Entwirren hohe Festigkeit-Copolymer-Aramid-Fasern um die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften ermöglichen

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

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 Patente^5,6,7.

Überlegener ballistischer Widerstand Body Armor gründet sich auf die mechanischen Eigenschaften der Materialien, die es, wie Zugfestigkeit und Dehnung auf Fehler^8,9,10enthalten. Erhebliche Anstrengungen^11,12,13 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 Forschung^3,4. 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.

Protokoll

1. Auflösung der Beschichtung auf Copolymer-Fasern zu Hilfe in Faser-Trennung

1. 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.
2. 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.
3. Tauchen Sie die Faser in 2 mL bis 3 mL des Lösungsmittels in eine beschriftete Petrischale und mit der Petrischale Deckel bedecken.
4. Lassen Sie die Garne in Aceton für 30 min einweichen, dann verwerfen Sie das Lösungsmittel zu.
5. Wiederholen Sie die Schritte 1,3 bis 1,4 mindestens zwei weitere Male und lassen Sie das Lösungsmittel verdunstet.
6. Um alle Aceton-Rückstände zu entfernen und beim Trocknen zu helfen, Tauchen Sie die Probe in 2 mL, 3 mL Methanol.
7. Lassen Sie die Garne in Methanol mindestens 30 min einweichen.
8. Entfernen Sie das Garn vom Lösungsmittel und mindestens 24 Stunden trocknen lassen.

2. Analyse der Beschichtung Auflösung Schritt durch Rasterelektronenmikroskopie

1. 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.
2. Montieren Sie die Fasern auf ein Edelstahl-Stub (1 cm Durchmesser) durch die Einhaltung Sie mit einer Pinzette auf doppelseitiges Carbon Band.
3. Beschichtung der Fasern mit einem leitfähigen Material wie Au/Pd Milderung die Oberfläche laden Effekte unter SEM
4. 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

1. Schneiden Sie ca. 30 mm bis 40 mm des Bündels gewaschene Garn.
2. Erhalten Sie eine selbstklebende IR Musterkarte und entfernen Sie die Schutzfolie.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. Reinigen Sie das Fenster der ATR-Zubehör mit einem niedrigen Fusseln wischen und Methanol.
7. Sammeln Sie einen Hintergrund mit der Taste sammeln Hintergrund im Fenster einfache Messung der Software mit den Parametern im Schritt 3.5 ausgewählt.
8. Richten Sie die Faser-Probe über das Fenster in der ATR-Accessoire, mit dem Mikroskop und Videomonitor um zu helfen, die Faser zu positionieren.
9. Sammeln Sie Probenspektrum durch Drücken der Taste sammeln Probe in der grundlegenden Messfenster der Software mit den Parametern im Schritt 3.5 ausgewählt.
10. 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

1. Während des Tragens Nitril-Handschuhe, geschnitten Sie ca. 25 mm das Garn von der Garn-Spule mit einer Rasierklinge.
2. Zentrieren Sie jedes Bündel des Garns über das 6,25 mm innere Loch von 25 mm Edelstahl Unterlegscheibe.
3. Kleben Sie das Garn Bundle an die Scheibe um es mit Tesafilm fixieren.
4. Wiederholen Sie die Schritte 4.1 bis 4.3 für die anderen zwei Typen von Garn.
5. 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.
6. Montieren Sie eine silberne Behenate Kontrollprobe, Inhaber probenblock in der gleichen Position wie die Unterlegscheiben.
7. Öffnen Sie die Tür zum Instrument und montieren Sie Halter probenblock in die Analysephase mit dem magnetischen Ausrichtungssystem.
8. 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.
9. 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.
10. 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.
11. 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.
12. Die erste Faser-Probe mit einem 10 min Belichtungszeit zu analysieren.
13. 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.
14. Durchschnittlich 3 Scans um das endgültige Ergebnis mit der Funktion Mittelwert in Fit 2D Software zu erhalten.
15. Wiederholen Sie die Schritte 4.13-4.15 für jede zusätzliche Probe.

(5) Garn Sie Entflechtung und Vorbereitung für den Zugversuch

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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).
5. 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).
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. Lassen Sie den Kleber für mindestens 24 Stunden vor der Prüfung zu heilen.

6. einzelne Faser Zugversuch

1. 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.
2. Bereiten Sie das Instrument für die Prüfung durch die Zugfestigkeit Griffe Installation und Kalibrierung der Lücke.
3. 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.
4. Lösen Sie die Griff-Gesichter um eine Lücke für die Papiervorlage, die einzelne Faser enthält, laden zu erstellen.
5. 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.
6. Vorsichtig richten Sie aus und schließen Sie das Top-Grip-Gesicht, während die Faser noch zu unterstützen, damit es nicht nach unten rutschen.
7. Schrauben Sie die oben und unten mit einem Drehmomentschlüssel bis die Schrauben nur eng sind.
8. Wiederholen Sie Schritt 6,7 für die unteren Schrauben.
9. 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.
10. Trimmen Sie beidseitig die Papierschablone mit Schere.
11. 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.
12. 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.
13. Die Lücke bis 30 mm zurück und wiederholen Sie Schritte 6.4-6.12 bis alle Proben getestet werden.
14. Speichern Sie die gebrochene Faser-Fragmente in der Vorlage für weitere mikroskopische Analysen.

Ergebnisse

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 stark...

Diskussion

Die hier beschriebene Methode bietet eine Alternative Lösungsmittel-basiertes Protokoll zum Entfernen von Beschichtungen aus Aramidfasern Copolymer ohne Verwendung von Wasser. Zwei frühere Studien^3,4 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 ...

Materialien

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