مقدر ألياف الاراميد كوبوليمر قوة عالية لتمكين تحديد خواصها الميكانيكية
Summary
والهدف الأساسي من هذه الدراسة لوضع بروتوكول لإعداد العينات متسقة لاختبار ميكانيكية دقيقة من ألياف الاراميد كوبوليمر قوة عالية، عن طريق إزالة طلاء ومقدر خيوط الألياف الفردية دون إدخال هامة تدهور الكيميائية أو الفيزيائية.
Abstract
تقليديا، وقد أحرز الدروع الناعمة من بولي (فتيريفثالاميدي الفينيلين) (PPTA) والبولي إيثيلين فائقة الوزن الجزيئي. لكن لتنويع الخيارات الألياف في درع هيئة سوق الولايات المتحدة، ألياف كوبوليمر على أساس مزيج 5-بنزيميدازول (فأمينوفينيل)-2-أمينو (ببيا) وأدخلت PPTA أكثر تقليدية. هو يعرف سوى القليل فيما يتعلق باستقرار طويل الأجل لهذه الألياف، ولكن البوليمرات التكثيف، ومن المتوقع أن يكون الحساسية المحتملة للرطوبة والرطوبة. ولذلك، تميز قوة المواد والتفاهم قابليتها للتأثر بالظروف البيئية الهامة لتقييم حياتهم الاستخدام في تطبيقات السلامة. وتستند المقاومة البالستية والخصائص الهيكلية الحرجة الأخرى من هذه الألياف قوتها. تحديد دقة قوة الألياف الفردية، من الضروري أن تشابك لهم من الغزل دون التسبب في أي ضرر. ثلاثة كوبوليمر المستندة إلى اراميد ألياف اختيرت للدراسة. تم غسلها الألياف مع الأسيتون يليه الميثانول لإزالة طلاء عضوية التي عقدت الألياف الفردية في كل حزمة الغزل معا. هذا الطلاء يجعل من الصعب فصل الألياف واحدة من حزمة خيوط لاختبار الميكانيكية دون الأضرار بالألياف والتي تؤثر على قوتها. بعد الغسيل، تحويل فورييه الأشعة تحت الحمراء (FTIR) الطيفي أجرى على عينات غسلها ووسخ على حد سواء وقورنت النتائج. وقد أظهرت هذه التجربة أن هناك لا اختلافات ملحوظة في الأطياف من بولي (فالفينيلين-بنزيميدازول-تيريفثالاميدي-co-فتيريفثالاميدي الفينيلين) (ببيا-co-PPTA1) وببيا-co-PPTA3 بعد الغسيل، وتباين صغيرة فقط في كثافة ببيا. وهذا يشير إلى أن يشطف الأسيتون والميثانول سلبا على التأثير على الألياف وتسبب التدهور الكيميائي. بالإضافة إلى ذلك، أجرى اختبار الشد الألياف واحدة على الألياف غسلها تميز قوة الشد الأولية وإجهاد للفشل، ومقارنة تلك القيم المبلغ عنها بغيرها. من الضروري إيجاد طريقة ناجحة لأداء اختبار الشد على هذه الألياف التنمية إجرائية متكررة.
Introduction
حاليا، تركيز كبير في مجال الحماية الشخصية في الحد من كتلة الدروع الواقية اللازمة لتوفير الحماية الشخصية لإنفاذ القوانين والتطبيقات العسكرية1. تصميمات الدروع التقليدية كانت تعتمد على مواد مثل بولي (فتيريفثالاميدي الفينيلين) (PPTA)، يعرف أيضا باسم اراميد، والبولي إيثيلين لتوفير الحماية من التهديدات البالستية2. ومع ذلك، هناك مصلحة في استكشاف مختلف قوة عالية الألياف مواد لقدرتها على التقليل من وزن الدروع المطلوبة لوقف تهديد القذائف التسيارية محدد. وقد أدى هذا إلى استكشاف المواد البديلة مثل ألياف الاراميد كوبوليمر. هذه الألياف مصنوعة برد فعل [5-بنزيميدازول (فأمينوفينيل)-2-أمينو] (أميدوبينزيميدازولي، أبي) و p-phenylenediamine (ف-PDA) مع كلوريد تيريفثالويل على شكل بولي (ف– الفينيلين-بنزيميدازول-تيريفثالاميدي-co-فتيريفثالاميدي الفينيلين). في هذه الدراسة، ندرس ثلاثة ألياف مختلفة، كلها المواد المنتجة تجارياً تم الحصول عليها من جهة اتصال صناعة. واحد هو ألياف بولي التي تقدمت أبي تفاعل مع ففينيلينيدياميني على شكل بولي 5-بنزيميدازول (فأمينوفينيل)-2-أمينو أو ببيا. ألياف كوبوليمر اثنين أخرى بحثت في هذه الدراسة يتوقع أن البوليمرات الإسهامية عشوائي مع نسب مختلفة من الروابط ببيا وبطة3. لا يمكن تحديد نسب هذه الصلات النسبية تجريبيا باستخدام الرنين المغناطيسي النووي الصلبة. يتم تعيين هذه الألياف ببيا-co-PPTA1، PPTA3-ببيا-شركة تمديد التسميات المستخدمة في منشور سابق4. ببيا-co-PPTA3 لم تدرس سابقا، ولكن لديها بنية مماثلة. كما كانت هذه النظم الألياف تركيز عدة مؤخرا منح براءات الاختراع5،،من67.
وتستند المقاومة البالستية متفوقة الدروع الواقية للجسد الخواص الميكانيكية للمواد التي تتألف منها، مثل مقاومة الشد القصوى وإجهاد لفشل8،،من910. ركزت على دراسة الاستقرار الطويل الأجل من الألياف البوليمرية المستخدمة في الدرع الواقي لجسده بالتحقيق في أحداث تغييرات ضارة في هذه الخصائص الميكانيكية بعد التعرض لجهود كبيرة11،،من1213 الظروف البيئية. تأثير الظروف البيئية على ألياف الاراميد كوبوليمر لم يكن موضوعا للكثير من البحوث3،4. ويتمثل التحدي واحد لدراسة هذه المواد صعوبة مقدر خيوط للاختبار. العمل السابقة التي ماكدونو4 التحقيق في أسلوب الذي كان يستخدم الماء لتشابك خيوط قبل إجراء اختبار الشد الألياف واحدة. ومع ذلك، كان هناك أي تفاهم كامل حول ما إذا كان تم تغيير القوة الميكانيكية للألياف بالتعرض لهذه المياه. بديل لفصل الألياف اختبار قوة ميكانيكية لحزمة الغزل، ولكن هذا يتطلب كمية كبيرة من المواد، ويعتبر متوسط قوام الألياف في الرزمة الغزل، توفير معلومات محددة أقل. والهدف من هذا المشروع دراسة تأثير الرطوبة المرتفعة ودرجة الحرارة على الخواص الميكانيكية لألياف الاراميد كوبوليمر. ولذلك، من الضروري إيجاد مذيب بديلة لإزالة الطلاء والألياف الحل التي سوف تمكننا من التمييز التحلل المائي في الألياف بسبب التعرض للبيئة من أن الناجم عن إعداد عينة. إعداد الألياف واحدة لاختبار تعقيداً بسبب صغر حجمها. في هذا العمل، نحن التحقيق عدة المذيبات الشائعة (المياه، والميثانول والاسيتون) وحدد الأسيتون كأفضل خيار لإعداد الألياف واحدة للاختبار. كانت تشطف جميع الألياف مع الميثانول قبل إجراء مزيد من التجارب. يتم تنفيذ تحويل فورييه الأشعة تحت الحمراء (FTIR) الطيفي لتحديد إذا كان خطوة حل والحل طلاء أي التدهور الكيميائي في المواد. البروتوكول فيديو مفصلة تبين خطوات إعداد نموذج الحل والتحليل الكيميائي، واختبار الميكانيكية من ألياف الاراميد كوبوليمر يهدف إلى مساعدة الباحثين الآخرين في وضع منهجيات لإجراء دراسات مماثلة من واحد من الألياف في مختبراتها.
Protocol
Representative Results
Discussion
يوفر الأسلوب الموصوفة هنا بروتوكولا بديل القائم على المذيبات لإزالة الطلاء من ألياف الاراميد كوبوليمر دون استخدام المياه. 3،الدراسات السابقة هما4 أظهرت الأدلة للتحلل في الألياف من هذه التركيبة الكيميائية، مع التعرض لبخار الماء أو الماء السائل. تجنب التحل?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب يود أن ينوه الدكتور أوزبورن الإرادة للمناقشات المفيدة والمساعدة على إعداد قالب البطاقات.
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 |
References
- 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).
