Desenredar las fibras de aramida de copolímero de alta resistencia para permitir la determinación de sus propiedades mecánicas

Resumen

El objetivo principal del estudio es desarrollar un protocolo para preparar a especímenes consistentes para la prueba mecánica exacta de fibras de aramida de copolímero de alta resistencia, quitando una capa y desenmarañar los hilos de la fibra individual sin introducir importantes degradación química o física.

Resumen

Tradicionalmente, se ha hecho la armadura de cuerpo suave de poli (p-Fenileno paraphenylene) (PPTA) y polietileno de ultra alto peso molecular. Sin embargo, para diversificar las opciones de fibra en el mercado de Estados Unidos cuerpo armadura, fibras de copolímero basan en la combinación de 5-amino - 2-(p- aminophenyl) benzimidazole (PBIA) y se introdujeron la PPTA más convencional. Poco se sabe acerca de la estabilidad a largo plazo de estas fibras, pero como polímeros de condensación, se espera que tengan potencial sensibilidad a la humedad y la humedad. Por lo tanto, caracterizar la resistencia de los materiales y entender su vulnerabilidad a las condiciones ambientales es importante para evaluar su vida de uso en aplicaciones de seguridad. Resistencia balística y otras propiedades estructurales críticos de estas fibras se basan en su fuerza. Para determinar con precisión la fuerza de las fibras individuales, es necesario desenredarlos de hilado sin presentar daños. Tres fibras de copolímero base de aramida fueron seleccionadas para el estudio. Las fibras fueron lavadas con acetona seguida de metanol para eliminar una capa orgánica que ligan las fibras individuales en cada paquete de hilado. Esta capa dificulta separar las fibras individuales del paquete de hilo para ensayos mecánicos sin dañar las fibras y que afectan su fuerza. Después del lavado, fourier transforma infrarrojo (FTIR) la espectroscopia fue realizada en muestras lavadas y sin lavar y se compararon los resultados. Este experimento ha demostrado que hay no hay variaciones significativas en los espectros de poli (p-Fenileno-bencimidazol-paraphenylene-co -p-Fenileno paraphenylene) (PBIA-co-PPTA1) y PBIA-co-PPTA3 después de lavar y sólo una pequeña variación en intensidad para PBIA. Esto indica que los enjuagues de acetona y metanol no adverso que afecta a las fibras y causando degradación química. Además, ensayos de tracción de fibra única se realizan en el lavado fibras para caracterizar su inicial resistencia a la tracción y tensión al fracaso y comparar aquellos otros valores reportados. Desarrollo de procedimiento iterativo fue necesario encontrar un método exitoso para realizar ensayos de tracción en estas fibras.

Introducción

En la actualidad, foco significativo en el campo de la protección personal es en la reducción de la masa de la armadura necesaria para la protección personal para aplicación de la ley y aplicaciones militares¹. Diseños de la armadura tradicional han confiado en materiales como el poli (p-Fenileno paraphenylene) (PPTA), también conocido como aramida y polietileno para proporcionar protección contra amenazas balísticas². Sin embargo, hay un interés en la exploración de materiales de fibra de alta resistencia diferentes por su potencial para reducir el peso de la armadura requerida para detener una amenaza balística específica. Esto ha llevado a la exploración de materiales alternativos tales como fibras de aramida de copolímero. Estas fibras son hechas por la reacción de [5-amino - 2-(p- aminophenyl) benzimidazole] (amidobenzimidazole, ABI) y p- fenilendiamina (p-PDA) con cloruro del terephthaloyl a poly (p- de la forma Fenileno-bencimidazol-paraphenylene-co -p-Fenileno paraphenylene). En este estudio, examinamos tres fibras diferentes, todos los cuales son producidos comercialmente los materiales obtenidos de un contacto de la industria. Uno es una fibra de homopolímero que es hecha por ABI reacción con p-fenilenodiamina a poly forma 5-amino - 2-(p- aminophenyl) benzimidazole o PBIA. Las otras dos fibras copolímero examinadas en este estudio se esperan que sean copolímeros al azar con diferentes ratios de PBIA y PPTA vínculos³. Las proporciones relativas de estos vínculos no podrían ser determinadas experimentalmente mediante resonancia magnética estado sólido. Estas fibras son designadas como PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 para ampliar las denominaciones utilizadas en una publicación anterior⁴. PBIA-co-PPTA3 no fue estudiado previamente, pero tiene una estructura similar. Estos sistemas de fibra también han sido el foco de recientemente concedido varias patentes^5,6,7.

Resistencia balística superior de armadura se basa en las propiedades mecánicas de los materiales que lo componen, como última fuerza extensible y tensión a la falla^8,9,10. Esfuerzos significativos^11,12,13 se han centrado en examinar la estabilidad a largo plazo de fibras poliméricas utilizadas en armadura investigando cambios perjudiciales en las propiedades mecánicas después de la exposición a condiciones ambientales. El efecto de las condiciones ambientales en fibras de aramida de copolímero no ha sido objeto de mucha investigación^3,4. Un reto al estudio de estos materiales es la dificultad de desenredar los hilos para la prueba. Trabajo previo por McDonough⁴ investigado una técnica que se utilizó agua para desenredar los hilos antes de realizar ensayos de tracción de fibra única. Sin embargo, fue no comprender en si la resistencia mecánica de las fibras fue alterada por este contacto con el agua. Una alternativa a desenredar las fibras es poner a prueba la resistencia mecánica del paquete del hilo, sin embargo, esto requiere una gran cantidad de material y se considera en un promedio de la fuerza de las fibras en el paquete de hilado, proporciona información menos específica. El objetivo de este proyecto es analizar el efecto de elevada humedad y temperatura en las propiedades mecánicas de fibras de aramida de copolímero. Por lo tanto, es esencial encontrar un solvente alternativo para la remoción de la capa y Disentanglement del enigma fibra que nos permitirá distinguir la hidrólisis de las fibras debido a la exposición ambiental de que inducido por la preparación de la muestra. La preparación de las fibras individuales para las pruebas se complica aún más por su pequeño tamaño. En este trabajo, investigamos varios solventes comunes (agua, metanol y acetona) y seleccione acetona como la mejor opción para la preparación de las fibras individuales para la prueba. Todas las fibras fueron aclaradas con metanol antes de pruebas adicionales. Fourier transforma infrarrojo (FTIR) la espectroscopia se realiza para determinar si el paso de disolución y Disentanglement del enigma del recubrimiento causado cualquier degradación química en el material. El protocolo detallado de video que muestra los pasos de preparación de muestra del Disentanglement del enigma, análisis químico y ensayos mecánicos de las fibras de aramida de copolímero está diseñado para ayudar a otros investigadores en el desarrollo de metodologías para realizar estudios similares de fibras individuales en sus laboratorios.

Protocolo

1. disolución de la capa de fibras de copolímero para ayuda en la separación de la fibra

1. Usar apropiadamente seleccionado Guantes químicamente resistentes para prevenir la contaminación de la fibra, de corte 160 mm a 170 mm de cada paquete de hilado extraído utilizando cerámica tijeras o una cuchilla de acero dulce. Reservar el resto del hilo si es necesario para su posterior análisis en un recipiente etiquetado.
2. Nudo o abrazadera de los extremos del hilo para evitar que el hilo se enrede cuando sumergido en el solvente.
   Nota: Para este estudio, inicialmente se exploraron disolventes de polaridad amplia (de la serie de polaridad). Basado en resultados cualitativos, un examen más detallado se realizó con acetona, metanol y agua. Por último, la acetona fue seleccionada como el mejor solvente para separación de fibra basada en la facilidad de desenredar y los resultados de la microscopia electrónica (SEM) exploración (descritos más adelante).
3. Sumergir la fibra en 2 mL a 3 mL de solvente en un plato de Petri marcada y cubrir con la tapa de la caja de Petri.
4. Permita que los hilados a remojar en acetona durante 30 minutos, luego deseche el solvente.
5. Repita los pasos 1.3 a 1.4 por lo menos dos veces más y luego deje que el solvente se evapore.
6. Para eliminar cualquier residuo de acetona y para ayudar en el secado, sumergir la muestra en 2 mL a 3 mL de metanol.
7. Permita que los hilados en remojo en metanol al menos 30 minutos.
8. Retire el hilo del solvente y dejar para secar durante al menos 24 h.

2. Análisis de la capa de disolución paso por microscopía electrónica de barrido

1. Separar las fibras individuales con las pinzas, que previamente se lavan usando diferentes solventes desde el paquete de hilado, para el análisis bajo un microscopio estéreo si es necesario.
2. Montar las fibras en un trozo de acero inoxidable (1 cm de diámetro) adhiriendo con pinzas en cinta de carbón de doble cara.
3. Capa de las fibras con un material conductivo, como Au/Pd para mitigar la superficie efectos bajo la SEM. de carga
4. Cargar las muestras de fibra en un microscopio electrónico de barrido e imagen a 2 kV aceleración de voltaje y 50 pA – electrón pA 100 actual. En caso necesario se aplican a efectos carga contra posiciones de neutralización de carga.

3. Análisis de la capa de disolución paso por Fourier transforma la espectroscopia infrarroja

1. Corte aproximadamente 30 milímetros a 40 milímetros del haz lavado de hilados.
2. Obtener una adhesivo IR muestra tarjeta y retire el papel protector.
3. Usando guantes para proteger la muestra de la contaminación, gire ligeramente el fibrado al fusionarse la muestra para análisis y coloque la muestra sobre la ventana en la tarjeta.
4. Preparar el FTIR para el análisis según las especificaciones del fabricante. Encienda el gas de purga, llenan el detector de nitrógeno líquido e instale el accesorio ATR con la placa de la alineación magnética en el compartimiento de muestra.
5. Programar los parámetros para el número de análisis y resolución del instrumento en la ficha de medición avanzado del software de instrumento, en este caso, son un promedio de 128 análisis con una resolución de 4 cm^-1.
6. Limpie la ventana del accesorio ATR con un trapo pelusa baja y metanol.
7. Recoger un fondo pulsando el botón de recoger del fondo en la ventana de medición básica del software con los parámetros seleccionados en el paso 3.5.
8. Alinee la muestra de fibra sobre la ventana en el accesorio ATR, utilizando el microscopio y monitor de vídeo para ayudar a colocar la fibra.
9. Recoge un espectro muestra pulsando el botón recolectar muestra en la ventana de medición básica del software utilizando los parámetros seleccionados en el paso 3.5.
10. Repita los pasos 3.6-3.9, que recoge al menos 3 espectros por ejemplo hasta que todas las muestras han sido analizadas.

4. Análisis de las fibras por la dispersión de rayos x de gran angular

1. Usando guantes de nitrilo, corte aproximadamente 25 mm del hilo de la bobina de hilo usando una cuchilla de afeitar.
2. Centro de cada paquete del hilo sobre el orificio interno de 6,25 mm de una arandela de acero inoxidable de 25 mm.
3. El paquete de hilado en la lavadora para mantener en su lugar con cinta de celofán con cinta.
4. Repita los pasos 4.1 a 4.3 en los otros dos tipos de hilado.
5. Las arandelas que contiene los paquetes de hilos a un bloque de soporte de muestra de acero inoxidable (que contiene barras metálicas para la colocación) de la cinta como se muestra en la figura 1. Las fibras deben estar en la configuración vertical para el análisis.
6. Montaje de una muestra de control behenate plata para el bloque de soporte de la muestra en la misma posición de las arandelas.
7. Abra la puerta al instrumento y montar el bloque de soporte de la muestra para la etapa de análisis mediante el sistema de alineación magnética.
8. Cierre la puerta a la cámara de soporte de muestra y activar la bomba de vacío para evacuar la sala de análisis de la muestra. Monitor el manómetro de vacío montado al lado del instrumento hasta que el vacío alcanza aproximadamente 1600 PA.
9. Abra el software del instrumento, activar el rayo y realizar un análisis horizontal para determinar la ubicación de x de cada muestra en el portamuestras.
10. Tras la identificación de x-ubicación de cada muestra, realizar un análisis vertical para optimizar la localización y para obtener la intensidad máxima para cada muestra.
11. Una vez determinadas las x y y-lugares, comenzar la medición mediante el análisis de la muestra de control behenate plata para determinar la distancia entre la muestra y cada detector.
12. Analizar la primera muestra de fibra, con un tiempo de exposición de 10 minutos.
13. Repita el paso 4.13 dos veces más para un total del tiempo de 30 min de exploración.
    Nota: Este protocolo se utiliza en lugar de un caso de exploración de largo 30 min porque hay problemas con la exposición de la muestra para minimizar el tiempo perdido del instrumento.
14. Promedio de las 3 exploraciones para obtener el resultado final utilizando la función promedio en Fit software 2D.
15. Repita los pasos 4.13 4.15 para cada muestra adicional.

5. hilado Disentanglement del enigma y la preparación para las pruebas de resistencia a la tracción

1. Obtener 30 cm x 30 cm o más grande tablero de plástico transparente (policarbonato hojas se utilizan en estos experimentos) que puede colocarse sobre un fondo oscuro, o un tablero de plástico oscuro de las mismas dimensiones.
2. Cortar trozos de cinta adhesiva de bajo tack (aproximadamente 10 mm 5 mm) y tenerlos disponibles para los siguientes pasos. Realizar este paso en una superficie de vidrio y cortar la cinta con una cuchilla de afeitar.
3. Ambos extremos de una plantilla de papel rectangular de calibre 20 mm a la Junta de plástico de la cinta para que quede totalmente plana.
   Nota: se selecciona 20 mm longitud de calibre óptimo para estas pruebas basadas en trabajos anteriores y la separación de la quijada disponible del instrumento.
4. Guantes de nitrilo para prevenir la contaminación, corte aproximadamente 70 mm a 80 mm de lana enjuagada y colocar sobre un portaobjetos de vidrio u otra superficie limpia (Figura 2a-b).
5. Usando un microscopio estéreo para ayudar Disentanglement del enigma, retire con cuidado una sola fibra del hilo usando pinzas. Tenga cuidado para evitar que se enganchen o dañar la fibra durante este proceso. Deseche cualquier fibras que están dañados (figura 2C).
6. Coloque una sola fibra encima de la plantilla de papel, asegurándose de que la fibra esté alineada con los marcadores en la plantilla (Figura 2d- f).
7. Ambos extremos de la fibra a la junta con cinta adhesiva. Con el fin de mejorar la visibilidad de la fibra, un fondo oscuro debajo de la plástica transparente ni utilice un tablero de plástico negro. La fibra debe poner recto y un poco autodidacta a través de la plantilla (figura 2f).
8. Repita los pasos del 5.3 a 5.7 hasta aproximadamente 35 a 45 fibras están montadas en las plantillas de documento para cada tipo de fibra. En este caso, hay tres tipos de fibras: PBIA-co-PPTA1 y PBIA PBIA-co-PPTA3.
9. Una vez que todas las fibras están pegadas a la Junta de plástico, agregar una pequeña gota de pegamento del cianocrilato a cada extremo de la fibra alineada a la plantilla de papel. Dejar 1 cm libre de pegamento en los extremos de las plantillas de papel para agarrar durante la prueba de resistencia a la tracción.
   Nota: Cianoacrilato fue encontrado para ser el mejor adhesivo para este material, un intento fallido con un epoxy de curado de 24 h se muestra en los resultados de representante.
10. Deje que el adhesivo cure durante al menos 24 h antes de la prueba.

6. fibra de ensayos de tracción

1. Determinar la longitud del calibre y el tipo de extensión que proporciona los resultados más consistentes de la muestra de interés. Estos parámetros pueden ser dictados por la cantidad de muestra disponible y por las limitaciones de la instalación experimental.
2. Preparar el instrumento para la prueba por instalar agarres resistencia y calibrar el espacio.
3. Programa el aparato para mover los puños para proporcionar una separación de 30 mm, que es la longitud del calibre seleccionada basado en el tamaño de la plantilla de papel y el espacio de 10 mm a la izquierda en cada extremo de la mandíbula.
4. Afloje las caras de la empuñadura para crear un espacio para la carga de la plantilla de papel que contiene la fibra sola.
5. Mover una de las muestras preparadas en el paso 5 en el instrumento. Con las manos enguantadas y una pequeña espátula, pinzas, alimentar la plantilla a través de dos apretones, uso de las marcas en la plantilla para ayudar a la colocación. Asegúrese que el pegamento esté fuera de la zona de agarre.
6. Cuidadosamente Alinee y cerrar la cara superior de la empuñadura, mientras que todavía apoya la fibra para que no se deslice hacia abajo.
7. Apriete los tornillos de la parte superior e inferior con una llave de torsión hasta que los tornillos estén apretados solo.
8. Repita el paso 6.7 para los tornillos de la parte inferior.
9. Apriete los tornillos por los bordes superiores e inferiores con una llave dinamométrica. Tenga cuidado al apretar los tornillos en forma cruzada para balancear la carga en la fibra.
   Nota: El par adecuado a utilizar puede variar y debe determinarse experimentalmente. en estos experimentos se utilizó 30 cN·m.
10. Corte ambos lados de la plantilla de papel con tijeras.
11. Programar el instrumento para realizar el ensayo de tracción a una velocidad constante de extensión de 0,0125 mm/s, monitor de la pantalla y detener la prueba cuando la fibra se ha roto.
12. Al final de la prueba, retire la fibra de las empuñaduras aflojando las caras de la empuñadura. Observe la ubicación de la rotura y preservar la fibra rota en un recipiente etiquetado para su posterior análisis.
    Nota: Las fibras que se rompen en la cara de agarre se descartan del análisis como "mandíbula breaks" como se describe en ASTM D3822.
13. Retomar el espacio de 30 mm y repita los pasos 6.4-6.12 hasta que todas las muestras son analizadas.
14. Guardar los fragmentos de fibra rota en la plantilla para su posterior análisis microscópico.

Resultados

Las fibras de aramida de copolímero estudiadas aquí son difíciles de separar de paquetes de hilado en fibras individuales para la prueba. Las fibras se enredan y revestidas con el procesamiento de productos químicos que los hacen muy difíciles de separar sin dañar las fibras. La figura 3 muestra la morfología estructural de las fibras dentro de un hilo. Como parte de un paquete más grande, las superficies de fibra muestran gran rugosidad y lágrimas q...

Discusión

El método descrito en el presente documento proporciona un protocolo alternativo de base solvente para la eliminación de capas de fibras de aramida de copolímero sin agua. Dos anteriores estudios^3,4 mostró las pruebas de hidrólisis de las fibras de esta composición química, con la exposición al vapor de agua o agua líquida. Evitando la hidrólisis durante la preparación de la muestra es crítico para la siguiente fase de experimentos donde se examinará...

Materiales

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