Summary

Entwirren hohe Festigkeit-Copolymer-Aramid-Fasern um die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften ermöglichen

Published: September 01, 2018
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Summary

Das primäre Ziel der Studie ist es, ein Protokoll, um konsistente Proben vorbereiten für präzise mechanische Prüfung von hochfesten Copolymer-Aramid-Fasern, durch das Entfernen einer Beschichtung und entwirrt die einzelnen Faserstränge ohne signifikante entwickeln chemischen oder physikalischen Abbau.

Abstract

Traditionell, weichen Körper Rüstung aus Poly erzielt worden (p-Phenylene sind) (PPTA) und Ultra-hochmolekularen Polyethylen. Aber die Faser-Entscheidungen in den Vereinigten Staaten Körper Rüstung zu diversifizieren, Copolymer Fasern basiert auf der Kombination von 5-amino – 2-(p– Aminophenyl) Benzimidazol (PBIA) und der eher konventionellen PPTA eingeführt wurden. Wenig ist bekannt über die langfristige Stabilität dieser Fasern, aber als Kondensation Polymere, sie sollen potenzielle Empfindlichkeit gegenüber Nässe und Feuchtigkeit haben. Daher ist wichtig für die Bewertung ihrer Lebenszeit Einsatz in Sicherheitsanwendungen ihrer Anfälligkeit gegenüber Umweltbedingungen charakterisieren die Stärke der Materialien und Verständnis. Ballistischen Widerstandsfähigkeit und anderen kritischen strukturellen Eigenschaften dieser Fasern sind auf ihre Stärke ausgesagt. Um die Stärke der einzelnen Fasern genau zu bestimmen, ist es notwendig, ihnen aus dem Garn zu entwirren, ohne Schäden. Drei Aramid-basierten Copolymeren Fasern wurden für die Studie ausgewählt. Die Fasern wurden gewaschen, mit Aceton, gefolgt von Methanol, eine organische Beschichtung zu entfernen, die die einzelnen Fasern in jedem Bündel Garn zusammengehalten. Diese Beschichtung macht es schwierig, einzelne Fasern aus dem Garn-Bundle für mechanische Prüfungen ohne Beschädigung der Fasern und die Auswirkungen auf ihre Stärke zu trennen. Nach dem Waschen, Fourier-Transformation (FTIR) Infrarotspektroskopie wurde an gewaschenen und ungewaschenen Proben durchgeführt und die Ergebnisse wurden verglichen. Dieses Experiment hat gezeigt, dass es keine erheblichen Abweichungen in den Spektren von Poly (p-Phenylene-Benzimidazol-sind-co –p-Phenylene sind) (PBIA-co-PPTA1) und PBIA-co-PPTA3 nach dem Waschen und nur eine kleine Variation in Intensität für PBIA. Dies bedeutet, dass die Aceton und Methanol Spülungen sind nicht negativ die Fasern beeinflussen und chemischen Abbau verursacht. Darüber hinaus wurde die Einzelfaser Zugprüfung am die gewaschenen Fasern zur Charakterisierung ihrer ursprünglichen Zugfestigkeit und Dehnung zum Scheitern, und vergleichen diese mit anderen gemeldeten Werten durchgeführt. Iterative Verfahren Entwicklung war notwendig, um eine erfolgreiche Methode zur Durchführung Zugversuch auf diese Fasern zu finden.

Introduction

Fokus auf dem Gebiet des Personenschutzes ist derzeit auf Reduzierung der Masse der Körper Rüstung für den Personenschutz für Gesetzdurchführung und militärische Anwendungen1benötigt. Traditionelle Rüstung Entwürfe haben stützte sich auf Materialien wie Poly (p-Phenylene sind) (PPTA), auch bekannt als Aramid und Polyethylen zum Schutz gegen ballistische Bedrohungen2. Allerdings gibt es ein Interesse an der Erforschung verschiedener hochfester Fasermaterialien für ihr Potenzial, reduzieren Sie das Gewicht der Rüstung erforderlich, um eine bestimmte ballistische Bedrohung zu stoppen. Dies führte zu der Erforschung von alternativen Materialien wie Aramidfasern Copolymer. Diese Fasern werden durch die Reaktion von hergestellt [5-amino – 2-(p– Aminophenyl) Benzimidazol] (Amidobenzimidazole, ABI) und p– Phenylendiamin (p-PDA) mit Terephthaloyl Chlorverbindung Form Poly (p– Phenylene-Benzimidazol-sind-co –p-Phenylene sind). In dieser Studie untersuchen wir drei verschiedene Fasern, die kommerziell hergestellten Materialien aus einem Industrie-Kontakt sind. Einer ist ein Homopolymer-Faser, die durch reagierenden ABI mit p-Phenylendiamin Form Poly 5 erfolgt-amino – 2-(p– Aminophenyl) Benzimidazol oder PBIA. Die anderen zwei Copolymer Fasern untersucht in dieser Studie sollen zufällige Copolymere mit unterschiedlichen Seitenverhältnissen PBIA und PPTA Gestänge3sein. Das relative Verhältnis der diese Verbindungen konnte nicht ermittelt werden, experimentell mit Festkörper-Kernspinresonanz. Diese Fasern werden benannt PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3, die in einer früheren Publikation4verwendeten Bezeichnungen zu verlängern. PBIA-co-PPTA3 wurde bisher nicht untersucht, aber hat eine ähnliche Struktur. Diese Faser-Systeme wurden auch im Mittelpunkt von mehreren kürzlich erteilten Patente5,6,7.

Überlegener ballistischer Widerstand Body Armor gründet sich auf die mechanischen Eigenschaften der Materialien, die es, wie Zugfestigkeit und Dehnung auf Fehler8,9,10enthalten. Erhebliche Anstrengungen11,12,13 konzentrierten sich auf die Untersuchung der langfristigen Stabilität der Polymeren Fasern im Körper Rüstung durch die Untersuchung von nachteiligen Veränderungen in diesen mechanischen Eigenschaften nach der Exposition gegenüber Umweltbedingungen. Die Wirkung von Umweltbedingungen auf Copolymer Aramidfasern wurde nicht das Thema vieler Forschung3,4. Eine Herausforderung für das Studium dieser Materials ist die Schwierigkeit entwirrt Garne zum Testen. Vor der Arbeit von McDonough4 untersucht eine Technik, durch die Wasser verwendet wurde, um Garne vor der Durchführung Einzelfaser Zugversuch zu entwirren. Allerdings gab es kein vollständiges Verständnis auf, ob die mechanische Festigkeit der Fasern durch diesen Kontakt mit Wasser verändert wurde. Eine Alternative zu die Fasern entwirrt, die mechanische Festigkeit des Garns Bundles zu testen ist dies erfordert eine große Menge an Material, und gilt als die Stärke der Fasern im Garn-Bundle mit weniger spezifischen Informationen im Durchschnitt. Das Ziel dieses Projektes ist, die Wirkung der erhöhten Luftfeuchtigkeit und Temperatur auf die mechanischen Eigenschaften der Aramidfasern Copolymer zu untersuchen. So ist es wichtig, eine alternative Lösungsmittel für Beschichtung entfernen und Faser Entflechtung, die uns ermöglichen wird, Hydrolyse in den Fasern aufgrund der Umweltexposition von, induziert durch eine Probenvorbereitung unterscheiden zu finden. Die Vorbereitung der Einzelfasern zu Testzwecken ist durch ihre geringe Größe zusätzlich erschwert. In dieser Arbeit wir untersuchen mehrere gebräuchlichen Lösungsmittel (Wasser, Methanol und Aceton) und wählen Sie Aceton als die beste Wahl für die Zubereitung von Einzelfasern zu Testzwecken. Alle Fasern wurden mit Methanol gespült, bevor Sie weiter testen. Fourier-Transformation (FTIR) Infrarotspektroskopie wird durchgeführt, um festzustellen, ob die Beschichtung Auflösung und Entflechtung Schritt chemischen Abbau im Material verursacht. Das ausführliche video-Protokoll zeigt die Probe Vorbereitungsschritte Entflechtung, chemische Analyse und mechanische Prüfung von Copolymer-Aramid-Fasern sollen andere Forscher bei der Entwicklung von Methoden für die Durchführung von ähnlicher Studies der Einzelfasern in ihren Laboratorien.

Protocol

1. Auflösung der Beschichtung auf Copolymer-Fasern zu Hilfe in Faser-Trennung Tragen ausgewählt entsprechend chemisch beständige Handschuhe, Kontamination der Faser, 160 mm bis 170 mm von jedem Garn Bündel extrahiert mit Keramik Schere oder einer frischen Rasierklinge Stahl Schneiden zu verhindern. Behalten Sie den Rest des Fadens, ggf. zur weiteren Analyse in einem beschrifteten Container. Knoten Sie oder Klemmen Sie die Enden des Garns, das Garn von Kabelgewirr beim Eintauchen in das Lösungsmit…

Representative Results

Die Copolymer-Aramid-Fasern, studierte hier sind schwer zu trennen Garn Bündel in Einzelfasern zu Testzwecken. Die Fasern sind verstrickt und beschichtet mit der Verarbeitung von Chemikalien, die sie sehr erschweren, ohne Beschädigung der Fasern zu trennen. Abbildung 3 zeigt die strukturellen Morphologie der Fasern in ein Garn. Auch als Teil eines größeren Pakets zeigen die Faseroberflächen umfangreiche Rauheit und Tränen, die wahrscheinlich durch stark…

Discussion

Die hier beschriebene Methode bietet eine Alternative Lösungsmittel-basiertes Protokoll zum Entfernen von Beschichtungen aus Aramidfasern Copolymer ohne Verwendung von Wasser. Zwei frühere Studien3,4 zeigte die Beweise der Hydrolyse in die Fasern dieser chemische Zusammensetzung mit der Exposition gegenüber Wasserdampf oder flüssiges Wasser. Vermeidung von Hydrolyse bei der Probenvorbereitung ist entscheidend für die nächste Phase der Experimente wo werden …

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Die Autoren möchten Dr. Willen Osborn für hilfreiche Gespräche und Unterstützung bei der Vorbereitung der Cardstock Vorlage zu bestätigen.

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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Citar este artigo
Forster, A. L., Rodriguez Cardenas, V., Krishnamurthy, A., Tsinas, Z., Engelbrecht-Wiggans, A., Gonzalez, N. Disentangling High Strength Copolymer Aramid Fibers to Enable the Determination of Their Mechanical Properties. J. Vis. Exp. (139), e58124, doi:10.3791/58124 (2018).

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