Districante fibre di aramide copolimero ad alta resistenza per consentire la determinazione delle loro proprietà meccaniche

Riepilogo

L'obiettivo primario dello studio è quello di sviluppare un protocollo per preparare campioni coerenti per test meccanici accurati ad alta resistenza copolimero fibre di aramide, rimuovendo un rivestimento e districare i fili di fibra specifica senza introdurre significative degradazione chimica o fisica.

Abstract

Tradizionalmente, morbido corpo armatura è stato fatto da poli (p-fenilene terephthalamide) (PPTA) e polietilene a peso molecolare ultra-elevato. Tuttavia, per diversificare le scelte di fibra nel mercato di armatura di corpo degli Stati Uniti, fibre di copolimero basano sulla combinazione di 5-ammino - 2-(p- aminophenyl) benzimidazolo (PBIA) e sono stati introdotti il PPTA più convenzionale. Piccolo è conosciuto per quanto riguarda la stabilità a lungo termine di queste fibre, ma come polimeri di condensazione, ci si aspetta di avere potenziale sensibilità all'umidità e all'umidità. Pertanto, che caratterizza la resistenza dei materiali e comprensione loro vulnerabilità alle condizioni ambientali è importante per valutare la loro durata di utilizzo in applicazioni di sicurezza. Resistenza balistica e altri critici proprietà strutturali di queste fibre sono fondate sulla loro forza. Per determinare con precisione la forza delle singole fibre, è necessario districarsi tra loro dal filato senza introdurre alcun danno. Tre fibre di aramide-base di copolimero sono stati selezionati per lo studio. Le fibre sono state lavate con acetone seguito da metanolo per rimuovere un rivestimento organico che tengono insieme le singole fibre in ogni pacco di filato. Questo rivestimento rende difficile separare singole fibre dal fascio di filato per prove meccaniche senza danneggiare le fibre e che interessano la loro forza. Dopo il lavaggio, spettroscopia di trasformata di fourier transform a infrarossi (FTIR) è stata effettuata su campioni sia lavati e non lavati e i risultati sono stati confrontati. Questo esperimento ha dimostrato che non esistono significative varianti negli spettri di poli (p-fenilene-benzimidazolo-terephthalamide-co -p-fenilene terephthalamide) (PBIA-co-PPTA1) e PBIA-co-PPTA3 dopo il lavaggio e solo una piccola variazione in intensità per PBIA. Questo indica che l'acetone e metanolo risciacqui sono non negativamente che interessa le fibre e che causano la degradazione chimica. Inoltre, prove di trazione singola fibra è stata effettuata sulle fibre lavate per caratterizzare la loro iniziale resistenza alla trazione e la deformazione a rottura e confrontare con quelli di altri valori segnalati. Sviluppo iterativo procedura era necessario trovare un metodo di successo per l'esecuzione di prove di trazione su queste fibre.

Introduzione

Attualmente, focus significativo nel campo della protezione personale è sulla riduzione della massa del corpo armatura necessaria per la protezione personale per l'applicazione della legge e applicazioni militari¹. Disegni di armature tradizionali hanno fatto affidamento su materiali come poli (p-fenilene terephthalamide) (PPTA), noto anche come aramide e polietilene per fornire protezione contro minacce balistiche². Tuttavia, c'è un interesse nell'esplorare materiali in fibra ad alta resistenza differenti per il loro potenziale per ridurre il peso dell'armatura necessaria per interrompere una specifica minaccia balistica. Questo ha portato all'esplorazione di materiali alternativi quali le fibre di aramide copolimero. Queste fibre sono fatte dalla reazione del [5-ammino - 2-(p- aminophenyl) benzimidazolo] (amidobenzimidazole, ABI) e p- fenilendiammina (p-PDA) con cloruro di tereftaloile a poly form (p- fenilene-benzimidazolo-terephthalamide-co -p-fenilene terephthalamide). In questo studio, esaminiamo tre diverse fibre, che sono materiali in commercio prodotti ottenuti da un contatto di industria. Uno è una fibra di omopolimero che è fatto da ABI reagire con p-fenilendiammina per poli forma 5-ammino - 2-(p- aminophenyl) benzimidazolo, o PBIA. Le altre due fibre copolimero esaminate in questo studio si presume siano copolimeri random con differenti rapporti di PBIA e PPTA collegamenti³. I rapporti relativi di questi collegamenti non possono essere determinati sperimentalmente utilizzando Solid stata risonanza magnetica. Queste fibre sono designate come PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 di estendere le denominazioni in una precedente pubblicazione⁴. PBIA-co-PPTA3 non è stato studiato in precedenza, ma ha una struttura simile. Questi sistemi di fibra sono stati anche l'attenzione di parecchi recentemente concessi brevetti^5,6,7.

Resistenza superiore balistico di armatura si basa sulle proprietà meccaniche dei materiali che lo compongono, quali resistenza alla trazione e lo sforzo per guasto^8,9,10. Notevoli sforzi^11,12,13 sono stati concentrati sull'esame la stabilità a lungo termine delle fibre polimeriche utilizzato in armatura da indagare cambiamenti nocivi in queste proprietà meccaniche dopo l'esposizione a condizioni ambientali. L'effetto delle condizioni ambientali su fibre aramidiche copolimero non è stato oggetto di un sacco di ricerca^3,4. Una sfida per lo studio di questi materiali è la difficoltà di districare filati per il test. Lavoro anteriore di McDonough⁴ studiato una tecnica con cui è stato utilizzato acqua districarsi tra filati prima di eseguire prove di trazione singola fibra. Tuttavia, non c'era nessuna comprensione completa su se la resistenza meccanica delle fibre è stata alterata da questa esposizione all'acqua. Un'alternativa a districare le fibre è quello di testare la resistenza meccanica del pacco del filato, tuttavia, questo richiede una grande quantità di materiale ed è considerata di media la resistenza delle fibre in bundle il filato, fornendo informazioni meno specifiche. L'obiettivo di questo progetto è quello di esaminare l'effetto di temperatura e umidità elevata, sulle proprietà meccaniche delle fibre aramidiche copolimero. Quindi, è essenziale per trovare un'alternativo solvente per la rimozione del rivestimento e discriminando fibra che ci consentirà di distinguere idrolisi nelle fibre a causa dell'esposizione ambientale da quello indotto dalla preparazione del campione. La preparazione delle singole fibre per il test è ulteriormente complicata dalla loro piccola dimensione. In questo lavoro, abbiamo indagare diversi comuni solventi (acetone, metanolo e acqua) e selezionare acetone come la scelta migliore per la preparazione delle singole fibre per il test. Tutte le fibre sono state risciacquate con metanolo prima di ulteriori test. Spettroscopia di trasformata di Fourier transform a infrarossi (FTIR) viene eseguita per determinare se il passaggio di dissoluzione e discriminando rivestimento causato qualsiasi degradazione chimica del materiale. Il protocollo dettagliato dei video che mostra la procedura di preparazione del campione di dissociazione, analisi chimica e prove meccaniche di fibre aramidiche copolimero è destinato ad assistere altri ricercatori nello sviluppo di metodologie per l'esecuzione di studi analoghi di singole fibre nei loro laboratori.

Protocollo

1. dissoluzione del rivestimento su fibre di copolimero per aiuto nella separazione della fibra

1. Indossa opportunamente selezionati chimicamente resistenti guanti per prevenire la contaminazione della fibra, taglio 160 mm a 170 mm da ciascun bundle di filato estratte con le forbici in ceramica o una lama di rasoio in acciaio dolce. Il resto del filato si riserva se necessario per un'ulteriore analisi in un contenitore con etichetta.
2. Nodo o fissare le estremità del filo per tenere il filo dal groviglio quando immerso nel solvente.
   Nota: Per questo studio, solventi di polarità ampio respiro (appartenente alla serie di polarità) inizialmente sono stati esplorati. Basato su risultati qualitativi, un esame più approfondito è stato condotto utilizzando acetone, acqua e metanolo. Infine, acetone è stato selezionato come il solvente migliore per la separazione della fibra basato sulla facilità di districare e i risultati di microscopia elettronica (SEM) scansione (descritti più avanti).
3. Immergere la fibra in 2 mL a 3 mL di solvente in una capsula di Petri con etichetta e coprire con il coperchio della scatola di Petri.
4. Consentire i filati in ammollo nell'acetone per 30 min, poi scarta il solvente.
5. Ripetere i passaggi da 1.3 a 1.4 almeno due volte e poi lasciare evaporare il solvente.
6. Per rimuovere eventuali residui di acetone e all'aiuto in essiccazione, immergere il campione a 2 mL a 3 mL di metanolo.
7. Consentire i filati in ammollo in metanolo almeno 30 min.
8. Rimuovere il filo dal solvente e lasciare per asciugare per almeno 24 h.

2. analisi della fase di dissoluzione del rivestimento di microscopia elettronica a scansione

1. Separare le singole fibre con le pinzette, che vengono precedentemente lavate utilizzando solventi diversi dal fascio di filato, per l'analisi al microscopio stereo se necessario.
2. Montare le fibre su un albero mozzo in acciaio inox (1 cm di diametro) aderendo con le pinzette sul nastro biadesivo carbonio.
3. Ricoprire le fibre con un materiale conduttivo come Au/Pd per mitigare la superficie carica effetti sotto SEM.
4. Caricare i campioni di fibra in un microscopio elettronico a scansione e la loro immagine a 2 kV accelerando la tensione e 50 pA – corrente di elettroni di 100 pA. Applicare impostazioni di neutralizzazione di carica agli effetti carica contatore ove necessario.

3. analisi di rivestimento passo di dissoluzione di Fourier Transform spettroscopia infrarossa

1. Tagliare circa 30 mm a 40 mm del pacco del filato lavato.
2. Ottenere un campionario di IR adesivo e rimuovere il rivestimento protettivo.
3. Anche con i guanti per proteggere il campione dalla contaminazione, leggermente torcere il fascio di fibre ottiche per fondersi il campione per l'analisi e il campione viene posto sopra la finestra della scheda.
4. Preparare il FTIR per l'analisi secondo le specifiche del produttore. Accendere il gas dell'eliminazione dei fogli inceppati, riempire il rivelatore con azoto liquido e installare l'accessorio ATR utilizzando la piastra di allineamento magnetico nel vano del campione.
5. Programmare i parametri per il numero di scansioni e la risoluzione dello strumento nella scheda avanzato di misurazione del software dello strumento, in questo caso, vengono calcolata una media di 128 scansioni ad una risoluzione di 4 cm^-1.
6. Pulire la finestra dell'accessorio ATR con un panno basso wipe e metanolo.
7. Raccogliere un sfondo premendo il pulsante di raccogliere sfondo nella finestra di misura di base del software con i parametri selezionati al punto 3.5.
8. Allineare il campione di fibra sopra la finestra nell'accessorio ATR, utilizzando il microscopio e monitor video per aiutare a posizionare la fibra.
9. Raccogliere un campione spettro premendo il pulsante di esempio collect nella finestra di misura di base del software utilizzando i parametri selezionati al punto 3.5.
10. Ripetere i passaggi 3.6-3.9, raccolta almeno 3 spettri per campione fino a quando tutti i campioni sono stati analizzati.

4. analisi delle fibre dal grandangolo x-ray Scattering

1. Anche con i guanti di nitrile, tagliare circa 25 mm del filo dalla bobina di filato utilizzando una lama di rasoio.
2. Ogni fascio del filato del centro sopra il foro interno di 6,25 mm di una rondella in acciaio inox di 25 mm.
3. Il bundle di filato per la rondella per tenerlo in posizione con nastro adesivo del nastro.
4. Ripetere i passaggi da 4.1 a 4.3 per gli altri due tipi di filato.
5. Nastro, le rondelle che contengono i pacchi di filato a un blocco di porta campione in acciaio inox (che contiene barre metalliche per posizionamento) come mostrato nella Figura 1. Le fibre dovrebbero essere nella configurazione verticale per l'analisi.
6. Montare un campione di controllo di behenate d'argento per il blocco di porta campione nella stessa posizione come le rondelle.
7. Aprire la porta allo strumento e montare il blocco della porta di campione per la fase di analisi utilizzando il sistema di allineamento magnetico.
8. Chiudere la porta della camera del titolare campione e attivare la pompa a vuoto per evacuare la camera di analisi del campione. Monitor il vuotometro montato a fianco dello strumento fino a quando il vuoto raggiunge circa 1600 PA.
9. Aprire il software dello strumento, attivare il fascio ed eseguire una scansione orizzontale per determinare la posizione x di ogni campione il supporto del campione.
10. Dopo aver individuato la posizione x di ogni campione, eseguire una scansione verticale per ottimizzare la posizione y per ottenere l'intensità di segnale massima per ciascun campione.
11. Una volta che x e y-sedi sono determinati, iniziare la misurazione analizzando il campione di controllo behenate argento per determinare la distanza tra il campione e ogni rivelatore.
12. Analizzare il primo campione di fibra utilizzando un tempo di esposizione di 10 min.
13. Ripetere il punto 4.13 altre due volte per un totale di scansione tempo di 30 min.
    Nota: Questo protocollo viene utilizzato invece di un caso di scansione di 30min lungo perché ci sono problemi con l'esposizione di campione per minimizzare il tempo sprecato strumento.
14. Media 3 scansioni per ottenere il risultato finale utilizzando la funzione media nel software 2D Fit.
15. Ripetere i passaggi da 4,13-4,15 per ogni ulteriore esempio.

5. preparazione per prove di trazione e dissociazione del filato

1. Ottenere un 30 x 30 cm o più grande bordo di plastica trasparente (policarbonato fogli sono utilizzati in questi esperimenti) che può essere posizionato su uno sfondo scuro, o un bordo di plastica scuro delle stesse dimensioni.
2. Tagliare pezzi di nastro adesivo l'aderenza bassa (circa 10 mm 5 mm) e li hanno disponibili per le seguenti operazioni. Eseguire questo passaggio su una superficie di vetro e tagliare il nastro con una lama di rasoio.
3. Nastro entrambe le estremità di un modello di carta rettangolare di calibro 20 mm per il bordo di plastica in modo che si trova completamente piatto.
   Nota: 20mm è selezionato come la lunghezza ottimale per questi test basato sul precedente lavoro e la separazione di mascella disponibile dello strumento.
4. Indossare guanti in nitrile per prevenire la contaminazione, tagliare circa 70 mm a 80 mm di filato sciacquato e posto su un vetrino o altra superficie pulita (Figura 2a-b).
5. Usando un microscopio stereo per assistere discriminando, attentamente rimuovere una singola fibra dal filato utilizzando una pinzetta. Fare attenzione a non urtare o danneggiare la fibra durante questo processo. Eliminare qualsiasi fibre che sono danneggiate (Figura 2C).
6. Posizionare una singola fibra in cima la sagoma di carta, assicurandosi che la fibra è allineata con i marcatori sul modello (figura 2d- f).
7. Entrambe le estremità della fibra per il bordo del nastro. Al fine di migliorare la visibilità della fibra, mettere uno sfondo scuro sotto il bordo di plastica trasparente o utilizzare una scheda di plastica nera. La fibra dovrebbe stabilire dritto e leggermente insegnato attraverso il modello (Figura 2f).
8. Ripetere i passaggi 5.3 a 5,7 circa 35 a 45 fibre sono montati sui modelli di foglio di carta separato per ogni tipo di fibra. In questo caso, ci sono tre tipi di fibre: PBIA-co-PPTA1, PBIA e PBIA-co-PPTA3.
9. Una volta che tutte le fibre sono nastrate per il bordo di plastica, aggiungere una piccola goccia di adesivo cianoacrilato a ciascuna estremità della fibra allineato per il modello di carta. Lasciare 1 cm libero di colla alle estremità dei modelli di carta per la presa durante prove di trazione.
   Nota: Il cianoacrilato è stato trovato per essere il migliore adesivo per questo materiale, un tentativo infruttuoso con un resina epossidica della cura di 24h è mostrato nei risultati del rappresentante.
10. Consentire l'adesivo curare per almeno 24 h prima del test.

6. singola fibra di prove di trazione

1. Determinare la lunghezza di gage e il tasso di estensione che fornisce i risultati più coerenti per il campione di interesse. Questi parametri possono essere dettati dalla quantità di campione disponibile e dalle limitazioni dell'apparato sperimentale.
2. Preparare lo strumento per il test installando impugnature di trazione e calibrare il divario.
3. Programma lo strumento per spostare i grip per fornire uno spazio di 30 mm, che è la lunghezza di gage selezionata basato sulla dimensione della mascherina di carta e lo spazio di 10 mm a sinistra ad ogni estremità per la mascella.
4. Allentare le superfici di presa per creare un gap per il caricamento del modello di carta che contiene la singola fibra.
5. Spostare uno dei campioni preparati al passaggio 5 per lo strumento. Utilizzando le mani guantate, una piccola spatola e pinzette, feed il modello mediante due morsetti, usando i segni sul modello per aiutare il posizionamento. Assicurarsi che la colla è di fuori della zona di presa.
6. Allineare delicatamente e chiudere il volto di presa superiore, supportando comunque la fibra in modo che esso non scivolare giù.
7. Serrare le viti superiore e inferiore con una chiave dinamometrica fino a quando le viti sono appena strette.
8. Ripetere il passaggio 6.7 per le viti inferiori.
9. Serrare le viti sulle manopole superiore e inferiore utilizzando una chiave dinamometrica. Fare attenzione a serrare le viti in uno schema a croce per bilanciare il carico sulla fibra.
   Nota: La coppia appropriata da utilizzare può variare e dovrà essere determinata sperimentalmente. 30 cN·m è stato utilizzato in questi esperimenti.
10. Tagliare entrambi i lati della mascherina di carta con le forbici.
11. Programmare lo strumento per eseguire la prova di trazione ad un tasso costante di estensione di 0,0125 mm/s, monitorare il display e fermare la prova quando la fibra è rotto.
12. Alla fine del test, è necessario rimuovere la fibra dalle impugnature allentando le superfici di presa. Osservare la posizione di pausa e preservare la fibra rotta in un contenitore con etichetta per ulteriori analisi.
    Nota: Fibre che si rompono il volto di presa vengono eliminati dall'analisi come "interruzioni di mascella" come descritto in ASTM D3822.
13. Restituire il divario a 30 mm e ripetere i passaggi 6.4-6.12 fino a quando tutti i campioni sono testati.
14. Salvare i frammenti di fibra rotto nel modello per ulteriori analisi microscopica.

Risultati

Le fibre di aramide copolimero studiate qui sono difficili da separare da fasci di filato nelle diverse fibre per il test. Le fibre sono impigliate e rivestite con l'elaborazione di sostanze chimiche che li rendono molto difficile da separare senza danneggiare le fibre. La figura 3 Mostra la morfologia strutturale delle fibre all'interno di un filato. Anche come parte di un pacchetto più grande, le superfici di fibra Visualizza vasto rugosità e lacrime che ...

Discussione

Il metodo descritto nel presente documento fornisce un protocollo alternativo a base di solvente per la rimozione di rivestimenti da fibre aramidiche copolimero senza usare acqua. Due precedenti studi^3,4 ha mostrato la prova di idrolisi nelle fibre di questa composizione chimica, con l'esposizione al vapore acqueo o acqua liquida. Evitando di idrolisi durante la preparazione del campione è fondamentale per la prossima fase di esperimenti dove questi insiemi di f...

Materiali

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