Ontwarren hoge sterkte copolymeer aramidevezels om de bepaling van hun mechanische eigenschappen

Summary

Het primaire doel van de studie is voor de ontwikkeling van een protocol ter voorbereiding van consistente exemplaren voor nauwkeurige mechanische testen van hoge sterkte copolymeer aramidevezels, door het verwijderen van een coating en de individuele vezels strengen ontwarren zonder de invoering van belangrijke chemische of fysische achteruitgang.

Abstract

Traditioneel, zachte body armor is gemaakt van poly (p-phenylene terephthalamide) (PPTA) en ultrahoge moleculairgewicht-polyethyleen. Echter, diversificatie van de vezel keuzen in de markt van de Verenigde Staten lichaam armor, copolymeer vezels op basis van de combinatie van 5-amino – 2 – benzimidazol (p– aminophenyl) (PBIA) en de meer conventionele PPTA werden geïntroduceerd. Er is weinig bekend over de stabiliteit van deze vezels in de lange termijn, maar als de condensatie polymeren, zij naar verwachting hebben potentiële gevoeligheid voor vocht en vocht. Karakterisering van de sterkte van de materialen en het begrip daarom hun kwetsbaarheid voor milieuomstandigheden belangrijk voor de evaluatie van de levensduur van hun gebruik in veiligheidstoepassingen. Ballistische weerstand en andere kritische structurele eigenschappen van deze vezels zijn gebaseerd op hun sterkte. Nauwkeurig bepalen van de sterkte van de individuele vezels, is het noodzakelijk om hen van het garen te ontwarren zonder schade. Drie copolymeren op basis van aramide vezels werden geselecteerd voor de studie. De vezels werden gewassen met aceton, gevolgd door methanol te verwijderen van een organische coating die de individuele vezels in elke bundel garen bij elkaar gehouden. Deze coating maakt het moeilijk te scheiden van één vezels van de bundel garen voor de mechanische testen zonder beschadiging van de vezels en invloed op hun sterkte. Na het wassen, fourier transformatie (FTIR) infraroodspectroscopie werd uitgevoerd op monsters die zowel gewassen en ongewassen en de resultaten werden vergeleken. Dit experiment heeft aangetoond dat er geen aanzienlijke variaties in de spectra van poly (p-phenylene-benzimidazol-terephthalamide-co –p-phenylene terephthalamide) (PBIA-co-PPTA1) en PBIA-co-PPTA3 na het wassen, en slechts een kleine variatie in intensiteit voor PBIA. Dit geeft aan dat de aceton en methanol gespoeld zijn niet ongunstig beïnvloeden de vezels veroorzaken chemische aantasting. Daarnaast enkele vezel treksterkte getest op de gewassen vezels te karakteriseren van hun eerste treksterkte en stam te mislukken, en die andere gerapporteerde waarden te vergelijken. Procedurele bijsturing was nodig om een succesvolle methode voor het uitvoeren van de treksterkte testen op deze vezels te vinden.

Introduction

Belangrijk aandachtspunt op het gebied van persoonlijke bescherming is momenteel op het terugdringen van de massa van de body armor die nodig zijn voor de bescherming van de persoonsgegevens voor rechtshandhaving en militaire toepassingen¹. Traditionele pantser ontwerpen hebben vertrouwd op materialen zoals poly (p-phenylene terephthalamide) (PPTA), ook bekend als aramide, en polyethyleen om te beschermen tegen ballistische dreigingen². Er is echter een belang in het verkennen van verschillende hoge sterkte vezel materialen voor hun potentieel om het gewicht van armor nodig om te stoppen met een specifieke ballistische bedreiging te verminderen. Dit heeft geleid tot de verkenning van alternatieve materialen zoals copolymeer aramidevezels. Deze vezels zijn vervaardigd door de reactie van [5-amino – 2-(p– aminophenyl) benzimidazol] (amidobenzimidazole, ABI) en p– fenyleendiamine (p-PDA) met terephthaloyl chloride aan formulier poly (p– phenylene-benzimidazol-terephthalamide-co –p-phenylene terephthalamide). In deze studie onderzoeken we drie verschillende vezels, die allemaal commercieel geproduceerde materialen verkregen uit een contact van de industrie. Een is een homopolymeer vezel die is aangebracht door reagerende ABI met p-fenyleendiamine formulier poly 5-amino – 2-(p– aminophenyl) benzimidazol of PBIA. De andere twee copolymeer vezels onderzocht in deze studie naar willekeurige copolymeren met verschillende verhoudingen van PBIA en PPTA verbanden³verwachting. De relatieve verhoudingen van deze verbanden kon niet worden vastgesteld experimenteel gebruik van solid-state nucleaire magnetische resonantie. Deze vezels zijn aangewezen als PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 uit te breiden van de benamingen die in een eerdere publicatie⁴gebruikt. PBIA-co-PPTA3 was niet eerder onderzocht, maar heeft een vergelijkbare structuur. Deze vezel-systemen zijn ook de focus van verschillende onlangs verleende octrooien^5,6,7.

Superieure ballistische weerstand van body armor is gebaseerd op de mechanische eigenschappen van de materialen waaruit het, zoals de ultieme treksterkte en stam tot mislukking^8,9,10. ^12,13 van de^11,van de aanzienlijke inspanningen hebben gericht geweest op het onderzoek van de stabiliteit op de lange termijn van polymere vezels gebruikt in kogelvrije vesten door nadelige veranderingen in deze mechanische eigenschappen onderzoeken na blootstelling aan milieu-omstandigheden. Het effect van omgevingsfactoren op copolymeer aramidevezels niet het onderwerp geweest van veel onderzoek^3,4. Een uitdaging aan het bestuderen van deze materialen is de moeilijkheid in het ontwarren van garens om te testen. Voorafgaande werk van McDonough⁴ onderzocht een techniek waarmee water werd gebruikt om te ontwarren garens vóór het uitvoeren van enkele vezel treksterkte testen. Er was echter geen volledige overeenstemming over of de mechanische sterkte van de vezels door de blootstelling van dit water was gewijzigd. Een alternatief voor het ontwarren van de vezels is het testen van de mechanische sterkte van de garen-bundel, maar dit vereist een grote hoeveelheid materiaal, en wordt beschouwd als het gemiddelde van de sterkte van de vezels in de bundel garen, minder specifieke voorlichting. Het doel van dit project is te onderzoeken van het effect van de verhoogde vochtigheid en temperatuur op de mechanische eigenschappen van aramidevezels copolymeer. Het is dus essentieel om te vinden van een alternatieve oplosmiddel voor coating verwijderen en loskoppelen van de glasvezel waarmee ons te onderscheiden van hydrolyse in de vezels als gevolg van de milieublootstelling daaruit geïnduceerd door bereiding van de monsters. De voorbereiding van enkele vezels voor het testen wordt verder bemoeilijkt door hun kleine omvang. In dit werk, we onderzoeken van verschillende gemeenschappelijke oplosmiddelen (water, methanol en aceton) en selecteer aceton als de beste keuze voor de voorbereiding van enkele vezels voor het testen. Alle vezels werden gespoeld met methanol alvorens verder te worden getest. Fourier transformatie (FTIR) Infraroodspectroscopie is uitgevoerd om te bepalen als de coating ontbinding en ontvlechting stap een chemische aantasting in het materiaal veroorzaakt. De gedetailleerde video-protocol tonen de sample voorbereiding stappen van ontvlechting, chemische analyse en mechanische testen van copolymeren aramidevezels is bedoeld om te helpen andere onderzoekers bij de ontwikkeling van methodologieën voor het uitvoeren van soortgelijke studies van enkele vezels in hun laboratoria.

Protocol

1. ontbinding van de Coating op copolymeer vezels om te helpen bij de scheiding van de vezels Chemisch bestendige handschoenen om te voorkomen dat besmetting van de vezel, gesneden van 160 mm tot 170 mm van elk garen bundel geëxtraheerd met behulp van keramische schaar of een verse stalen scheermesje dragen op passende wijze worden geselecteerd. De rest van het garen reserveren indien nodig voor verdere analyse in een gelabelde container. Knoop of klem van de uiteinden van de draad te houden van het …

Representative Results

De copolymeren aramidevezels bestudeerd hier zijn moeilijk te scheiden van garen bundels in individuele vezels voor het testen. De vezels zijn verstrikt en bekleed met de verwerking van chemische stoffen, waardoor ze zeer moeilijk te scheiden zonder schade aan de vezels. Figuur 3 toont de structurele morfologie van vezels binnen een garen. Zelfs als onderdeel van een grotere bundel Toon de vezel oppervlakken uitgebreide ruwheid en tranen die waarschijnlijk do…

Discussion

De hierin beschreven methode biedt een alternatieve solventgebaseerde protocol voor het verwijderen van coatings van aramidevezels copolymeer zonder water te gebruiken. Twee eerdere studies^3,4 toonde het bewijs van hydrolyse in de vezels van de chemische compositie, met blootstelling aan waterdamp of vloeibaar water. Vermijden van hydrolyse tijdens de bereiding van de monsters is van cruciaal belang voor de volgende fase van experimenten waar deze sets van vezels…

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