그들의 기계적 특성의 결정 수 있도록 고 강도 공중 합체 Aramid 섬유 disentangling

요약

고 강도 공중 합체 aramid 섬유, 코팅을 제거 하 고 중요 한 소개 하지 않고 개별 섬유 가닥 disentangling 여 정확한 기계적 테스트에 대 한 일관 된 표본을 준비 하는 프로토콜을 개발 하는 연구의 기본 목표 화학 또는 물리적 저하.

초록

전통적으로, 소프트 바디 아머가 폴 리에서 만들어진 (p-phenylene terephthalamide) (PPTA) 및 초고 분자량 폴 리 에틸렌. 그러나, 미국 바디 아머 시장에서 섬유 선택 다변화, 공중 합체 섬유에 따라 5의 조합-아미노-2-(p-aminophenyl) benzimidazole (PBIA) 및 더 많은 기존의 PPTA 소개 되었다. 약간 이러한 섬유의 장기 안정성에 대해서 알려져 있지만 응축 중합체로 그들은 잠재적인 감도 습기 및 습도를 것으로 예상 된다. 따라서, 자료와 이해의 강도 특성화 환경 조건에 그들의 취약점은 안전 응용 프로그램에서 그들의 사용 수명을 평가 하기 위한 중요 합니다. 탄도 저항 및 이러한 섬유의 다른 중요 한 구조상 속성은 그들의 힘에 입각 한. 개별 섬유의 강도 정확 하 게 확인 하려면 어떤 손상도 없이 그들을 원사에서 풀 필요가 있다. 세 라미드 기반 공중 합체 섬유 연구에 대 한 선정 됐다. 섬유는 메탄올 각 원사 번들에서 개별 섬유를 함께 개최 하는 유기 코팅을 제거 하 여 다음 아세톤으로 세척 했다. 이 코팅은 섬유를 손상 하 고 그들의 힘에 영향을 미치는 없이 기계적 테스트 원사 번들에서 단일 섬유를 분리 하기 어려운 있습니다. 세척, 후 푸리에 변환 적외선 (FTIR) 분광학 세척 하 고 씻지 샘플에서 수행 하 고 결과 비교 했다. 이 실험은 폴 리의 스펙트럼에서 아무 중요 한 변화는 보이고 있다 (p-phenylene-benzimidazole-terephthalamide-co-p-phenylene terephthalamide) (PBIA-co-PPTA1)와 PBIA-co-PPTA3 세척, 그리고에 작은 변화 후 PBIA에 대 한 강도입니다. 이 아세톤과 메탄올 린스 하지 부정적인 섬유에 영향을 미치는 하 고 화학 저하를 일으키는 나타냅니다. 또한, 단일 섬유 인장 테스트 그들의 초기 장력 및 실패, 변형 특성을 다른 보고 된 값을 비교 하 여 씻어 섬유에서 수행 되었다. 반복 절차 개발이이 섬유에 인장 시험을 수행 하기 위한 성공적인 방법의 찾을 필요 했다.

서문

현재, 개인 보호의 분야에서 중요 한 초점 법 집행 및 군사 응용 프로그램¹에 대 한 개인 보호를 위해 필요한 바디 아머의 질량을 감소 시키기에. 전통적인 갑옷 디자인 폴 리 같은 재료에 의존 (p-phenylene terephthalamide) (PPTA), 일컬어 특수 고분자 층, 고 탄도 위협²에 대 한 보호를 제공 하기 위해 폴 리 에틸렌. 그러나, 특정 탄도 위협 중지 하는 데 필요한 갑옷의 무게를 줄이기 위해 그들의 잠재력에 대 한 다른 고 강도 섬유 재료를 탐험에 관심이 있다. Aramid 공중 합체 섬유 등 대체 물질의 탐사를 주도하 고 있다. 이러한 섬유의 반응에 의해 만들어진 [5-아미노-2-(p-aminophenyl) benzimidazole] (amidobenzimidazole, ABI) 및 p-phenylenediamine (p-PDA) 폼 폴 리 (p-terephthaloyl 염화와 phenylene-benzimidazole-terephthalamide-co-p-phenylene terephthalamide). 이 연구에서 우리는 모두 상업적으로 생산된 재료 산업 접촉에서 얻은 3 가지 섬유를 검사 합니다. 하나는 폼 폴 리 5 p-phenylenediamine와 반응 ABI에 의해 만든 단일 중합체 섬유-아미노-2-(p-aminophenyl) benzimidazole, 또는 PBIA. 이 연구에서 검사 하는 다른 두 개의 공중 합체 섬유 PBIA PPTA 연계³의 다른 비율으로 랜덤 공중 합체 될 것 예상 된다. 이러한 연계의 상대적 비율 수 확인할 수 없습니다 실험적으로 고체 핵 자기 공명을 사용 하 여. 이러한 섬유는 PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 이전 게시⁴에 사용 된 지정 연장으로 지정 됩니다. PBIA-co-PPTA3 이전 공부 하지는 하지만 비슷한 구조. 이러한 섬유 시스템도 여러 최근 부여 된 특허^5,,67의 초점이 있다.

갑옷의 우수한 탄도 저항 궁극 장력 강도 및 변형 실패^8,,910등, 그것을 구성 하는 재료의 기계적 성질에 입각 한입니다. 상당한 노력^11,,1213 고분자 섬유 바디 아머에 노출 된 후 이러한 기계적 성질에 해로운 변화를 조사 하 여 사용의 장기 안정성 검토에 초점을 맞춘 되었습니다. 환경 조건입니다. Aramid 공중 합체 섬유 환경 조건의 효력의 연구^3,4의 많은 주제 되지 않았습니다. 이러한 자료를 공부 하 고 하나의 도전 disentangling 테스트용 원사에 어려움입니다. McDonough⁴ 이전 작업 조사는 물 원사 단일 섬유 인장 테스트를 수행 하기 전에 코드에 사용 된 기술. 그러나, 섬유의 기계적인 힘이 물 노출에 의해 변경 되었습니다 여부에 더 완전 한 이해가 했다. 그러나 대신 disentangling 섬유 원사 번들의 기계적 강도 테스트 하는,이 많은 양의 자료를 요구 하 고 덜 특정 정보를 제공 하는 원사 번들에 섬유의 강도 평균으로 간주 됩니다. 이 프로젝트의 목표는 aramid 공중 합체 섬유의 기계적 성질에 온도 높은 습도의 영향을 살펴보는 것입니다. 따라서, 코팅 제거 및 섬유 샘플 준비에 의해 유도 된에서 환경 노출 때문에 가수분해를 구별할 수 있게 섬유 풀리는 대체 솔벤트를 찾을 수 필수적입니다. 테스트를 위해 단일 섬유의 준비 그들의 작은 크기에 의해 더 복잡 합니다. 이 작품에서는, 우리 몇 가지 일반적인 용 매 (물, 메탄올, 아세톤)를 조사 하 고 테스트용 단일 섬유의 준비에 대 한 최고의 선택으로 아세톤을 선택 합니다. 모든 섬유는 메탄올을 가진 추가 테스트 하기 전에 씻어 서 했다. 푸리에 변환 적외선 (FTIR) 분광학 코팅 해산 및 풀리는 단계 재료에 어떤 화학 저하의 원인이 인지 확인 위해 수행 됩니다. 풀리는, 화학 분석, 및 공중 합체 aramid 섬유의 기계적 테스트 샘플 준비 단계를 보여주는 자세한 비디오 프로토콜의 비슷한 연구를 수행 하기 위한 방법론을 개발에 다른 연구자를 지원 하기 위한 것입니다. 그들의 실험실에서 단일 섬유입니다.

프로토콜

1. 섬유 분리에 도움을 공중 합체 섬유에 코팅의 해산

1. 섬유, 세라믹가 위 또는 신선한 강철 면도날을 사용 하 여 추출 각 원사 번들에서 170 m m 160 m m 컷의 오염을 방지 하기 위해 화학적으로 저항 하는 장갑 선정 적절 하 게 입고 있습니다. 레이블이 지정 된 컨테이너에 추가 분석을 위해 필요한 경우는 원사의 나머지를 보유 합니다.
2. 매듭 또는 원사 일 때 용 매에 몰입 하는 것을 막기 위해 원사의 끝을 클램프.
   참고:이 연구를 위해 (극성 시리즈)에서 넓은 범위의 극성 용 매 했다 처음 탐험. 질적 결과 바탕으로, 더 깊이 검사는 아세톤, 물, 메탄올을 사용 하 여 실시 했다. 마지막으로, 아세톤 detangling의 용이성에 따라 섬유 분리 및 스캐닝 전자 현미경 (SEM) 결과 (뒷부분에서 설명)에 대 한 좋은 용 매로 선정 됐다.
3. 레이블이 지정 된 페 트리 접시에 Petri 접시 뚜껑 덮개 용 매 3 mL 2 mL에 섬유를 담가.
4. 30 분, 아세톤에 담근 다 원사 허용 다음 용 매를 삭제 합니다.
5. 1.3 1.4 적어도 2 개의 추가 번 단계를 반복 하 고 증발 하는 용 매를 허용 합니다.
6. 어떤 아세톤 잔류물을 제거 하 고 건조에 도움, 메탄올의 3 ml 2 ml에서 샘플을 담가.
7. 원사 메탄올 적어도 30 분에서을 허용 합니다.
8. 용 매에서 원사를 제거 하 고 적어도 24 h 동안 건조를 허용 합니다.

2. 전자 현미경 검사 법을 검사 하 여 해체 단계 코팅의 분석

1. 필요한 경우 스테레오 현미경 분석에 대 한 원사 번들에서 다른 용 매를 사용 하 여 세차 이전 핀셋으로 개별 섬유를 구분 합니다.
2. 스테인리스 스텁 (1 ㎝ 직경)에 준수 하 여 섬유를 탑재 탄소 이중 면 테이프에 핀셋으로 그들.
3. 완화 효과 SEM.에서 충전 하는 표면에 Au/Pd 등 전도성 물질로 섬유 코트
4. 스캐닝 전자 현미경으로 섬유 샘플을 로드 하 고 2에서 이미지 kV 가속 전압 및 50 pA-100 pA 전자 현재. 필요한 경우 충전 중립화 설정을 카운터 충전 효과를 적용 합니다.

3. 퓨 리에 의해 해체 단계 코팅의 분석 변환 적외선 분광학

1. 세척된 실 번들의 40 m m 약 30 mm를 잘라.
2. 접착제 IR 샘플 카드를을 보호 백업 제거 합니다.
3. 보호 하기 위해 장갑을 착용 하는 동안 오염에서 샘플 약간 카드에서 창에 샘플을 분석에 대 한 샘플을 합체 섬유 번들을 트위스트.
4. 제조업체의 사양에 따라 분석에 대 한는 FTIR을 준비 합니다. 퍼지 가스, 액체 질소 검출기를 채울 켜고 ATR 액세서리 샘플 칸에 자기 정렬 플레이트를 사용 하 여 설치.
5. 이 경우 검사 및 악기 악기 소프트웨어의 고급 측정 탭에 해상도의 숫자에 대 한 매개 변수를 프로그램, 128 검사 4 c m^-1의 해상도에서 평균.
6. 낮은 린 트 지우기와 메탄올 ATR 액세서리의 창을 청소.
7. 3.5 단계에서 선택한 매개 변수는 소프트웨어의 기본 측정 창에 수집 배경 버튼을 눌러 배경을 수집 합니다.
8. 현미경 및 비디오 모니터를 사용 하 여 섬유를 위치 수 있도록 ATR 액세서리에 창 섬유 샘플을 맞춥니다.
9. 3.5 단계에서 선택한 매개 변수를 사용 하 여 소프트웨어의 기본 측정 창에 수집 샘플 버튼을 눌러 샘플 스펙트럼을 수집 합니다.
10. 단계 3.6-3.9, 샘플 당 적어도 3 스펙트럼을 수집 하는 모든 샘플 분석 되었습니다 때까지 반복 합니다.

4. 광각 x 선 산란에 의해 섬유의 분석

1. 니트 릴 장갑 착용, 면도날을 사용 하 여 원사 스풀에서 원사의 약 25 m m를 잘라.
2. 25 m m 스테인레스 스틸 와셔의 6.25 m m 내부 구멍에 원사의 각 번들 센터.
3. 테이프 셀로판 테이프를 사용 하 여 제자리에 세탁기를 사 번들.
4. 다른 두 가지 유형의 원사 단계 4.1 4.3 반복 합니다.
5. 그림 1에서 보듯이 원사 번들 (포함 하는 위치에 대 한 금속 막대) 스테인리스 스틸 샘플 홀더 블록에 포함 된 와셔를 테이프. 섬유 분석에 대 한 수직 구성에 있어야 합니다.
6. 와셔와 같은 위치에 샘플 홀더 블록은 behenate 컨트롤 샘플을 탑재 합니다.
7. 악기에 문을 열고 자기 정렬 시스템을 사용 하 여 분석 단계로 샘플 홀더 블록을 탑재 합니다.
8. 샘플 홀더 약 실에 문을 닫고 대피 샘플 분석 챔버 진공 펌프를 활성화 합니다. 모니터는 진공 약 1600에 도달할 때까지 악기 옆 진공 게이지 장착 실바
9. 악기 소프트웨어, 빔, 활성화 열고 샘플 홀더에 각 샘플의 x 위치를 결정 하기 위해 수평 검사를 수행 합니다.
10. 확인 후 각 샘플의 x 위치, y 위치 각 샘플에 대 한 최대 신호 강도를 최적화 하기 위해 수직 스캔을 수행 합니다.
11. X 및 y 위치 결정, 일단 샘플 및 각 검출기 사이의 거리를 결정 하기 위해 실버 behenate 컨트롤 샘플을 분석 하 여 측정을 시작 합니다.
12. 10 분 노출 시간을 사용 하 여 첫 번째 섬유 샘플을 분석 합니다.
13. 반복 단계 4.13 총에 대 한 두 개의 추가 시간 30 분의 시간을 스캔.
    참고:이 프로토콜 대신 사용 됩니다 한 긴 30 분 스캔 경우 낭비 악기 시간을 최소화 하기 위해 샘플 노출 문제가 있기 때문에.
14. 맞는 2D 소프트웨어에서 average 함수를 사용 하 여 최종 결과 얻기 위해 3 스캔 평균.
15. 각 추가 샘플에 대 한 단계 4.13-4.15를 반복 합니다.

5. 털 실 풀리 및 인장 테스트에 대 한 준비

1. 30 cm x 30 cm 또는 더 큰 투명 한 플라스틱 보드 (폴 리 카보 네이트 시트는이 실험에서 사용)는 어두운 배경, 또는 같은 크기의 어두운 플라스틱 보드에 배치할 수 있습니다.
2. 낮은 압정 마스킹 테이프의 조각을 잘라 (약 10 m m 5 mm) 다음 단계에 사용할 수 있는 그들. 유리 표면에이 단계를 수행 하 고 면도기 칼 날 테이프를 잘라.
3. 놓이도록 완전히 평평한 플라스틱 보드에 20 m m 계기 직사각형 종이 서식 파일의 양쪽 끝을 테이프.
   참고: 이전 작업 및 악기의 사용 가능한 턱 분리에 따라 이러한 테스트에 대 한 최적의 게이지 길이 20 m m 선택 됩니다.
4. 오염 방지에 니트 릴 장갑을 끼고 약 70 m m 씻어 서 원사의 80 m m를 잘라내어 유리 슬라이드 또는 다른 깨끗 한 표면 (그림 2a-b)에 배치.
5. 스테레오 현미경을 사용 하 여 풀리는 지원, 핀셋을 사용 하 여 원사에서 단일 섬유를 조심 스럽게 제거 하. 제동을 걸었다 또는이 프로세스 동안 섬유를 손상 하지 않도록 주의 하십시오. 모든 취소 섬유를 손상 (그림 2c).
6. 단일 섬유 섬유 마커 템플릿 (그림 2d-f)에 맞춰집니다 확인 종이 서식 파일 위에 놓습니다.
7. 보드에 섬유의 양쪽 끝을 테이프. 섬유의 가시성을 개선 하기 위해 투명 한 플라스틱 보드 아래 어두운 배경을 넣어 하거나 검은 플라스틱 보드를 사용 합니다. 섬유 (그림 2f) 서식 파일에서 직선과 약간 가르쳐 누워 해야 합니다.
8. 5.3-5.7 단계를 반복 하 여 약 35 ~ 45 섬유는 섬유의 각 유형에 대 한 별도 종이 서식에 탑재. 이 경우에, 섬유의 세 가지 유형이 있다: PBIA-co-PPTA1, PBIA, 및 PBIA-co-PPTA3.
9. 모든 섬유 플라스틱 보드에 녹화, 일단 하나 추가 섬유의 각 끝에 cyanoacrylate 접착제의 작은 방울 정렬 종이 서식 합니다. 인장 테스트 중 창과 종이 서식 파일의 끝에 접착제의 무료 1 cm를 남겨 주세요.
   참고: Cyanoacrylate는 발견이 자료에 대 한 최고의 접착제, 24 h 치료 에폭시와 실패 한 시도 대표 결과에 표시 됩니다.
10. 접착제를 테스트 하기 전에 적어도 24 h에 대 한 치료를 하실 수 있습니다.

6. 단일 섬유 인장 테스트

1. 게이지 길이 관심의 표본에 대 한 가장 일관 된 결과 제공 하는 확장의 속도 결정 합니다. 이러한 매개 변수 사용 가능한 샘플의 양에 의해 및 실험적인 체제의 한계에 의해 지시 될 수 있습니다.
2. 장력 그립을 설치 하 고 격차를 보정 하 여 테스트를 위해 악기를 준비 합니다.
3. 프로그램 선택 게이지 길이 30 m m의 간격을 제공 하기 위해 그립을 이동 하려면 악기 종이 서식 파일의 왼쪽 턱에 대 한 각 끝에 10 m m 공간 크기 기반으로 합니다.
4. 그립 면 단일 섬유를 포함 하는 종이 서식 파일 로드에 대 한 격차를 만들을 풉니다.
5. 악기를 5 단계에서 준비 된 샘플 중 하나를 이동 합니다. Gloved 손, 핀셋, 작은 주걱을 사용 하 여 배치를 지원 하기 위해 서식 파일에는 표시를 사용 하 여 두 그립을 통해 서식 파일 피드. 접착제 그립 영역 밖에 있는지 확인 합니다.
6. 부드럽게 정렬 하 고 그것은 아래로 슬라이드를 하지 않습니다 있도록 섬유 지원 하면서 최고 그립 얼굴을 닫습니다.
7. 나사는 그냥 꽉 때까지 토크 렌치와 위쪽 및 아래쪽 나사를 조입니다.
8. 아래쪽 나사 6.7 단계를 반복 합니다.
9. 토크 렌치를 사용 하 여 상단 및 하단 그립에 나사를 조입니다. 섬유에 부하 분산 크로스 패턴에 나사를 강화 하는 것을 주의.
   참고: 사용 하 여 적절 한 토크는 다를 수 있습니다 하 고 실험적으로 결정 되어야 합니다. 30 cN·m는이 실험에 사용 되었다.
10. 가 위로 종이 서식 파일의 양쪽을 잘라.
11. 프로그램 확장 0.0125 m m/s의 일정 한 속도로 인장 시험을 수행, 표시를 모니터링 하 고 섬유는 때 테스트를 중지 하는 악기.
12. 테스트의 끝에, 그립 얼굴을 완화 하 여 섬유 그립에서 제거 합니다. 브레이크 위치를 확인 하 고 추가 분석에 대 한 레이블이 지정 된 컨테이너에 깨진된 섬유를 보존.
    참고: 그립 얼굴에 휴식 하는 섬유는에서 삭제 분석 "턱 나누기"으로 ASTM D3822에 설명 된 대로.
13. 30 m m 간격을 반환 하 고 모든 샘플 테스트 단계 6.4-6.12를 반복 합니다.
14. 깨진된 섬유 조각 현미경 분석 추가 서식 파일에 저장 합니다.

결과

여기 공부 하는 공중 합체 aramid 섬유는 테스트를 위해 개별 섬유에 털 뭉치에서 분리 하기 어렵다. 섬유 얽혀 있으며 그들을 매우 어려운 섬유 손상 없이 분리 하 게 하는 화학 물질 처리와 코팅. 그림 3 섬유 원사 내에서 구조 형태를 보여준다. 도의 일환으로 큰 번들, 섬유 표면 광범위 한 거칠기와 가능성이 인접 섬유 강한 접착 력으로 인 한 눈물 보...

토론

여기에 설명 된 메서드는 물을 사용 하지 않고 특수 고분자 층 공중 합체 섬유에서 코팅을 제거 하기 위한 대체 솔벤트 기반의 프로토콜을 제공 합니다. 두 이전 연구^3,4 이 화학 성분, 수증기 또는 액체 물에 노출의 섬유에서 가수분해의 증거를 보여주었다. 샘플 준비 중 가수분해를 방지은 중요 한 실험의 다음 단계에 대 한 섬유의이 세트 그들의 민감?...

자료

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