Summary
המטרה העיקרית של המחקר היא לפתח פרוטוקול להכין דגימות עקבית עבור בדיקות מכניות מדויק של חוזק גבוה קופולימר ארמיד סיבים, על ידי הסרת ציפוי disentangling גדילים סיבים בודדים מבלי להציג משמעותית השפלה כימיים או פיזיים.
Abstract
באופן מסורתי, גוף רך שריון נעשתה מתוך פולי (p-phenylene terephthalamide) (PPTA) ופוליאתילן משקל מולקולרי גבוה. עם זאת, לגוון את הבחירות סיבים בשוק שריון הגוף ארצות הברית, קופולימר סיבי מבוסס על השילוב של 5-אמינו - 2-(p- aminophenyl) benzimidazole (PBIA), PPTA קונבנציונליים יותר הוכנסו. מעט מאוד ידוע לגבי היציבות לטווח ארוך של סיבים אלה, אך כמו פולימרים עיבוי, הם צפויים להם פוטנציאל רגישות רטיבות ולחות. לכן, אפיון הכוח של חומרים והבנה הפגיעות שלהם בתנאי סביבה הוא חשוב להערכת חייהם שימוש ביישומי בטיחות. ההתנגדות בליסטי לבין מאפיינים מבניים קריטיים אחרים של סיבים אלה הם שהתבססו על כוחם. כדי לקבוע באופן מדויק את הכוח של סיבי בודדים, יש צורך disentangle אותם מן המעשייה ללא היכרות עם נזק. שלושה סיבים קופולימר מבוסס-ארמיד נבחרו לצורך המחקר. הסיבים נשטפו עם אצטון ואחריו מתנול להסרת ציפוי מבטל אורגני שהחזיקה את הסיבים בודדים בחבילה כל חוט ביחד. ציפוי זה מקשה להפריד סיבים יחיד הצרור חוטי בדיקה מכאנית ללא פגיעה הסיבים, המשפיעים על כוחם. לאחר חפיפה (FTIR) ספקטרוסקופיית פורייה בוצעה על דגימות שטף והן רחוץ, התוצאות הושוו. ניסוי זה הוכיח כי ישנם אין וריאציות משמעותיות הספקטרום של פולי (p-phenylene-benzimidazole-terephthalamide-co -p-phenylene terephthalamide) (PBIA-co-PPTA1), PBIA-co-PPTA3 לאחר כביסה, רק וריאציה קטן עוצמת PBIA. מציין כי שטיפות אצטון, מתנול הם לא לרעה המשפיעים על הסיבים ולא גורם כימי השפלה. בנוסף, בדיקות סיב יחיד בוצע על הסיבים שטף לאפיין את חוזק הראשונית שלהם ואת המתח לכישלון, ולהשוות אותם לערכים אחרים שדווחו. בפיתוח פרוצדורלי איטרטיבי היה צורך למצוא שיטה מוצלחת ביצוע בדיקות על סיבים אלו.
Introduction
כיום, מיקוד משמעותי בתחום של הגנה אישית הוא על הפחתת המסה של האפוד מגן לצורך הגנה אישית עבור יישומים צבאיים1ואכיפת החוק. עיצובים מסורתיים שריון צריכים לסמוך על חומרים כמו זכוכית אקרילית (p-phenylene terephthalamide) (PPTA), הידוע גם בשם ארמיד, ופוליאתילן כדי לספק הגנה מפני איומים בליסטיים2. עם זאת, יש אינטרס לחקור חומרים סיבי חוזק גבוה שונים עבור הפוטנציאל שלהם כדי להקטין את המשקל של שריון נדרש לעצור איום בליסטי ספציפיים. זה הוביל החיפושים של חומרים חלופיים כגון ארמיד קופולימר סיבים. סיבים אלו מיוצרים על ידי התגובה של [5-benzimidazole (p- aminophenyl) - 2 - אמינו] (amidobenzimidazole, ABI) ו p- phenylenediamine (p-PDA) עם terephthaloyl כלוריד כדי טופס פוליפוני (p- phenylene-benzimidazole-terephthalamide-co -p-phenylene terephthalamide). במחקר זה, אנו בוחנים שלושה סיבים שונים, אשר כולם מיוצרים באופן מסחרי חומרי המתקבל איש קשר בתעשייה. אחד הוא סיבים homopolymer אשר עשוי מאת מגיבים עם p-phenylenediamine טופס פוליפוני 5-אמינו - 2 - benzimidazole (p- aminophenyl), או PBIA. שני קופולימר סיבים אחרים שנבדקו במחקר זה צפויים להיות copolymers אקראיים עם יחס שונה של קישורים של PBIA ו- PPTA-3. היחס היחסי של קישורים אלה לא היתה אפשרות לקבוע השפעול באמצעות תהודה מגנטית גרעינית של מצב מוצק. סיבים אלו המיועדים לשמש PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 להאריך וכינוים בשימוש בפרסום הקודם4. PBIA-co-PPTA3 לא נחקר קודם לכן, אך יש מבנה דומה. מערכות סיבים אלו היו גם המוקד של מספר לאחרונה שהוענקה פטנטים5,6,7.
התנגדות בליסטי מעולה של שריון המרקסיסטי מבוסס על התכונות המכאניות של החומרים המרכיבים אותו, כגון מתיחה להתאמץ כדי כשל8,9,10. מאמצים משמעותיים11,12,13 יש התמקדה בחינת היציבות לטווח ארוך של סיבים פולימריים המשמש בשריון הגוף על ידי חקירת מזיקה לשינויים אלה תכונות מכניות לאחר חשיפה תנאים סביבתיים. השפעת התנאים הסביבתיים על סיבי קופולימר ארמיד לא היה הנושא של הרבה מחקר3,4. אתגר אחד ללמוד חומרים אלה הוא הקושי disentangling יפצחו לבדיקה. עבודה מוקדמת על ידי מק'דונו4 חקר טכניקה שבה המים שימש disentangle יפצחו לפני ביצוע בדיקות סיב יחיד. עם זאת, היה אין הבנה מלאה על אם חוזק מכני רב, הסיבים שונה על ידי חשיפה זו מים. אלטרנטיבה disentangling הסיבים היא לבחון את חוזק מכני של הקיבוץ חוט, עם זאת, זה דורש כמות גדולה של חומר, והוא נחשב את הממוצע הכוח של הסיבים בחבילה חוט, מתן מידע ספציפית פחות. מטרת פרויקט זה היא לבחון את השפעת טמפרטורה ולחות גבוהות על תכונות מכניות של סיבי קופולימר ארמיד. לכן חיוני כדי למצוא של הממס חלופיות להסרת ציפוי הקונקרטיות סיבים שתאפשר לנו להבחין הידרוליזה של הסיבים עקב החשיפה הסביבתיים מזה המושרה על ידי הכנת הדוגמא. הכנת סיבים בודדים לבדיקת מסובך עוד יותר על ידי גודלם הקטן. בעבודה זו, אנו לחקור מספר ממסים נפוצים (מים, מתנול, אצטון), בחר אצטון הבחירה הטובה ביותר עבור הכנת סיבים בודדים לבדיקה. כל סיבי היו שטפה עם מתנול לפני בדיקה נוספת. (FTIR) ספקטרוסקופיית פורייה מתבצע כדי לקבוע אם הצעד התפרקות ו הקונקרטיות ציפוי גרם כל השפלה כימי בחומר. פרוטוקול וידאו מפורט מציג את השלבים הכנה מדגם של הקונקרטיות, ניתוח כימי בדיקות מכניות של קופולימר ארמיד סיבי נועדה לסייע לחוקרים אחרים בפיתוח מתודולוגיות לביצוע מחקרים דומים של סיבים יחיד במעבדות שלהם.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. פירוק ציפוי על סיבי קופולימר סיוע בהפרדה סיבים
- לבוש כראוי נבחרת עמידים כימית כפפות כדי למנוע זיהום של הסיבים, לחתוך 160 מ ל 170 מ מ מ תתי חוט חילוץ באמצעות קרמיקה מספריים או סכין גילוח פלדה טריים. שומרים את שארית חוטי צמר במידת הצורך עבור ניתוח נוסף במיכל עם תוויות.
- מקמי או מהדק את הקצוות של המטווה כדי למנוע את חוט בהסתבכות כשהוא שקוע בתוך הממס.
הערה: במחקר זה, ממיסים רחבות ההיקף קוטביות (מתוך הסדרה קוטביות) היו בתחילה חקר. על סמך הממצאים האיכותניים, בדיקה מעמיקה יותר נערך באמצעות אצטון ומים מתנול. לבסוף, אצטון נבחר הממס הטוב ביותר עבור סיבים ההפרדה בהתבסס על הקלות של detangling ואת התוצאות מיקרוסקופ אלקטרונים (SEM) סריקה (הסבר בהמשך). - לטבול את נימי מ"ל 2 עד 3 מ"ל של הממס שכותרתו פטרי, לכסות עם המכסה פטרי.
- לאפשר את יפצחו לספוג פנימה אצטון במשך 30 דקות ולאחר מכן למחוק את הממס.
- חזור על שלבים ל- 1.3-1.4 לפחות שתי פעמים נוספות ולאפשר ואז הממס מתמוססות.
- כדי להסיר שאריות אצטון וכדי לסייע ייבוש, לטבול את הדגימה ב 2 מ"ל עד 3 מ"ל של מתנול.
- לאפשר את יפצחו לטבול מתנול לפחות 30 דקות.
- הסר את חוט של הממס ולאפשר לייבוש על פחות 24 שעות.
2. ניתוח של ציפוי שלב פירוק על ידי מיקרוסקופ אלקטרונים סורק
- הפרד את הסיבים בודדים עם פינצטה, אשר בעבר נשטפים באמצעות ממיסים שונים מן הקיבוץ חוט, לצורך ניתוח תחת מיקרוסקופ סטריאו במידת הצורך.
- הר הסיבים על גדם מפלדת (1 ס מ קוטר) על-ידי שמירה אותם עם פינצטה על גבי קלטת פחמן דו-צידית.
- מעיל הסיבים עם חומר מוליך כגון Au/Pd להקל על פני השטח טעינה אפקטים תחת ב- SEM.
- לטעון את הדגימות סיבים לתוך המיקרוסקופ אלקטרון סריקה ו תמונה אותם ב 2 kV האצת מתח והרשות 50 – 100 הרשות הפלסטינית אלקטרון הנוכחי. להחיל הגדרות ניטרול תשלום על אפקטים טעינה מונה במידת הצורך.
3. ניתוח של ציפוי צעד פירוק פורייה להפוך ספקטרוסקופית אינפרא אדום
- חותכים כ 30 מ מ עד 40 מ מ של חוט שטף את הצרור.
- להשיג כרטיס מדגם IR דבק ולהסיר את תמיכתה מגן.
- כשאתה לובש כפפות כדי להגן על המדגם מפני זיהום, לסובב מעט את הצרור סיבים מזג את המדגם לצורך ניתוח ולמקם את הדגימה מעל החלון בכרטיס.
- להכין את FTIR ניתוח על פי מפרט היצרן. להדליק את הגז לטיהור, למלא את הגלאי עם חנקן נוזלי, ולהתקין את האביזר ATR באמצעות לוח מגנטי היישור בתא מדגם.
- לתכנת את הפרמטרים עבור מספר סריקות והרזולוציה כלי מדידה מתקדמים בכרטיסיה כלי התוכנה, במקרה זה, סריקות 128 חישוב הממוצע ברזולוציה של 4 ס מ-1.
- לנקות את החלון של האביזר ATR עם מוך נמוך לנגב, מתנול.
- לאסוף רקע על ידי לחיצה על לחצן לאסוף הרקע בחלון מידה בסיסית של התוכנה עם הפרמטרים שבחרת בשלב 3.5.
- יישר את הדגימה סיבים מעל החלון האביזר ATR, באמצעות מיקרוסקופ צג וידאו כדי לסייע הצב הסיבים.
- לאסוף קשת לדוגמה על ידי לחיצה על כפתור המדגם לאסוף בחלון מידה בסיסית של התוכנה באמצעות הפרמטרים שבחרת בשלב 3.5.
- חזור על שלבים 3.6-3.9, איסוף ספקטרה לפחות 3 עבור דגימה עד שיש כבר ניתחו את כל הדגימות.
4. ניתוח של סיבים על ידי פיזור רחב זווית צילום רנטגן
- כשאתה לובש nitrile כפפות, חותכים כ 25 מ מ חוטי צמר של סליל חוט באמצעות סכין גילוח.
- מרכז כל צרור חוטי צמר מעל החור הפנימי 6.25 מ מ של מנקה נירוסטה 25 מ מ.
- קלטת את הצרור חוט כדי למכונת הכביסה כדי להחזיקו במקום באמצעות הקלטת צלופן.
- חזור על הצעדים 4.1 4.3 שני סוגים אחרים של חוט.
- להקליט את הדיסקיות המכיל חבילות צמר לבלוק בעל דוגמת פלדת (המכיל מוטות מתכתיים לצורך מיקום) בדומה למוצג באיור1. הסיבים צריך להיות בתצורה אנכיים לניתוח.
- הר דגימת הבקרה behenate כסף כדי לחסום מחזיק את הדגימה באותו מיקום כמו הדיסקיות.
- פתח את הדלת אל המכשיר והר הבלוק בעל מדגם לשלב ניתוח באמצעות מערכת יישור מגנטי.
- . סגור את הדלת לתא בעל מדגם ולהפעיל את משאבת ואקום לפנות לחדר ניתוח המדגם. צג מד ואקום להרכיבו ליד המכשיר עד שואב האבק מגיע כ 1600 הפלסטינית.
- פתח את תוכנת מכשיר להפעיל את הקרן, בצע סריקה אופקי כדי לקבוע את המיקום-x של כל מדגם את המחזיק לדוגמה.
- לאחר זיהוי x-מיקום של כל דגימה, לבצע סריקה אנכית כדי למטב את המיקום-y כדי להשיג את עוצמת האות המרבי עבור כל דגימה.
- לאחר x ו- y-מיקומים נקבעים, להתחיל את המדידה על-ידי ניתוח המדגם שליטה behenate כסף כדי לקבוע את המרחק בין המדגם לבין כל גלאי.
- לנתח את המדגם הראשון סיבים באמצעות זמן חשיפה 10 דקות.
- חזור על שלב 4.13 פעמיים נוספות עבור סכום לסרוק זמן של 30 דקות.
הערה: פרוטוקול זה משמש במקום 30 דקות זמן הסריקה במקרה אחד כי יש בעיות עם החשיפה הדגימה כדי לצמצם את זמן מבוזבז כלי נגינה. - ממוצע 3 סריקות כדי להשיג את התוצאה הסופית שימוש בפונקציה average בתוכנת 2D מתאים.
- חזור על הצעדים 4.13-4.15 כל דגימה נוספת.
5. חוט הקונקרטיות והכנה בדיקות
- להשיג של 30 ס"מ על 30 ס"מ או לוח פלסטיק שקוף גדול יותר (פוליקרבונט גליונות משמשים בניסויים אלה) זה יכול להיות ממוקם על רקע כהה, או לוח פלסטיק כהה של מידות זהות.
- לחתוך חתיכות דבק סלוטייפ צבעי נעץ נמוך (כ- 10 מ מ 5 מ מ) ויש להם זמין עבור השלבים הבאים. יש לבצע פעולה זו על משטח זכוכית, חותכים את הקלטת עם סכין גילוח.
- להקליט את שני הקצוות של תבנית נייר מלבני מד 20 מ מ ללוח פלסטיק כך זה שקרים שטוח לחלוטין.
הערה: 20 מ מ נבחרת כמו אורך אופטימלי מד לבדיקות אלה בהתבסס על העבודות הקודמות ועל ההפרדה הלסת זמין של המכשיר. - לובש nitrile כפפות כדי למנוע זיהום, לחתוך כ 70 מ"מ 80 מ מ של חוט שטופים ומניחים אותו על שקופית מזכוכית או משטח נקי אחר (איור 2 א-b).
- באמצעות מיקרוסקופ סטריאו כדי לסייע הקונקרטיות, בזהירות להסיר מסיב יחיד חוטי צמר באמצעות פינצטה. לטפל כדי למנוע לסגור עסקה או פגיעה הסיבים במהלך תהליך זה. למחוק את כל הסיבים הם פגומים (איור 2 c).
- במקום מסיב יחיד על גבי התבנית נייר, מוודא כי הסיבים מיושר הסמנים על התבנית (איור דו-ממדי- f).
- להקליט את שני הקצוות של סיבי ללוח. על מנת לשפר את הנראות של סיבי, לשים רקע כהה מתחת לוח פלסטיק שקוף או השתמש בלוח פלסטיק שחור. הסיבים צריך להניח ישר וללמוד מעט על פני התבנית (איור 2f).
- חזור על שלבים 5.3 ל 5.7 עד כ- 35 עד 45 סיבים הם רכובים על תבניות נייר נפרד עבור כל סוג של סיבים תזונתיים. במקרה זה, ישנם שלושה סוגים של סיבים: PBIA-co-PPTA1, PBIA ו PBIA-co-PPTA3.
- לאחר כל סיבי שמוקלטות ללוח פלסטיק, להוסיף אחד טיפה קטנה של דבק מגע דבק בכל צד של הסיבים מיושרים על תבנית נייר. יוצאים ללא דבק בקצוות של תבניות נייר עבור כשתפסת במהלך בדיקות 1 ס מ.
הערה: דבק מגע נמצאה להיות הדבק הטוב ביותר עבור חומר זה, ניסיון כושל עם אפוקסי התרופה 24 שעות מוצג בתוצאות נציג. - לאפשר את דבק לרפא לפחות 24 שעות לפני הבדיקה.
6. בדיקות סיב יחיד
- לקבוע את אורך למדידה, הקצב של סיומת המספק את התוצאות הכי עקבי עבור הדגימה עניין. פרמטרים אלה ייתכן שיכתיבו את כמות הדגימה זמין ועל ידי המגבלות של ההתקנה ניסיוני.
- הכינו את המכשיר לבדיקה על ידי התקנת אוחז מתיחה. ומכייל את הפער.
- תוכנית כלי כדי להעביר אוחז לספק פער של 30 מ מ, אשר הוא האורך gage נבחר בהתאם לגודל התבנית נייר ועל השטח 10 מ מ עזב בכל קצה של הלסת.
- שחרר את הפרצופים אחיזה כדי ליצור פער עבור טעינת התבנית נייר המכיל סיבים יחיד.
- תזיזי את אחת הדגימות מוכן בשלב 5 מכשיר. בעזרת ידיים בכפפות, מרית קטנה, או פינצטה, להאכיל את התבנית דרך אוחז בשני, בעזרת הסימנים על התבנית כדי לסייע את המיקום. ודא כי הדבק הוא מחוץ לאזור אחיזה.
- בעדינות ליישר וסגור הפנים האחיזה העליונה, תוך תמיכה עדיין הסיבים, כך שזה לא להחליק למטה.
- לחזק את הברגים העליונים והתחתונים עם מפתח ברגים מומנט עד הברגים הם רק הדוקים.
- חזור על צעד 6.7 הברגה.
- הדק את הברגים באוחז עליון ותחתון בעזרת מפתח ברגים מומנט. לטפל כדי להדק את הברגים בתבנית צלב כדי לאזן את העומס על הסיבים.
הערה: תנופה לשימוש עשוי להשתנות, צריכה להיקבע השפעול. 30 cN·m שימש בניסויים אלה. - חתוך צידי התבנית נייר עם מספריים.
- לתכנת את המכשיר כדי לבצע את הבדיקה מתיחה בקצב קבוע של הארכת מ מ 0.0125/s, לנטר את התצוגה ולהפסיק את הבדיקה כאשר הסיבים שבור.
- בסוף הבדיקה, הסר הסיבים אוחז מאת ויסירו את הפרצופים אחיזה. לצפות את מיקום ההפסקה ולשמר סיבים שבור במיכל עם תוויות עבור ניתוח נוסף.
הערה: סיבי לשבור את פני אחיזה מתבטלים מניתוח כמו "הלסת מעברי" כפי שמתואר ASTM D3822. - להחזיר את הפער עד 30 מ"מ וחזור על שלבים 6.4-6.12 עד כל דוגמאות נבדקים.
- להציל את השברים סיבים שבור בתבנית נוספת לבדיקה מיקרוסקופית.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
הסיבים ארמיד קופולימר למד פה קשים להפריד חוטי חבילות לתוך סיבים בודדים לבדיקה. הסיבים מסובכת, מצופה עיבוד כימיקלים שהופכים אותם קשה מאוד להפריד ללא פגיעה הסיבים. איור 3 מראה המורפולוגיה מבנית של סיבים בתוך מעשייה. אפילו במסגרת חבילה גדולה יותר, משטחים סיבים להראות חספוס נרחב ודמעות כי סביר להניח נגרמות על ידי הדבקה חזקה על סיבי סמוכים. בעבודה הקודמת על ידי מק'דונו4. et al., המים שימש כדי להפריד בין הסיבים לפני בדיקות מתיחה, עם זאת, ניתוח כימי של סיבי שהוכן בשיטה זו העלה שאלות חשובות לגבי הכנת המדגם שלה השפעות על תכונות מכניות. בחלק הראשון של עבודה זו, האפקטיביות של שלושה ממיסים שונים (שנבחרו על ידי חיסול מתוך מגוון שלם קוטביות של ממיסים), כולל מים, מושווים באמצעות SEM לבחון את ההשפעה של פרוטוקולים שונים כביסה במישור הפיזי המראה של הסיבים מופרדים. המים ואת אצטון שקוע סיבי היו לשטוף ב מתנול לאחר הרחצה כדי להסיר שאריות ממס וסיוע של ייבוש הסיבים מים שקוע במהירות רבה יותר. איור 2 מציג סקירה של ההליך הקונקרטיות של צרור סיבי. הסיבים שטף מושווים גם נגד כסיבים שהתקבלו שהופרדו מ הצרור חוט ללא כל עוד לטעום הכנה. Micrographs וכתוצאה מכך מוצגים באיור 4, איור 5, איור 6.
ב- איור 4a, שימו לב: הפיזי נזק סיבים PBIA-co-PPTA1 בצורה של פרוזדורים כאשר סיבים "יבש" הופרד ללא שימוש כל ממסים. שים לב גם הנוכחות של חריצים האורך והרוחב מתקלף על הסיבים משטחים בשל טבילה במים (איור 4b), אשר יכול להיות מעידה על השפלה מנגנונים כגון הידרוליזה, או נגרם על-ידי הסרת לא שלם של ציפוי כימיים מ סיבים. תכונות אלה הם נצפו למדי מתנול (איור 4 c)), אצטון (איור 4 d) טובל סיבים, אך סיבים אצטון שקוע נראה שיש לו את הנזק לפחות הממס-induced ומוצגים בעיקר משטח נקי וחלק . המטרה העיקרית של המחקר הייתה לפתח מתודולוגיה להפרדת סיבי בודדים עבור בדיקות מכניות תוך הקפדה על נזק מינימלי סיבים (פיזי או כימי) במהלך תהליך ההפרדה, עקבות של ציפוי כימיים שיורית יכול להיות שנצפו ב- SEM תמונות של הסיבים שטף (איור 5a). המטרה היא לא נמסים לחלוטין את הציפוי, מספיק כדי להיות מסוגל להפריד את יפצחו עם נזק מינימלי.
ב- איור 5a, הנזק הפיזי סיבים PBIA-co-PPTA3 בצורה של חריצים אורכיים, פרוזדורים שנצפו במיוחד בקצוות סיבים של סיבי "יבש" מופרדים ללא כל טבילה. סיבים שקוע בתוך המים (איור 5b) מציג גם נזק לקצוות איפה זה מופיע אמורים להיות כבר סיבים סמוכים לפני ההפרדה. על מתנול (איור 5 c) וגם סיבים אצטון (איור 5 d) טובל להראות הרבה פחות פרוזדורים, אך כפי שנצפה קודם לכן, הסיבים שקוע בתוך אצטון איכותית מופיעים יש לכלוכים משטח פחותה מאשר הסיבים האחרים.
איור 5, הנזק הפיזי PBIA יבש נצפית להיות פחות חמורות מאשר הסיבים שני אחרים, אבל יש כמה עדויות של חריצים אורכיים לאורך הסיבים בחלק התחתון של התמונה (איור 6a). סיבים שקוע בתוך המים (איור 6b) מראה נזקים קלים בקצוות הנגרמת על ידי החזקה חזקה סיבים סמוכים. מתנול של אצטון שקוע סיבים (איור 6 c-d) הצג מאפיינים פיזיים דומים כמו סיבים מים שקוע.
לבחון עוד יותר את ההשפעה של אצטון שטיפה על הסיבים, FTIR ספקטרוסקופיה בוצעה. התוצאה של ניתוח זה מוצג איור7. כמה שינויים בעוצמה שנצפו לאחר כביסה, אבל אין מייג'ור משתנה ב ספקטרה מעידה על השפלה כימי (למשל., שינויים באזור הו/NH בסביבות 3300 ס מ-1 או היווצרות של שיא קרבוניל בסביבות 1700 ס מ-1)? נצפתה. לכן, אצטון שטיפה נבחר בתור השיטה הטובה ביותר של הכנת סיבים להמשך המחקר.
השלב הבא במחקר זה היה קביעת השיטה הטובה ביותר של סיבי יחיד בדיקות מתיחה עם הגדרת הציוד הקיים. מאמץ היה לבדוק ישירות סיבים באמצעות הרכבה סיבי החוששת וביצוע המבחן. שיטה זו דורשת הכנת הדוגמא מינימלי, הדגימות הציג אין גלישה מן האחיזה, דבר זה נחשב הדרך המהירה ביותר לביצוע המבדק. עם זאת, רוב הסיבים נבדק באופן זה שבר ימינה איזה פרצוף אחיזה, תופעה המכונה "הפסקה הלסת". כפי שמתואר ASTM D382214, תוצאה זו עולה כי המבחן אינו תקף. לכן, מבוסס על ההמלצות של תקן ASTM D3822, הסיבים בודדת ואז רכוב על תבנית כרטיסים לפני בדיקה.
הסיבים היו דבקה את תבניות קרטון באמצעות אפוקסי או דבק מגע ולא לרפא לפחות 24 שעות לפני הבדיקה. נבדקו שני סוגי דבק אפוקסי, אחד הדורש תרופה 24 שעות, והשני הדורש תרופה 1 h. כמעט כל דוגמאות דבקה תבניות נייר עם אפוקסי דבק (להאטה והן את התרופה מהר) הציג של התנהגות אלימה הגולשות ו משוננים מתח מתח עקומות, כפי שמוצג על ידי הדוגמה נציג נתון איור 8a. עם זאת, איור 8 ב' מתאר עקומת הלחץ נציג-זן שהושג עם הדבק דבק מגע, אשר ברובו נטול דגימה החלקה. תופעה דומה נצפתה בכל מערכות סיבים השתמשו במחקר הנוכחי, ובכך cyanoacrylate שהדבק המבחן המתאים ביותר להדביק את הסיבים על התבניות. בעקבות ההצלחה של דבק מגע, דבק, כל דוגמאות נבדקו על פי ההמלצות המפורטות במחקר הקודם על סיב יחיד בדיקות של פוליאתילן14. בסך הכל, הסיבים דבקה עם דבק מגע בדרך כלל היו עקומות חלקות ורציפות מתח-זן ו לא מפגינים גלישה משמעותית. בעוד כמה סיבי נכשל בסמוך לחלקו העליון של אזור מד של הסיבים, השימוש של התבנית עזר לנו אי-הכללת סיבים אלו באופן יעיל.
לאחר שקאהן התיישב על תבנית קרטון, דבק מגע התרמומטר דבק בשיטה, חוזק זן לכישלון של כל סיבי שלוש. התוצאות של בדיקות אלה מוצגים בטבלה1. עבור כל סוג סיבים, נבדקו דוגמאות 35, העמודה הרביעית של הטבלה מדווח על מספר מבחנים כל ערכת נתונים (בין 15 ל 26 בדיקות) מוצלח. קוטר נומינלי של מיקרומטר 14 שימש לחישוב חוזק מתיחה עבור כל הסיבים, בהתבסס על העבודות הקודמות ומדידות -מ micrographs של סיבי יותר מ 30. הדמיה SEM של סיבי כושל (איור 9) מציין כי כל הסיבים עוברים שבר פריך וכתוצאה מכך פרוזדורים. כמו הסיבים השתמשו במחקר הנוכחי הם בעיקר הבלתי גבישי (כפי שמוצג על ידי המדידות פיזור (WAXS) רחב זווית צילום רנטגן באיור10), דפורמציה פלסטית מינימלי נצפית תמונות SEM של חתכים סיבים אלה, ללא עדות של בצוואר.
תצורת גובר על הניתוח WAXS מוצג באיור1, התוצאות של ניתוח זה מוצגים באיור10. הניתוח WAXS עולה כי פיזור המשוונית עקיפה של PBIA, PBIA-co-PPTA1, סיבי PBIA-co-PPTA3 היה דומה מאוד, המורכב לשיא סימטרי רחב-2θ של-22 מעלות. . זה מעיד על מבנה הבלתי גבישי עם העדר התמצאות במישור מאונך לציר שרשרת הפולימר. עם זאת, תבנית עקיפה, את diffractograms פיזור meridional גילה הנוכחות של שני מייג'ור בראג פסגות בזוויות 2θ של 26° ו ° 28 (איור 10). הפסגה החזק ביותר של השניים נמצא 2θ של 28° עם d-מרווח של 0.31 nm, קיים גם בסריקות meridional עקיפה של PPTA טיפוסי סיבי15. העובדה כי אלה פסגות בראג על הסיבים PBIA, PBIA-co-PPTA1 ו- PBIA-co-PPTA3 חלשים מאוד היא מעידה על כמות קישורים PPTA במבנה קופולימר של סיבים אלו נמוך מאוד. בנוסף, PBIA-co-PPTA1 ואת PBIA-co-PPTA3 diffractograms סיבי פיזור meridional חשף את הנוכחות של שתי הפסגות חלש בזוויות 2θ של 18° ו- 21°. בסופו של דבר, סיבים אלו מציגים רמה נמוכה מאוד של crystallinity לאורך הציר שרשרת.
איור 1: תהליך המחשה להראות את המתודולוגיה להרכבת סיבים על דיסקיות לניתוח מאת WAXS. המדגם שליטה behenate כסף לא מתואר בתמונה הזאת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 2: תהליך המחשה כדי disentangle מסיב יחיד מ הצרור חוט עבור בדיקות מתיחה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 3: נציג סריקת אלקטרונים micrographs של סיבי בתוך מעשייה סיבים. (א) PBIA-co-PPTA1, (ב) PBIA-co-PPTA3 ו- PBIA (ג). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 4: נציג סריקת אלקטרונים micrographs של מופרדים סיבי יחיד PBIA-co-PPTA1 לאחר הטיפול. (א) סיבים מופרדים יבש (ללא טבילה), (ב) סיבים לאחר טבילה במים, (ג) סיבים לאחר טבילה מתנול, וסיבים (ד) לאחר טבילה אצטון. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 5: נציג סריקת אלקטרונים micrographs של מופרדים סיבי יחיד PBIA-co-PPTA3 לאחר הטיפול. (א) סיבים מופרדים יבש (ללא טבילה), (ב) סיבים לאחר טבילה במים, (ג) סיבים לאחר טבילה מתנול, וסיבים (ד) לאחר טבילה אצטון. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 6: נציג סריקת אלקטרונים micrographs של מופרדים סיבי יחיד PBIA לאחר הטיפול. (א) סיבים מופרדים יבש (ללא טבילה), (ב) סיבים לאחר טבילה במים, (ג) סיבים לאחר טבילה מתנול, וסיבים (ד) לאחר טבילה אצטון. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 7: נציג ATR-FTIR ספקטרום של כפי שהתקבלו יבש (שחור) ושטף אצטון סיבים (אדום). מלבד קלה בעוצמה משתנה, אין הבדלים משמעותיים המציין שינויים כימיים נצפו ב הסיבים לפני ואחרי כביסה. הספקטרום הציג הממוצע של מדידות לפחות 3, נאספו ברזולוציה של 4 ס מ-1. הוודאות סטנדרטי בספיגת של טכניקה זו היא כ- 5%. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 8: עקומות מתח נציג-זן של סיבים PBIA-co-PPTA1 מוכן עם דבק אפוקסי (משמאל) ועם דבק cyanoacrylate (מימין)- הערה התו המשוננים של העקומה אפוקסי, המתח גבוה לכישלון, אשר עשוי להיות נציג של גלישה בהדבק. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 9: סריקת אלקטרונים micrographs של נכשל חתכים סיב יחיד לאחר הטיפול אצטון: (א) PBIA-co-PPTA1, (ב) PBIA-co-PPTA3 ו- (ג) PBIA. כל סיב דגימות התערוכה פרוזדורים ותשבור שביר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 10: זווית צילום רנטגן תבניות עקיפה של PBIA-co-PPTA3 (א), PBIA-co-PPTA1 (ג) ו- PBIA (e) סיבים. Meridional רחבת זווית צילום רנטגן diffractograms של PBIA-co-PPTA3 (b), PBIA-co-PPTA1 (ד) ו- PBIA (נ) סיבים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
| סוג סיבים | ממוצע ציונים חוזק (SD) | זן % כישלון (SD) | מודולוס (ממוצע ציונים) | מספר הדגימות |
| 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 |
טבלה 1: כלומר סיב יחיד המאפיינים מתיחה של אצטון שטף PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 ו- PBIA. סטיית התקן הוא דיווח בסוגריים ליד הערך.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
השיטה המתוארת במסמך זה מספק פרוטוקול ממס מבוסס חלופי עבור הסרת ציפויים ארמיד קופולימר סיבים ללא שימוש במים. שני הקודם מחקרים3,4 הראה העדויות של הידרוליזה הסיבים של ההרכב הכימי הזה, עם חשיפה אדי מים או מים במצב נוזלי. הימנעות הידרוליזה במהלך הכנת המדגם הוא קריטי עבור השלב הבא של ניסויים איפה ערכות אלה של סיבי ייבחנו על הרגישות שלהם הזדקנות בשל הידרוליזה של חשיפה לסביבות חם ולח.
הפרדת והרכבה הסיבים היא השלב הקריטי ביותר פרוטוקול ניסיוני זה. נקטו זהירות יש לנקוט כדי לבודד רק יחיד סיבים (כפי הסיבים יכולים להישאר ביחד), מבלי לפגוע בהם עם מחוספס טיפול במהלך השלבים הרכבה. הבחירה של הדבק המתאים הוא גם ביקורתי, כפי שמעידים תוצאות המסכן דבק אפוקסי לעומת דבק מגע. עבודה קודמים הראו גם כי הבחירה של הדבק המתאים עבור בד נתון יכול להיות משמעותי ניסיוני16. זה היה הכרחי במיוחד עבור הדגימה PBIA-co-PPTA3, שבה נעשה שימוש בפרוטוקול בזאת, גרמו בדיקות אשר לא ייכללו ניתוח. אולם, תוצאה זו תספק קו מנחה לניסויים עתידיים בצורה של הכנת דוגמאות נוספות להצערת מחקרים.
מק'דונו ועמיתים4 דיווח חוזק מתיחה הן רטובות ויבשות וממאמץ כשלים של הסיבים שלושה שנבדקו במחקר זה שני. שימוש ניסיוני מנגנון שונה והם הצליחו בהצלחה ישירות אחיזה הסיבים והתותח במקום באמצעות תבנית. כאשר התוצאות שחזרו רטוב מהעבודה של מק'דונו לעומת התוצאות הללו, PBIA הראו הבדל משמעותי סטטיסטית של מאפייני כוח. חוזק מתיחה ממוצע המדגם PBIA היה על 0.5 ממוצע ציונים גבוה מזה שדווח על ידי מק'דונו4. בעזרת FTIR תוצאות על הדגימות PBIA רטוב בשימוש זה המחקר הקודם3 הראו עדות הידרוליזה, אשר יכול לגרום ירידה בכח. יתרה מזאת, חוסר היכולת לערוך מדידות קוטר בקנה מידה גדול עם רמת דיוק גבוהה מגביל אותנו באמצעות מדידות ממוצע על פני בד חתך, אשר עשויים להטות את התוצאות שלנו. אמנם המטרה הסופית של המחקר שלנו לבחון את השינויים חוזק ביחס הדגימה unaged בשל הזדקנות, התוצאות שלנו יכולים להשתפר על ידי ישירות מדידת הקוטר של כל סיב במקום להסתמך על ערך נומינלי כדי להשיג יותר חוזק מתיחה מדויק. שיפורים בהיבט זה של השיטה שלנו ישולבו לעבודה עתידית.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
תיאור מלא של ההליכים בשימוש הנייר הזה דורש זיהוי מוצרים מסחריים מסוימים וספקים שלהם. הכללת מידע כזה צריכה בשום אופן להתפרש המציין כי מוצרים או ספקים אלה אושרה על ידי NIST או מומלצים על ידי NIST או כי הם בהכרח חומרים הטובים ביותר, כלי נגינה, בתוכנה או הספקים למטרות תיאר.
Acknowledgments
המחברים רוצה להכיר את ד ר ויל אוסבורן עבור דיונים מועילים וסיוע עם הכנה של התבנית קרטון.
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).
