Desembaraçar as fibras de aramida de copolímero de alta resistência para permitir a determinação de suas propriedades mecânicas
Summary
O principal objetivo do estudo é desenvolver um protocolo para preparar espécimes consistentes para os testes mecânicos precisos de fibras de aramida de copolímero de alta resistência, removendo um revestimento e desembaraçar os fios de fibra individual sem introduzir significativas degradação química ou física.
Abstract
Tradicionalmente, armadura de corpo mole foi feita de poli (p-fenileno tereftalamida) (PPTA) e polietileno de ultra alto peso molecular. No entanto, para diversificar as escolhas de fibra no mercado de armadura de corpo dos Estados Unidos, fibras de copolímero baseiam na combinação de 5-amino – 2-(p– aminofenil) benzimidazol (PBIA) e o PPTA mais convencional foram introduzidos. Pouco é conhecido sobre a estabilidade a longo prazo destas fibras, mas como polímeros de condensação, eles deverão ter potencial sensibilidade à umidade. Portanto, caracterizando a força dos materiais e compreensão sua vulnerabilidade às condições ambientais é importante para avaliar a sua vida de uso em aplicações de segurança. Resistência balística e outras propriedades estruturais críticas destas fibras assentam na sua força. Para determinar com precisão a força das fibras individuais, é necessário separar a eles partir o fio sem introduzir qualquer dano. Fibras de copolímero baseado em aramida três foram selecionadas para o estudo. As fibras foram lavadas com acetona seguida de metanol para remover um revestimento orgânico que unia as fibras individuais em cada feixe de fios. Este revestimento torna difícil separar o feixe de fios para teste mecânico sem danificar as fibras e que afetam sua qualidade de única fibras. Após a lavagem, espectroscopia de infravermelho (FTIR) fourier transform foi executada em amostras lavadas e não lavadas e os resultados foram comparados. Esta experiência tem demonstrado que não há nenhuma variação significativa no espectro de poli (p-fenileno-benzimidazol-tereftalamida-co –p-fenileno tereftalamida) (PBIA-co-PPTA1) e PBIA-co-PPTA3 após a lavagem e apenas uma pequena variação na intensidade para PBIA. Isso indica que a acetona e metanol lavagens não negativamente estão afetando as fibras e causando degradação química. Além disso, única fibra elástica testes foram realizados nas fibras lavadas para caracterizar sua inicial de resistência à tração e tensão ao fracasso e compare-os para outros valores relatados. Desenvolvimento iterativo processual era necessário encontrar um método bem sucedido para a realização de testes de tração sobre estas fibras.
Introduction
Atualmente, o foco significativo no campo da proteção pessoal é sobre a redução da massa da armadura necessária para proteção pessoal, para a aplicação da lei e aplicações militares1. Desenhos de armaduras tradicionais têm confiado em materiais como poli (p-fenileno tereftalamida) (PPTA), também conhecido como aramid e polietileno para fornecer proteção contra ameaças balísticas2. No entanto, há um interesse em explorar materiais de fibra de diferentes de alta resistência para seu potencial reduzir o peso da armadura necessária para impedir uma ameaça balística específica. Isto levou à exploração de materiais alternativos, tais como fibras de aramida de copolímero. Estas fibras são feitas pela reação de [5-amino – 2-(p– aminofenil) benzimidazol] (amidobenzimidazole, ABI) e p– fenilenodiamina com cloreto de tereftaloilo Poly formulário (p-(p-PDA) fenileno-benzimidazol-tereftalamida-co –p-fenileno tereftalamida). Neste estudo, analisamos três fibras diferentes, os quais são produzidos comercialmente materiais obtidos a partir de um contato de indústria. Um é uma homopolímero fibra que é feita por ABI reagindo com p-fenilenodiamina Poly formulário 5-amino – 2-(p– aminofenil) benzimidazol, ou PBIA. As outras duas fibras copolímero examinadas neste estudo deverão estar copolímeros aleatórios com diferentes proporções de PBIA e PPTA ligações3. Os rácios relativos destas ligações não podem ser determinados experimentalmente usando Solid-State da ressonância magnética nuclear. Estas fibras são designadas como PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 para estender as designações usadas em um anterior publicação4. PBIA-co-PPTA3 não foi previamente estudado, mas tem uma estrutura semelhante. Estes sistemas de fibra também têm sido o foco de vários recentemente concedidas patentes5,6,7.
Resistência balística superior de armadura corporal baseia-se as propriedades mecânicas dos materiais que o compõem, tais como resistência à tração e tensão para falha8,9,10. Esforços significativos11,12,13 concentraram-se em examinar a estabilidade a longo prazo de fibras poliméricas, usado em coletes por investigar alterações prejudiciais destas propriedades mecânicas após a exposição ao condições ambientais. O efeito das condições ambientais em fibras de aramida de copolímero não foi objecto de muita investigação,3,4. Um desafio para estudar estes materiais é a dificuldade em se desembaraçar fios para testes. Trabalho prévio de McDonough4 investigou uma técnica pelo qual a água era usada para desembaraçar os fios antes de realizar testes de tração única fibra. No entanto, não houve nenhum entendimento completo sobre se a resistência mecânica das fibras foi alterada por esta exposição à água. Uma alternativa para desembaraçar as fibras é testar a resistência mecânica do feixe de fios, no entanto, isto requer uma grande quantidade de material e é considerado a média da força das fibras no pacote do fio, fornecendo informações menos específicas. O objetivo deste projeto é examinar o efeito da temperatura e umidade elevada sobre as propriedades mecânicas de fibras de aramida de copolímero. Assim, é essencial encontrar um solvente alternativo para a remoção do revestimento e desarticulação de fibra que nos permitirá distinguir hidrólise nas fibras devido a exposição ambiental daquela induzida pela preparação da amostra. A preparação das fibras única para o teste é ainda mais complicada por seu tamanho pequeno. Neste trabalho, podemos investigar vários solventes comuns (água, metanol e acetona) e selecione acetona como a melhor escolha para a preparação das fibras única para o teste. Todas as fibras foram lavadas com metanol antes de testar mais. Espectroscopia de infravermelho (FTIR) Fourier transform é realizada para determinar se a etapa de dissolução e desarticulação de revestimento causou alguma degradação química do material. O protocolo de vídeo detalhado mostrando as etapas de preparação de amostra de desarticulação, análise química e ensaios mecânicos de fibras de aramida de copolímero destina-se a ajudar outros pesquisadores no desenvolvimento de metodologias para a realização de estudos semelhantes de única fibras em seus laboratórios.
Protocol
Representative Results
Discussion
O método descrito aqui fornece um protocolo alternativo à base de solvente para a remoção de revestimentos de fibras de aramida de copolímero sem utilizar água. Dois estudos anteriores3,4 mostrou a evidência de hidrólise nas fibras desta composição química, com a exposição ao vapor de água ou água líquida. Evitar hidrólise durante a preparação da amostra é crítica para a próxima fase de experimentos onde estes conjuntos de fibras serão exam…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores que gostaria de agradecer o Dr. Will Osborn por discussões úteis e assistência na preparação do modelo de cardstock.
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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