Démêler les fibres d’aramide de copolymère haute résistance afin de permettre la détermination de leurs propriétés mécaniques

Résumé

L’objectif principal de l’étude est d’élaborer un protocole pour préparer des échantillons conformes pour les essais mécaniques précis des fibres d’aramide de copolymère haute résistance, en enlevant une couche et démêler les brins de fibres individuelles sans introduire d’importantes dégradation chimique ou physique.

Résumé

Traditionnellement, armure de corps mou a été faite du poly (p-phénylènetéréphtalamide) (PPTA) et polyéthylène de masse moléculaire ultra-élevée. Toutefois, afin de diversifier les choix de la fibre dans le marché d’armure de corps des États-Unis, fibres de copolymère basé sur la combinaison de 5-amino - 2-(p- aminophenyl) benzimidazole (PBIA) et le PPTA plus conventionnel ont été introduits. Peu est connu au sujet de la stabilité à long terme de ces fibres, mais comme des polymères de condensation, ils devraient avoir la sensibilité potentielle à l’humidité et l’humidité. Par conséquent, caractérisant la résistance des matériaux et de compréhension leur vulnérabilité aux conditions environnementales est importante pour l’évaluation de leur vie d’utilisation dans des applications de sécurité. Résistance balistique et autres critiques propriétés structurelles de ces fibres sont basées sur leur force. Pour déterminer avec précision la force des fibres individuelles, il est nécessaire de les démêler du fil sans introduire aucun dommage. Trois fibres de copolymère aramide-basés ont été choisis pour cette étude. Les fibres ont été lavés avec de l’acétone suivie de méthanol pour enlever un revêtement organique qui a tenu les fibres individuelles dans chaque faisceau de fils ensemble. Ce revêtement, il est difficile de séparer les fibres simples du faisceau de fils pour les essais mécaniques sans endommager les fibres et affectant leur force. Après lavage, spectroscopie de transformée de fourier transform infrared (FTIR) a porté sur des échantillons aussi bien lavés et non lavés, et les résultats ont été comparés. Cette expérience a montré qu’il n’y a aucune variation significative dans les spectres du poly (p-phénylène-benzimidazole-téréphtalamide-co -p-phénylènetéréphtalamide) (PBIA-co-PPTA1) et PBIA-co-PPTA3 après lavage et seulement une petite variation dans intensité pour PBIA. Cela indique que les rinçages de l’acétone et le méthanol ne sont pas défavorablement affectant les fibres et causant une dégradation chimique. En outre, fibre simple traction tests ont été effectués sur les fibres lavées pour caractériser leurs initiales à la traction et la souche à l’échec et comparer à celles d’autres valeurs déclarées. Développement de procédure itérative a été nécessaire de trouver une méthode efficace pour effectuer des essais de traction sur ces fibres.

Introduction

Importante mise au point dans le domaine de la protection personnelle est actuellement sur la réduction de la masse de l’armure du corps nécessaire à la protection des personnels pour l’application de la Loi et applications militaires¹. Dessins traditionnels d’armure sont sont appuyés sur les matériaux tels que poly (p-phénylènetéréphtalamide) (PPTA), également connu sous le nom aramide et polyéthylène pour fournir une protection contre les menaces balistiques². Cependant, il y a un intérêt dans l’exploration de matériaux fibreux différents haute résistance pour leur permettre de réduire le poids de l’armure nécessaire pour arrêter une menace balistique spécifique. Cela a conduit à l’exploration de matériaux alternatifs tels que les fibres d’aramide copolymère. Ces fibres sont faites par la réaction de [5-amino - 2-(p- aminophenyl) benzimidazole] (amidobenzimidazole, ABI) et p- phénylènediamine (p-PDA) avec le chlorure de poly (p- de la forme téréphtaloyle phénylène-benzimidazole-téréphtalamide-co -p-phénylènetéréphtalamide). Dans cette étude, nous examinons trois fibres différentes, qui sont tous des matières produites commercialement obtenus d’un contact de l’industrie. L’un est une fibre homopolymère qui s’effectue en faisant réagir ABI avec p-phénylènediamine pour poly forme 5-amino - 2-(p- aminophenyl) benzimidazole ou PBIA. Les deux autres fibres copolymère examinées dans cette étude sont censés être des copolymères aléatoires avec différentes proportions de PBIA et PPTA liens³. Les ratios relatifs de ces liens n’ont pas peuvent être déterminées expérimentalement à l’aide de la résonance magnétique nucléaire à l’état solide. Ces fibres sont désignés comme PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 d’étendre les dénominations utilisées dans une précédente publication⁴. PBIA-co-PPTA3 n’était pas précédemment étudié, mais il a une structure similaire. Ces systèmes de fibre ont également fait l’objet de plusieurs récemment accordé brevets^5,6,7.

Une résistance balistique supérieure de gilets pare-balles se fonde sur les propriétés mécaniques des matériaux qui le composent, tels que la résistance à la traction et la souche en panne^8,9,10. Des efforts importants de^12,11,13 ont surtout porté sur l’examen de la stabilité à long terme des fibres polymères utilisés dans les gilets pare-balles en enquêtant sur des changements néfastes dans ces propriétés mécaniques après une exposition à conditions environnementales. L’effet des conditions environnementales sur les fibres d’aramide copolymère n’a pas fait l’objet de beaucoup de recherche^3,4. Un défi à l’étude de ces matériaux est la difficulté de démêler les fils d’essai. Des travaux antérieurs par McDonough⁴ étudié une technique par laquelle l’eau a été utilisée pour démêler les fils avant d’effectuer l’essai de traction seule fibre. Toutefois, il n’a aucune compréhension complète sur la question de savoir si la résistance mécanique des fibres a été altérée par cette exposition à l’eau. Une alternative à démêler les fibres consiste à tester la résistance mécanique de l’ensemble des fils, cependant, cela nécessite une grande quantité de matière et est considérée comme la résistance des fibres dans le faisceau de fils, fournissant des informations moins spécifiques moyenne. L’objectif de ce projet est d’examiner l’effet de l’humidité élevée et de la température sur les propriétés mécaniques des fibres d’aramide copolymère. Ainsi, il est essentiel de trouver un autre solvant pour l’enlèvement de revêtement et de dégagement de fibres qui permettre de distinguer l’hydrolyse dans les fibres en raison de l’exposition dans l’environnement de celle induite par la préparation de l’échantillon. La préparation des fibres isolées d’essais est encore compliquée par leur petite taille. Dans cet ouvrage, nous avons étudier plusieurs solvants courants (eau, méthanol et acétone) et sélectionnez l’acétone comme le meilleur choix pour la préparation des fibres isolées d’essais. Toutes les fibres ont été rincés avec du méthanol avant de nouvelles épreuves. Spectroscopie de transformée de Fourier transform infrared (FTIR) est effectuée pour déterminer si l’étape de dissolution et de dégagement de revêtement provoqué aucune dégradation chimique du matériau. Le protocole détaillé de vidéo montrant les étapes de préparation d’échantillon de dégagement, analyses chimiques et essais mécaniques des fibres d’aramide de copolymère est destiné à aider les autres chercheurs dans le développement de méthodologies permettant d’effectuer des études similaires de fibres isolées dans leurs laboratoires.

Protocole

1. la dissolution de l’enduit sur les fibres de copolymère d’aide dans la séparation de la fibre

1. Porter correctement sélectionné gants résistant aux produits chimiques pour prévenir la contamination de la fibre, coupe 160 mm à 170 mm de chaque botte de fil extraite à l’aide de ciseaux en céramique ou une lame de rasoir en acier frais. Réserver le reste du fil si nécessaire pour une analyse ultérieure dans un contenant étiqueté.
2. Faire un nœud ou fixer les extrémités du fil pour garder le fil de s’emmêler fois immergé dans le solvant.
   Remarque : Pour cette étude, des solvants de polarité très variése (de la série de polarité) étaient initialement explorés. Basé sur des résultats qualitatifs, un examen plus approfondi a été réalisé à l’aide d’acétone, d’eau et méthanol. Enfin, l’acétone a été choisi comme le meilleur solvant pour séparation de fibre basée sur la facilité de démêlage et les résultats de microscopie électronique (MEB) balayage (décrits plus loin).
3. Immerger la fibre dans 2 mL à 3 mL du solvant dans un Pétri étiquetées et couvrir avec le couvercle de la boîte de Pétri.
4. Laissez les fils à tremper dans de l’acétone pendant 30 min, puis jetez le solvant.
5. Répéter les étapes 1,3 à 1,4 au moins deux fois et ensuite laisser le solvant s’évapore.
6. Pour éliminer tout résidu de l’acétone et séchage, plongent l’échantillon de 2 mL à 3 mL de méthanol.
7. Laissez les fils à tremper dans le méthanol au moins 30 min.
8. Retirer le fil du solvant et laisser pour sécher pendant au moins 24 h.

2. analyse de revêtement étape de Dissolution par microscopie électronique à balayage

1. Séparer les fibres individuelles avec des pincettes, qui sont préalablement lavés à l’aide de solvants différents depuis le faisceau de fils, pour l’analyse au microscope stéréo si nécessaire.
2. Monter les fibres sur une ébauche de l’inox (1 cm de diamètre) en adhérant eux avec des pincettes sur une bande double face carbone.
3. Enrober les fibres avec un matériau conducteur tel que l’UA et du perfectionnement professionnel pour réduire la surface de chargement effets sous le SEM.
4. Charger les échantillons de fibres dans un microscope électronique à balayage et leur image à 2 kV, accélération de la tension et 50 pA – électron 100 pA actuel. Appliquer les paramètres de neutralisation de charge aux effets de charge compteur si nécessaire.

3. analyse du revêtement étape de Dissolution par transformée de Fourier Transform spectroscopie infrarouge

1. Couper environ 30 mm à 40 mm du faisceau de fils lavé.
2. Obtenir une carte d’échantillon IR adhésive et retirer la pellicule protectrice.
3. Si vous portez des gants pour protéger l’échantillon de la pollution, tournez légèrement le faisceau de fibres pour fusionner l’échantillon à analyser et placez l’échantillon sur la fenêtre de la carte.
4. Préparer le FTIR pour l’analyse selon les spécifications du fabricant. Allumez le gaz de purge, remplir le détecteur à l’azote liquide et installer l’accessoire ATR à l’aide de la plaque d’alignement magnétique dans le compartiment de l’échantillon.
5. Programmer les paramètres pour nombre de scans et résolution d’instrument dans l’onglet mesure avancée du logiciel instrument, en l’occurrence, 128 scans sont en moyenne à une résolution de 4 cm^-1.
6. Nettoyer la vitre de l’accessoire de l’ATR avec une lingette de charpie faible et du méthanol.
7. Recueillir un fond en pressant la touche de frais virés d’arrière-plan dans la fenêtre de mesure de base du logiciel avec les paramètres sélectionnés à l’étape 3.5.
8. Aligner l’échantillon de fibre sur la fenêtre dans l’accessoire de l’ATR, en utilisant le microscope et le moniteur vidéo pour aider à positionner la fibre.
9. Collecter un spectre de l’échantillon en appuyant sur le bouton échantillon frais virés dans la fenêtre de mesure de base du logiciel en utilisant les paramètres sélectionnés à l’étape 3.5.
10. Répétez les étapes 3,6 à 3,9, recueillant au moins 3 spectres par échantillon, jusqu'à ce que tous les échantillons ont été analysés.

4. analyse des fibres par diffusion des rayons x grand Angle

1. En portant des gants en nitrile, opérée à environ 25 mm du fil de la bobine de fil à l’aide d’une lame de rasoir.
2. Centrer chaque botte du fil sur le trou intérieur de 6,25 mm d’une rondelle d’acier inoxydable de 25 mm.
3. Scotchez le faisceau de fils à la laveuse pour maintenir en place à l’aide de ruban de cellophane.
4. Répétez les étapes 4.1 à 4.3 pour les deux autres types de fils.
5. Scotchez les rondelles contenant les faisceaux de fils à un bloc de support inox échantillon (qui contient des tiges métalliques pour le positionnement) comme illustré à la Figure 1. Les fibres doivent être dans la configuration verticale pour analyse.
6. Monter un échantillon de contrôle Béhénate argent au bloc porte échantillon dans la même position que les rondelles.
7. Ouvrir la porte à l’instrument et montez le bloc porte à l’étape de l’analyse en utilisant le système d’alignement magnétique.
8. Fermer la porte à la chambre de porte échantillon et activer la pompe à vide pour évacuer la chambre de l’analyse d’échantillon. Moniteur le vacuomètre monté à côté de l’instrument jusqu'à ce que le vide atteint environ 1600 PA.
9. Ouvrez le logiciel de l’instrument, activer le faisceau et effectuer un balayage horizontal pour déterminer l’emplacement de chaque échantillon sur le porte-échantillon x.
10. Après avoir identifié l’emplacement x de chaque échantillon, effectuer un balayage vertical afin d’optimiser l’emplacement-y pour obtenir l’intensité maximale du signal pour chaque échantillon.
11. Une fois les x et les y-emplacements sont déterminés, commencer la mesure par analyse de l’échantillon de contrôle Béhénate argent pour déterminer la distance entre l’échantillon et chaque détecteur.
12. Analyser le premier échantillon de fibre à l’aide d’un temps d’exposition de 10 min.
13. Répétez l’étape 4.13 deux fois supplémentaires pour un total scan de temps de 30 min.
    Remarque : Ce protocole est utilisé au lieu d’un seul cas de scan long 30 min car il y a des problèmes avec l’exposition de l’échantillon à minimiser le temps gaspillé instrument.
14. En moyenne les 3 scans pour obtenir le résultat final à l’aide de la fonction moyenne en Fit logiciel 2D.
15. Répétez les étapes 4.13-4.15 pour chaque échantillon supplémentaire.

5. fils de dégagement et préparation pour essais de traction

1. Obtenir un 30 x 30 cm ou plus grand panneau de plastique transparent (polycarbonate feuilles sont utilisées dans ces expériences) qui peut être placé sur un fond sombre, ou un panneau de plastique sombre de mêmes dimensions.
2. Couper les morceaux de ruban-cache tack faible (environ 10 mm à 5 mm) et sont disponibles pour les étapes suivantes. Effectuez cette étape sur une surface de verre et coupé le ruban avec une lame de rasoir.
3. Scotchez les deux extrémités d’un modèle de papier rectangulaire de calibre 20 mm à la carte en plastique afin qu’il se trouve complètement à plat.
   Remarque : 20 mm est sélectionné comme la longueur de jauge optimale pour ces tests basés sur des travaux antérieurs et la séparation de mâchoire disponible de l’instrument.
4. Portant des gants en nitrile pour prévenir la contamination, opérée à environ 70 mm à 80 mm de laine rincée et le placer sur une lame de verre ou autre surface propre (Figure 2 aet b).
5. À l’aide d’un microscope stéréo pour aider éclaircissement, retirer avec précaution une seule fibre de la laine à l’aide de la pince à épiler. Veiller à ne pas s’accrocher ou d’endommager la fibre au cours de ce processus. Défaire les fibres qui sont endommagées (Figure 2c).
6. Placez une seule fibre sur le dessus du modèle de papier, en vous assurant que la fibre est alignée sur les repères sur le modèle (Figure 2d- f).
7. Les deux extrémités de la fibre au Conseil de bande. Afin d’améliorer la visibilité de la fibre, placez un fond sombre sous le panneau de plastique transparent ou utilisez un panneau en plastique noir. La fibre devrait fixer les droites et légèrement enseignée à travers le modèle (Figure 2f).
8. Répétez les étapes 5.3 à 5.7 jusqu'à environ 35 à 45 fibres sont montés sur les modèles de document distinct pour chaque type de fibre. Dans ce cas, il y a trois types de fibres : PBIA-co-PPTA1 et PBIA PBIA-co-PPTA3.
9. Une fois que toutes les fibres sont collées sur le panneau de plastique, ajouter une petite goutte de colle cyanoacrylate à chaque extrémité de la fibre aligné au modèle papier. Laisser 1 cm de libre de la colle aux extrémités des modèles de document pour la préhension au cours de l’essai de traction.
   NOTE : Cyanoacrylate s’est avéré pour être le meilleur adhésif pour ce matériel, une tentative infructueuse avec un époxy de cure de 24h est affichée dans les résultats de représentant.
10. Laisser l’adhésif à prendre pendant au moins 24 heures avant l’essai.

6. seule fibre essai de traction

1. Déterminer la longueur de gage et le taux d’extension qui fournit les résultats les plus cohérents pour le spécimen d’intérêt. Ces paramètres peuvent être dictées par la quantité d’échantillon disponible et par les limites de l’installation expérimentale.
2. Préparer l’appareil pour l’essai en installant des poignées de traction et de calibrage de l’écart.
3. Programme l’instrument pour déplacer les poignées permettant le passage de 30 mm, ce qui correspond à la longueur de gage choisie selon la taille du modèle papier et l’espace de 10 mm à gauche à chaque extrémité de la mâchoire.
4. Desserrer les visages de poignée pour créer un espace pour charger le modèle de document qui contient la fibre unique.
5. Déplacez l’un des échantillons préparés à l’étape 5 à l’instrument. À l’aide des mains gantées, une petite spatule et pince à épiler, nourrir le modèle via les deux poignées, utilisation des marques sur le gabarit pour aider au placement. S’assurer que la colle est à l’extérieur de la zone de prise.
6. Doucement, aligner et fermer la face de la poignée supérieure, tout en soutenant toujours la fibre afin qu’il ne glisse pas vers le bas.
7. Serrer les vis en haut et en bas avec une clé dynamométrique jusqu'à ce que les vis sont serrées juste.
8. Répétez l’étape 6,7 pour les vis du bas.
9. Serrer les vis sur les poignées supérieures et inférieures à l’aide d’une clé dynamométrique. Prendre soin de serrer les vis en croix pour équilibrer la charge sur la fibre.
   Remarque : Le couple approprié à utiliser peut-être varier et doit être déterminé expérimentalement. cN·m 30 a été utilisé dans ces expériences.
10. Couper les deux côtés du modèle papier avec des ciseaux.
11. Programmer l’appareil pour effectuer l’essai de traction à un taux constant d’extension de 0,0125 mm/s, de contrôler l’affichage et d’arrête l’essai lorsque la fibre a cassé.
12. À la fin du test, retirez la fibre les poignées en desserrant les faces de la poignée. Observez l’emplacement du saut et préserver la fibre cassée dans un contenant étiqueté pour une analyse ultérieure.
    Remarque : Les fibres qui rompt à la face de la poignée sont supprimées d’analyse comme « sauts de mâchoire » comme décrit dans la norme ASTM D3822.
13. Retournez l’écart à 30 mm et répétez les étapes 6.4-6.12 jusqu'à ce que tous les échantillons sont testés.
14. Sauver les fragments de fibres cassées dans le modèle pour une analyse microscopique ultérieure.

Résultats

Les fibres d’aramide de copolymère étudiés ici sont difficiles à séparer des faisceaux de fils en fibres individuelles pour les tests. Les fibres sont enchevêtrées et recouvert de traitement des produits chimiques qui les rendent très difficile de séparer sans endommager les fibres. La figure 3 illustre la morphologie structurale des fibres dans un fil. Même en tant que partie d’un ensemble plus grand, les surfaces de fibre montrent une rugosit?...

Discussion

La méthode décrite ici fournit un protocole alternatif à base de solvant pour enlever les revêtements de fibres d’aramide copolymère sans utiliser de l’eau. Deux précédentes études^3,4 a montré la preuve de l’hydrolyse dans les fibres de cette composition chimique, avec une exposition à la vapeur d’eau ou de l’eau liquide. Éviter l’hydrolyse au cours de la préparation de l’échantillon est essentielle pour la prochaine phase d’expérien...

matériels

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