その力学的特性の測定を可能にする高強度共重合体のアラミド繊維を disentangling

要約

研究の主な目的はコーティングを削除し、重要な導入することがなく個々 の繊維のストランドを disentangling によって高強度アラミド繊維の正確な機械試験の一貫した標本を準備するためのプロトコルを開発するには化学的または物理的な劣化。

要約

伝統的に、柔らかな体の鎧は、ポリから作られています (p-フェニレンテレフタルアミド) (PPTA) と超高分子量ポリエチレン。しかし、アメリカ合衆国の体鎧市場で繊維の選択肢の多様化、共重合体繊維の組み合わせに基づいて 5-アミノ - 2-(p-アミノフェニールスルファミン) ベンズイミダゾール (PBIA) より従来 PPTA を導入。少しはこれらの繊維の長期安定性について知られているが、縮合ポリマーとして湿気および湿気を潜在的な感度を有することが期待されます。したがって、材料と理解の強さを特徴付ける環境条件への脆弱性は、安全アプリケーションでの使用寿命を評価するため重要です。弾道抵抗とこれらの繊維の他の重要な構造の特性、強度に基づいています。個々 の繊維の強さを正確に判断するには、損害を導入することがなく糸からそれらを分離する必要は。3 アラミド系繊維を研究しました。繊維は、各糸束の個々 の繊維を一緒に開催された有機のコーティングを除去するメタノール続いてアセトンで洗浄しました。このコーティングは、繊維にダメージを与えると、その強さに影響を与えることがなく機械試験用糸束から単一繊維を分離する困難になります。洗浄後、洗浄と洗っていないサンプルに対してフーリエ変換の赤外線 (FTIR) 分光法と比較しました。この実験は、ポリのスペクトルに大きな変化がないことを示している (p-フェニレン-ベンゾイミダゾール-terephthalamide-co-p-フェニレンテレフタルアミド) (PBIA-co-PPTA1) と PBIA-co-PPTA3 洗浄前後の小さな変化ではのみPBIA の強度。これはアセトンとメタノールのリンスを悪影響を及ぼさない繊維に影響を与えると、化学的な劣化の原因を示します。さらに、単繊維引張試験は、彼らの初期の引張強度と失敗にひずみを特徴付ける以外のレポート値にそれらを比較して洗浄繊維で実行されました。反復的なプロシージャの開発これらの繊維の引張試験を実行するための成功した方法を見つける必要があります。

概要

現在、個人保護の分野で重要な焦点は法執行機関と軍事アプリケーション¹の個人的な保護のために必要な体の鎧の重量を減らすことです。伝統的な鎧のデザインは、ポリのような材料に依存している (p-フェニレンテレフタルアミド) (PPTA)、アラミド繊維と²弾道ミサイルの脅威に対して保護を提供するポリエチレンとして知られています。しかし、その潜在的な特定の弾道ミサイルの脅威を停止するために必要な鎧の重量を減らすために別の高強度繊維材料の探索に興味があります。これは、アラミド繊維などの代替材料の開発につながっています。これらの繊維の反応によって作られています [5-アミノ - 2-(p-アミノフェニールスルファミン) ベンズイミダゾール] (amidobenzimidazole、ABI) とpフェニレンジアミン (pPDA) をフォームのポリゴン (p- terephthaloyl 塩化フェニレン-ベンゾイミダゾール-terephthalamide-co-p-フェニレンテレフタルアミド)。本研究では、業界の連絡先から得られる市販の材料は、すべての 3 つの異なる繊維を調べます。フォーム ポリゴン 5 p-フェニレンジアミンと反応 ABI で作られているホモポリマー繊維である-アミノ - 2-(p-アミノフェニールスルファミン) ベンズイミダゾール系薬剤、または PBIA。本研究で検討した他の 2 つの共重合体の繊維は PBIA PPTA 連携³の縦横比の異なるランダム共重合体をする予定です。固体核磁気共鳴を用いてこれらの連携の相対比を特定できません。これらの繊維は PBIA-co-PPTA3 以前の文書⁴で使用されている名称を拡張する PBIA-co-PPTA1 として指定されます。PBIA co PPTA3 は以前研究されませんでしたが、似たような構造を持っています。これらの繊維のシステムもいくつか最近与えられた特許^5,6、7のフォーカスをされています。

体の鎧の優れた弾道抵抗は最終的な引張強さなど障害^8,9,10に歪み、それを構成する材料の機械的性質を前提と。多大な努力^11,12,13への暴露後これらの機械的性質の有害な変化を調べることにより体の鎧に使われる高分子繊維の長期安定性を調べることで注目されています。環境条件。アラミド繊維に及ぼす環境条件は研究^3,4の多くの対象にされていません。これらの材料を勉強する 1 つの課題は、テスト用の毛糸を disentangling で困難です。マクドノウ⁴で前の仕事調査、水単繊維引張試験を行う前に糸を解きほぐすに使用された技術です。しかし、この水曝露による繊維の機械的強度が変更されたかどうかに関する完全な理解がありませんでした。繊維を disentangling する代わりに糸束の強度をテストするのには、ただし、大規模な量を必要とするより具体的な情報を提供する糸束の繊維の強度を平均すると見なされます。このプロジェクトの目標は、アラミド繊維の機械的特性に及ぼす高湿度と温度を調べることです。したがって、コーティング除去・繊維ほぐし繊維試料調製によって誘導から環境の露出のために加水分解を区別できる代替溶剤を見つけるために不可欠です。単一繊維のテストのための準備は、サイズが小さいことさらに複雑です。この作業では、いくつかの一般的な溶媒 (水、メタノール、アセトン) を調査し、単一繊維のテスト準備のための最良の選択としてアセトンを選択します。すべての繊維は、さらにテスト前にメタノールで洗浄されました。フーリエ変換の赤外線 (FTIR) 分光法を実行かどうかコーティング解散と解きほぐしステップ素材で、化学的な劣化の原因を決定します。解きほぐし、化学分析、および共重合体アラミド繊維の機械試験のサンプル調製手順を示す詳細なビデオ プロトコルの研究を実行するための方法論の開発を他の研究者を支援するものです。単一繊維の研究所。

プロトコル

1. 繊維分離で援助する共重合体繊維へのコーティングの解散

1. セラミックはさみや新鮮な鋼のかみそりの刃を使用して抽出各糸バンドルから 170 mm を 160 mm カット繊維の汚染を防ぐために化学的に抵抗力がある手袋を選択適切に身に着けています。ラベル付きコンテナーのさらなる分析の必要な場合は、糸の残りの部分を留保します。
2. 結び目や絡みが溶媒に没頭してから糸を保つために糸の端をクランプします。
   注: この研究の幅広い極性 (極性のシリーズ) からの溶剤当初検討しました。定性的な結果に基づいてより詳細な検討を行った、水、アセトン、メタノールを使用しています。最後に、detangling の使いやすさに基づく繊維分離と走査型電子顕微鏡 (SEM) 結果 (後述) の最高の溶剤としてアセトンを下されました。
3. ラベル付きシャーレ シャーレのふた付きカバーで溶剤の 3 mL に 2 mL の繊維を浸します。
4. 30 分間アセトンに浸して糸を許可し、溶媒を破棄します。
5. 1.3 〜 1.4 追加で少なくとも 2 回手順を繰り返し、溶剤が蒸発します。
6. アセトンの任意の残基を削除して乾燥を支援するためには、3 mL のメタノールに 2 mL のサンプルを浸します。
7. メタノール、少なくとも 30 分浸漬する糸を許可します。
8. 溶媒から糸を外し、少なくとも 24 時間を乾燥することができます。

2. 溶解工程を走査型電子顕微鏡による皮膜の分析

1. 前に必要に応じてステレオ顕微鏡分析のための糸の束から異なる溶媒を用いた洗浄はピンセットで個々 の繊維を区切ります。
2. ステンレス製スタブ (直径 1 cm) に従うことによって繊維をマウント カーボン両面テープ上にピンセットでそれら。
3. Au/Pd 表面を SEM で効果を帯電を軽減するためになど導電性の材料で繊維をコートします。
4. 走査型電子顕微鏡に繊維サンプルを読み込むし、2 でそれらのイメージ kV 加速電圧 50 pA-100 pA 電子現在。必要な場合は、電荷中和設定カウンター充電効果に適用されます。

3. フーリエ分解ステップを塗装の分析変換赤外分光法

1. 約 30 mm を洗った糸束の 40 mm にカットします。
2. 接着剤の IR サンプル カードを入手し、保護のバッキングを削除します。
3. サンプルを汚染から保護するために手袋を着用しながら分析用サンプルを合体し、カード ウィンドウでサンプル繊維束を少しツイストします。
4. 製造元の仕様に従って分析用、FTIR を準備します。パージのガスをオンに、液体窒素で検出器を記入して試料室の磁場配向板を用いた ATR アクセサリをインストールします。
5. この場合はスキャンと計測器ソフトウェアの高度な測定] タブで楽器の解像度の数のパラメーターをプログラム、128 スキャンを平均 4 cm^-1の解像度で。
6. 低リント ワイプとメタノール ATR アクセサリのウィンドウをクリーニングします。
7. 3.5 の手順で選択したパラメーターをソフトウェアの基本的な測定ウィンドウで収集背景ボタンを押して背景を収集します。
8. 顕微鏡とビデオ モニターを使用して光ファイバーを固定するために、ATR アクセサリでウィンドウに繊維サンプルを合わせます。
9. 3.5 の手順で選択したパラメーターを使用して、ソフトウェアの基本的な測定ウィンドウで収集のサンプル ボタンを押してサンプル スペクトルを収集します。
10. 手順 3.6 3.9、すべてのサンプルが分析されているまで、サンプルあたりの少なくとも 3 のスペクトルを収集します。

4. 広角 x 線散乱法による繊維の分析

1. ニトリル手袋を着用しながら約 25 mm かみそりの刃を使用して糸のスプールから糸をカットします。
2. 6.25 mm 内側の穴 25 mm ステンレス洗濯機の上の糸の各バンドルを中心します。
3. セロハン テープを使ってその場でそれを保持するために洗濯機に糸束をテープします。
4. 糸の他の 2 つのタイプの 4.1 から 4.3 の手順を繰り返します。
5. 図 1に示すように、(位置決め用の金属棒を含む) のステンレス製のサンプル ホルダー ブロックに糸束を含む洗濯機をテープします。繊維分析の垂直方向の設定にする必要があります。
6. ワッシャーと同じ位置でサンプル ホルダー ・ ブロックに銀の behenate コントロールのサンプルをマウントします。
7. 楽器への扉を開き、磁場配向を用いた分析段階にサンプル ホルダー ・ ブロックをマウントします。
8. 試料ホルダー室への扉を閉じ、試料分析室を避難する真空ポンプを作動します。真空計は真空に達する約 1600 まで装置の横にマウント モニター pa.
9. 計測器ソフトウェアを開き、ビームをアクティブに試料ホルダーの各サンプルの x 位置を決定するための水平スキャンを実行します。
10. 各サンプルの x-位置を特定した後に、各サンプルの最大信号強度を取得する y 位置を最適化するために垂直スキャンを実行します。
11. X と y の位置が決まったら、銀 behenate コントロールのサンプルと各検出器間の距離を決定するためのサンプルを分析することによって測定を開始します。
12. 10 分露光時間を使用して最初の繊維サンプルを分析します。
13. 手順を繰り返します 4.13 追加で 2 回、合計スキャン時間 30 分。
    注: このプロトコルを使用 1 つの長い 30 分スキャンの場合ではなく無駄な計器時間を最小限に抑えるためサンプル露出に問題があるので。
14. フィット 2 D ソフトウェアで平均関数を使用して最終的な結果を取得する 3 のスキャンを平均します。
15. 各追加サンプルの 4.13 4.15 の手順を繰り返します。

5. 糸を解きほぐし、引張試験のための準備

1. 30 cm × 30 cm またはより大きい透明プラ板 (ポリカーボネート シートは、これらの実験で使用される) を取得する暗い背景または同じ次元の暗いプラスチック基板に配置できます。
2. 低タック性マスキング テープの部分をカット (約 10 mm 5 mm)、次の手順を利用してもらいます。ガラス表面のこの手順を実行し、かみそりの刃でテープをカットします。
3. 完全に平らになるので、プラ板に 20 mm ゲージの長方形の紙テンプレートの両端をテープします。
   注: 20 ミリメートルは、前作と計測器の使用可能な顎の分離に基づいてこれらのテストの最適なゲージの長さとして選択されます。
4. 汚染を防止するニトリル手袋を着用し、約 70 mm を洗った糸の 80 mm にカット、スライド ガラスまたは他の清潔な表面 (図 2 ab) の上に置きます。
5. 実体顕微鏡を用いた支援解きほぐし、ピンセットを使用して糸から単一繊維を慎重に取り外します。選び出し、この過程で繊維を損傷を避けるために注意してください。放棄し、繊維に (図 2 c) が破損しています。
6. テンプレート (図 2 df) のマーカーと繊維が揃っていることを確認して作る紙のテンプレートの上に 1 つのファイバーを配置します。
7. 基板に光ファイバーの両端をテープします。光ファイバーの可視性を改善するために透明なプラスチックの板の下に暗い背景を入れたり黒のプラ板を使用します。繊維は、(図 2 f) テンプレート間でストレートと少し教えを置く必要があります。
8. 手順 5.3 から 5.7 を繰り返して約 35 に 45 繊維は、繊維の種類ごとに別のペーパー テンプレートに搭載されています。この場合、繊維の 3 種類があります: PBIA co PPTA3、PBIA、PBIA co PPTA1。
9. すべての繊維はプラスチックのボードについている、一度紙のテンプレートに 1 つの繊維の両端にシアノアクリ レート系接着剤の小さなドロップ配置を追加します。引張試験中にグリップ用紙テンプレートの端に接着剤の無料 1 cm を残してください。
   注: シアノアクリ レートはこの材料の最高の接着剤をことがわかった、代表結果で 24 時間硬化エポキシと失敗を表示。
10. テストする前に、少なくとも 24 時間を治すため接着剤を許可します。

6. 単繊維引張試験

1. ゲージの長さと関心の標本の最も一貫した結果を提供する拡張の率を決定します。これらのパラメーターは、実験のセットアップの制限、使用可能なサンプルの量によって決まる可能性があります。
2. 引張グリップをインストールしてからのギャップをキャリブレーション テストのための楽器を準備します。
3. プログラム選択ゲージ長である 30 の mm のギャップを提供するためにグリップを移動する楽器は紙のテンプレートと、顎の両端に 10 mm 容量のサイズに基づいています。
4. 単一の繊維が含まれています紙テンプレートの読み込みのギャップを作成するグリップ面緩めます。
5. 計測器に手順 5 で準備のサンプルの 1 つに移動します。手袋をはめた手、小さなヘラ、ピンセットを使用すると、テンプレートは、テンプレートの配置を支援するためにマークを使用して、両方のグリップを介してフィードします。グリップ領域の外側接着剤であることを確認します。
6. ゆっくり合わせ、ダウン スライドしないので、光ファイバーをサポートしながらトップのグリップの顔を閉じる。
7. ネジが締まってちょうどまでは、トルクレンチで上部と下部のネジを締めます。
8. 底面のネジの 6.7 のステップを繰り返します。
9. トルク レンチを使用して上限と下限のグリップのネジを締めます。繊維の負荷を分散するクロスのパターンでネジに注意してください。
   注: を使用する適切なトルクは異なる場合があります、実験的に決定する必要があります。30 cN·m は、これらの実験で使用されました。
10. はさみで紙のテンプレートの両方の側面をトリミングします。
11. プログラムの拡張子は 0.0125 mm/s の一定速度引張試験を実行、表示を監視し、繊維が壊れているときは、テストを停止する楽器。
12. テストの最後に、グリップ面緩め、グリップから繊維を削除します。休憩場所を観察し、さらなる分析のためのラベルの付いたコンテナーの繊維破断を維持します。
    注: グリップの顔を破る繊維から破棄される分析「顎改」として ASTM D3822 で説明したよう。
13. 30 mm のギャップを戻り、手順 6.4 6.12 を繰り返して、すべてのサンプルがテストされます。
14. さらに顕微解析用のテンプレートで壊れた繊維フラグメントを保存します。

結果

ここで学んだ共重合体アラミド繊維糸束からテストのための個々 の繊維に分離が困難です。繊維は絡み合い、繊維を損なうことがなく分離することが非常に難しくそれら化学物質の処理とコーティングします。図 3は、糸内の繊維の構造形態を示しています。大きなバンドルの一部としても繊維表面表示豊富な粗さと涙隣接する繊維に強い粘着?...

ディスカッション

記載方法は、水を使わずアラミド共重合体繊維から塗料を削除する代替溶剤ベースのプロトコルを提供します。2 つ前の研究^3,4は、この化学合成は、水蒸気や液体の水への暴露の繊維で加水分解の証拠を示した。サンプル準備の間に加水分解を回避は重要な実験の次の段階の暖かい、湿気のある環境への曝露から感受性の加水分解による高齢化、こ...

資料

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