Ontwarren hoge sterkte copolymeer aramidevezels om de bepaling van hun mechanische eigenschappen

Samenvatting

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.

Samenvatting

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.

Inleiding

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 octrooien^5,6,7.

Superieure ballistische weerstand van body armor is gebaseerd op de mechanische eigenschappen van de materialen waaruit het, zoals de ultieme treksterkte en stam tot mislukking^8,9,10. ^12,13 van de^11,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 onderzoek^3,4. 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.

Protocol

1. ontbinding van de Coating op copolymeer vezels om te helpen bij de scheiding van de vezels

1. 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.
2. 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).
3. Dompel de vezel in 2 mL tot 3 mL van het oplosmiddel in een gelabelde petrischaal en dek met de petrischaal deksel.
4. Toestaan dat de garens weken in aceton voor 30 min, en vervolgens ontdoen van het oplosmiddel.
5. Herhaal stap 1.3 tot en met 1.4 ten minste twee extra keer en laat het oplosmiddel te verdampen.
6. Aceton residu te verwijderen en om te helpen bij het drogen, dompel het monster in 2 mL tot 3 mL methanol.
7. Laat de garens te genieten in methanol ten minste 30 min.
8. 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

1. 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.
2. Monteren van de vezels op een roestvrijstalen stub (1 cm diameter) door vast te houden hen met een pincet op koolstof dubbelzijdige tape.
3. Jas van de vezels met een geleidend materiaal zoals Au/Pd te verzachten van het oppervlak opladen effecten optreden onder de SEM.
4. 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

1. Snijd ongeveer 30 mm tot 40 mm van de gewassen garen bundel.
2. Verkrijgen van een KLEEFKAART IR monster en verwijder de beschermende steun.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. Reinig het raam van de ATR-accessoire met een lage lint wipe en methanol.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. 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

1. Terwijl het dragen van nitril handschoenen, snijden ongeveer 25 mm van het garen van de spoel van de garen met een scheermesje.
2. Hiermee centreert u elke bundel van het garen over het gat 6,25 mm binnenste van een 25 mm RVS wasmachine.
3. Tape de bundel garen om de ring te houden in plaats van met behulp van cellofaan tape.
4. Herhaal stap 4.1 tot 4.3 voor de andere twee soorten garen.
5. 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.
6. Monteer een controlemonster zilveren behenate aan het monster houder blok in dezelfde positie als de sluitringen.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. 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.
11. 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.
12. In het eerste voorbeeld van de vezel met behulp van een 10 min belichtingstijd te analyseren.
13. 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.
14. Het gemiddelde van de 3 scans om de laatste resultaat met behulp van de functie gemiddelde in Fit 2D software te verkrijgen.
15. Herhaal stap 4.13-4.15 voor elk extra monster.

5. garen loskoppelen en voorbereiding voor het testen van de treksterkte

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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).
5. 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).
6. 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).
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. Laat de lijm te genezen voor ten minste 24 uur vóór de proef.

6. interne Fiber treksterkte testen

1. 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.
2. Voorbereiding van het instrument voor het testen door te installeren treksterkte grepen en kalibreren van de kloof.
3. 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.
4. Los van de gezichten van de grip om te maken een gat voor het laden van het papieren sjabloon waarin de één vezel.
5. 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.
6. Zachtjes uitlijnen en sluit de top grip gezicht, terwijl nog steeds ondersteuning van de vezel, zodat het niet doet glijden.
7. Draai de schroeven van het boven- en onderkant met een momentsleutel totdat de schroeven gewoon strak zijn.
8. Herhaal stap 6.7 voor de onderste schroeven.
9. 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.
10. Beide zijden van het papieren sjabloon knippen met een schaar.
11. 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.
12. 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.
13. De kloof terug naar 30 mm en herhaal stappen 6.4-6.12 totdat alle monsters worden getest.
14. Sla de gebroken vezel fragmenten in de sjabloon voor verdere microscopische analyse.

Resultaten

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 do...

Discussie

De hierin beschreven methode biedt een alternatieve solventgebaseerde protocol voor het verwijderen van coatings van aramidevezels copolymeer zonder water te gebruiken. Twee eerdere studies^3,4 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...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Stereo microscope	National	DC4-456H	Digitaal microscoop
RSA-G2 Solids Analyzer	TA Instruments		Dynamisch mechanisch thermische analyzer gebruikt in transient trekmodus met Film Tension Clamp Accesory
Vertex 80	Bruker Optics		Fourier Transform Infrared spectrometer gebruikt om resultaten van wasprotocol te analyseren, uitgerust met kwik cadmium telluride (MCT) detector.
Durascope	Smiths Detection		Attenuated total reflectance accessoire gebruikt om FTIR uit te voeren
Torque hex-end wrench	M.H.H. Engineering	Quickset Minor	Draagmomentsleutel
Methanol	J.T. Baker	9093-02	methanol oplosmiddel
Acetone	Fisher	A185-4	aceton oplosmiddel
Cyanoacrylate	Loctite		Superlijm
FEI Helios 660 Dual Beam FIB/SEM	FEI Helios		Schuifkijker
Denton Desktop sputter coater			Sputter coater
25 mm O.D. roestvrijstalen wasmachines met een gat van 6,25 mm			25 mm O.D. roestvrijstalen wasmachines met een gat van 6,25 mm
Zilverbehenaat			Wide angle X-ray scattering (WAXS) standaard
Xenocs Xeuss SAXS/WAXS small angle X-ray scattering systeem	Xenocs Xeuss		SAXS/WAXS kleinhoekige X-ray verstrooiing systeem uitgerust met een X-ray video-rate imager voor SAXS analyse met een minimum Q = 0,0045 Å-1, detector separate X-ray video-rate imager voor WAXS analyse (tot ongeveer 45° 2θ) monsterhouder kamer.
Fit 2D software			Software om WAXS-gegevens te analyseren