Summary
Das primäre Ziel der Studie ist es, ein Protokoll, um konsistente Proben vorbereiten für präzise mechanische Prüfung von hochfesten Copolymer-Aramid-Fasern, durch das Entfernen einer Beschichtung und entwirrt die einzelnen Faserstränge ohne signifikante entwickeln chemischen oder physikalischen Abbau.
Abstract
Traditionell, weichen Körper Rüstung aus Poly erzielt worden (p-Phenylene sind) (PPTA) und Ultra-hochmolekularen Polyethylen. Aber die Faser-Entscheidungen in den Vereinigten Staaten Körper Rüstung zu diversifizieren, Copolymer Fasern basiert auf der Kombination von 5-amino - 2-(p- Aminophenyl) Benzimidazol (PBIA) und der eher konventionellen PPTA eingeführt wurden. Wenig ist bekannt über die langfristige Stabilität dieser Fasern, aber als Kondensation Polymere, sie sollen potenzielle Empfindlichkeit gegenüber Nässe und Feuchtigkeit haben. Daher ist wichtig für die Bewertung ihrer Lebenszeit Einsatz in Sicherheitsanwendungen ihrer Anfälligkeit gegenüber Umweltbedingungen charakterisieren die Stärke der Materialien und Verständnis. Ballistischen Widerstandsfähigkeit und anderen kritischen strukturellen Eigenschaften dieser Fasern sind auf ihre Stärke ausgesagt. Um die Stärke der einzelnen Fasern genau zu bestimmen, ist es notwendig, ihnen aus dem Garn zu entwirren, ohne Schäden. Drei Aramid-basierten Copolymeren Fasern wurden für die Studie ausgewählt. Die Fasern wurden gewaschen, mit Aceton, gefolgt von Methanol, eine organische Beschichtung zu entfernen, die die einzelnen Fasern in jedem Bündel Garn zusammengehalten. Diese Beschichtung macht es schwierig, einzelne Fasern aus dem Garn-Bundle für mechanische Prüfungen ohne Beschädigung der Fasern und die Auswirkungen auf ihre Stärke zu trennen. Nach dem Waschen, Fourier-Transformation (FTIR) Infrarotspektroskopie wurde an gewaschenen und ungewaschenen Proben durchgeführt und die Ergebnisse wurden verglichen. Dieses Experiment hat gezeigt, dass es keine erheblichen Abweichungen in den Spektren von Poly (p-Phenylene-Benzimidazol-sind-co -p-Phenylene sind) (PBIA-co-PPTA1) und PBIA-co-PPTA3 nach dem Waschen und nur eine kleine Variation in Intensität für PBIA. Dies bedeutet, dass die Aceton und Methanol Spülungen sind nicht negativ die Fasern beeinflussen und chemischen Abbau verursacht. Darüber hinaus wurde die Einzelfaser Zugprüfung am die gewaschenen Fasern zur Charakterisierung ihrer ursprünglichen Zugfestigkeit und Dehnung zum Scheitern, und vergleichen diese mit anderen gemeldeten Werten durchgeführt. Iterative Verfahren Entwicklung war notwendig, um eine erfolgreiche Methode zur Durchführung Zugversuch auf diese Fasern zu finden.
Introduction
Fokus auf dem Gebiet des Personenschutzes ist derzeit auf Reduzierung der Masse der Körper Rüstung für den Personenschutz für Gesetzdurchführung und militärische Anwendungen1benötigt. Traditionelle Rüstung Entwürfe haben stützte sich auf Materialien wie Poly (p-Phenylene sind) (PPTA), auch bekannt als Aramid und Polyethylen zum Schutz gegen ballistische Bedrohungen2. Allerdings gibt es ein Interesse an der Erforschung verschiedener hochfester Fasermaterialien für ihr Potenzial, reduzieren Sie das Gewicht der Rüstung erforderlich, um eine bestimmte ballistische Bedrohung zu stoppen. Dies führte zu der Erforschung von alternativen Materialien wie Aramidfasern Copolymer. Diese Fasern werden durch die Reaktion von hergestellt [5-amino - 2-(p- Aminophenyl) Benzimidazol] (Amidobenzimidazole, ABI) und p- Phenylendiamin (p-PDA) mit Terephthaloyl Chlorverbindung Form Poly (p- Phenylene-Benzimidazol-sind-co -p-Phenylene sind). In dieser Studie untersuchen wir drei verschiedene Fasern, die kommerziell hergestellten Materialien aus einem Industrie-Kontakt sind. Einer ist ein Homopolymer-Faser, die durch reagierenden ABI mit p-Phenylendiamin Form Poly 5 erfolgt-amino - 2-(p- Aminophenyl) Benzimidazol oder PBIA. Die anderen zwei Copolymer Fasern untersucht in dieser Studie sollen zufällige Copolymere mit unterschiedlichen Seitenverhältnissen PBIA und PPTA Gestänge3sein. Das relative Verhältnis der diese Verbindungen konnte nicht ermittelt werden, experimentell mit Festkörper-Kernspinresonanz. Diese Fasern werden benannt PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3, die in einer früheren Publikation4verwendeten Bezeichnungen zu verlängern. PBIA-co-PPTA3 wurde bisher nicht untersucht, aber hat eine ähnliche Struktur. Diese Faser-Systeme wurden auch im Mittelpunkt von mehreren kürzlich erteilten Patente5,6,7.
Überlegener ballistischer Widerstand Body Armor gründet sich auf die mechanischen Eigenschaften der Materialien, die es, wie Zugfestigkeit und Dehnung auf Fehler8,9,10enthalten. Erhebliche Anstrengungen11,12,13 konzentrierten sich auf die Untersuchung der langfristigen Stabilität der Polymeren Fasern im Körper Rüstung durch die Untersuchung von nachteiligen Veränderungen in diesen mechanischen Eigenschaften nach der Exposition gegenüber Umweltbedingungen. Die Wirkung von Umweltbedingungen auf Copolymer Aramidfasern wurde nicht das Thema vieler Forschung3,4. Eine Herausforderung für das Studium dieser Materials ist die Schwierigkeit entwirrt Garne zum Testen. Vor der Arbeit von McDonough4 untersucht eine Technik, durch die Wasser verwendet wurde, um Garne vor der Durchführung Einzelfaser Zugversuch zu entwirren. Allerdings gab es kein vollständiges Verständnis auf, ob die mechanische Festigkeit der Fasern durch diesen Kontakt mit Wasser verändert wurde. Eine Alternative zu die Fasern entwirrt, die mechanische Festigkeit des Garns Bundles zu testen ist dies erfordert eine große Menge an Material, und gilt als die Stärke der Fasern im Garn-Bundle mit weniger spezifischen Informationen im Durchschnitt. Das Ziel dieses Projektes ist, die Wirkung der erhöhten Luftfeuchtigkeit und Temperatur auf die mechanischen Eigenschaften der Aramidfasern Copolymer zu untersuchen. So ist es wichtig, eine alternative Lösungsmittel für Beschichtung entfernen und Faser Entflechtung, die uns ermöglichen wird, Hydrolyse in den Fasern aufgrund der Umweltexposition von, induziert durch eine Probenvorbereitung unterscheiden zu finden. Die Vorbereitung der Einzelfasern zu Testzwecken ist durch ihre geringe Größe zusätzlich erschwert. In dieser Arbeit wir untersuchen mehrere gebräuchlichen Lösungsmittel (Wasser, Methanol und Aceton) und wählen Sie Aceton als die beste Wahl für die Zubereitung von Einzelfasern zu Testzwecken. Alle Fasern wurden mit Methanol gespült, bevor Sie weiter testen. Fourier-Transformation (FTIR) Infrarotspektroskopie wird durchgeführt, um festzustellen, ob die Beschichtung Auflösung und Entflechtung Schritt chemischen Abbau im Material verursacht. Das ausführliche video-Protokoll zeigt die Probe Vorbereitungsschritte Entflechtung, chemische Analyse und mechanische Prüfung von Copolymer-Aramid-Fasern sollen andere Forscher bei der Entwicklung von Methoden für die Durchführung von ähnlicher Studies der Einzelfasern in ihren Laboratorien.
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Protocol
1. Auflösung der Beschichtung auf Copolymer-Fasern zu Hilfe in Faser-Trennung
- Tragen ausgewählt entsprechend chemisch beständige Handschuhe, Kontamination der Faser, 160 mm bis 170 mm von jedem Garn Bündel extrahiert mit Keramik Schere oder einer frischen Rasierklinge Stahl Schneiden zu verhindern. Behalten Sie den Rest des Fadens, ggf. zur weiteren Analyse in einem beschrifteten Container.
- Knoten Sie oder Klemmen Sie die Enden des Garns, das Garn von Kabelgewirr beim Eintauchen in das Lösungsmittel zu halten.
Hinweis: Für diese Studie wurden Lösungsmitteln weit reichende Polarität (aus der Polarität Serie) zunächst erkundet. Auf der Grundlage qualitativer Ergebnisse wurde eine tiefer gehende Untersuchung mit Aceton, Wasser und Methanol durchgeführt. Zu guter Letzt wurde Aceton als das beste Lösungsmittel für Faser Trennung anhand der einfachen entwirren und die Rasterelektronenmikroskopie (SEM)-Scanergebnisse (später beschrieben) ausgewählt. - Tauchen Sie die Faser in 2 mL bis 3 mL des Lösungsmittels in eine beschriftete Petrischale und mit der Petrischale Deckel bedecken.
- Lassen Sie die Garne in Aceton für 30 min einweichen, dann verwerfen Sie das Lösungsmittel zu.
- Wiederholen Sie die Schritte 1,3 bis 1,4 mindestens zwei weitere Male und lassen Sie das Lösungsmittel verdunstet.
- Um alle Aceton-Rückstände zu entfernen und beim Trocknen zu helfen, Tauchen Sie die Probe in 2 mL, 3 mL Methanol.
- Lassen Sie die Garne in Methanol mindestens 30 min einweichen.
- Entfernen Sie das Garn vom Lösungsmittel und mindestens 24 Stunden trocknen lassen.
2. Analyse der Beschichtung Auflösung Schritt durch Rasterelektronenmikroskopie
- Trennen Sie die einzelnen Fasern mit einer Pinzette, die zuvor mit verschiedenen Lösungsmitteln aus dem Bündel Garn für Analyse unter einem Stereomikroskop bei Bedarf gewaschen werden.
- Montieren Sie die Fasern auf ein Edelstahl-Stub (1 cm Durchmesser) durch die Einhaltung Sie mit einer Pinzette auf doppelseitiges Carbon Band.
- Beschichtung der Fasern mit einem leitfähigen Material wie Au/Pd Milderung die Oberfläche laden Effekte unter SEM
- Laden Sie die Faser-Proben in einem Rasterelektronenmikroskop und Bild ihnen 2 kV Spannung und 50 pA-100 pA Elektronenstrom zu beschleunigen. Zähler aufladungseffekten zuweisen Sie Neutralisation Ladeeinstellungen wo nötig.
3. Analyse der Beschichtung Auflösung Schritt von Fourier transformieren Infrarot-Spektroskopie
- Schneiden Sie ca. 30 mm bis 40 mm des Bündels gewaschene Garn.
- Erhalten Sie eine selbstklebende IR Musterkarte und entfernen Sie die Schutzfolie.
- Verdrehen Sie mit Handschuhen, die Probe vor Verschmutzung zu schützen leicht die Faserbündel zu verschmelzen die Probe für die Analyse und legen Sie die Probe über das Fenster in die Karte.
- Analyse nach den Angaben des Herstellers der FTIR vorbereiten. Schalten Sie das Spülgas, füllen Sie den Detektor mit flüssigem Stickstoff und installieren Sie das ATR-Accessoire mit der magnetischen Ausrichtung Platte in den Probenraum.
- Programmieren Sie die Parameter für die Anzahl der Scans und Instrument Auflösung in der Registerkarte "Erweiterte Messung" die Gerätesoftware, in diesem Fall, 128 Scans werden mit einer Auflösung von 4 cm-1gemittelt.
- Reinigen Sie das Fenster der ATR-Zubehör mit einem niedrigen Fusseln wischen und Methanol.
- Sammeln Sie einen Hintergrund mit der Taste sammeln Hintergrund im Fenster einfache Messung der Software mit den Parametern im Schritt 3.5 ausgewählt.
- Richten Sie die Faser-Probe über das Fenster in der ATR-Accessoire, mit dem Mikroskop und Videomonitor um zu helfen, die Faser zu positionieren.
- Sammeln Sie Probenspektrum durch Drücken der Taste sammeln Probe in der grundlegenden Messfenster der Software mit den Parametern im Schritt 3.5 ausgewählt.
- Wiederholen Sie die Schritte 3,6-3,9, sammelt mindestens 3 Spektren pro Probe, bis alle Proben analysiert wurden.
4. Analyse der Fasern durch Röntgenstreuung Weitwinkel
- Während des Tragens Nitril-Handschuhe, geschnitten Sie ca. 25 mm das Garn von der Garn-Spule mit einer Rasierklinge.
- Zentrieren Sie jedes Bündel des Garns über das 6,25 mm innere Loch von 25 mm Edelstahl Unterlegscheibe.
- Kleben Sie das Garn Bundle an die Scheibe um es mit Tesafilm fixieren.
- Wiederholen Sie die Schritte 4.1 bis 4.3 für die anderen zwei Typen von Garn.
- Kleben Sie die Unterlegscheiben, die Garn-Bündel zu einem Edelstahl-Halter probenblock (enthält metallische Stäbe für die Positionierung) enthält, wie in Abbildung 1dargestellt. Die Fasern sollten in die vertikale Konfiguration für die Analyse sein.
- Montieren Sie eine silberne Behenate Kontrollprobe, Inhaber probenblock in der gleichen Position wie die Unterlegscheiben.
- Öffnen Sie die Tür zum Instrument und montieren Sie Halter probenblock in die Analysephase mit dem magnetischen Ausrichtungssystem.
- Schließen Sie die Tür in die Probenkammer Halter und aktivieren Sie die Vakuumpumpe, um die Probenkammer Analyse zu evakuieren. Monitor der Vakuum-Manometer neben dem Instrument, montiert bis das Vakuum etwa 1600 erreicht PA.
- Öffnen Sie die Gerätesoftware, aktivieren Sie den Strahl zu, und führen Sie einen horizontalen Scan um die X-Position jeder Probe auf dem Probenhalter zu bestimmen.
- Führen Sie nach X-Lokalisierung einer einzelnen Probe einen vertikalen Scan um die y-Position, um die maximale Signalstärke für jede Probe zu erhalten zu optimieren.
- Nachdem die x- und y-Positionen ermittelt wurden, mit beginnen Sie der Messung, durch die Analyse der Kontrollprobe Silber Behenate um den Abstand zwischen der Probe und jeder Melder zu bestimmen.
- Die erste Faser-Probe mit einem 10 min Belichtungszeit zu analysieren.
- Wiederholen Sie Schritt 4.13 zwei weitere Male für insgesamt scan-Zeit von 30 Minuten.
Hinweis: Dieses Protokoll wird anstelle einer langen 30 min Scan verwendet, da es Probleme mit der Probe-Belichtung Zeit verschwendet Instrument zu minimieren. - Durchschnittlich 3 Scans um das endgültige Ergebnis mit der Funktion Mittelwert in Fit 2D Software zu erhalten.
- Wiederholen Sie die Schritte 4.13-4.15 für jede zusätzliche Probe.
(5) Garn Sie Entflechtung und Vorbereitung für den Zugversuch
- Erhalten Sie eine 30 x 30 cm oder größer transparente Kunststoffplatte (Polycarbonat-Platten sind in diesen Experimenten verwendet), kann auf einem dunklen Hintergrund oder einem dunklen Kunststoffplatte mit denselben Abmessungen platziert werden.
- Schneiden Sie Stücke von niedrigen Tack Klebeband (ca. 10 mm 5 mm) und haben sie für die folgenden Schritte zur Verfügung. Führen Sie diesen Schritt auf einer Glasoberfläche und schneiden Sie das Band mit einer Rasierklinge.
- Kleben Sie beide Enden des 20 mm Spurweite rechteckiges Papiervorlage, um die Kunststoffplatte so dass es ganz flach liegt.
Hinweis: 20 mm wird als optimale Messgerät Länge für diese Tests basierend auf früheren Arbeiten und die verfügbaren Kiefer Trennung des Instruments ausgewählt. - Nitril-Handschuhe Verunreinigung, geschnitten ca. 70 mm bis 80 mm gespült Garn und legen Sie es auf einem Objektträger oder andere saubere Oberfläche (Abb. 2a-b).
- Verwenden ein Stereo-Mikroskop zu unterstützen Entflechtung, entfernen vorsichtig eine Faser aus dem Garn mit einer Pinzette. Achten Sie darauf, Hängenbleiben oder Beschädigung der Faser während dieses Prozesses zu vermeiden. Entsorgen Sie alle Fasern, die beschädigt (Abbildung 2 c).
- Legen Sie eine einzelne Faser auf den Papier-Vorlage, um sicherzustellen, dass die Faser mit den Markierungen auf der Schablone (Abb. 2d- f) ausgerichtet ist.
- Kleben Sie beide Enden der Faser in den Vorstand. Um die Sichtbarkeit der Faser zu verbessern, setzen Sie einen dunklen Hintergrund unter dem transparenten Kunststoff-Brett oder verwenden Sie eine schwarze Kunststoffplatte. Die Faser sollte gerade und etwas gelehrt über die Vorlage (Abbildung 2f) legen.
- Wiederholen Sie die Schritte 5,3 bis 5,7 bis ca. 35 bis 45 Fasern auf separaten Papier Vorlagen für jede Art von Faser montiert sind. In diesem Fall gibt es drei Arten von Fasern: PBIA-co-PPTA1, PBIA und PBIA-co-PPTA3.
- Sobald alle Fasern der Kunststoffplatte mit Klebeband befestigt sind, fügen Sie eine kleine Tropfen Cyanacrylat-Klebstoff an jedem Ende der Faser ausgerichtet, die Papierschablone. Lassen Sie 1 cm frei von Kleber an den Enden der Papier-Vorlagen für das greifen beim Zugversuch.
Hinweis: Cyanacrylat erwies sich der beste Klebstoff für dieses Material, ein erfolgloser Versuch mit einer 24 h-Heilung-Epoxy wird in den Vertreter-Ergebnissen angezeigt. - Lassen Sie den Kleber für mindestens 24 Stunden vor der Prüfung zu heilen.
6. einzelne Faser Zugversuch
- Bestimmen Sie die Länge von Gage und die Rate der Erweiterung, die für die Probe von Interesse die konstantesten Ergebnisse liefert. Dieser Parameter können durch die Menge der verfügbaren Probe und die Grenzen des experimentellen Aufbaus diktiert werden.
- Bereiten Sie das Instrument für die Prüfung durch die Zugfestigkeit Griffe Installation und Kalibrierung der Lücke.
- Programm das Instrument zu bewegen die Griffe, einen Abstand von 30 mm bieten die Gage Länge ausgewählt anhand der Größe der Papiervorlage und die Abstände 10 mm an beiden Enden für den Kiefer.
- Lösen Sie die Griff-Gesichter um eine Lücke für die Papiervorlage, die einzelne Faser enthält, laden zu erstellen.
- Verschieben eines der Beispiele, die in Schritt 5, um das Instrument vorbereitet. Füttern Sie mit behandschuhten Händen kleine Spachtel und einer Pinzette, die Vorlage durch beide Griffe mit den Markierungen auf der Vorlage, um die Platzierung zu unterstützen. Stellen Sie sicher, dass der Leim außerhalb der Griffbereich.
- Vorsichtig richten Sie aus und schließen Sie das Top-Grip-Gesicht, während die Faser noch zu unterstützen, damit es nicht nach unten rutschen.
- Schrauben Sie die oben und unten mit einem Drehmomentschlüssel bis die Schrauben nur eng sind.
- Wiederholen Sie Schritt 6,7 für die unteren Schrauben.
- Ziehen Sie die Schrauben auf der oberen und unteren Griffe mit einem Drehmomentschlüssel. Achten Sie darauf, die Schrauben in einem Kreuzmuster auf einen Lastenausgleich auf der Faser.
Hinweis: Das entsprechende Drehmoment verwenden kann variieren und muss experimentell ermittelt werden. 30 cN·m wurde in diesen Experimenten verwendet. - Trimmen Sie beidseitig die Papierschablone mit Schere.
- Programmieren Sie das Instrument den Zugversuch mit einer Konstanten Rate der Ausdehnung von 0,0125 mm/s, überwachen die Anzeige und den Test zu beenden, wenn die Faser gebrochen hat.
- Am Ende des Tests entfernen Sie die Faser aus der Griffe durch Lösen der Griff-Flächen. Beobachten Sie, die den Seitenumbruch und bewahren Sie die gebrochene Faser in einem beschrifteten Behälter zur weiteren Analyse.
Hinweis: Fasern, die an der Griff-Fläche brechen werden aus der Analyse als "Kiefer-Pausen" verworfen wie in ASTM D3822 beschrieben. - Die Lücke bis 30 mm zurück und wiederholen Sie Schritte 6.4-6.12 bis alle Proben getestet werden.
- Speichern Sie die gebrochene Faser-Fragmente in der Vorlage für weitere mikroskopische Analysen.
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Representative Results
Die Copolymer-Aramid-Fasern, studierte hier sind schwer zu trennen Garn Bündel in Einzelfasern zu Testzwecken. Die Fasern sind verstrickt und beschichtet mit der Verarbeitung von Chemikalien, die sie sehr erschweren, ohne Beschädigung der Fasern zu trennen. Abbildung 3 zeigt die strukturellen Morphologie der Fasern in ein Garn. Auch als Teil eines größeren Pakets zeigen die Faseroberflächen umfangreiche Rauheit und Tränen, die wahrscheinlich durch starke Adhäsion zu benachbarten Fasern entstehen. In früheren Arbeiten von McDonough4, Et Al., Wasser wurde verwendet, um die Fasern vor dem Zugversuch zu trennen, aber die chemische Zusammensetzung der Fasern vorbereitet, mit dieser Methode erhöht wichtige Fragen bezüglich der Probenvorbereitung und seine Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften. Im ersten Teil dieser Arbeit die Wirksamkeit von drei verschiedenen Lösungsmitteln (gewählt durch die Beseitigung aus dem gesamten Polarität von Lösungsmitteln), einschließlich Wasser, sind verglichen mit SEM, untersuchen die Wirkung von verschiedenen waschen Protokolle auf der physischen Aussehen der getrennten Fasern. Das Wasser und Aceton getaucht Fasern wurden in Methanol gespült, nach dem Waschen entfernen Sie Lösungsmittel und Hilfe in das Wasser eingetaucht Fasern schneller trocknen. Abbildung 2 zeigt einen Überblick über die Faser Bundle Entflechtung Verfahren. Die gewaschenen Fasern sind auch als erhaltenen Fasern verglichen, die aus dem Garn Bündel getrennt waren, ohne jede Vorbereitung weiter probieren. Daraus resultierende mikrographen sind in Abbildung 4, Bild 5, Bild 6dargestellt.
In Abbildung 4a, Hinweis, die physischen Schaden an die PBIA-co-PPTA1-Faser in Form von Vorhofflimmern als die "trockene" Faser ohne den Einsatz von Lösungsmitteln getrennt wurde. Beachten Sie auch die Anwesenheit von Abplatzungen und longitudinale Rillen auf der Faser Oberflächen durch Eintauchen in Wasser (Abbildung 4 b), die möglicherweise bezeichnend für Abbau-Mechanismen wie Hydrolyse oder infolge unvollständiger Entfernung der chemischen Beschichtung aus der Faser. Diese Funktionen sind mäßig in Methanol (Abb. 4 c) beobachtet) und Aceton (Abbildung 4D) eingetaucht Fasern, aber die Aceton getaucht Faser scheint die wenigsten Lösungsmittel-induzierten Schäden haben und überwiegend weist eine saubere und glatte Oberfläche . Wie das primäre Ziel der Studie eine Methodik war um einzelne Fasern für mechanische Prüfungen gleichzeitig minimale Faser Schaden (physikalische oder chemische) während des Trennung Prozesses zu trennen, können Spuren der restliche chemische Beschichtung in SEM beobachtet werden Bilder der gewaschenen Fasern (Abb. 5a). Ziel war es nicht, die Beschichtung vollständig auflösen gerade genug, um in der Lage sein, die Garne mit minimalen Schäden zu trennen.
In Abbildung 5ader physische Schaden an die PBIA-co-PPTA3-Faser in Form von Längsnuten und Vorhofflimmern sind vor allem an die Faser Rändern der "trockenen" Faser getrennt ohne jede eintauchen beobachtet. Die Faser untergetaucht im Wasser (Abb. 5 b) zeigt auch einige Schäden an den Rändern, wo es scheint eine benachbarte Fasern vor der Trennung eingehalten wurden. Das Methanol (Abbildung 5 c) und Aceton (Abb. 5D) eingetaucht Fasern zeigen viel weniger Flimmern, aber wie zuvor festgestellt hat, scheinen die Fasern eingebettet in Aceton qualitativ geringerem obertägigen Artefakte als andere Fasern haben.
In Abbildung 5die Schäden an den trockenen PBIA wird beobachtet, um weniger schwerwiegend als die anderen zwei Fasern werden, aber es gibt einige Hinweise von Längsnuten entlang der Faser im unteren Teil des Bildes (Abb. 6a). Die Faser untergetaucht im Wasser (Abb. 6 b) zeigt kleineren Schäden an den Rändern durch starke Bindung an eine benachbarte Fasern verursacht. Methanol und Aceton getaucht Fasern (Abbildung 6 c-d) zeigen ähnliche physikalische Eigenschaften wie die Faser Wasser eingetaucht.
Um die Wirkung von Aceton-Spülung auf den Fasern weiter zu untersuchen, wurde die FTIR-Spektroskopie durchgeführt. Das Ergebnis dieser Analyse ist in Abbildung 7dargestellt. Einige Änderungen der Intensität sind nach dem Waschen beobachtet, aber keine wesentlichen Änderungen in Spektren bezeichnend für chemische Zersetzung (zB., Änderungen in der OH/NH-Region um 3300 cm-1 oder die Bildung eines Carbonyl-Peaks um 1700 cm-1) sind beobachtet. Daher wurde das Aceton spülen Verfahren als die beste Faser Vorbereitung Methode für den Rest der Studie ausgewählt.
Der nächste Schritt in dieser Studie war es, die beste Methode der dehnbare Tests Einzelfasern mit dem vorhandenen Geräte-Setup zu bestimmen. Ein Anstrengungen unternommen, um die Fasern direkt testen, indem Sie Montage Fasern im Griff und der Testdurchführung. Da diese Methode minimalen Probenvorbereitung erfordert und die Muster kein Schlupf aus dem Griff ausgestellt, galt dies als der schnellste Weg, um den Test durchzuführen. Allerdings brach die meisten Fasern, die auf diese Weise getestet richtige Griff Gesicht, ein Phänomen bekannt als eine "Kiefer-Pause". Wie in ASTM D382214beschrieben, zeigt dieses Ergebnis, dass der Test ungültig ist. Daher wurden basierend auf den Empfehlungen der ASTM D3822 standard, die einzelnen Fasern dann auf einer Karton-Vorlage vor der Prüfung montiert.
Die Fasern wurden mit Epoxidharz oder Cyanacrylat Cardstock-Vorlagen eingehalten und vor der Prüfung mindestens 24 Stunden aushärten. Getestet wurden zwei Arten von Epoxy-Kleber, ein verlangen, eine 24 h-Heilung und andererseits erfordern eine 1 h-Heilung. Fast alle Proben eingehalten, die Papier-Vorlagen mit der Epoxy Klebstoff (das langsame und schnelle Heilung) ein untypischer Verrutschen Verhalten und Stress Dehnungskurven, gezackt, dargestellt durch das repräsentative Beispiel in Abbildung 8a. Abbildung 8 b zeigt jedoch eine repräsentative Spannungs-Dehnungskurve mit Cyanacrylat-Klebstoff, die überwiegend frei von Probe Schlupf ist erhalten. Ein ähnliches Verhalten verzeichneten alle LWL-Systeme, die in der aktuellen Studie, wodurch Cyanacrylat des am besten geeigneten Test Klebers, kleben Sie die Fasern an den Templates verwendet. Nach dem Erfolg der Cyanacrylat-Klebstoff wurden alle Proben gemäß den Empfehlungen in einer früheren Studie über die einzelne Faser Prüfung von Polyethylen14getestet. Insgesamt eingehalten die Fasern mit der Cyanacrylat im Allgemeinen glatt und kontinuierlich Spannungs-Dehnungs-Kurven hatte und nicht signifikante Abweichung aufweisen. Während ein paar Fasern konnte nicht in der Nähe der Spitze des Bereichs Lehre der Faser, half die Verwendung der Vorlage uns diese Fasern effektiv ausschließen.
Nach dem Absetzen auf dem Karton-Vorlage und Cyanacrylat können Kleber Methode, die Zugfestigkeit und Dehnung zum Scheitern aller drei Fasern gemessen werden. Die Ergebnisse dieser Tests sind in Tabelle 1dargestellt. Für jeden Fasertyp 35 Proben wurden getestet, und die vierte Spalte der Tabelle meldet die erfolgreiche Reihe von Tests in jedem Datensatz (zwischen 15 und 26 Tests). Ein Nenndurchmesser von 14 µm wurde verwendet, um die Zugfestigkeit für alle Fasern, basierend auf früheren Arbeiten und Messungen von Aufnahmen von mehr als 30 Fasern zu berechnen. SEM-Bildgebung der gescheiterten Fasern (Abbildung 9) zeigt, dass die Fasern Sprödbruch führt Vorhofflimmern unterziehen. Wie in der aktuellen Studie verwendeten Fasern meist nicht-kristallinen (wie durch die Weitwinkel-Röntgen-Streuung (WAXS)-Messungen in Abbildung 10dargestellt), minimale plastische Verformung beobachtet in SEM Bilder von diese Faser Querschnitte, ohne Anzeichen von Einschnürung.
Die Montage-Konfiguration für die WAXS Analyse ist in Abbildung 1dargestellt, und die Ergebnisse dieser Analyse werden in Abbildung 10dargestellt. Die WAXS Analyse ergab, dass die äquatorialen Beugung Streuung der PBIA, PBIA-co-PPTA1 und PBIA-co-PPTA3 Fasern sehr ähnlich, bestehend aus einem breiten asymmetrische Peak bei 2θ von etwa 22 ° war. Dies ist bezeichnend für eine nicht-kristallinen Struktur mit fehlender Orientierung in der Ebene senkrecht zur Achse Polymer-Kette. Die Beugungsmuster und die Diffractograms der meridionalen Streuung zeigte jedoch das Vorhandensein von zwei großen, Spitzen Bragg im 2θ Winkel von etwa 26° und 28° (Abbildung 10). Die stärkste Gipfel der beiden ist ein 2θ 28° mit einem d-Abstand von ca. 0,31 nm, und auch auf die Meridionale Beugung Scans von typischen PPTA Fasern15vorhanden ist. Dass diese Bragg-Peaks auf die PBIA, PBIA-co-PPTA1 und PBIA-co-PPTA3 Fasern sehr schwach sind, ist bezeichnend für die sehr geringe Menge an die PPTA-Verbindungen in der Copolymer-Struktur dieser Fasern. Darüber hinaus ergab die PBIA-co-PPTA1 und PBIA-co-PPTA3 Fasern Diffractograms der meridionalen Streuung das Vorhandensein von zwei schwachen Peaks im 2θ Winkel von ca. 18° und 21°. Diese Fasern zeigen letztlich ein sehr geringes Maß an Kristallinität entlang der Kette-Achse.
Abbildung 1: eine illustrative Prozess zu zeigen, die Methodik für die Montage von Fasern auf Unterlegscheiben für die Analyse von WAXS. Die silbernen Behenate Kontrollprobe ist nicht auf diesem Foto abgebildet. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2: eine illustrative Prozess zu eine einzige Faser aus dem Garn-Bundle für Zugversuche entwirren. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3: Repräsentative scanning Electron mikrographen der Fasern innerhalb einer Faser Garn. (a) PBIA-co-PPTA1, (b) PBIA-co-PPTA3 und (c) PBIA. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 4: Vertreter scanning Electron mikrographen von Einzelfasern PBIA-co-PPTA1 nach Behandlung getrennt. (a) getrennte trockene Faser (keine Eintauchen), (b) Faser nach Wasserlagerung, (c) Faser nach dem Eintauchen in Methanol und (d) Ballaststoffe nach dem Eintauchen in Aceton. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 5: nach Behandlung getrennt Vertreter scanning Electron mikrographen von Einzelfasern PBIA-co-PPTA3. (a) getrennte trockene Faser (keine Eintauchen), (b) Faser nach Wasserlagerung, (c) Faser nach dem Eintauchen in Methanol und (d) Ballaststoffe nach dem Eintauchen in Aceton. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 6: Vertreter scanning Electron mikrographen von Einzelfasern PBIA nach Behandlung getrennt. (a) getrennte trockene Faser (keine Eintauchen), (b) Faser nach Wasserlagerung, (c) Faser nach dem Eintauchen in Methanol und (d) Ballaststoffe nach dem Eintauchen in Aceton. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 7: Vertreter ATR-FTIR-Spektren als empfangene Trocknen (schwarz) und Aceton gewaschen (rote) Fasern. Anders als leichte Intensität ändert, wurden keine großen Unterschiede, die chemischen Veränderungen vor und nach dem Waschen in den Fasern beobachtet. Alle Spektren vorgestellt sind im Durchschnitt mindestens 3 Messungen und bei einer Auflösung von 4 cm-1gesammelt wurden. Die Standardunsicherheit in Absorption für diese Technik ist etwa 5 %. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 8: Repräsentative Spannungs-Dehnungs-Kurven PBIA-co-PPTA1-Faser mit Epoxy-Kleber (links) und Cyanacrylat-Klebstoff (rechts) zubereitet. Beachten Sie den gezackten Charakter der Epoxy-Kurve und die höhere Belastung zum Scheitern, die Vertreter der Schlupf im Klebstoff möglicherweise. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 9: Scanning Electron mikrographen der Einzelfaser Querschnitte nach Aceton Behandlung fehlgeschlagen: (a) PBIA-co-PPTA1, (b) PBIA-co-PPTA3 und (c) PBIA. Alle Faser-Proben weisen Kammerflimmern und Sprödbruch. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 10: Weitwinkel Röntgen-Beugungsmuster der PBIA-co-PPTA3 (a), PBIA-co-PPTA1 (c) und PBIA (e) Fasern. Meridionale Weitwinkel Röntgen-Diffractograms PBIA-co-PPTA3 (b), PBIA-co-PPTA1 (d) und PBIA (f) Fasern. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
| Fasertyp | Zugfestigkeit (SD) GPa | Belastung zu versagen (SD) % | Elastizitätsmodul (GPa) | Anzahl der Proben |
| 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 |
Tabelle 1: meine Einzelfaser Zugeigenschaften Aceton gewaschen PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 und PBIA. Die Standardabweichung wird in Klammern neben dem Wert angegeben.
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Discussion
Die hier beschriebene Methode bietet eine Alternative Lösungsmittel-basiertes Protokoll zum Entfernen von Beschichtungen aus Aramidfasern Copolymer ohne Verwendung von Wasser. Zwei frühere Studien3,4 zeigte die Beweise der Hydrolyse in die Fasern dieser chemische Zusammensetzung mit der Exposition gegenüber Wasserdampf oder flüssiges Wasser. Vermeidung von Hydrolyse bei der Probenvorbereitung ist entscheidend für die nächste Phase der Experimente wo werden diese Sätze von Fasern für ihre Anfälligkeit gegenüber Alterung durch Hydrolyse von Aussetzung zu warmen und feuchten Umgebungen untersucht werden.
Trennung und Montage der Fasern ist der wichtigste Schritt in diesem experimentellen Protokoll. Extreme muss darauf geachtet werden, nur eine Faser zu isolieren (wie die Fasern aneinander kleben können), ohne sie zu beschädigen mit rauer Handhabung während der Montageschritte. Die Auswahl des richtigen Klebers ist auch entscheidend, wie die schlechten Ergebnisse mit der Epoxy-Kleber im Vergleich zu den Cyanacrylat belegt. Bisherige Arbeit hat auch gezeigt, dass die Auswahl des richtigen Klebers für eine bestimmte Faser eine experimentelle Herausforderung16sein kann. Dies war besonders notwendig für das PBIA-co-PPTA3 Beispiel, wo verwendet das Protokoll hierin führte einige Tests, die von der Analyse ausgeschlossen werden müssen. Dieses Ergebnis bieten jedoch eine Leitlinie für zukünftige Experimente in Form von zusätzlichen Probenvorbereitung für ältere Studien.
McDonough und Kollegen4 berichteten sowohl nass als auch trocken Zugfestigkeiten und Belastung zu Ausfällen für zwei der drei Fasern, die in dieser Studie untersucht. Sie verwendet einen anderen experimentellen Apparat und konnten erfolgreich direkt greifen die Fasern in diesem Apparat anstelle der Verwendung einer Vorlage. Wenn die nassen Testergebnisse von McDonoughs Arbeit zu diesen Ergebnissen verglichen werden, zeigte die PBIA einen statistisch signifikanten Unterschied in der Festigkeitseigenschaften. Die durchschnittlichen Zugfestigkeit der PBIA Probe wurde etwa 0,5 GPa höher als die von McDonough4gemeldet. FTIR ergab auf den nassen PBIA Proben verwendet in diesem vorherigen Studie3 Nachweis der Hydrolyse, die eine Verringerung der Stärke hervorrufen können. Weiter, die Unfähigkeit, große Durchmesser Messungen mit hoher Genauigkeit durchführen beschränkt uns auf durchschnittlichen Messwerte über eine Faser mit Querschnitt, was unsere Ergebnisse verzerren kann. Während das ultimative Ziel unserer Forschung ist, die Änderungen in Zugfestigkeit im Vergleich zu den gealterten Probe durch Alterung zu untersuchen, könnte unsere Ergebnisse verbessert werden, durch direkte Messung des Durchmessers der einzelnen Faser anstatt auf einem Nennwert um mehr zu erhalten genaue Zugfestigkeit. Verbesserungen in diesem Aspekt unserer Methode werden für die zukünftige Arbeit einfließen.
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Disclosures
Die vollständige Beschreibung der Verfahren in diesem Dokument erfordert die Ermittlung der bestimmte kommerzielle Produkte und deren Lieferanten. Die Einbeziehung dieser Informationen sollte in keiner Weise ausgelegt werden, als Hinweis darauf, dass solche Produkte oder Lieferanten NIST gebilligt sind oder vom NIST empfohlen sind oder, dass sie unbedingt die besten Materialien, Instrumente, Software oder Lieferanten für die Zwecke beschrieben.
Acknowledgments
Die Autoren möchten Dr. Willen Osborn für hilfreiche Gespräche und Unterstützung bei der Vorbereitung der Cardstock Vorlage zu bestätigen.
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
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