Desembaraçar as fibras de aramida de copolímero de alta resistência para permitir a determinação de suas propriedades mecânicas

Resumo

O principal objetivo do estudo é desenvolver um protocolo para preparar espécimes consistentes para os testes mecânicos precisos de fibras de aramida de copolímero de alta resistência, removendo um revestimento e desembaraçar os fios de fibra individual sem introduzir significativas degradação química ou física.

Resumo

Tradicionalmente, armadura de corpo mole foi feita de poli (p-fenileno tereftalamida) (PPTA) e polietileno de ultra alto peso molecular. No entanto, para diversificar as escolhas de fibra no mercado de armadura de corpo dos Estados Unidos, fibras de copolímero baseiam na combinação de 5-amino - 2-(p- aminofenil) benzimidazol (PBIA) e o PPTA mais convencional foram introduzidos. Pouco é conhecido sobre a estabilidade a longo prazo destas fibras, mas como polímeros de condensação, eles deverão ter potencial sensibilidade à umidade. Portanto, caracterizando a força dos materiais e compreensão sua vulnerabilidade às condições ambientais é importante para avaliar a sua vida de uso em aplicações de segurança. Resistência balística e outras propriedades estruturais críticas destas fibras assentam na sua força. Para determinar com precisão a força das fibras individuais, é necessário separar a eles partir o fio sem introduzir qualquer dano. Fibras de copolímero baseado em aramida três foram selecionadas para o estudo. As fibras foram lavadas com acetona seguida de metanol para remover um revestimento orgânico que unia as fibras individuais em cada feixe de fios. Este revestimento torna difícil separar o feixe de fios para teste mecânico sem danificar as fibras e que afetam sua qualidade de única fibras. Após a lavagem, espectroscopia de infravermelho (FTIR) fourier transform foi executada em amostras lavadas e não lavadas e os resultados foram comparados. Esta experiência tem demonstrado que não há nenhuma variação significativa no espectro de poli (p-fenileno-benzimidazol-tereftalamida-co -p-fenileno tereftalamida) (PBIA-co-PPTA1) e PBIA-co-PPTA3 após a lavagem e apenas uma pequena variação na intensidade para PBIA. Isso indica que a acetona e metanol lavagens não negativamente estão afetando as fibras e causando degradação química. Além disso, única fibra elástica testes foram realizados nas fibras lavadas para caracterizar sua inicial de resistência à tração e tensão ao fracasso e compare-os para outros valores relatados. Desenvolvimento iterativo processual era necessário encontrar um método bem sucedido para a realização de testes de tração sobre estas fibras.

Introdução

Atualmente, o foco significativo no campo da proteção pessoal é sobre a redução da massa da armadura necessária para proteção pessoal, para a aplicação da lei e aplicações militares¹. Desenhos de armaduras tradicionais têm confiado em materiais como poli (p-fenileno tereftalamida) (PPTA), também conhecido como aramid e polietileno para fornecer proteção contra ameaças balísticas². No entanto, há um interesse em explorar materiais de fibra de diferentes de alta resistência para seu potencial reduzir o peso da armadura necessária para impedir uma ameaça balística específica. Isto levou à exploração de materiais alternativos, tais como fibras de aramida de copolímero. Estas fibras são feitas pela reação de [5-amino - 2-(p- aminofenil) benzimidazol] (amidobenzimidazole, ABI) e p- fenilenodiamina com cloreto de tereftaloilo Poly formulário (p-(p-PDA) fenileno-benzimidazol-tereftalamida-co -p-fenileno tereftalamida). Neste estudo, analisamos três fibras diferentes, os quais são produzidos comercialmente materiais obtidos a partir de um contato de indústria. Um é uma homopolímero fibra que é feita por ABI reagindo com p-fenilenodiamina Poly formulário 5-amino - 2-(p- aminofenil) benzimidazol, ou PBIA. As outras duas fibras copolímero examinadas neste estudo deverão estar copolímeros aleatórios com diferentes proporções de PBIA e PPTA ligações³. Os rácios relativos destas ligações não podem ser determinados experimentalmente usando Solid-State da ressonância magnética nuclear. Estas fibras são designadas como PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 para estender as designações usadas em um anterior publicação⁴. PBIA-co-PPTA3 não foi previamente estudado, mas tem uma estrutura semelhante. Estes sistemas de fibra também têm sido o foco de vários recentemente concedidas patentes^5,6,7.

Resistência balística superior de armadura corporal baseia-se as propriedades mecânicas dos materiais que o compõem, tais como resistência à tração e tensão para falha^8,9,10. Esforços significativos^11,12,13 concentraram-se em examinar a estabilidade a longo prazo de fibras poliméricas, usado em coletes por investigar alterações prejudiciais destas propriedades mecânicas após a exposição ao condições ambientais. O efeito das condições ambientais em fibras de aramida de copolímero não foi objecto de muita investigação,^3,4. Um desafio para estudar estes materiais é a dificuldade em se desembaraçar fios para testes. Trabalho prévio de McDonough⁴ investigou uma técnica pelo qual a água era usada para desembaraçar os fios antes de realizar testes de tração única fibra. No entanto, não houve nenhum entendimento completo sobre se a resistência mecânica das fibras foi alterada por esta exposição à água. Uma alternativa para desembaraçar as fibras é testar a resistência mecânica do feixe de fios, no entanto, isto requer uma grande quantidade de material e é considerado a média da força das fibras no pacote do fio, fornecendo informações menos específicas. O objetivo deste projeto é examinar o efeito da temperatura e umidade elevada sobre as propriedades mecânicas de fibras de aramida de copolímero. Assim, é essencial encontrar um solvente alternativo para a remoção do revestimento e desarticulação de fibra que nos permitirá distinguir hidrólise nas fibras devido a exposição ambiental daquela induzida pela preparação da amostra. A preparação das fibras única para o teste é ainda mais complicada por seu tamanho pequeno. Neste trabalho, podemos investigar vários solventes comuns (água, metanol e acetona) e selecione acetona como a melhor escolha para a preparação das fibras única para o teste. Todas as fibras foram lavadas com metanol antes de testar mais. Espectroscopia de infravermelho (FTIR) Fourier transform é realizada para determinar se a etapa de dissolução e desarticulação de revestimento causou alguma degradação química do material. O protocolo de vídeo detalhado mostrando as etapas de preparação de amostra de desarticulação, análise química e ensaios mecânicos de fibras de aramida de copolímero destina-se a ajudar outros pesquisadores no desenvolvimento de metodologias para a realização de estudos semelhantes de única fibras em seus laboratórios.

Protocolo

1. a dissolução do revestimento em fibras de copolímero de auxílio na separação de fibra

1. Vestindo adequadamente selecionado luvas quimicamente resistentes para evitar a contaminação da fibra, cortar 160 mm para 170 mm de cada pacote de fio extraído usando tesouras de cerâmicas ou uma lâmina de aço doce. Reserve o restante do fio se necessário para posterior análise em um recipiente rotulado.
2. Nó ou grampear as extremidades do fio para manter o fio de tangling quando imerso no solvente.
   Nota: Para este estudo, solventes de polaridade ampla (da série de polaridade) foram inicialmente exploradas. Com base em resultados qualitativos, uma análise mais aprofundada foi realizada utilizando acetona, água e metanol. Finalmente, a acetona foi selecionada como o melhor solvente para separação de fibra com base na facilidade de desembaraçar e os resultados da microscopia eletrônica de varredura (MEV) verificação (descritos mais adiante).
3. Mergulhe a fibra em mL 2 a 3 mL do solvente em uma rotulada de Petri e cubra com a tampa da placa de Petri.
4. Permitir que os fios de molho na acetona por 30 min e, em seguida, descartar o solvente.
5. Repita as etapas de 1.3 para 1.4 pelo menos duas vezes adicionais e em seguida, permitir que o solvente evapore.
6. Para remover qualquer resíduo de acetona e para ajudar na secagem, mergulhe a amostra em 2 mL a 3 mL de metanol.
7. Permitir que os fios de molho em metanol pelo menos 30 min.
8. Retire o fio do solvente e deixar para secar durante pelo menos 24 h.

2. análise de revestimento dissolução passo por microscopia eletrônica

1. Separe as fibras individuais com pinças, que são previamente lavadas usando diferentes solventes do feixe de fios, para análise em um microscópio estéreo, se necessário.
2. Montar as fibras em um esboço de aço inoxidável (1 cm de diâmetro), aderindo-os com uma pinça em fita dupla-face de carbono.
3. Revestir as fibras com um material condutor como Au/Pd para mitigar a superfície efeitos sob o SEM. de carregamento
4. Carregar as amostras de fibras em um microscópio eletrônico de varredura e imagem-los em 2 kV, acelerando a tensão e 50 pA – elétron 100 pA atual. Aplica configurações de neutralização de carga para efeitos de carregamento de contador se necessário.

3. análise de revestimento etapa de dissolução por Fourier Transform espectroscopia de infravermelho

1. Corte cerca de 30 mm a 40 mm do feixe de fios lavados.
2. Obter um cartão de amostra IR adesivo e remover o revestimento protetor protetor.
3. Enquanto usava luvas para proteger a amostra da contaminação, torcer ligeiramente o feixe de fibras que se aglutinam a amostra para análise e colocar a amostra sobre a janela no cartão.
4. Prepare o FTIR para análise de acordo com as especificações do fabricante. Ligar o gás de purga, encha o detector com nitrogênio líquido e instalar o acessório ATR usando a placa de alinhamento magnético no compartimento da amostra.
5. Programar os parâmetros para o número de exames e resolução do instrumento na aba de medição avançada do software do instrumento, neste caso, 128 varreduras são em média em uma resolução de 4 cm^-1.
6. Limpe a janela do acessório ATR com um fiapo de baixa limpeza e o metanol.
7. Colete um fundo pressionando o botão de cobrar de plano de fundo na janela de medição básica do software com os parâmetros selecionados na etapa 3.5.
8. Alinhe a amostra de fibra sobre a janela do acessório de ATR, usando o microscópio e o monitor de vídeo para ajudar a posicionar a fibra.
9. Colete um espectro da amostra pressionando o botão recolher amostra na janela de medição básica do software usando os parâmetros selecionados na etapa 3.5.
10. Repita as etapas 3.6-3.9, coletar pelo menos 3 espectros por amostra, até que todas as amostras foram analisadas.

4. análise das fibras por espalhamento de raios-x de grande angular

1. Usando luvas de nitrilo, corte cerca de 25 mm do fio da bobina fio usando uma lâmina de barbear.
2. Centro de cada pacote do fio sobre o furo interno 6,25 mm de uma arruela de aço inoxidável de 25 mm.
3. Tape o feixe de fios para o lavador segurá-lo no lugar usando durex.
4. Repita as etapas 4.1 a 4.3 para os outros dois tipos de fios.
5. Tape as anilhas que contêm os feixes de fios a um bloco de suporte de aço inoxidável amostra (que contém as hastes metálicas para posicionamento) conforme mostrado na Figura 1. As fibras devem ser na configuração vertical para análise.
6. Monte uma amostra de controle de behenate de prata para o bloco de titular de amostra na mesma posição que as anilhas.
7. Abrir a porta para o instrumento e a montar o bloco de titular de amostra para a fase de análise, utilizando o sistema de alinhamento magnético.
8. Feche a porta para a câmara de titular de amostra e ativar a bomba de vácuo para evacuar a câmara de análise de amostra. Monitor o vacuômetro montado ao lado do instrumento até o vácuo atinge aproximadamente 1600 PA.
9. Abra o software do instrumento, ativar o feixe e realizar uma varredura horizontal para determinar a localização de cada amostra no suporte da amostra x.
10. Depois de identificar x-localização de cada amostra, execute uma varredura vertical para otimizar a localização de y para obter a intensidade de sinal máximo para cada amostra.
11. Uma vez que o x e y-locais são determinadas, começa a medição analisando as amostras de controlo de behenate prata para determinar a distância entre a amostra e cada detector.
12. Analise a primeira amostra de fibra usando um tempo de exposição de 10 min.
13. Repita a etapa 4.13 duas vezes adicionais para um total de tempo de 30 min de varredura.
    Nota: Este protocolo é usado em vez de um caso de verificação de tempo 30 min porque há problemas com a exposição de amostra para minimizar o tempo desperdiçado do instrumento.
14. Média os 3 exames para obter o resultado final usando a função média no ajuste software 2D.
15. Repita as etapas 4.13-4.15 para cada amostra adicional.

5. desarticulação e preparação para o teste de resistência à tração do fio

1. Obter um 30 cm x 30 cm ou maior placa de plástico transparente (policarbonato folhas são usadas nesses experimentos) que pode ser colocado em um fundo escuro, ou uma placa de plástico escura das mesmas dimensões.
2. Corte os pedaços de fita adesiva de baixa aderência (aproximadamente 10 mm 5 mm) e tê-los disponíveis para os seguintes passos. Execute esta etapa em uma superfície de vidro e corta a fita com uma lâmina de barbear.
3. Fita de ambas as extremidades de um modelo de papel retangular de calibre 20 mm para a placa de plástico para que encontra-se completamente plana.
   Nota: 20mm é selecionado como o comprimento de calibre ideal para estes testes baseado no trabalho anterior e a separação de mandíbula disponível do instrumento.
4. Luvas de nitrilo para evitar a contaminação, cortar cerca de 70 mm a 80 mm de fio enxaguado e coloque-o sobre uma lâmina de vidro ou outra superfície limpa (Fig. 2a-b).
5. Usando um microscópio estéreo para ajudar a desarticulação, remova cuidadosamente uma única fibra do fio usando uma pinça. Tome cuidado para evitar obstrução ou danificar a fibra durante este processo. Descartar qualquer fibras que são danificados (Figura 2C).
6. Coloque uma única fibra em cima do modelo de papel, certificando-se que a fibra está alinhada com os marcadores no modelo (Figura 2d- f).
7. Fita de ambas as extremidades da fibra à diretoria. Para melhorar a visibilidade da fibra, colocar um fundo escuro por baixo da placa de plástico transparente ou usar uma placa de plástico preta. A fibra deve assentar em linha reta e ligeiramente ensinadas através do modelo (Figura 2f).
8. Repita as etapas de 5.3 a 5.7 até aproximadamente 35 a 45 fibras são montadas em modelos de papel separada para cada tipo de fibra. Neste caso, existem três tipos de fibras: PBIA-co-PPTA1, PBIA e PBIA-co-PPTA3.
9. Uma vez que todas as fibras são gravadas para a placa plástica, adicione uma pequena gota de cola de cianoacrilato para cada extremidade da fibra alinhada para o modelo de papel. Deixe 1 cm livre de cola nas extremidades dos modelos de papel para a preensão durante o teste de tração.
   Nota: O cianoacrilato foi encontrado para ser o melhor adesivo para este material, uma tentativa frustrada com um 24 h cura epóxi é mostrada nos resultados do representante.
10. Permitir que o adesivo curar pelo menos 24 horas antes do teste.

6. única fibra elástica testes

1. Determine o comprimento de gage e a taxa de extensão que fornece os resultados mais consistentes para a amostra de interesse. Esses parâmetros podem ser ditados pela quantidade de amostra disponível e pelas limitações da instalação do experimental.
2. Prepare o instrumento para testes instalando elástico apertos e calibrar a lacuna.
3. Programa o instrumento para mover as alças para proporcionar um espaço de 30 mm, que é o comprimento de gage selecionado com base no tamanho do modelo de papel e o espaço de 10 mm deixada em cada extremidade, para a mandíbula.
4. Afrouxe as faces de aperto para criar uma lacuna para carregar o modelo de papel que contém a única fibra.
5. Mova um das amostras preparadas na etapa 5 para o instrumento. Usando as mãos enluvadas, uma pequena espátula e pinça, alimente o modelo através de ambos os apertos, usando as marcas no modelo para auxiliar a colocação. Certifique-se que a cola está fora da área de aperto.
6. Delicadamente, alinhar e fechar o rosto de aperto superior, apoiando ainda a fibra, para que ele não deslizar para baixo.
7. Aperte os parafusos superior e inferior com uma chave dinamométrica até os parafusos são apertados apenas.
8. Repita a etapa 6,7 para os parafusos inferiores.
9. Aperte os parafusos sobre as alças superiores e inferiores, usando uma chave dinamométrica. Tome cuidado para apertar os parafusos em forma de cruz para balancear a carga sobre a fibra.
   Nota: O torque apropriado usar pode variar e deve ser determinado experimentalmente. 30 cN·m foi usado nesses experimentos.
10. Apare a ambos os lados do modelo de papel com uma tesoura.
11. Programe o instrumento para realizar o ensaio de tracção em uma taxa constante de extensão de 0,0125 mm/s, controlar a exibição e parar o teste quando a fibra está quebrado.
12. No final do teste, retire a fibra das garras desapertando os rostos de aperto. Observar a localização de pausa e preservar a fibra quebrada em um recipiente rotulado para posterior análise.
    Nota: As fibras que quebrar a cara de aderência são descartadas da análise como "quebra queixo", conforme descrito na ASTM D3822.
13. Retornar a lacuna de 30 mm e repita etapas 6.4-6.12 até que todas as amostras são testadas.
14. Salve os fragmentos de fibra quebrada no modelo para posterior análise microscópica.

Resultados

As fibras de aramida de copolímero estudadas aqui são difíceis de separar de feixes de fios em fibras individuais para testes. As fibras são emaranhadas e revestidas com processamento químicos que os tornam muito difícil separar sem danificar as fibras. A Figura 3 mostra a morfologia estrutural das fibras dentro de um fio. Mesmo como parte de um pacote maior, as superfícies de fibra mostram extensa aspereza e lágrimas que provavelmente são causadas p...

Discussão

O método descrito aqui fornece um protocolo alternativo à base de solvente para a remoção de revestimentos de fibras de aramida de copolímero sem utilizar água. Dois estudos anteriores^3,4 mostrou a evidência de hidrólise nas fibras desta composição química, com a exposição ao vapor de água ou água líquida. Evitar hidrólise durante a preparação da amostra é crítica para a próxima fase de experimentos onde estes conjuntos de fibras serão exam...

Materiais

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