Förgrymmat höghållfasta sampolymer Aramid fibrer för att möjliggöra bestämning av mekaniska egenskaper

Summary

Det primära målet med studien är att utveckla ett protokoll för att förbereda konsekvent exemplar för noggrann mekanisk provning av höghållfast sampolymer aramid fibrer, genom att avlägsna en beläggning och särskilja enskilda fiber trådar utan att införa betydande kemisk eller fysikalisk nedbrytning.

Abstract

Traditionellt, mjuka skyddsvästar har gjorts från poly (p-att terephthalamide) (PPTA) och polyeten med ultrahög molekylvikt. Dock för att diversifiera fiber valen i marknaden i Förenta staterna kroppen rustning, sampolymer fibrer baserat på kombinationen av 5-amino - 2-(p- aminophenyl) bensimidazol (PBIA) och den mer konventionella PPTA infördes. Lite är känt angående dessa fibrer långsiktiga stabilitet, men som kondens polymerer, de förväntas ha potentiella känslighet för fukt och fukt. Därför är karaktärisera styrkan i de material och förståelse deras sårbarhet för miljöförhållanden viktigt för att utvärdera deras användning livstid i säkerhetstillämpningar. Ballistiska motstånd och andra kritiska strukturella egenskaper av dessa fibrer bygger på sin styrka. För att exakt bestämma styrkan i de enskilda fibrerna, är det nödvändigt att särskilja dem från garn utan att införa någon skada. Tre aramid-baserade sampolymer fibrer valdes ut för studien. Fibrerna var tvättade med aceton följt av metanol att ta bort en organisk beläggning som hålls de enskilda fibrerna i varje garn bunt ihop. Denna beläggning gör det svårt att separera enstaka fibrer från garn bunten för mekanisk provning utan att skada fibrerna och påverkar deras styrka. Efter tvättning, fourier transform infraröd (FTIR) spektroskopi utfördes på både tvättade och otvättade proverna och resultaten jämfördes. Detta experiment har visat att det finns inga betydande variationer i spektra av poly (p-att-bensimidazol-terephthalamide-co -p-att terephthalamide) (PBIA-co-PPTA1) och PBIA-co-PPTA3 efter tvätt och endast en liten variation i intensitet för PBIA. Detta visar att de aceton och metanol sköljningar inte negativt påverkar fibrerna och orsakar kemisk nedbrytning. Dessutom var enda fiber tensile tester utförs på tvättade fibrerna att karakterisera deras inledande draghållfasthet och stam att misslyckas, och jämföra dem andra rapporterade värden. Iterativ processuella utveckling var nödvändigt att finna en framgångsrik metod för att utföra tensile tester på dessa fibrer.

Introduction

För närvarande är stort fokus i fältet av personskydd på att minska massan av kroppen rustning behövs för personligt skydd för brottsbekämpning och militära tillämpningar¹. Traditionella rustning mönster har förlitat sig på material som poly (p-att terephthalamide) (PPTA), även känd som aramid och polyeten att ge skydd mot ballistiska hot². Det finns dock ett intresse i att utforska olika hög styrka fibermaterial för deras potential att minska vikten på rustning som krävs för att stoppa ett specifikt ballistiska hot. Detta har lett till utforskning av alternativa material såsom aramid sampolymer fibrer. Dessa fibrer tillverkas genom en reaktion mellan [5-amino - 2-(p- aminophenyl) bensimidazol] (amidobenzimidazole, ABI) och p- fenylendiamin (p-PDA) med terephthaloyl klorid till formuläret poly (p- att-bensimidazol-terephthalamide-co -p-att terephthalamide). I denna studie undersöker vi tre olika fibrer, varav alla är kommersiellt producerade material som erhållits från en industri kontakt. En är en homopolymer fiber som görs av reagerande ABI med p-fenylendiamin till formuläret poly 5-amino - 2-(p- aminophenyl) bensimidazol eller PBIA. De andra två sampolymer fibrer undersöks i denna studie förväntas vara slumpmässiga sampolymerer med olika nyckeltal PBIA och PPTA kopplingar³. De relativa förhållandet mellan dessa kopplingar kunde inte fastställas experimentellt med hjälp av solid-state kärnmagnetisk resonans. Dessa fibrer betecknas som PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 att utvidga de beteckningar som används i en tidigare publikation⁴. PBIA-co-PPTA3 studerades inte tidigare, men har en liknande struktur. Dessa fiber-system har också varit i fokus för flera nyligen beviljade patent^5,6,7.

Överlägsen ballistiska motstånd av skyddsvästar bygger på de mekaniska egenskaperna hos de material som utgör det, såsom draghållfasthet och stam till misslyckande^8,9,10. Betydande insatser^11,12,13 har fokuserat på att undersöka den långsiktiga stabiliteten i polymera fibrer som används skyddsvästar genom att undersöka negativa förändringar i dessa mekaniska egenskaper efter exponering för miljöförhållanden. Effekten av miljöförhållandena på aramid sampolymer fibrer har inte varit föremål för en hel del forskning^3,4. En utmaning att studera dessa material är svårigheten att särskilja Garner för testning. Tidigare arbete av McDonough⁴ undersökt en teknik genom vilken vatten användes för att särskilja garn innan du utför enda fiber tensile tester. Det fanns dock ingen fullständig förståelse på huruvida den mekaniska styrkan hos fibrerna förändrades av detta vatten exponering. Ett alternativ till förgrymmat fibrerna är att testa den mekaniska styrkan av garn bunt, men detta kräver en stor mängd material och anses genomsnittliga styrkan av fibrerna i Garnet bunten, som ger mindre specifik information. Målet med detta projekt är att undersöka effekten av förhöjd luftfuktighet och temperatur på de mekaniska egenskaperna av aramid sampolymer fibrer. Därför är det viktigt att hitta ett alternativt lösningsmedel för borttagning av beläggning och fiber lösgörande som gör det möjligt för oss att skilja hydrolys i fibrerna på grund av de miljömässiga exponeringen från som induceras av provberedning. Utarbetandet av enstaka fibrer för testning kompliceras ytterligare av sin ringa storlek. I detta arbete, vi undersöka flera vanliga lösningsmedel (vatten, metanol och aceton) och välj aceton som det bästa valet för utarbetandet av enstaka fibrer för testning. Alla fibrer var sköljas med metanol innan ytterligare testning. Fourier transform infraröd (FTIR) spektroskopi utförs för att kontrollera om beläggningen upplösning och lösgörande steget orsakas någon kemisk nedbrytning i materialet. Protokollet detaljerad video visar provberedningssteg lösgörande, kemisk analys och mekanisk provning av sampolymer aramid fibrer är avsedd att hjälpa andra forskare utveckla metoder för att utföra liknande studier av enda fibrer i sina laboratorier.

Protocol

1. upplösning av beläggning på sampolymer fibrer på stöd i Fiber Separation

1. Bär lämpligt valda kemikaliebeständiga handskar att förhindra kontaminering av fiber, skär 160 mm till 170 mm från varje garn bunt extraheras med keramisk sax eller en färsk stål rakblad. Reservera resten av Garnet om det behövs för vidare analys i märkta behållare.
2. Knut eller klämma ändarna av Garnet att hålla garnet från trassel när nedsänkt i vätskan.
   Obs: För denna studie, lösningsmedel av omfattande polaritet (från polaritet serien) initialt utforskades. Baserat på kvalitativa resultat, genomfördes en mer djupgående undersökning med hjälp av aceton, vatten och metanol. Slutligen valdes aceton som bästa lösningsmedlet för fiber separation utifrån användarvänlighet detangling och scanning electron microscopy (SEM) resultaten (beskrivs senare).
3. Fördjupa fibern i 2 mL 3 mL av spädningsvätskan i en märkt petriskål och täck med locket petriskål.
4. Tillåta garnerna i blöt i aceton för 30 min, sedan kassera lösningsmedlet.
5. Upprepa steg 1.3 och 1.4 minst två ytterligare gånger och låt lösningsmedlet avdunsta.
6. För att ta bort aceton rester och stöd i torkning, fördjupa provet i 2 mL 3 mL metanol.
7. Tillåta garnerna i blöt i metanol minst 30 min.
8. Ta bort garnet från vätskan och låt torka i minst 24 tim.

2. analys av beläggning upplösning steg av svepelektronmikroskopi

1. Separera de enskilda fibrerna med pincett, som tvättas tidigare med hjälp av olika lösningsmedel från garn bunten, för analys i stereo Mikroskop om det behövs.
2. Montera fibrerna på väsentlig rostfritt stål (1 cm diameter) genom att följa dem med pincett på dubbelsidiga carbon band.
3. Coat fibrerna med en elektriskt ledande material såsom Au/Pd att minska ytan laddning effekter under SEM.
4. Läsa in fiber proverna i ett svepelektronmikroskop och bild dem på 2 kV påskynda spänning och 50 pA – 100 pA elektron nuvarande. Tillämpa kostnad neutralisering inställningar till counter laddning effekter vid behov.

3. analys av beläggning upplösning steg av Fourier Transform infraröd spektroskopi

1. Skär ca 30 mm till 40 mm av tvättat garn bunt.
2. Skaffa ett självhäftande IR prov kort och ta bort den skyddande underlag.
3. Samtidigt bär handskar för att skydda provet från föroreningar, lite Vrid fiber bunten för att sammanfalla analysprovet och placera provet över fönstret i kortet.
4. Förbereda FTIR för analys enligt tillverkarens specifikationer. Slå på gas som laxermedel, Fyll detektorn med flytande kväve och installera ATR tillbehöret använder magnetiska justering plattan i provet facket.
5. Programmera parametrarna för antal skanningar och instrumentet upplösning i fliken Avancerad mätning av instrumentet programvaran, i detta fall, 128 skanningar är i genomsnitt med en upplösning på 4 cm^-1.
6. Ren fönstret av ATR tillbehöret med en låg luddning torka och metanol.
7. Samla en bakgrund genom att trycka på knappen samla bakgrund i fönstret grundläggande mätning av programvaran med de parametrar som valts i steg 3.5.
8. Passa in fiber provet över fönstret i ATR tillbehör, med hjälp av Mikroskop och videomonitor till hjälp när du positionerar fibern.
9. Samla ett prov spektrum genom att trycka på knappen samla prov i fönstret grundläggande mätning av programvaran med hjälp av parametrar som valts i steg 3.5.
10. Upprepa steg 3.6-3.9, samla in minst 3 spectra per prov tills alla prover har analyserats.

4. analys av fibrer av Wide Angle X-Ray Scattering

1. Med nitrilhandskar, skär ca 25 mm av garnet från garn spolen med ett rakblad.
2. Centrera varje bunt av Garnet över 6,25 mm inre hålet av en 25 mm rostfri bricka.
3. Tejpa garn bunten till brickan att hålla den på plats med hjälp av cellofan tejp.
4. Upprepa steg 4.1 till 4.3 för de andra två typerna av garn.
5. Tejpa brickor som innehåller garn buntarna till ett block av rostfritt stål prov-hållare (som innehåller metallisk stång för positionering) som visas i figur 1. Fibrerna bör vara i vertikala konfigurationen för analys.
6. Montera ett silver behenate kontrollprov till prov innehavaren block i samma position som brickor.
7. Öppna dörren till instrumentet och montera prov innehavaren blocket till analys scenen med hjälp av magnetiska anpassning systemet.
8. Stänga dörren för provet innehavaren kammaren och aktivera vakuumpump för att evakuera prov analys kammaren. Övervaka vakuum mätaren monterad bredvid instrumentet tills vakuum når cirka 1600 Pa.
9. Öppna programvaran instrument, aktivera balken och utföra en horisontell skanning för att bestämma x-placeringen av varje prov på provhållaren.
10. Efter att identifiera x-läge av varje prov, utföra en vertikal skanning för att optimera den y-position för att erhålla maximal signal intensiteten för varje prov.
11. När x- och y-platser bestäms, påbörja mätningen genom att analysera det silver behenate stickprov för att bestämma avståndet mellan provet och varje detektor.
12. Analysera det första fiber provet med en 10 minuters exponeringstid.
13. Upprepa steg 4.13 två extra gånger för totalt Skanna tid 30 min.
    Obs: Detta protokoll används i stället för en lång 30 min scan fall eftersom det finns problem med prov exponeringen att minimera slöseri instrument tiden.
14. Genomsnitt 3 skanningar för att få det slutliga resultatet med funktionen medel i Fit 2D programvara.
15. Upprepa steg 4.13-4.15 för varje ytterligare prov.

5. garn lösgörande och förberedelse för Tensile tester

1. Skaffa en 30 x 30 cm eller större transparent plast styrelse (polykarbonat ark används i dessa experiment) som kan placeras på en mörk bakgrund, eller en mörk plast styrelse samma dimensioner.
2. Skär bitar av låg tack maskeringstejp (cirka 10 mm 5 mm) och ha dem tillgängliga för följande steg. Utföra detta steg på en glasyta och klippa bandet med ett rakblad.
3. Tejpa båda ändarna av en 20 mm spårvidd rektangulära papper mall till plast styrelsen så att det ligger helt plant.
   Obs: 20 mm har valts som den optimala mätare längden för dessa tester baserade på tidigare arbete och tillgängliga käken separation av instrumentet.
4. Nitril handskar att förhindra kontaminering, klipp ca 70 mm till 80 mm i sköljda garn och placera den på en glasskiva eller annan ren yta (figur 2a-b).
5. Med stereo Mikroskop att hjälpa lösgörande, ta försiktigt bort en enda fiber från garn med hjälp av pincett. Var noga med för att undvika fastna eller fiber under denna process. Kassera alla fibrer som är skadade (figur 2 c).
6. Placera en enda fiber ovanpå mallen papper, se till att fibern är justerad med markörerna på mallen (figur 2d- f).
7. Tejpa båda ändarna av fiber till styrelsen. För att förbättra synligheten av fibern, sätta en mörk bakgrund under transparent plast styrelsen eller använda en svart plast styrelse. Fibern bör lägga något undervisade och raka över mallen (figur 2f).
8. Upprepa steg 5.3 till 5,7 tills cirka 35 till 45 fibrer monteras på separat papper mallar för varje typ av fiber. I detta fall finns det tre typer av fibrer: PBIA-co-PPTA1, PBIA och PBIA-co-PPTA3.
9. När alla fibrer är tejpade till plast styrelsen, lägga till en liten droppe av cyanoakrylatlim i varje ände av fiber i linje i mallen papper. Lämna 1 cm gratis lim i ändarna på papper mallarna för gripande under tensile tester.
   Obs: Cyanoakrylat befanns vara det bästa limmet för detta material, ett misslyckat försök med en 24 h cure epoxy visas i representativa resultat.
10. Låt limmet att bota under minst 24 h innan testning.

6. enda Fiber Tensile tester

1. Bestämma längden gage och den förlängning som ger de mest konsekventa resultat för preparatet av intresse. Dessa parametrar kan dikteras av mängden tillgängliga prov och begränsningarna i experimentella inställningarna.
2. Förbered instrumentet för provning genom att installera draghållfasthet grepp och kalibrera klyftan.
3. Programmet instrumentet att flytta grepp att tillhandahålla en lucka på 30 mm, vilket är gage längd valt baserat på storleken på mallen papper och 10 mm utrymme kvar i varje ände för käken.
4. Lossa greppet ansikten för att skapa en lucka för laddning av papper-mallen som innehåller de enda fibern.
5. Flytta en av de prover som bereddes i steg 5 till instrumentet. Använda handskar på händerna, en liten spatel och pincett, matning mallen genom både grepp, använda märken på mallen för att hjälpa placering. Kontrollera att limmet är utanför området grepp.
6. Försiktigt justera och Stäng top grip ansikte, medan fortfarande stöder fibern så att den inte glider ner.
7. Dra åt de övre och nedre skruvarna med en momentnyckel tills skruvarna är bara snäva.
8. Upprepa steg 6,7 för de nedre skruvarna.
9. Dra åt skruvarna på övre och nedre grepp med en momentnyckel. Var noga med att dra åt skruvarna i ett kors mönster att balansera belastningen på fibern.
   Observera: Lämplig vridmomentet att använda kan variera och måste bestämmas experimentellt. 30 cN·m användes i dessa experiment.
10. Trimma båda sidor av mallen papper med en sax.
11. Programmera instrumentet att utföra dragprovet med en konstant hastighet av förlängning av 0,0125 mm/s, övervaka displayen och avbryta testet när fibern har brutit.
12. I slutet av testet, avlägsna fiber från grepp genom att lossa greppet ansikten. Observera i paus-läge och bevara den trasiga fibern i en märkt behållare för vidare analys.
    Obs: Fibrer som bryter på grepp ansiktet ignoreras från analys som ”käken bryter” som beskrivs i ASTM D3822.
13. Returnera klyftan till 30 mm och upprepa steg 6,4-6.12 tills alla prover testas.
14. Spara de trasiga fiber fragment i mallen för vidare Mikroskopisk analys.

Representative Results

Sampolymer aramid fibrer studerat här är svåra att skilja från garn buntar i de enskilda fibrerna för testning. Fibrerna är intrasslad och belagda med bearbetning kemikalier som gör dem mycket svåra att särskilja utan att skada fibrerna. Figur 3 visar strukturella morfologi av fibrer inom ett garn. Även som en del av ett större paket visar fiber ytor omfattande strävhet och tårar som orsakas sannolikt av stark vidhäftning till angränsande fibrer. I tidigare arbete av McDonough⁴, et al., vatten användes att separera fibrerna före tensile tester, dock den kemiska analysen av fibrer som tillagas med denna metod tagit upp viktiga frågor angående provpreparering och dess effekter på mekaniska egenskaper. I den första delen av detta arbete jämförs effekten av tre olika lösningsmedel (valt genom eliminering från hela polaritet spänna av lösningsmedel), inklusive vatten, använda SEM för att undersöka effekten av olika tvätt protokoll på fysiskt utseende av separerade fibrerna. Vatten och aceton nedsänkt fibrer var sköljd i metanol efter tvättning för att avlägsna eventuella återstoder av lösningsmedel och stöd i torkning vatten nedsänkta fibrerna snabbare. Figur 2 visar en översikt över förfarandet fiber bunt lösgörande. Den tvättade fibrer jämförs också som fick fibrer som avskildes från garn bunten utan någon ytterligare provberedning. Resulterande micrographs presenteras i figur 4, figur 5, figur 6.

I figur 4a, Observera att fysiskt skador på PBIA-co-PPTA1 fibern i form av förmaksflimmer när den ”torra” fibern avskildes utan användning av lösningsmedel. Observera också förekomsten av fjällning och längsgående räfflor på fibern ytor på grund av nedsänkning i vatten (figur 4b), vilket kan vara vägledande skademekanismer såsom hydrolys, eller orsakas av ofullständig borttagning av kemisk beläggning från den fiber. Dessa funktioner är måttligt observerats i metanol (figur 4 c)) och aceton (figur 4 d) nedsänkt fibrer, men aceton nedsänkt fiber tycks ha den minst lösningsmedel-inducerad skadan och huvudsakligen uppvisar en ren och slät yta . Som det primära målet med studien var att utveckla en metod för att separera enskilda fibrer för mekanisk provning samtidigt minimal fiber skador (fysiska eller kemiska) under separationsprocessen, kan spår av kvarvarande kemisk beläggning observeras i SEM bilder av den tvättade fibrer (figur 5a). Målet var inte att helt upplösa beläggningen, precis tillräckligt för att kunna skilja garnerna med minimal skada.

I figur 5aobserveras PBIA-co-PPTA3 fibern i form av längsgående räfflor och förmaksflimmer fysiska skador särskilt på fiber kanterna av ”torra” fiber avskiljas utan någon nedsänkning. Fibern nedsänkt i vatten (Figur 5b) visar också några skador på kanterna där det verkar ha hållit en intilliggande fiber före separationen. Metanol (bild 5 c) och aceton (figur 5 d) nedsänkt fibrer både visar mycket mindre förmaksflimmer, men som påpekat tidigare, fibrerna nedsänkt i aceton kvalitativt verkar ha mindre yta artefakter än andra fibrer.

I figur 5, fysiska skador på den torra PBIA observeras vara mindre allvarliga än de andra två fibrerna, men det finns vissa belägg av längsgående spår längs fibern i den nedre delen av bilden (figur 6a). Fibern nedsänkt i vatten (figur 6b) visar mindre skador i kanterna som orsakas av stark anknytning till en intilliggande fiber. Den metanol och aceton nedsänkt fibrer (figur 6 c-d) Visa liknande fysiska egenskaper som vatten nedsänkta fibern.

För att ytterligare undersöka effekten av aceton sköljningen på fibrerna, utfördes FTIR spektroskopi. Resultatet av denna analys presenteras i figur 7. Vissa intensitet förändringar observeras efter tvätt, men inga större förändringar i spectra vägledande av kemisk nedbrytning (t.ex., förändringar i regionen OH/NH runt 3300 cm^-1 eller bildandet av en karbonyl topp runt 1700 cm^-1) är observerats. Därför valdes aceton sköljning förfarande som den bästa fiber förberedelse metoden för resten av studien.

Nästa steg i denna studie var att fastställa den bästa metoden för tensile tester enda fibrer med befintlig utrustning setup. Ett försök gjordes att direkt testa fibrer genom montering fibrer i kast och utföra testet. Eftersom denna metod kräver minimal provberedning och proverna uppvisade ingen slirning från grepp, ansågs detta vara det snabba sättet att utföra testet. Men bröt de flesta av de fibrer som testats på detta sätt rätt på grepp ansikte, ett fenomen som kallas en ”käken paus”. Som beskrivs i ASTM D3822¹⁴, indikerar detta resultat att testet är ogiltig. Därför, baserat på rekommendationer från den ASTM D3822 standard, enda fibrerna sedan monterades på ett cardstock mall före testning.

Fibrerna var följs cardstock mallarna antingen epoxi eller cyanoakrylat och tillåtas härda under minst 24 h innan testning. Två typer av epoxi lim testades, en kräver en 24 h botemedel och andra som kräver ett 1 h botemedel. Nästan alla prover följs papper mallarna med epoxi lim (både långsam och snabb bota) uppvisade en okarakteristiskt glider beteende och ojämna spännings-töjningskurvor, vilket framgår av den representativa exemplet i figur 8a. Dock skildrar figur 8b en representativ stress-stam-kurva som erhålls med cyanoakrylatlim, som huvudsakligen saknar prov slirning. Ett liknande beteende observerades i alla de fiber-system som används i den aktuella studien, vilket gör cyanoakrylat lämpligaste testet lim att limma fibrerna på mallarna. Efter framgången med cyanoakrylatlim, alla prover testades enligt de rekommendationer som ges i en tidigare studie på enda fiber provning av polyeten¹⁴. Sammantaget fibrerna följs med cyanoakrylat generellt hade jämna och kontinuerliga spännings-töjningskurvor och inte uppvisar betydande avvikelser. Medan några fibrer misslyckades nära toppen av området mätare av fiber, hjälpte användning av mallen oss att utesluta dessa fibrer effektivt.

Efter landa på cardstock mallen och cyanoakrylat kunde lim metod, draghållfasthet och stam till misslyckande av alla tre fibrer mätas. Resultaten av dessa tester presenteras i tabell 1. För varje typ av fiber, 35 prover testades och fjärde kolumnen i tabellen rapporterar framgångsrik antalet tester i varje datauppsättning (mellan 15 och 26 tester). En nominell diameter på 14 µm användes för att beräkna den tänjbara styrkan för alla fibrer, baserat på tidigare arbete och mätningar från micrographs av mer än 30 fibrer. SEM avbildning av den misslyckade fibrer (figur 9) visar att alla fibrer genomgå sprödbrott resulterar i förmaksflimmer. De fibrer som används i den aktuella studien är mestadels icke-kristallin (som framgår av mätningar av vidvinkel X-ray scattering (WAXS) i figur 10), observeras minimal plastisk deformation i SEM-bilder av dessa fiber tvärsnitt, utan tecken på hångel.

Montering konfigurationen för den WAXS analysen visas i figur 1, och resultaten av denna analys presenteras i figur 10. WAXS analysen indikerade att ekvatoriella diffraktion spridningen av PBIA, PBIA-co-PPTA1 och PBIA-co-PPTA3 fibrer var mycket liknande, bestående av en bred asymmetrisk peak på en 2θ ca 22 °. Detta är tecken på en icke-kristallin struktur med en avsaknad av orientering i planet som är vinkelrätt mot den polymer kedja axeln. Diffraktionsmönster och diffractograms av meridional spridningen visade emellertid förekomsten av två större Bragg toppar vid 2θ vinklar på ca 26° och 28° (figur 10). Den starkaste toppen av två är en 2θ 28 ° med en d-avstånd ca 0,31 nm, och är också närvarande på meridional diffraktion genomsökningar av typiska PPTA fibrer¹⁵. Det faktum att dessa Bragg toppar på PBIA, PBIA-co-PPTA1 och PBIA-co-PPTA3 fibrerna är mycket svag är vägledande av mycket låga mängden PPTA kopplingarna i strukturen sampolymer av dessa fibrer. Dessutom visade de PBIA-co-PPTA1 och PBIA-co-PPTA3 fibrer diffractograms av meridional spridningen förekomst av två svaga toppar vid 2θ vinklar av ca 18° och 21°. Slutligen, dessa fibrer visar en mycket låg grad av kristallinitet längs kedjan axeln.

Figur 1: en belysande process att Visa metoden för montering fibrer på brickor för analys av WAXS. Silver behenate referensprovet avbildas inte i detta fotografi. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2: en belysande process att särskilja en enda fiber från garn bunten för tensile tester. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3: representativa skanning elektronmikrografier fibrer inom en fiber garn. (a) PBIA-co-PPTA1 (b) PBIA-co-PPTA3 och (c) PBIA. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4: representant skanning elektronmikrografier av separerat enda fibrer av PBIA-co-PPTA1 efter behandling. (a) separerade torr fiber (ingen nedsänkning), (b) fiber efter nedsänkning i vatten, (c) fiber efter nedsänkning i metanol och (d) fiber efter nedsänkning i aceton. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 5: representant skanning elektronmikrografier av separerat enda fibrer av PBIA-co-PPTA3 efter behandling. (a) separerade torr fiber (ingen nedsänkning), (b) fiber efter nedsänkning i vatten, (c) fiber efter nedsänkning i metanol och (d) fiber efter nedsänkning i aceton. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 6: representant skanning elektronmikrografier av separerat enda fibrer av PBIA efter behandling. (a) separerade torr fiber (ingen nedsänkning), (b) fiber efter nedsänkning i vatten, (c) fiber efter nedsänkning i metanol och (d) fiber efter nedsänkning i aceton. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 7: representant ATR-FTIR spektra som fick torka (svart) och aceton tvättas (röda) fibrer. Annat än svag intensitet ändras, observerades inga större skillnader som anger kemiska förändringar i fibrerna före och efter tvätt. Alla spectra presenteras är genomsnittet av minst 3 mätningar och samlades in med en upplösning på 4 cm^-1. Standardosäkerheten i absorbansen för denna teknik är cirka 5%. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 8: representativa spännings-töjningskurvor PBIA-co-PPTA1 fiber beredd med epoxi lim (vänster) och cyanoakrylatlim (höger). Observera ojämn karaktär av epoxi kurvan och den högre stammen till misslyckande, som kan vara företrädare för slirning i limmet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 9: Scanning elektronmikrografier av misslyckades enda fiber tvärsnitt efter aceton behandling: a PBIA-co-PPTA1, (b) PBIA-co-PPTA3 och (c) PBIA. Alla fiber exemplar uppvisar förmaksflimmer och sprödbrott. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 10: vidvinkel X-ray diffraction mönster av PBIA-co-PPTA3 (a), PBIA-co-PPTA1 (c) och PBIA (e) fibrer. Meridional vidvinkel röntgen diffractograms PBIA-co-PPTA3 (b), PBIA-co-PPTA1 (d) och PBIA (f) fibrer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Fiber typ	Draghållfasthet (SD) GPa	Stam till misslyckande (SD) %	Modulus (GPa)	Antal prover
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

Tabell 1: menar enda fiber draghållfasthet aceton tvättas PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 och PBIA. Standardavvikelsen redovisas inom parentes bredvid värdet.

Discussion

Metoden beskrivs häri ger ett alternativa lösningsmedel-baserade protokoll för att avlägsna beläggningar från aramid sampolymer fibrer utan att använda vatten. Två tidigare studier^3,4 visade bevis för hydrolys i fibrerna i denna kemiska sammansättning, med exponering för vattenånga eller flytande vatten. Att undvika hydrolys under provberedningen är kritisk för nästa fas av experiment där dessa uppsättningar av fibrer kommer att undersökas för deras känslighet för åldrande på grund av hydrolys från exponering för varma och fuktiga miljöer.

Separera och montering fibrerna är det mest kritiska steget i detta experimentellt protokoll. Extrem försiktighet måste vidtas för att isolera bara en enda fiber (eftersom fibrerna kan hålla ihop), utan att skada dem med Hårdhänt hantering under montering stegen. Valet av korrekt limmet är också kritisk, vilket framgår av de dåliga resultaten med epoxi lim jämfört med cyanoakrylat. Tidigare arbete har också visat att urval av ordentlig limmet för en viss fiber kan vara en betydande experimentell utmaning¹⁶. Detta var särskilt nödvändigt i urvalet och PBIA-co-PPTA3, där protokollet används häri resulterade i några tester som måste undantas från analys. Detta resultat ger dock en riktlinje för framtida experiment i form av förbereda ytterligare prover för åldrande studier.

McDonough och medarbetare⁴ rapporterade både våta och torra tänjbar styrka och stam till misslyckanden för två av tre fibrerna undersöks i denna studie. De använde en olika experimentella apparatur och kunde framgångsrikt direkt greppa fibrerna i apparaten istället för att använda en mall. När de våta testresultat från Mcdonoughs arbete jämförs dessa resultat, PBIA visade en statistiskt signifikant skillnad i styrkeegenskaper. Genomsnittliga draghållfastheten för PBIA provet var ungefär 0,5 GPa högre än som rapporterats av McDonough⁴. FTIR resultat på de våta PBIA prover som används i denna tidigare studie³ visade tecken på hydrolys, som kan orsaka en minskning i styrka. Ytterligare, oförmåga att genomföra storskaliga diameter mätningar med hög noggrannhet begränsar oss till att använda genomsnittliga mätningar över en fiber tvärsnitt, som kan förvränga våra resultat. Det yttersta målet för vår forskning är att undersöka förändringar i draghållfasthet i förhållande till olagrade provet på grund av åldrande, kan våra resultat förbättras genom att direkt mäta diametern på varje fiber i stället för att förlita sig på ett nominellt belopp att erhålla en mer korrekt draghållfasthet. Förbättringar i denna aspekt av vår metod kommer att införlivas för framtida arbete.

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