Udrede højstyrke Copolymer Aramid fibre til bestemmelse af mekaniske egenskaber
Summary
Hovedformålet med undersøgelsen er at udvikle en protokol for at forberede konsekvent prøver for nøjagtig mekanisk testning af højstyrke copolymer aramid fibre, ved at fjerne en belægning og udrede de enkelte fiber tråde uden at indføre betydelige kemiske eller fysiske forringelse.
Abstract
Traditionelt, bløde kropspanser er gjort fra poly (p-phenylendiamin terephthalamide) (PPTA) og ultrahøj molekylvægt polyethylen. Men for at diversificere fiber valg i USA ‘s organ rustning marked, copolymer fibre baseret på en kombination af 5-amino – 2-(p– aminophenyl) benzimidazol (PBIA) og den mere konventionelle PPTA blev indført. Meget lidt er kendt om den langsigtede stabilitet af disse fibre, men som kondens polymerer, de forventes at have potentielle følsomhed over for fugt og luftfugtighed. Derfor er karakteriserer styrken af de materialer og forståelse deres sårbarhed over for miljømæssige forhold vigtige for at vurdere deres brug levetid i sikkerhedsapplikationer. Ballistisk modstand og andre vigtige strukturelle egenskaber af disse fibre er baseret på deres styrke. Du kan præcist bestemme styrken af de enkelte fibre, er det nødvendigt at adskille dem fra Garnet uden at indføre nogen skade. Tre aramid-baserede copolymer fibre blev udvalgt til undersøgelsen. Fibrene blev skyllet med acetone efterfulgt af methanol til at fjerne en organisk belægning, der holdt de enkelte fibre i hver garn bundt sammen. Denne belægning gør det vanskeligt at adskille enkelt fibre fra garn bundle for mekaniske test uden at beskadige fibrene og påvirker deres styrke. Efter vask, fourier transform infrarød (FTIR) spektroskopi blev udført på både vasket og uvaskede prøver og resultaterne blev sammenlignet. Dette eksperiment viser, at der er ingen betydelige variationer i spektre af poly (p-phenylendiamin-benzimidazol-terephthalamide-co –p-phenylendiamin terephthalamide) (PBIA-co-PPTA1) og PBIA-co-PPTA3 efter vask, og kun en lille variation i intensitet for PBIA. Dette indikerer at acetone og methanol skylninger ikke negativt påvirker fibrene og forårsager kemisk nedbrydning. Derudover blev enkelt fiber trækstyrke test udført på den vaskede fibre til at karakterisere deres indledende trækstyrke og stamme til at mislykkes, og sammenligne dem med andre rapporterede værdier. Iterativ proceduremæssige udvikling var nødvendigt at finde en succesfuld metode til udførelse af trækstyrke test på disse fibre.
Introduction
I øjeblikket er betydelig fokus inden for personlig beskyttelse på at reducere massen af kroppen rustning behov for personlig beskyttelse for de retshåndhævende og militære applikationer1. Traditionelle rustning designs har påberåbt sig materialer som poly (p-phenylendiamin terephthalamide) (PPTA), også kendt som aramid, og polyethylen yde beskyttelse mod ballistiske trusler2. Der er imidlertid en interesse i at udforske forskellige højstyrke fiber materialer til deres potentiale til at reducere vægten af rustning skal stoppe en specifik ballistiske trussel. Dette har ført til udforskning af alternative materialer såsom aramid copolymer fibre. Disse fibre er lavet ved reaktion mellem [5-amino – 2-(p– aminophenyl) benzimidazol] (amidobenzimidazole, ABI) og p– phenylendiamin (p-PDA) med terpthaloyldichlorid chlorid til form poly (p– phenylendiamin-benzimidazol-terephthalamide-co –p-phenylendiamin terephthalamide). I denne undersøgelse undersøger vi tre forskellige fibre, som alle er kommercielt produceret materialer hidrørende fra en industri-kontakt. En er en homopolymer fiber, der er foretaget af reagerende ABI med p-phenylendiamin form poly 5-amino – 2-(p– aminophenyl) benzimidazol eller PBIA. De to andre copolymer fibre undersøgt i denne undersøgelse forventes at være tilfældig copolymerer med forskellige nøgletal for PBIA og PPTA forbindelser3. De relative forhold mellem disse forbindelser kunne ikke bestemmes eksperimentelt ved hjælp af solid-state Kernemagnetisk resonans. Disse fibre er udpeget som PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 at udvide de betegnelser, der anvendes i en tidligere publikation4. PBIA-co-PPTA3 var ikke tidligere undersøgt, men har en lignende struktur. Disse fiber systemer har også været genstand for flere nyligt udstedte patenter5,6,7.
Overlegen ballistisk modstand af kroppen rustning er baseret på de mekaniske egenskaber af de materialer, der omfatter det, såsom trækstyrke og stamme til fiasko8,9,10. Betydelig indsats11,12,13 har været fokuseret på undersøge den langsigtede stabilitet af polymere fibre anvendes i kropspanser ved at undersøge skadelige ændringer i disse mekaniske egenskaber efter udsættelse for miljøforhold. Effekten af miljøforhold på aramid copolymer fibre har ikke været genstand for en masse forskning3,4. En udfordring til at studere disse materialer er vanskeligheden i udrede garn til test. Forudgående arbejde af McDonough4 undersøgt en teknik, hvorved vand blev brugt til at udrede garn før udførelse enkelt fiber trækstyrke test. Men der var ingen fuldstændig forståelse på hvorvidt den mekaniske styrke af fibre blev ændret af dette vand eksponering. Et alternativ til at udrede fibrene er at teste den mekaniske styrke af garn bundt, men dette kræver en stor mængde af materiale, og betragtes som gennemsnitlig styrke fibre i garn bundt, giver mindre specifikke oplysninger. Målet med dette projekt er at undersøge effekten af forhøjet luftfugtighed og temperatur på de mekaniske egenskaber af aramid copolymer fibre. Det er således vigtigt at finde en alternativ opløsningsmiddel for belægning fjernelse og fiber disentanglement, der gør det muligt at skelne hydrolyse i fibre på grund af miljøeksponering fra der induceres ved forberedelse af prøver. Forberedelse af enkelt fibre til at teste kompliceres yderligere af deres lille størrelse. I dette arbejde, vi undersøge flere fælles opløsningsmidler (vand, methanol og acetone) og vælg acetone som det bedste valg for forberedelse af enkelt fibre til test. Alle fibre blev skyllet med methanol inden yderligere test. Fourier transform infrarød (FTIR) spektroskopi udføres for at afgøre, om belægning opløsning og disentanglement trin forårsaget nogen kemiske nedbrydning i materialet. Den detaljerede video protokollen viser prøve forberedelsestrin disentanglement, kemisk analyse og mekanisk testning af copolymer aramid fibre er beregnet til at hjælpe andre forskere med at udvikle metoder til at udføre lignende undersøgelser af enkelt fibers i deres laboratorier.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den metode beskrevet heri giver en alternativ opløsningsmiddel-baseret protokol til fjernelse af belægninger fra aramid copolymer fibre uden brug af vand. To tidligere undersøgelser3,4 viste tegn på hydrolyse i fibre af denne kemiske sammensætning, med eksponering for vanddamp eller flydende vand. Undgå hydrolyse forberedelsen prøven er kritisk for den næste fase af eksperimenter hvor disse sæt af fibre vil blive undersøgt for deres modtagelighed for al…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne anerkende Dr. Will Osborn for nyttige diskussioner og bistand med forberedelse af skabelonen karton.
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 |
Referências
- 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).
