optics		傅里叶变换红外光谱仪，用于分析洗涤方案的结果，配备汞镉碲（MCT）检测器
Durascope	Smiths Detection		用于进行傅里叶变换红外光谱（FTIR）的衰减全反射附件
扭矩六角扳手	M.H.H. Engineering	Quickset Minor	扭矩扳手
甲醇	J.T. Baker	9093-02	甲醇溶剂
丙酮	Fisher	A185-4	丙酮溶剂
氰基丙烯酸酯	Loctite		瞬干胶
FEI Helios 660 双束聚焦离子束/扫描电子显微镜（FIB/SEM）	FEI Helios		扫描电子显微镜
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