Disentangling חוזק גבוה קופולימר ארמיד סיבים כדי לאפשר קביעת תכונות מכניות שלהם

Summary

המטרה העיקרית של המחקר היא לפתח פרוטוקול להכין דגימות עקבית עבור בדיקות מכניות מדויק של חוזק גבוה קופולימר ארמיד סיבים, על ידי הסרת ציפוי disentangling גדילים סיבים בודדים מבלי להציג משמעותית השפלה כימיים או פיזיים.

Abstract

באופן מסורתי, גוף רך שריון נעשתה מתוך פולי (p-phenylene terephthalamide) (PPTA) ופוליאתילן משקל מולקולרי גבוה. עם זאת, לגוון את הבחירות סיבים בשוק שריון הגוף ארצות הברית, קופולימר סיבי מבוסס על השילוב של 5-אמינו - 2-(p- aminophenyl) benzimidazole (PBIA), PPTA קונבנציונליים יותר הוכנסו. מעט מאוד ידוע לגבי היציבות לטווח ארוך של סיבים אלה, אך כמו פולימרים עיבוי, הם צפויים להם פוטנציאל רגישות רטיבות ולחות. לכן, אפיון הכוח של חומרים והבנה הפגיעות שלהם בתנאי סביבה הוא חשוב להערכת חייהם שימוש ביישומי בטיחות. ההתנגדות בליסטי לבין מאפיינים מבניים קריטיים אחרים של סיבים אלה הם שהתבססו על כוחם. כדי לקבוע באופן מדויק את הכוח של סיבי בודדים, יש צורך disentangle אותם מן המעשייה ללא היכרות עם נזק. שלושה סיבים קופולימר מבוסס-ארמיד נבחרו לצורך המחקר. הסיבים נשטפו עם אצטון ואחריו מתנול להסרת ציפוי מבטל אורגני שהחזיקה את הסיבים בודדים בחבילה כל חוט ביחד. ציפוי זה מקשה להפריד סיבים יחיד הצרור חוטי בדיקה מכאנית ללא פגיעה הסיבים, המשפיעים על כוחם. לאחר חפיפה (FTIR) ספקטרוסקופיית פורייה בוצעה על דגימות שטף והן רחוץ, התוצאות הושוו. ניסוי זה הוכיח כי ישנם אין וריאציות משמעותיות הספקטרום של פולי (p-phenylene-benzimidazole-terephthalamide-co -p-phenylene terephthalamide) (PBIA-co-PPTA1), PBIA-co-PPTA3 לאחר כביסה, רק וריאציה קטן עוצמת PBIA. מציין כי שטיפות אצטון, מתנול הם לא לרעה המשפיעים על הסיבים ולא גורם כימי השפלה. בנוסף, בדיקות סיב יחיד בוצע על הסיבים שטף לאפיין את חוזק הראשונית שלהם ואת המתח לכישלון, ולהשוות אותם לערכים אחרים שדווחו. בפיתוח פרוצדורלי איטרטיבי היה צורך למצוא שיטה מוצלחת ביצוע בדיקות על סיבים אלו.

Introduction

כיום, מיקוד משמעותי בתחום של הגנה אישית הוא על הפחתת המסה של האפוד מגן לצורך הגנה אישית עבור יישומים צבאיים¹ואכיפת החוק. עיצובים מסורתיים שריון צריכים לסמוך על חומרים כמו זכוכית אקרילית (p-phenylene terephthalamide) (PPTA), הידוע גם בשם ארמיד, ופוליאתילן כדי לספק הגנה מפני איומים בליסטיים². עם זאת, יש אינטרס לחקור חומרים סיבי חוזק גבוה שונים עבור הפוטנציאל שלהם כדי להקטין את המשקל של שריון נדרש לעצור איום בליסטי ספציפיים. זה הוביל החיפושים של חומרים חלופיים כגון ארמיד קופולימר סיבים. סיבים אלו מיוצרים על ידי התגובה של [5-benzimidazole (p- aminophenyl) - 2 - אמינו] (amidobenzimidazole, ABI) ו p- phenylenediamine (p-PDA) עם terephthaloyl כלוריד כדי טופס פוליפוני (p- phenylene-benzimidazole-terephthalamide-co -p-phenylene terephthalamide). במחקר זה, אנו בוחנים שלושה סיבים שונים, אשר כולם מיוצרים באופן מסחרי חומרי המתקבל איש קשר בתעשייה. אחד הוא סיבים homopolymer אשר עשוי מאת מגיבים עם p-phenylenediamine טופס פוליפוני 5-אמינו - 2 - benzimidazole (p- aminophenyl), או PBIA. שני קופולימר סיבים אחרים שנבדקו במחקר זה צפויים להיות copolymers אקראיים עם יחס שונה של קישורים של PBIA ו- PPTA-³. היחס היחסי של קישורים אלה לא היתה אפשרות לקבוע השפעול באמצעות תהודה מגנטית גרעינית של מצב מוצק. סיבים אלו המיועדים לשמש PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 להאריך וכינוים בשימוש בפרסום הקודם⁴. PBIA-co-PPTA3 לא נחקר קודם לכן, אך יש מבנה דומה. מערכות סיבים אלו היו גם המוקד של מספר לאחרונה שהוענקה פטנטים^5,6,7.

התנגדות בליסטי מעולה של שריון המרקסיסטי מבוסס על התכונות המכאניות של החומרים המרכיבים אותו, כגון מתיחה להתאמץ כדי כשל^8,9,10. מאמצים משמעותיים^11,12,13 יש התמקדה בחינת היציבות לטווח ארוך של סיבים פולימריים המשמש בשריון הגוף על ידי חקירת מזיקה לשינויים אלה תכונות מכניות לאחר חשיפה תנאים סביבתיים. השפעת התנאים הסביבתיים על סיבי קופולימר ארמיד לא היה הנושא של הרבה מחקר^3,4. אתגר אחד ללמוד חומרים אלה הוא הקושי disentangling יפצחו לבדיקה. עבודה מוקדמת על ידי מק'דונו⁴ חקר טכניקה שבה המים שימש disentangle יפצחו לפני ביצוע בדיקות סיב יחיד. עם זאת, היה אין הבנה מלאה על אם חוזק מכני רב, הסיבים שונה על ידי חשיפה זו מים. אלטרנטיבה disentangling הסיבים היא לבחון את חוזק מכני של הקיבוץ חוט, עם זאת, זה דורש כמות גדולה של חומר, והוא נחשב את הממוצע הכוח של הסיבים בחבילה חוט, מתן מידע ספציפית פחות. מטרת פרויקט זה היא לבחון את השפעת טמפרטורה ולחות גבוהות על תכונות מכניות של סיבי קופולימר ארמיד. לכן חיוני כדי למצוא של הממס חלופיות להסרת ציפוי הקונקרטיות סיבים שתאפשר לנו להבחין הידרוליזה של הסיבים עקב החשיפה הסביבתיים מזה המושרה על ידי הכנת הדוגמא. הכנת סיבים בודדים לבדיקת מסובך עוד יותר על ידי גודלם הקטן. בעבודה זו, אנו לחקור מספר ממסים נפוצים (מים, מתנול, אצטון), בחר אצטון הבחירה הטובה ביותר עבור הכנת סיבים בודדים לבדיקה. כל סיבי היו שטפה עם מתנול לפני בדיקה נוספת. (FTIR) ספקטרוסקופיית פורייה מתבצע כדי לקבוע אם הצעד התפרקות ו הקונקרטיות ציפוי גרם כל השפלה כימי בחומר. פרוטוקול וידאו מפורט מציג את השלבים הכנה מדגם של הקונקרטיות, ניתוח כימי בדיקות מכניות של קופולימר ארמיד סיבי נועדה לסייע לחוקרים אחרים בפיתוח מתודולוגיות לביצוע מחקרים דומים של סיבים יחיד במעבדות שלהם.

Protocol

1. פירוק ציפוי על סיבי קופולימר סיוע בהפרדה סיבים

1. לבוש כראוי נבחרת עמידים כימית כפפות כדי למנוע זיהום של הסיבים, לחתוך 160 מ ל 170 מ מ מ תתי חוט חילוץ באמצעות קרמיקה מספריים או סכין גילוח פלדה טריים. שומרים את שארית חוטי צמר במידת הצורך עבור ניתוח נוסף במיכל עם תוויות.
2. מקמי או מהדק את הקצוות של המטווה כדי למנוע את חוט בהסתבכות כשהוא שקוע בתוך הממס.
   הערה: במחקר זה, ממיסים רחבות ההיקף קוטביות (מתוך הסדרה קוטביות) היו בתחילה חקר. על סמך הממצאים האיכותניים, בדיקה מעמיקה יותר נערך באמצעות אצטון ומים מתנול. לבסוף, אצטון נבחר הממס הטוב ביותר עבור סיבים ההפרדה בהתבסס על הקלות של detangling ואת התוצאות מיקרוסקופ אלקטרונים (SEM) סריקה (הסבר בהמשך).
3. לטבול את נימי מ"ל 2 עד 3 מ"ל של הממס שכותרתו פטרי, לכסות עם המכסה פטרי.
4. לאפשר את יפצחו לספוג פנימה אצטון במשך 30 דקות ולאחר מכן למחוק את הממס.
5. חזור על שלבים ל- 1.3-1.4 לפחות שתי פעמים נוספות ולאפשר ואז הממס מתמוססות.
6. כדי להסיר שאריות אצטון וכדי לסייע ייבוש, לטבול את הדגימה ב 2 מ"ל עד 3 מ"ל של מתנול.
7. לאפשר את יפצחו לטבול מתנול לפחות 30 דקות.
8. הסר את חוט של הממס ולאפשר לייבוש על פחות 24 שעות.

2. ניתוח של ציפוי שלב פירוק על ידי מיקרוסקופ אלקטרונים סורק

1. הפרד את הסיבים בודדים עם פינצטה, אשר בעבר נשטפים באמצעות ממיסים שונים מן הקיבוץ חוט, לצורך ניתוח תחת מיקרוסקופ סטריאו במידת הצורך.
2. הר הסיבים על גדם מפלדת (1 ס מ קוטר) על-ידי שמירה אותם עם פינצטה על גבי קלטת פחמן דו-צידית.
3. מעיל הסיבים עם חומר מוליך כגון Au/Pd להקל על פני השטח טעינה אפקטים תחת ב- SEM.
4. לטעון את הדגימות סיבים לתוך המיקרוסקופ אלקטרון סריקה ו תמונה אותם ב 2 kV האצת מתח והרשות 50 – 100 הרשות הפלסטינית אלקטרון הנוכחי. להחיל הגדרות ניטרול תשלום על אפקטים טעינה מונה במידת הצורך.

3. ניתוח של ציפוי צעד פירוק פורייה להפוך ספקטרוסקופית אינפרא אדום

1. חותכים כ 30 מ מ עד 40 מ מ של חוט שטף את הצרור.
2. להשיג כרטיס מדגם IR דבק ולהסיר את תמיכתה מגן.
3. כשאתה לובש כפפות כדי להגן על המדגם מפני זיהום, לסובב מעט את הצרור סיבים מזג את המדגם לצורך ניתוח ולמקם את הדגימה מעל החלון בכרטיס.
4. להכין את FTIR ניתוח על פי מפרט היצרן. להדליק את הגז לטיהור, למלא את הגלאי עם חנקן נוזלי, ולהתקין את האביזר ATR באמצעות לוח מגנטי היישור בתא מדגם.
5. לתכנת את הפרמטרים עבור מספר סריקות והרזולוציה כלי מדידה מתקדמים בכרטיסיה כלי התוכנה, במקרה זה, סריקות 128 חישוב הממוצע ברזולוציה של 4 ס מ^-1.
6. לנקות את החלון של האביזר ATR עם מוך נמוך לנגב, מתנול.
7. לאסוף רקע על ידי לחיצה על לחצן לאסוף הרקע בחלון מידה בסיסית של התוכנה עם הפרמטרים שבחרת בשלב 3.5.
8. יישר את הדגימה סיבים מעל החלון האביזר ATR, באמצעות מיקרוסקופ צג וידאו כדי לסייע הצב הסיבים.
9. לאסוף קשת לדוגמה על ידי לחיצה על כפתור המדגם לאסוף בחלון מידה בסיסית של התוכנה באמצעות הפרמטרים שבחרת בשלב 3.5.
10. חזור על שלבים 3.6-3.9, איסוף ספקטרה לפחות 3 עבור דגימה עד שיש כבר ניתחו את כל הדגימות.

4. ניתוח של סיבים על ידי פיזור רחב זווית צילום רנטגן

1. כשאתה לובש nitrile כפפות, חותכים כ 25 מ מ חוטי צמר של סליל חוט באמצעות סכין גילוח.
2. מרכז כל צרור חוטי צמר מעל החור הפנימי 6.25 מ מ של מנקה נירוסטה 25 מ מ.
3. קלטת את הצרור חוט כדי למכונת הכביסה כדי להחזיקו במקום באמצעות הקלטת צלופן.
4. חזור על הצעדים 4.1 4.3 שני סוגים אחרים של חוט.
5. להקליט את הדיסקיות המכיל חבילות צמר לבלוק בעל דוגמת פלדת (המכיל מוטות מתכתיים לצורך מיקום) בדומה למוצג באיור1. הסיבים צריך להיות בתצורה אנכיים לניתוח.
6. הר דגימת הבקרה behenate כסף כדי לחסום מחזיק את הדגימה באותו מיקום כמו הדיסקיות.
7. פתח את הדלת אל המכשיר והר הבלוק בעל מדגם לשלב ניתוח באמצעות מערכת יישור מגנטי.
8. . סגור את הדלת לתא בעל מדגם ולהפעיל את משאבת ואקום לפנות לחדר ניתוח המדגם. צג מד ואקום להרכיבו ליד המכשיר עד שואב האבק מגיע כ 1600 הפלסטינית.
9. פתח את תוכנת מכשיר להפעיל את הקרן, בצע סריקה אופקי כדי לקבוע את המיקום-x של כל מדגם את המחזיק לדוגמה.
10. לאחר זיהוי x-מיקום של כל דגימה, לבצע סריקה אנכית כדי למטב את המיקום-y כדי להשיג את עוצמת האות המרבי עבור כל דגימה.
11. לאחר x ו- y-מיקומים נקבעים, להתחיל את המדידה על-ידי ניתוח המדגם שליטה behenate כסף כדי לקבוע את המרחק בין המדגם לבין כל גלאי.
12. לנתח את המדגם הראשון סיבים באמצעות זמן חשיפה 10 דקות.
13. חזור על שלב 4.13 פעמיים נוספות עבור סכום לסרוק זמן של 30 דקות.
    הערה: פרוטוקול זה משמש במקום 30 דקות זמן הסריקה במקרה אחד כי יש בעיות עם החשיפה הדגימה כדי לצמצם את זמן מבוזבז כלי נגינה.
14. ממוצע 3 סריקות כדי להשיג את התוצאה הסופית שימוש בפונקציה average בתוכנת 2D מתאים.
15. חזור על הצעדים 4.13-4.15 כל דגימה נוספת.

5. חוט הקונקרטיות והכנה בדיקות

1. להשיג של 30 ס"מ על 30 ס"מ או לוח פלסטיק שקוף גדול יותר (פוליקרבונט גליונות משמשים בניסויים אלה) זה יכול להיות ממוקם על רקע כהה, או לוח פלסטיק כהה של מידות זהות.
2. לחתוך חתיכות דבק סלוטייפ צבעי נעץ נמוך (כ- 10 מ מ 5 מ מ) ויש להם זמין עבור השלבים הבאים. יש לבצע פעולה זו על משטח זכוכית, חותכים את הקלטת עם סכין גילוח.
3. להקליט את שני הקצוות של תבנית נייר מלבני מד 20 מ מ ללוח פלסטיק כך זה שקרים שטוח לחלוטין.
   הערה: 20 מ מ נבחרת כמו אורך אופטימלי מד לבדיקות אלה בהתבסס על העבודות הקודמות ועל ההפרדה הלסת זמין של המכשיר.
4. לובש nitrile כפפות כדי למנוע זיהום, לחתוך כ 70 מ"מ 80 מ מ של חוט שטופים ומניחים אותו על שקופית מזכוכית או משטח נקי אחר (איור 2 א-b).
5. באמצעות מיקרוסקופ סטריאו כדי לסייע הקונקרטיות, בזהירות להסיר מסיב יחיד חוטי צמר באמצעות פינצטה. לטפל כדי למנוע לסגור עסקה או פגיעה הסיבים במהלך תהליך זה. למחוק את כל הסיבים הם פגומים (איור 2 c).
6. במקום מסיב יחיד על גבי התבנית נייר, מוודא כי הסיבים מיושר הסמנים על התבנית (איור דו-ממדי- f).
7. להקליט את שני הקצוות של סיבי ללוח. על מנת לשפר את הנראות של סיבי, לשים רקע כהה מתחת לוח פלסטיק שקוף או השתמש בלוח פלסטיק שחור. הסיבים צריך להניח ישר וללמוד מעט על פני התבנית (איור 2f).
8. חזור על שלבים 5.3 ל 5.7 עד כ- 35 עד 45 סיבים הם רכובים על תבניות נייר נפרד עבור כל סוג של סיבים תזונתיים. במקרה זה, ישנם שלושה סוגים של סיבים: PBIA-co-PPTA1, PBIA ו PBIA-co-PPTA3.
9. לאחר כל סיבי שמוקלטות ללוח פלסטיק, להוסיף אחד טיפה קטנה של דבק מגע דבק בכל צד של הסיבים מיושרים על תבנית נייר. יוצאים ללא דבק בקצוות של תבניות נייר עבור כשתפסת במהלך בדיקות 1 ס מ.
   הערה: דבק מגע נמצאה להיות הדבק הטוב ביותר עבור חומר זה, ניסיון כושל עם אפוקסי התרופה 24 שעות מוצג בתוצאות נציג.
10. לאפשר את דבק לרפא לפחות 24 שעות לפני הבדיקה.

6. בדיקות סיב יחיד

1. לקבוע את אורך למדידה, הקצב של סיומת המספק את התוצאות הכי עקבי עבור הדגימה עניין. פרמטרים אלה ייתכן שיכתיבו את כמות הדגימה זמין ועל ידי המגבלות של ההתקנה ניסיוני.
2. הכינו את המכשיר לבדיקה על ידי התקנת אוחז מתיחה. ומכייל את הפער.
3. תוכנית כלי כדי להעביר אוחז לספק פער של 30 מ מ, אשר הוא האורך gage נבחר בהתאם לגודל התבנית נייר ועל השטח 10 מ מ עזב בכל קצה של הלסת.
4. שחרר את הפרצופים אחיזה כדי ליצור פער עבור טעינת התבנית נייר המכיל סיבים יחיד.
5. תזיזי את אחת הדגימות מוכן בשלב 5 מכשיר. בעזרת ידיים בכפפות, מרית קטנה, או פינצטה, להאכיל את התבנית דרך אוחז בשני, בעזרת הסימנים על התבנית כדי לסייע את המיקום. ודא כי הדבק הוא מחוץ לאזור אחיזה.
6. בעדינות ליישר וסגור הפנים האחיזה העליונה, תוך תמיכה עדיין הסיבים, כך שזה לא להחליק למטה.
7. לחזק את הברגים העליונים והתחתונים עם מפתח ברגים מומנט עד הברגים הם רק הדוקים.
8. חזור על צעד 6.7 הברגה.
9. הדק את הברגים באוחז עליון ותחתון בעזרת מפתח ברגים מומנט. לטפל כדי להדק את הברגים בתבנית צלב כדי לאזן את העומס על הסיבים.
   הערה: תנופה לשימוש עשוי להשתנות, צריכה להיקבע השפעול. 30 cN·m שימש בניסויים אלה.
10. חתוך צידי התבנית נייר עם מספריים.
11. לתכנת את המכשיר כדי לבצע את הבדיקה מתיחה בקצב קבוע של הארכת מ מ 0.0125/s, לנטר את התצוגה ולהפסיק את הבדיקה כאשר הסיבים שבור.
12. בסוף הבדיקה, הסר הסיבים אוחז מאת ויסירו את הפרצופים אחיזה. לצפות את מיקום ההפסקה ולשמר סיבים שבור במיכל עם תוויות עבור ניתוח נוסף.
    הערה: סיבי לשבור את פני אחיזה מתבטלים מניתוח כמו "הלסת מעברי" כפי שמתואר ASTM D3822.
13. להחזיר את הפער עד 30 מ"מ וחזור על שלבים 6.4-6.12 עד כל דוגמאות נבדקים.
14. להציל את השברים סיבים שבור בתבנית נוספת לבדיקה מיקרוסקופית.

תוצאות

הסיבים ארמיד קופולימר למד פה קשים להפריד חוטי חבילות לתוך סיבים בודדים לבדיקה. הסיבים מסובכת, מצופה עיבוד כימיקלים שהופכים אותם קשה מאוד להפריד ללא פגיעה הסיבים. איור 3 מראה המורפולוגיה מבנית של סיבים בתוך מעשייה. אפילו במסגרת חבילה גדולה יותר, משטחים סיב...

Discussion

השיטה המתוארת במסמך זה מספק פרוטוקול ממס מבוסס חלופי עבור הסרת ציפויים ארמיד קופולימר סיבים ללא שימוש במים. שני הקודם מחקרים^3,4 הראה העדויות של הידרוליזה הסיבים של ההרכב הכימי הזה, עם חשיפה אדי מים או מים במצב נוזלי. הימנעות הידרוליזה במהלך הכנת המדגם הוא קר?...

Materials

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