解析高强共聚物芳纶纤维使其力学性能的测定

摘要

该研究的主要目的是制定一个协议, 以准备一致的标本, 以精确的机械测试的高强度共聚芳纶纤维, 去除涂层和解析的个别纤维链没有引入重要的化学或物理降解。

摘要

传统上, 软体装甲是由聚苯terephthalamide (PPTA) 和超高分子量聚乙烯制成的。然而, 为了使美国防弹衣市场的纤维选择多样化, 本文介绍了基于 5-氨基-2 (对氨基苯基) 苯并咪唑 (PBIA) 和较常规 PPTA 的共聚纤维。人们对这些纤维的长期稳定性知之甚少, 但作为凝结聚合物, 他们预计对湿气和湿度有潜在的敏感性。因此, 描述材料的强度并了解它们对环境条件的脆弱性, 对于评估其在安全应用中的使用寿命非常重要。这些纤维的弹道阻力和其他临界结构特性取决于它们的强度。为了准确确定单个纤维的强度, 有必要在不引入任何损伤的情况下将它们从纱线中解开。本文选取了三芳纶为基础的共聚物纤维。用丙酮冲洗纤维, 然后用甲醇将每个纱束中的单个纤维的有机涂层除去。这种涂层使得在不损害纤维和影响其强度的情况下, 将单个纤维从纱线束中分离出来很难进行机械测试。清洗后, 对水洗和未清洗的样品进行傅里叶变换红外光谱分析, 并对结果进行比较。实验表明, 在洗涤后, 聚 (对苯并咪唑-terephthalamide-terephthalamide) (PBIA-co-PPTA1) 和 PBIA-co-PPTA3 的光谱没有显著的变化, 而在强度为 PBIA。这表明丙酮和甲醇漂洗不会对纤维产生负面影响, 并导致化学降解。此外, 对水洗纤维进行单纤维拉伸试验, 以表征其初始抗拉强度和应变, 并与其他报告值进行比较。迭代过程的发展是必要的, 以找到一个成功的方法来执行拉伸测试这些纤维。

引言

目前, 个人保护领域的重要重点是减少为执法和军事应用个人保护所需的防弹衣的质量¹。传统的装甲设计依靠的材料, 如聚苯terephthalamide (PPTA), 也称为芳纶, 聚乙烯提供保护免受弹道威胁²。然而, 有兴趣探索不同的高强度纤维材料的潜力, 以减少装甲的重量要求, 以防止特定的弹道威胁。这就导致了对芳纶共聚物纤维等替代材料的探索。这些纤维是由 [5-氨基-2 (对氨基苯基) 苯并咪唑] (amidobenzimidazole, ABI) 和对氨基苯二胺 (对 PDA) 与 terephthaloyl 氯的反应形成聚 (p苯并咪唑-terephthalamide-terephthalamide)。在这项研究中, 我们检查三种不同的纤维, 所有这些都是商业生产的材料, 从一个行业接触。一种是一种均聚纤维, 由对 ABI 与 p-二胺反应形成 5-氨基-2 (对氨基苯基) 苯并咪唑或 PBIA。本文研究的其他两种共聚物纤维预计为随机共聚物, 其 PBIA 和 PPTA 联系的比例分别为³。这些联系的相对比率不能用固态核磁共振实验来确定。这些纤维被选定作为 PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 延伸在早先出版物使用的指定⁴。PBIA-co-PPTA3 以前没有研究过, 但有类似的结构。这些光纤系统也是最近批出的一些专利^5、6、7的重点。

防弹衣的优异抗弹道性取决于所组成材料的力学性能, 如极限抗拉强度和^8、9、10的应变。重要的努力^11,12,13一直专注于检查的长期稳定性的聚合物纤维用于装甲通过调查这些机械性能的有害变化暴露后,环境条件。环境条件对芳纶共聚物纤维的影响在^3、4的研究中一直没有受到广泛的关注。研究这些材料的一个挑战是解析纱线的测试难度。麦克唐纳⁴以前的工作研究了水被用来解开纱线之前进行单纤维拉伸试验的技术。然而, 对于纤维的机械强度是否因这种水暴露而改变, 没有完全的理解。解析纤维的另一种替代方法是测试纱线束的机械强度, 但是, 这需要大量的材料, 并且被认为是平均纤维在纱线束中的强度, 提供较少的具体信息。该项目的目的是研究高湿度和温度对芳纶共聚纤维力学性能的影响。因此, 有必要找到一个替代溶剂的涂层去除和纤维解开纠结, 这将使我们能够区分水解的纤维, 由于环境暴露从样品的准备。测试用单纤维的制备由于体积小而进一步复杂化。在这项工作中, 我们研究几种常见的溶剂 (水, 甲醇, 丙酮) 和选择丙酮作为最好的选择, 以制备单纤维测试。在进一步测试之前, 所有纤维都用甲醇冲洗过。采用傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱法测定涂层的溶解和解开纠结步骤是否导致材料中的化学降解。详细的视频协议, 显示解开纠结, 化学分析和机械测试的共聚物芳纶纤维的样品准备步骤, 旨在帮助其他研究人员制定方法, 进行类似的研究实验室中的单纤维。

研究方案

1. 共聚纤维涂层在纤维分离中的溶解作用

1. 佩戴适当的化学防护手套, 以防止纤维受到污染, 从每个纱线束中切割160毫米到170毫米, 用陶瓷剪刀或新鲜的钢剃刀刀片提取。保留纱线的其余部分, 如果需要进一步分析在一个标签的容器。
2. 结或夹紧纱线的两端, 以保持纱线在浸泡在溶剂中纠缠。
   注: 在本研究中, 初步探讨了从极性系列中广泛极性的溶剂。基于定性结果, 采用丙酮、水、甲醇进行了较深入的检测。最后, 以 detangling 和扫描电镜 (SEM) 结果为基础, 选用丙酮作为纤维分离的最佳溶剂。
3. 将纤维浸入2毫升至3毫升的溶剂中, 在标签培养皿中浸泡, 并盖上培养皿盖。
4. 允许纱线浸泡在丙酮中30分钟, 然后丢弃溶剂。
5. 重复步骤1.3 至 1.4, 至少增加两次, 然后允许溶剂蒸发。
6. 要去除任何丙酮残渣并协助干燥, 请将样品浸入2毫升至3毫升甲醇。
7. 允许纱线浸泡在甲醇至少30分钟。
8. 从溶剂中取出纱线, 并允许干燥至少24小时。

2. 扫描电镜对涂层溶解步骤的分析

1. 单独的纤维与镊子, 以前用不同的溶剂从纱束清洗, 如有必要, 在立体声显微镜下进行分析。
2. 将纤维安装在不锈钢存根 (1 厘米直径) 上, 将其用镊子粘附在双面碳带上。
3. 用导电材料 (如 Au/Pd) 将纤维涂上, 以减轻扫描电镜下的表面充电效果。
4. 将纤维样品加载到扫描电子显微镜中, 并将其成像在2伏加速电压和 50 pa-100 pa 电子电流上。在必要时应用电荷中和设置来抵消充电效果。

3. 傅里叶变换红外光谱法分析涂层溶解步骤

1. 切割大约30毫米到40毫米的水洗纱束。
2. 获得一张粘接红外样品卡并取下保护支承。
3. 在佩戴手套保护样品不受污染的同时, 稍微拧下纤维束, 将样品合并以进行分析, 并将样品放在卡片上的窗口上。
4. 根据制造商的规格, 准备红外光谱分析。打开清除气体, 用液氮填充检测器, 并在样品室中使用磁对准板安装 ATR 附件。
5. 在仪器软件的 "高级测量" 选项卡中, 对扫描次数和仪器分辨率的参数进行编程, 在这种情况下, 128 扫描平均分辨率为4厘米^-1。
6. 用低皮棉擦拭和甲醇清洁 ATR 配件的窗户。
7. 通过按步骤3.5 中选定的参数在软件的 "基本测量" 窗口中按 "收集背景" 按钮收集背景。
8. 将光纤样本对准 ATR 附件中的窗口, 使用显微镜和视频监视器来帮助定位光纤。
9. 使用步骤3.5 中选择的参数按软件的 "基本测量" 窗口中的 "收集示例" 按钮收集样本频谱。
10. 重复步骤 3.6-3.9, 收集每样样品至少3个光谱, 直到所有样品被分析。

4. 宽角度 X 射线散射法分析纤维

1. 在佩戴丁腈橡胶手套时, 用剃须刀刀片从纱线线轴中切下大约25毫米纱线。
2. 将纱线的每一束集中在 25 mm 不锈钢垫圈的6.25 毫米内孔内。
3. 用玻璃纸胶带将纱线捆绑在洗衣机上。
4. 对其他两种纱线重复步骤4.1 到4.3。
5. 将包含纱线束的垫圈带到不锈钢试样夹块 (其中包含用于定位的金属棒), 如图 1所示。纤维应在垂直配置中进行分析。
6. 将银甘油控制样品安装在与垫圈相同的位置的样品夹块上。
7. 使用磁对准系统打开仪器的门, 并将试样夹块安装到分析阶段。
8. 关闭样品夹室的门, 激活真空泵, 疏散样品分析室。监视安装在仪器旁边的真空计直到真空达到约1600宾夕法尼亚州
9. 打开仪器软件, 激活光束, 并执行水平扫描, 以确定样品持有者上每个样品的 x 位置。
10. 在确定每个样本的 x 位置后, 执行垂直扫描以优化 y 位置以获得每个样本的最大信号强度。
11. 确定 x 和 y 位置后, 通过分析银色甘油控制样本来开始测量, 以确定样品和每个探测器之间的距离。
12. 使用10分钟的曝光时间分析第一个光纤样本。
13. 重复步骤 4.13, 总扫描时间为30分钟。
    注意: 使用此协议, 而不是一个长的30分钟扫描案例, 因为有问题的样本暴露, 以尽量减少浪费的仪器时间。
14. 平均3扫描, 以获得最终结果使用的平均功能在适合2D 软件。
15. 对每个附加示例重复步骤 4.13-4. 15。

5. 纱线解开纠结及拉伸试验准备

1. 获得一个30厘米 x 30 厘米或更大的透明塑料板 (在这些实验中使用聚碳酸酯片), 可以放置在黑暗的背景, 或相同尺寸的暗塑料板。
2. 切割低粘性胶带 (大约10毫米5毫米), 并使它们可用于以下步骤。在玻璃表面上执行这一步骤, 用剃刀刀片切割胶带。
3. 胶带两端的一个20毫米规格的矩形纸模板的塑料板, 使其完全平躺。
   注:20 mm 被选为这些测试的最佳测量长度根据以前的工作和可用颚分离的仪器。
4. 佩戴腈手套防止污染, 切割约70毫米至80毫米冲洗纱线, 并将其放置在玻璃滑动或其他清洁表面 (图 2a-b)。
5. 使用立体声显微镜辅助解开纠结, 用镊子小心地从纱线中取出一根纤维。在这个过程中, 注意避免损坏纤维。丢弃损坏的任何纤维 (图 2c)。
6. 将单个光纤放在纸张模板的顶部, 确保光纤与模板上的标记 (图 2d-f) 对齐。
7. 将光纤的两端都带到主板上。为了提高纤维的能见度, 在透明的塑料板下面放一个深色的背景, 或者使用黑色的塑料板。光纤应该在模板中直接放置, 并略有教学 (图 2f)。
8. 重复步骤5.3 到 5.7, 直到大约35到45纤维安装在不同的纸张模板上, 用于每种纤维。在这种情况下, 有三种类型的纤维: PBIA-co-PPTA1, PBIA 和 PBIA-co-PPTA3。
9. 一旦所有的纤维被贴在塑料板上, 添加一小滴氰胶粘剂到纤维的每个端对齐到纸模板。在拉伸测试过程中, 在纸模板的两端留出1厘米的胶水, 以便夹紧。
   注: 氰被发现是最好的胶粘剂为这材料, 一个不成功的尝试与 24 h 治疗环氧树脂在代表性结果显示。
10. 在测试前, 允许粘合剂至少治疗24小时。

6. 单纤维拉伸试验

1. 确定测量样本的长度和延伸率, 为感兴趣的样品提供最一致的结果。这些参数可能取决于可用样本的数量和实验设置的局限性。
2. 安装拉力夹具, 校准间隙, 准备测试仪器。
3. 程序的仪器移动手柄, 以提供30毫米的缺口, 这是根据纸张模板的大小选择的测量长度, 并在每一端左侧10毫米的下巴。
4. 松开抓地面, 为加载包含单纤的纸张模板创建间隙。
5. 将步骤5中准备的一个样本移动到该仪器。使用戴手套的手, 一个小铲, 和镊子, 通过两个手柄饲料模板, 使用模板上的标记, 以协助放置。请确保胶水在手柄区域的外面。
6. 轻轻地对齐并关闭顶部抓地面, 同时仍支持光纤, 使其不向下滑动。
7. 拧紧顶部和底部螺丝与扭矩扳手, 直到螺丝只是紧。
8. 对底部螺钉重复步骤6.7。
9. 使用扭矩扳手拧紧上、下手柄上的螺钉。小心拧紧的螺丝在交叉模式, 以平衡负载的纤维。
   注: 使用的适当扭矩可能不同, 必须经过实验确定。在这些实验中使用了 30 cN·m。
10. 用剪刀修剪纸模板的两面。
11. 将该仪器按0.0125 毫米/秒的恒定伸长率进行拉伸试验, 监测显示器的显示, 并在纤维破裂时停止测试。
12. 在测试结束时, 松开手柄表面, 将纤维从手柄上取下。观察断裂位置, 将破损的纤维保存在标签容器中, 进一步分析。
    注意: 打破在握脸上的纤维会被从分析中丢弃, 如 ASTM D3822 中所描述的 "颚断裂"。
13. 将间隙返回到30毫米, 然后重复步骤 6.4-6.12, 直到测试完所有样品。
14. 将破碎的纤维碎片保存在模板中, 进一步进行微观分析。

结果

这里研究的共聚芳纶纤维很难从纱线束分离成单个纤维进行测试。纤维被纠缠和涂层的处理化学品, 使它们很难分离, 而不损害纤维。图 3显示了纱线内纤维的结构形态。即使是较大束的一部分, 纤维表面也显示出很大的粗糙度和泪水, 这很可能是由于对相邻纤维的强烈附着力造成的。在以前的工作由麦克唐纳⁴, et等, 水被用来?...

讨论

本文介绍的方法提供了一种替代溶剂基协议, 用于去除芳纶共聚物纤维的涂层而不使用水。前两项研究^3,4显示了这种化学成分的纤维水解的证据, 接触水蒸气或液态水。在样品制备过程中避免水解, 对于下一阶段的实验是至关重要的, 因为这些纤维会因接触温暖潮湿的环境而对其老化的敏感性进行检查。

分离和安装纤维是这个实验协?...

材料

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