Распутывание сополимер высокопрочных арамидных волокон чтобы включить определение их механических свойств

Резюме

Основная цель исследования заключается в разработке протокола для подготовки последовательного образцы точные механические испытания сополимер высокопрочных арамидных волокон, удалив покрытие и распутывание стренги отдельные волокна без внесения значительных химическая или физическая деградация.

Аннотация

Традиционно, мягкое тело доспехи были сделаны из поли (p-фенилена terephthalamide) (PPTA) и полиэтилена сверхвысокой молекулярной массы. Однако, диверсификацию выбора волокна на рынке Соединенных Штатов тело броней, сополимер волокон на основе комбинации 5-амино - 2-(p- aminophenyl) бензимидазола (PBIA) и были введены более обычных PPTA. Немногое известно о долгосрочной стабильности этих волокон, но как конденсация полимеров, они должны иметь потенциальные чувствительность к влажности и влажности. Таким образом характеризующие прочность материалов и понимание их уязвимость к условиям окружающей среды имеет важное значение для оценки их использования жизни в безопасности приложений. Баллистических сопротивления и других важнейших структурных свойств этих волокон основываются на их прочность. Чтобы точно определить численность отдельных волокон, необходимо отделить их от пряжи без внесения каких-либо повреждений. Для исследования были отобраны три сополимер на основе арамидных волокон. Волокна были промывают ацетоном, следуют метанола для удаления органического покрытия, который провел отдельные волокна в каждой пачке пряжи вместе. Это покрытие делает его трудно отделить одного волокна от комплект пряжи для механических испытаний без повреждения волокон и затрагивающих их прочность. После мытья, ИК-спектроскопии (FTIR) преобразование Фурье была выполнена на вымытых и немытые пробы и результаты были сопоставлены. Этот эксперимент показал, что существует без существенных различий в спектрах поли (p-фенилена-Бензимидазол-terephthalamide-co -p-terephthalamide фенилена) (PBIA-co-PPTA1) и PBIA-co-PPTA3 после мытья и лишь небольшое изменение в интенсивность PBIA. Это означает, что ацетон и метанола полоскания не отрицательно влияющих на волокна и вызывая химической деградации. Кроме того одно волокно растяжение тестирование проводилось на вымытые волокна характеризуют их первоначальной прочности и деформации на провал, и сравнить те других зарегистрированных значений. Итеративная разработка процедурные было необходимо найти успешный метод проведения испытания на растяжение на этих волокон.

Введение

В настоящее время на уменьшение массы тела броню, необходимых для личной защиты для правоохранительных органов и военных приложений¹значительное внимание в области личной охраны. Традиционные броня конструкции опираются на материалы как поли (p-фенилена terephthalamide) (PPTA), также известный как Арамид и полиэтилена для обеспечения защиты от баллистических угроз². Однако существует заинтересованность в изучении различных высокопрочные волокна материалы для их потенциал для снижения веса требуется остановить конкретной угрозы баллистических броню. Это привело к исследованию альтернативных материалов, таких как сополимер арамидных волокон. Эти волокна производятся по реакции [5-амино - 2-(p- aminophenyl) бензимидазола] (amidobenzimidazole, Аби) и p- фенилендиамином (p-PDA) с Нефтехим хлорида в форме поли (p- фенилена-Бензимидазол-terephthalamide-co -p-фенилена terephthalamide). В этом исследовании мы рассмотрим три различных волокон, все из которых являются коммерчески произведенные материалы, полученные от контакта промышленности. Один является гомополимер волокно, которое производится путем реагирующих ABI с p фенилендиамином формы поли 5-амино - 2-(p- aminophenyl) бензимидазола, или PBIA. Ожидается, что две другие сополимер волокна, рассмотрены в настоящем исследовании будет случайных сополимеров с различных соотношениях PBIA и PPTA связей³. Относительные показатели этих связей не может определяться экспериментально с помощью твердотельных ядерного магнитного резонанса. Эти волокна обозначаются как PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 продлить обозначения, используемые в предыдущей публикации⁴. PBIA-co-PPTA3 не был изучен ранее, но имеет аналогичную структуру. Эти волокна системы также были в центре внимания нескольких недавно выданных патентов^5,6,7.

Превосходное сопротивление баллистических бронежилетов основывается на механические свойства материалов, которые составляют его, например, предел прочности на растяжение и напрягаться, чтобы отказ^8,9,10. Значительные усилия^11,12,13 были сосредоточены на рассмотрении долгосрочной стабильности полимерных волокон, используемых в body armor исследуя пагубных изменений в этих механических свойств после воздействия условия окружающей среды. Влияние экологических условий на сополимер арамидных волокон не было предметом много исследований^3,4. Одна из проблем для изучения этих материалов является трудность распутывание нити для тестирования. До работы в Макдоно⁴ расследование технику, в которой вода использовалась для распутать нити до проведения испытания на растяжение одно волокно. Однако существует нет полного понимания на ли механическая прочность волокон была изменена под воздействием этой воды. Альтернативой распутывание волокна является проверить механическую прочность пряжи расслоение, однако, это требует большого объема материала и считается Средняя прочность волокон в пакете пряжи, обеспечивая менее конкретной информации. Цель этого проекта является изучение воздействия повышенной влажности и температуры на механические свойства арамидных волокон сополимера. Таким образом важно, чтобы найти альтернативные растворителя для удаления покрытий и распутывание волокна, которые позволят нам отличить гидролиза в волокнах из-за воздействия окружающей среды, вызванных пробоподготовки. Подготовка одного волокна для тестирования еще больше осложняется их небольшого размера. В этой работе мы расследовать несколько общих растворителей (вода, метанол и ацетон) и выберите ацетона как лучший выбор для подготовки единого волокон для тестирования. Все волокна были промываются метанолом до дальнейших испытаний. Фурье преобразование инфракрасной спектроскопии (FTIR) выполняется для определения, если покрытие распада и распутывание шаг вызвал любой химической деградации в материале. Подробный протокол видео показаны шаги подготовки образца распутывания, химического анализа и механические испытания сополимер арамидных волокон предназначен для оказания помощи исследователям в разработке методологий для проведения аналогичных исследований одного волокна в их лабораториях.

протокол

1. роспуск покрытия на сополимер волокон для помощи в волокна разделения

1. Ношение надлежащим образом выбрал химически стойкие перчатки для предотвращения загрязнения волокна, вырезать 160 мм до 170 мм от каждой связке пряжи, извлечены с помощью керамические ножницы или свежие Сталь лезвия бритвы. Зарезервировать оставшуюся часть пряжи, если необходимые для дальнейшего анализа в контейнере помечены.
2. Узел или закрепите концы пряжи держать пряжи от запутывания при погружении в растворителе.
   Примечание: Для этого исследования, растворители широкие полярности (из серии полярности) были первоначально изучить. Основываясь на качественные результаты, более углубленное обследование было проведено с использованием ацетон, вода и метанола. Наконец ацетон был выбран как лучший растворитель для разделения волокна, основанные на легкость detangling и электронная микроскопия (SEM) результаты сканирования (описано ниже).
3. Погружайте волокна в 2 ампулы по 3 мл растворителя в обозначенные Петри и накройте крышкой Петри.
4. Разрешить нити замочить в ацетоне в течение 30 мин, затем отменить растворителя.
5. Повторите шаги 1.3-1.4 еще по крайней мере два раза, а затем позволить растворитель испарился.
6. Чтобы удалить остатки ацетон и помощь в процессе сушки, погрузите образец в 2 ампулы по 3 мл метанола.
7. Разрешить нити замочить в метанола по крайней мере 30 мин.
8. Удаление пряжи из растворителя и дайте высохнуть в течение 24 часов.

2. Анализ покрытия распада шаг, сканирующая электронная микроскопия

1. Отдельные отдельных волокон с помощью пинцета, который ранее моют с помощью различных растворителей из пряжи расслоение, для анализа под микроскопом стерео при необходимости.
2. Смонтировать волокна на заготовка из нержавеющей стали (диаметром 1 см) путем присоединения их пинцетом на ленту двухсторонний углерода.
3. Слой волокон с токопроводящими например Au/Pd для смягчения поверхности зарядки эффекты под SEM.
4. Загрузка образцов волокна в сканирующий электронный микроскоп и изображения их в 2 кв, ускорение 50 Па – 100 Па электронного тока и напряжения. Применяйте параметры нейтрализации заряда счетчика зарядки эффекты при необходимости.

3. Анализ покрытия распада шаг Фурье преобразование инфракрасной спектроскопии

1. Вырежьте примерно 30 мм до 40 мм комплекта промывают пряжи.
2. Получить карточку образцов клей ИК и удалить защитный поддержку.
3. При ношении перчатки для защиты от загрязнения образца, слегка поверните локально тривиальное расслоение сливаются образцов для анализа и поместите образец окна в карточке.
4. Подготовка ФУРЬЕ для анализа согласно спецификациям производителя. Включите продувочного газа, заполните детектор с жидким азотом и установите аксессуар ATR, используя магнитные выравнивания пластины в отсеке образца.
5. Программирование параметров для сканирования и резолюции инструмент на вкладке Расширенные измерения инструмент программного обеспечения, в этом случае, усредняются 128 сканирование с разрешением 4 см^-1.
6. Очистите окно ATR аксессуар с низким волокна стирание и метанола.
7. Собирайте фон, нажав на кнопку собирать фон в окне Основные измерения программного обеспечения с параметрами, выбранной на шаге 3.5.
8. Выровняйте образец волоконно над окном ATR аксессуар, используя микроскоп и видео монитор для позиции волокна.
9. Сбор образцов спектра, нажав на кнопку собирать образца в окне Основные измерения с использованием параметров, выбранных на шаге 3.5 программного обеспечения.
10. Повторите шаги 3,6-3,9, собирая по крайней мере 3 спектров на сэмпл, до тех пор, пока все образцы были проанализированы.

4. анализ волокон, широкий угол рентгеновского рассеяния

1. При ношении перчатки нитриловые, сократить около 25 мм пряжи из пряжи катушку с помощью лезвия бритвы.
2. Центр каждый пучок пряжи над 6,25 мм внутреннее отверстие шайбы из нержавеющей стали 25 мм.
3. Лента комплект пряжи в стиральную машину, чтобы удерживать его на месте с помощью целлофановую ленту.
4. Повторите шаги 4.1 до 4,3 для двух других типов пряжи.
5. Лента шайбы, содержащие пряжи пучками на блок держатель образца из нержавеющей стали (который содержит металлические стержни для позиционирования), как показано на рисунке 1. Волокна должны быть в вертикальной конфигурации для анализа.
6. Установите образец управления Серебряный behenate на блок держатель образца в той же позиции, что шайбы.
7. Открыть дверь к документу и смонтируйте блок держатель образца на стадии анализа с использованием магнитного выравнивание системы.
8. Закройте дверь в палату держатель образца и активировать вакуумного насоса для эвакуации зале анализ образца. Монитор, вакуумный датчик монтируется рядом с инструментом до тех пор, пока пылесос достигает приблизительно 1600 ПА.
9. Открыть инструмент программного обеспечения, активировать луч и горизонтальной проверки определить x расположение каждого образца на держателя образца.
10. После определения x расположение каждого образца, выполните вертикальное сканирование для оптимизации координату y для получения максимального сигнала интенсивности для каждого образца.
11. После того, как определяются x и y местах, начните измерения путем анализа образца управления Серебряный behenate чтобы определить расстояние между образцом и каждый детектор.
12. Анализ первого образца волокна с помощью выдержка 10 мин.
13. Повторите шаг 4.13 еще два раза в общей сложности сканирования время 30 мин.
    Примечание: Этот протокол используется вместо один случай сканирования длиной 30 мин потому, что есть вопросы, с образец воздействия к минимуму время впустую инструмент.
14. Средняя 3 сканирование для получения конечного результата с помощью функции СРЗНАЧ в Fit 2D программного обеспечения.
15. Повторите шаги 4.13-4.15 для каждой дополнительной выборки.

5. Пряжа распутывание и подготовки для испытания на растяжение

1. Получить 30 см x 30 см или более прозрачной пластиковой доски (поликарбонатные листы используются в этих экспериментах) которые могут быть размещены на темном фоне, или темный пластиковые доски такие же размеры.
2. Вырезать куски низкой липкости клейкой ленты (приблизительно 10 мм 5 мм) и они доступны для следующих шагов. Выполните этот шаг на поверхности стекла и разрезал ленту с лезвием бритвы.
3. Лента обоих концах шаблон прямоугольной бумаге колеи 20 мм пластиковая Совету, так что он лежит абсолютно плоский.
   Примечание: в качестве оптимальной длины для этих испытаний, на основе предыдущей работы и имеющиеся челюсти разделения документа выбирается 20 мм.
4. Нитриловые перчатки для предотвращения загрязнения, сократить около 70 мм до 80 мм промыть пряжи и поместите ее на стекло слайд или другой чистой поверхности (рис. 2a-b).
5. С помощью стерео Микроскоп помогать распутывания, тщательно удалить одно волокно из пряжи с помощью пинцета. Позаботьтесь, чтобы избежать зацепления или повредить волокна во время этого процесса. Отмена любого волокон, которые повреждены (рис. 2 c).
6. Место одно волокно поверх бумаги шаблон, убедившись, что волокно выравнивается с маркерами на шаблоне (Рисунок 2d- f).
7. Лента обоих концах волокна в правление. Для того, чтобы улучшить видимость волокна, положить темный фон под прозрачный пластиковый борту или использовать черные пластиковые доски. Волокно должно заложить прямо и слегка учил через шаблон (Рисунок 2f).
8. Повторите шаги 5.3 до 5,7 до примерно 35-45 волокна монтируются на отдельный документ шаблонов для каждого типа волокна. В этом случае, существует три типа волокон: PBIA-co-PPTA1, PBIA и PBIA-co-PPTA3.
9. После того, как все белки выявляются пластиковые Совету, добавьте одно малая капля Цианакрилатный клей на каждом конце волокна выровнены в шаблон документа. Оставьте 1 см без клея на концах бумажных шаблонов для захвата во время испытания на растяжение.
   Примечание: Цианакрилатный оказался лучший клей для этого материала, неудачная попытка с 24 h кюр Эпоксидная показано в результатах представитель.
10. Разрешить клей для по крайней мере 24 часа до начала испытания.

6. одно волокно для испытания на растяжение

1. Определите длину Гейдж и коэффициент расширения, которая обеспечивает наиболее последовательных результаты для образцов, представляющих интерес. Эти параметры могут продиктовал количество доступных образцов и ограничения экспериментальной установки.
2. Подготовьте документ для тестирования, установив растяжение ручек и калибровки разрыв.
3. Программа инструмент для перемещения ручки обеспечить зазор в 30 мм, которая является длина Гейдж выбран на основе размера бумаги шаблон и 10 мм пространство на каждом конце для челюсти.
4. Ослабьте захват лица, чтобы создать разрыв для загрузки бумаги шаблон, содержащий одно волокно.
5. Переместите один из образцов, подготовленный на шаге 5 к документу. С помощью перчатках, небольшой лопаткой и пинцеты, кормить шаблон через обе ручки, с использованием знаков на шаблон для оказания помощи размещения. Убедитесь, что клей находится вне области захвата.
6. Аккуратно совместите и закрывать лицо Топ сцепление, поддерживая все еще волокна, таким образом, чтобы он не сползают вниз.
7. Затяните винты затянуты только верхний и нижний винты динамометрическим ключом.
8. Повторите шаг 6.7 для винтов снизу.
9. Затяните винты на верхней и нижней ручки, используя динамометрический ключ. Позаботьтесь, чтобы затянуть винты в крест узор для балансировки нагрузки на волокно.
   Примечание: Соответствующий момент для использования могут различаться и должны быть определены экспериментально. 30 cN·m был использован в этих экспериментах.
10. Обрежьте обе стороны бумаги шаблон с ножницами.
11. Программа инструмент для выполнения испытания на растяжение с постоянной скоростью расширения 0,0125 мм/сек, монитора и остановить тест, когда сломался волокна.
12. В конце теста удалите волокна из ручки, ослабив захват лица. Соблюдать положение перерыв и сохранить сломанной волокна в контейнере помечены для дальнейшего анализа.
    Примечание: Волокон, которые нарушают на поверхности сцепления отклоняются от анализа как «челюсть разрывы» как описано в ASTM D3822.
13. Возвращение зазор в 30 мм и повторите шаги 6.4-6.12 до тех пор, пока все образцы тестируются.
14. Сохраните фрагменты сломанной волокна в шаблоне для дальнейшего микроскопического анализа.

Результаты

Сополимер арамидных волокон, учился здесь трудно отделить от нитей пучки на отдельные волокна для тестирования. Волокна запутанные и покрыты обработки химических веществ, которые делают их очень трудно отделить без повреждения волокон. Рисунок 3 пока?...

Обсуждение

Метод, описанный здесь обеспечивает альтернативный протокол на основе растворителя для удаления покрытий из сополимера арамидных волокон без использования воды. Два предыдущих исследования^3,4 показали гидролиза в волокнах этого химического состава, с ?...

Материалы

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