Desenredar las fibras de aramida de copolímero de alta resistencia para permitir la determinación de sus propiedades mecánicas
Summary
El objetivo principal del estudio es desarrollar un protocolo para preparar a especímenes consistentes para la prueba mecánica exacta de fibras de aramida de copolímero de alta resistencia, quitando una capa y desenmarañar los hilos de la fibra individual sin introducir importantes degradación química o física.
Abstract
Tradicionalmente, se ha hecho la armadura de cuerpo suave de poli (p-Fenileno paraphenylene) (PPTA) y polietileno de ultra alto peso molecular. Sin embargo, para diversificar las opciones de fibra en el mercado de Estados Unidos cuerpo armadura, fibras de copolímero basan en la combinación de 5-amino – 2-(p– aminophenyl) benzimidazole (PBIA) y se introdujeron la PPTA más convencional. Poco se sabe acerca de la estabilidad a largo plazo de estas fibras, pero como polímeros de condensación, se espera que tengan potencial sensibilidad a la humedad y la humedad. Por lo tanto, caracterizar la resistencia de los materiales y entender su vulnerabilidad a las condiciones ambientales es importante para evaluar su vida de uso en aplicaciones de seguridad. Resistencia balística y otras propiedades estructurales críticos de estas fibras se basan en su fuerza. Para determinar con precisión la fuerza de las fibras individuales, es necesario desenredarlos de hilado sin presentar daños. Tres fibras de copolímero base de aramida fueron seleccionadas para el estudio. Las fibras fueron lavadas con acetona seguida de metanol para eliminar una capa orgánica que ligan las fibras individuales en cada paquete de hilado. Esta capa dificulta separar las fibras individuales del paquete de hilo para ensayos mecánicos sin dañar las fibras y que afectan su fuerza. Después del lavado, fourier transforma infrarrojo (FTIR) la espectroscopia fue realizada en muestras lavadas y sin lavar y se compararon los resultados. Este experimento ha demostrado que hay no hay variaciones significativas en los espectros de poli (p-Fenileno-bencimidazol-paraphenylene-co –p-Fenileno paraphenylene) (PBIA-co-PPTA1) y PBIA-co-PPTA3 después de lavar y sólo una pequeña variación en intensidad para PBIA. Esto indica que los enjuagues de acetona y metanol no adverso que afecta a las fibras y causando degradación química. Además, ensayos de tracción de fibra única se realizan en el lavado fibras para caracterizar su inicial resistencia a la tracción y tensión al fracaso y comparar aquellos otros valores reportados. Desarrollo de procedimiento iterativo fue necesario encontrar un método exitoso para realizar ensayos de tracción en estas fibras.
Introduction
En la actualidad, foco significativo en el campo de la protección personal es en la reducción de la masa de la armadura necesaria para la protección personal para aplicación de la ley y aplicaciones militares1. Diseños de la armadura tradicional han confiado en materiales como el poli (p-Fenileno paraphenylene) (PPTA), también conocido como aramida y polietileno para proporcionar protección contra amenazas balísticas2. Sin embargo, hay un interés en la exploración de materiales de fibra de alta resistencia diferentes por su potencial para reducir el peso de la armadura requerida para detener una amenaza balística específica. Esto ha llevado a la exploración de materiales alternativos tales como fibras de aramida de copolímero. Estas fibras son hechas por la reacción de [5-amino – 2-(p– aminophenyl) benzimidazole] (amidobenzimidazole, ABI) y p– fenilendiamina (p-PDA) con cloruro del terephthaloyl a poly (p– de la forma Fenileno-bencimidazol-paraphenylene-co –p-Fenileno paraphenylene). En este estudio, examinamos tres fibras diferentes, todos los cuales son producidos comercialmente los materiales obtenidos de un contacto de la industria. Uno es una fibra de homopolímero que es hecha por ABI reacción con p-fenilenodiamina a poly forma 5-amino – 2-(p– aminophenyl) benzimidazole o PBIA. Las otras dos fibras copolímero examinadas en este estudio se esperan que sean copolímeros al azar con diferentes ratios de PBIA y PPTA vínculos3. Las proporciones relativas de estos vínculos no podrían ser determinadas experimentalmente mediante resonancia magnética estado sólido. Estas fibras son designadas como PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 para ampliar las denominaciones utilizadas en una publicación anterior4. PBIA-co-PPTA3 no fue estudiado previamente, pero tiene una estructura similar. Estos sistemas de fibra también han sido el foco de recientemente concedido varias patentes5,6,7.
Resistencia balística superior de armadura se basa en las propiedades mecánicas de los materiales que lo componen, como última fuerza extensible y tensión a la falla8,9,10. Esfuerzos significativos11,12,13 se han centrado en examinar la estabilidad a largo plazo de fibras poliméricas utilizadas en armadura investigando cambios perjudiciales en las propiedades mecánicas después de la exposición a condiciones ambientales. El efecto de las condiciones ambientales en fibras de aramida de copolímero no ha sido objeto de mucha investigación3,4. Un reto al estudio de estos materiales es la dificultad de desenredar los hilos para la prueba. Trabajo previo por McDonough4 investigado una técnica que se utilizó agua para desenredar los hilos antes de realizar ensayos de tracción de fibra única. Sin embargo, fue no comprender en si la resistencia mecánica de las fibras fue alterada por este contacto con el agua. Una alternativa a desenredar las fibras es poner a prueba la resistencia mecánica del paquete del hilo, sin embargo, esto requiere una gran cantidad de material y se considera en un promedio de la fuerza de las fibras en el paquete de hilado, proporciona información menos específica. El objetivo de este proyecto es analizar el efecto de elevada humedad y temperatura en las propiedades mecánicas de fibras de aramida de copolímero. Por lo tanto, es esencial encontrar un solvente alternativo para la remoción de la capa y Disentanglement del enigma fibra que nos permitirá distinguir la hidrólisis de las fibras debido a la exposición ambiental de que inducido por la preparación de la muestra. La preparación de las fibras individuales para las pruebas se complica aún más por su pequeño tamaño. En este trabajo, investigamos varios solventes comunes (agua, metanol y acetona) y seleccione acetona como la mejor opción para la preparación de las fibras individuales para la prueba. Todas las fibras fueron aclaradas con metanol antes de pruebas adicionales. Fourier transforma infrarrojo (FTIR) la espectroscopia se realiza para determinar si el paso de disolución y Disentanglement del enigma del recubrimiento causado cualquier degradación química en el material. El protocolo detallado de video que muestra los pasos de preparación de muestra del Disentanglement del enigma, análisis químico y ensayos mecánicos de las fibras de aramida de copolímero está diseñado para ayudar a otros investigadores en el desarrollo de metodologías para realizar estudios similares de fibras individuales en sus laboratorios.
Protocol
Representative Results
Discussion
El método descrito en el presente documento proporciona un protocolo alternativo de base solvente para la eliminación de capas de fibras de aramida de copolímero sin agua. Dos anteriores estudios3,4 mostró las pruebas de hidrólisis de las fibras de esta composición química, con la exposición al vapor de agua o agua líquida. Evitando la hidrólisis durante la preparación de la muestra es crítico para la siguiente fase de experimentos donde se examinará…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean reconocer el Dr. Will Osborn para discusiones útiles y asistencia con la preparación de la plantilla de cartulina.
Materials
| 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 |
Riferimenti
- Joseph, A., Wiley, A., Orr, R., Schram, B., Dawes, J. J. The impact of load carriage on measures of power and agility in tactical occupations: A critical review. International Journal of Environmental Research and Public Health. 15 (1), (2018).
- . . High-performance fibres. , (2001).
- Messin, G. H. R., Rice, K. D., Riley, M. A., Watson, S. S., Sieber, J. R., Forster, A. L. Effect of moisture on copolymer fibers based on 5-amino-2-(p-aminophenyl)- benzimidazole. Polymer Degradation and Stability. 96 (10), 1847-1857 (2011).
- McDonough, W. G., et al. Testing and analyses of copolymer fibers based on 5-amino-2-(p-aminophenyl)-benzimidazole. Fibers and Polymers. 16 (9), 1836-1852 (2015).
- De Vos, R. E. T. P., Surquin, J. E., Marlieke, E. J. . US patent. , (2013).
- Lee, K. S. . US patent. , (2014).
- Mallon, F. K. . US patent. , (2014).
- Cunniff, P. M. Dimensionless Parameters for Optimization of Textile-Based Armor Systems. 18th Int Symp Ballist. , 1302-1310 (1999).
- Cuniff, P. M., Song, J. W., Ward, J. E. Investigation of High Performance Fibers for Ballistic Impact Resistance Potential. Int SAMPE Tech Conf Ser. 21, 840-851 (1989).
- Cheng, M., Chen, W., Weerasooriya, T. Mechanical Properties of Kevlar® KM2 Single Fiber. Journal of Engineering Materials and Technolog. 127 (2), 197 (2005).
- Forster, A. L., et al. Hydrolytic stability of polybenzobisoxazole and polyterephthalamide body armor. Polymer Degradation and Stability. 96 (2), 247-254 (2011).
- Forster, A. L., et al. Long-term stability of UHMWPE fibers. Polymer Degradation and Stability. , 45-51 (2015).
- Holmes, G. A., Kim, J. -. H., Ho, D. L., McDonough, W. G. The Role of Folding in the Degradation of Ballistic Fibers. Polymer Composites. 31, 879-886 (2010).
- ASTM International. . ASTM D3822/D3822M-14 Standard Test Method for Tensile Properties of Single Textile Fibers. , 1-10 (2015).
- Levchenko, A. A., Antipov, E. M., Plate, N. A., Stamm, M. Comparative analysis of structure and temperature behaviour of two copolyamides – Regular KEVLAR and statistical ARMOS. Macromolecular Symposia. 146, 145-151 (1999).
- Jenket, D. . Failure Mechanisms Of Ultra High Molar Mass Polyethylene Single Fibers At Extreme Temperatures And Strain-Rates. , (2017).
