Démêler les fibres d’aramide de copolymère haute résistance afin de permettre la détermination de leurs propriétés mécaniques
Summary
L’objectif principal de l’étude est d’élaborer un protocole pour préparer des échantillons conformes pour les essais mécaniques précis des fibres d’aramide de copolymère haute résistance, en enlevant une couche et démêler les brins de fibres individuelles sans introduire d’importantes dégradation chimique ou physique.
Abstract
Traditionnellement, armure de corps mou a été faite du poly (p-phénylènetéréphtalamide) (PPTA) et polyéthylène de masse moléculaire ultra-élevée. Toutefois, afin de diversifier les choix de la fibre dans le marché d’armure de corps des États-Unis, fibres de copolymère basé sur la combinaison de 5-amino – 2-(p– aminophenyl) benzimidazole (PBIA) et le PPTA plus conventionnel ont été introduits. Peu est connu au sujet de la stabilité à long terme de ces fibres, mais comme des polymères de condensation, ils devraient avoir la sensibilité potentielle à l’humidité et l’humidité. Par conséquent, caractérisant la résistance des matériaux et de compréhension leur vulnérabilité aux conditions environnementales est importante pour l’évaluation de leur vie d’utilisation dans des applications de sécurité. Résistance balistique et autres critiques propriétés structurelles de ces fibres sont basées sur leur force. Pour déterminer avec précision la force des fibres individuelles, il est nécessaire de les démêler du fil sans introduire aucun dommage. Trois fibres de copolymère aramide-basés ont été choisis pour cette étude. Les fibres ont été lavés avec de l’acétone suivie de méthanol pour enlever un revêtement organique qui a tenu les fibres individuelles dans chaque faisceau de fils ensemble. Ce revêtement, il est difficile de séparer les fibres simples du faisceau de fils pour les essais mécaniques sans endommager les fibres et affectant leur force. Après lavage, spectroscopie de transformée de fourier transform infrared (FTIR) a porté sur des échantillons aussi bien lavés et non lavés, et les résultats ont été comparés. Cette expérience a montré qu’il n’y a aucune variation significative dans les spectres du poly (p-phénylène-benzimidazole-téréphtalamide-co –p-phénylènetéréphtalamide) (PBIA-co-PPTA1) et PBIA-co-PPTA3 après lavage et seulement une petite variation dans intensité pour PBIA. Cela indique que les rinçages de l’acétone et le méthanol ne sont pas défavorablement affectant les fibres et causant une dégradation chimique. En outre, fibre simple traction tests ont été effectués sur les fibres lavées pour caractériser leurs initiales à la traction et la souche à l’échec et comparer à celles d’autres valeurs déclarées. Développement de procédure itérative a été nécessaire de trouver une méthode efficace pour effectuer des essais de traction sur ces fibres.
Introduction
Importante mise au point dans le domaine de la protection personnelle est actuellement sur la réduction de la masse de l’armure du corps nécessaire à la protection des personnels pour l’application de la Loi et applications militaires1. Dessins traditionnels d’armure sont sont appuyés sur les matériaux tels que poly (p-phénylènetéréphtalamide) (PPTA), également connu sous le nom aramide et polyéthylène pour fournir une protection contre les menaces balistiques2. Cependant, il y a un intérêt dans l’exploration de matériaux fibreux différents haute résistance pour leur permettre de réduire le poids de l’armure nécessaire pour arrêter une menace balistique spécifique. Cela a conduit à l’exploration de matériaux alternatifs tels que les fibres d’aramide copolymère. Ces fibres sont faites par la réaction de [5-amino – 2-(p– aminophenyl) benzimidazole] (amidobenzimidazole, ABI) et p– phénylènediamine (p-PDA) avec le chlorure de poly (p– de la forme téréphtaloyle phénylène-benzimidazole-téréphtalamide-co –p-phénylènetéréphtalamide). Dans cette étude, nous examinons trois fibres différentes, qui sont tous des matières produites commercialement obtenus d’un contact de l’industrie. L’un est une fibre homopolymère qui s’effectue en faisant réagir ABI avec p-phénylènediamine pour poly forme 5-amino – 2-(p– aminophenyl) benzimidazole ou PBIA. Les deux autres fibres copolymère examinées dans cette étude sont censés être des copolymères aléatoires avec différentes proportions de PBIA et PPTA liens3. Les ratios relatifs de ces liens n’ont pas peuvent être déterminées expérimentalement à l’aide de la résonance magnétique nucléaire à l’état solide. Ces fibres sont désignés comme PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 d’étendre les dénominations utilisées dans une précédente publication4. PBIA-co-PPTA3 n’était pas précédemment étudié, mais il a une structure similaire. Ces systèmes de fibre ont également fait l’objet de plusieurs récemment accordé brevets5,6,7.
Une résistance balistique supérieure de gilets pare-balles se fonde sur les propriétés mécaniques des matériaux qui le composent, tels que la résistance à la traction et la souche en panne8,9,10. Des efforts importants de12,11,13 ont surtout porté sur l’examen de la stabilité à long terme des fibres polymères utilisés dans les gilets pare-balles en enquêtant sur des changements néfastes dans ces propriétés mécaniques après une exposition à conditions environnementales. L’effet des conditions environnementales sur les fibres d’aramide copolymère n’a pas fait l’objet de beaucoup de recherche3,4. Un défi à l’étude de ces matériaux est la difficulté de démêler les fils d’essai. Des travaux antérieurs par McDonough4 étudié une technique par laquelle l’eau a été utilisée pour démêler les fils avant d’effectuer l’essai de traction seule fibre. Toutefois, il n’a aucune compréhension complète sur la question de savoir si la résistance mécanique des fibres a été altérée par cette exposition à l’eau. Une alternative à démêler les fibres consiste à tester la résistance mécanique de l’ensemble des fils, cependant, cela nécessite une grande quantité de matière et est considérée comme la résistance des fibres dans le faisceau de fils, fournissant des informations moins spécifiques moyenne. L’objectif de ce projet est d’examiner l’effet de l’humidité élevée et de la température sur les propriétés mécaniques des fibres d’aramide copolymère. Ainsi, il est essentiel de trouver un autre solvant pour l’enlèvement de revêtement et de dégagement de fibres qui permettre de distinguer l’hydrolyse dans les fibres en raison de l’exposition dans l’environnement de celle induite par la préparation de l’échantillon. La préparation des fibres isolées d’essais est encore compliquée par leur petite taille. Dans cet ouvrage, nous avons étudier plusieurs solvants courants (eau, méthanol et acétone) et sélectionnez l’acétone comme le meilleur choix pour la préparation des fibres isolées d’essais. Toutes les fibres ont été rincés avec du méthanol avant de nouvelles épreuves. Spectroscopie de transformée de Fourier transform infrared (FTIR) est effectuée pour déterminer si l’étape de dissolution et de dégagement de revêtement provoqué aucune dégradation chimique du matériau. Le protocole détaillé de vidéo montrant les étapes de préparation d’échantillon de dégagement, analyses chimiques et essais mécaniques des fibres d’aramide de copolymère est destiné à aider les autres chercheurs dans le développement de méthodologies permettant d’effectuer des études similaires de fibres isolées dans leurs laboratoires.
Protocol
Representative Results
Discussion
La méthode décrite ici fournit un protocole alternatif à base de solvant pour enlever les revêtements de fibres d’aramide copolymère sans utiliser de l’eau. Deux précédentes études3,4 a montré la preuve de l’hydrolyse dans les fibres de cette composition chimique, avec une exposition à la vapeur d’eau ou de l’eau liquide. Éviter l’hydrolyse au cours de la préparation de l’échantillon est essentielle pour la prochaine phase d’expérien…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs tenons à remercier le Dr Will Osborn pour discussions utiles et aide à la préparation du modèle de papier cartonné.
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
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