Disentangling høy styrke Copolymer Aramid fibre å aktivere fastsettelse av sine mekaniske egenskaper

Summary

Det primære målet med undersøkelsen er å utvikle en protokoll for å forberede konsekvent prøver nøyaktig mekanisk testing av høy styrke copolymer aramid fibre, ved å fjerne et belegg og disentangling personlige fiber tråder uten innføre betydelig kjemiske eller fysisk degradering.

Abstract

Tradisjonelt, myke kropp rustning er gjort fra poly (p-phenylene terephthalamide) (PPTA) og ultrahøy molekylvekt polyetylen. Men for å diversifisere fiber valgene i USA kroppen rustning markedet, copolymer fiber basert på kombinasjonen av 5-amino – 2-(p– aminophenyl) benzimidazole (PBIA) og den mer konvensjonelle PPTA ble introdusert. Lite er kjent om disse fiber langsiktig stabilitet, men som kondens polymerer, de forventes å ha potensielle følsomhet for fukt og luftfuktighet. Derfor er karakteriserer styrken på materialer og forstå deres sårbarhet for miljøforhold viktig for å vurdere levetiden bruk i sikkerhet programmer. Ballistisk motstand og andre kritiske strukturelle egenskapene for disse fibrene er basert på deres styrke. Å nøyaktig bestemme styrken på individuelle fiber, er det nødvendig å greie seg fra garnet uten introdusere skade. Tre aramid-baserte copolymer fibre ble valgt for studien. Fibrene ble vasket med aceton etterfulgt av metanol å fjerne en organisk belegg som holdt personlige fibrene i hver garn pakke sammen. Dette belegg gjør det vanskelig å skille enkelt fiber fra garn bunt for mekanisk tester uten å skade fibrene og påvirker deres styrke. Etter vasking, fourier transform infrarødspektroskopi for (FTIR) ble utført på både vasket og uvaskede og resultatene var forhold. Dette eksperimentet har vist at det er ingen betydelige variasjoner i spektra av poly (p-phenylene-benzimidazole-terephthalamide-co –p-phenylene terephthalamide) (PBIA-co-PPTA1) og PBIA-co-PPTA3 etter vask, og bare en liten variasjon i intensitet for PBIA. Dette indikerer at skyller aceton eller metanol er ikke negativt påvirke fibrene og forårsaker kjemiske degradering. I tillegg ble enkelt fiber strekk testing utført på vasket fibrene å karakterisere deres første strekkfasthet og belastning for svikt, og sammenligne dem til andre rapporterte verdier. Iterativ fremgangsmåter for utvikling var nødvendig å finne en vellykket metode for å utføre strekk testing på disse fiber.

Introduction

Betydelig fokus innen personlig verneutstyr er for øyeblikket på å redusere massen av kroppen rustning behov for personlig verneutstyr for rettshåndhevelse og militære applikasjoner¹. Tradisjonelle rustning design har stolt på materialer som poly (p-phenylene terephthalamide) (PPTA), også kjent som aramid og polyetylen å gi beskyttelse mot ballistisk trusler². Det er imidlertid en interesse i å utforske ulike høy styrke fiber materialer for sitt potensial til å redusere vekten av rustning nødvendig å stoppe en bestemt ballistisk trussel. Dette har ført til utforskning av alternative materialer som aramid copolymer fibre. Disse fibrene er laget av reaksjonen [5-amino – 2-(p– aminophenyl) benzimidazole] (amidobenzimidazole, ABI) og p– phenylenediamine (p-PDA) med terephthaloyl chloride til skjemaet poly (p– phenylene-benzimidazole-terephthalamide-co –p-phenylene terephthalamide). I denne studien undersøker vi tre ulike fibre, alle er kommersielt produsert stoff som blir fått fra en industri-kontakt. En er en homopolymer fiber som er laget av reagere ABI med p-phenylenediamine til skjemaet poly 5-amino – 2-(p– aminophenyl) benzimidazole eller PBIA. De to andre copolymer fibrene undersøkt i denne studien er forventet å være tilfeldig copolymers med ulike forhold av PBIA og PPTA sammenhengene³. Relative prosenter av disse sammenhengene kan ikke fastslås eksperimentelt bruker SSD kjernefysiske magnetisk resonans. Disse fibrene er angitt som PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 for å utvide betegnelser som brukes i en tidligere publikasjon⁴. PBIA-co-PPTA3 var ikke tidligere studert, men har en lignende struktur. Disse fiber-systemene har også vært fokus for flere nylig gitt patenter^5,6,7.

Overlegen ballistisk motstand av kroppen rustning forutsetter at de mekaniske egenskapene av materialet som utgjør det, som endelig strekkfasthet og belastning til feil^8,9,10. Betydelig innsats^11,12,13 har vært fokusert på å undersøke polymere fiber som brukes i kroppen rustning ved å undersøke skadelige endringer i disse mekaniske egenskaper etter eksponering for langsiktig stabilitet miljøforhold. Effekten av miljøforhold på aramid copolymer fibre har ikke vært gjenstand for mye forskning^3,4. En utfordring å studere disse materialene er vanskeligheten i disentangling garn for testing. Tidligere arbeid av McDonough⁴ undersøkt en teknikk som vann ble brukt til å greie garn før du utfører enkelt fiber strekk testing. Men var det ingen fullstendig forståelse på om mekanisk styrke av fibrene var forandret av denne vann eksponering. Et alternativ til disentangling fibrene er å teste mekanisk styrke av garn bunten, men dette krever en stor mengde materiale, og regnes som gjennomsnittlig styrken av fibrene i garn bunten, mindre spesifikk informasjon. Målet med dette prosjektet er å undersøke effekten av opphøyet fuktighets- og mekaniske egenskaper av aramid copolymer fibre. Derfor er det viktig å finne en alternativ løsningsmiddel for belegg fjerning og fiber disentanglement som kunne skille hydrolyse i fiber på grunn av miljømessige eksponering som indusert av prøven forberedelse. Utarbeidelse av enkelt fiber for testing kompliseres ytterligere av sin lille størrelse. I dette arbeidet vi undersøke flere vanlige løsemidler (vann, metanol og aceton) og velg aceton som det beste valget for utarbeidelse av enkelt fibre for testing. Alle fiber var skylles med metanol før ytterligere testing. Fourier transformere infrarød (FTIR) spektroskopi er utført for å avgjøre hvis belegg oppløsning og disentanglement trinnet forårsaket noen kjemiske reduksjon i materialet. Detaljert video protokollen viser eksempel forberedelsene disentanglement, kjemisk analyse og mekanisk testing av copolymer aramid fibre er ment å hjelpe andre i å utvikle metoder for å utføre lignende studier av enkelt fiber i deres laboratorier.

Protocol

1. oppløsningen av belegg på Copolymer fiber hjelp i Fiber separasjon Iført riktig valgt kjemisk motstandsdyktige hansker å hindre forurensning av fiber, kuttet 160 mm til 170 mm fra hver garn bunt utdraget benytter keramiske saks- eller en frisk stål barberblad. Reservere resten av garnet hvis nødvendig for videre analyse i merket beholder. Knot eller klemme endene på tråden å holde garnet fra virvar når midt i løsemiddelet.Merk: For denne studien løsningsmidler av vidtfavnende polari…

Representative Results

Copolymer aramid fiber studert her er vanskelig å skille fra garn bunter i individuelle fiber for testing. Fibrene er fanget og belagt med behandling kjemikalier som gjør dem svært vanskelig å skille uten å skade fibrene. Figur 3 viser strukturelle morfologi av fiber innen en garn. Som del av en større pakke viser fiber overflater omfattende grovheten og tårer som skyldes sannsynligvis sterk vedheft til tilstøtende fiber. I tidligere arbeid av McDonou…

Discussion

Metoden beskrevet her gir en alternativ løsemiddelbaserte protokoll for å fjerne belegg av aramid copolymer fiber uten bruk av vann. To tidligere studier^3,4 viste bevis på hydrolyse i fiber av denne kjemiske sammensetning, med eksponering for vanndamp eller flytende vann. Unngå hydrolyse under eksempel utarbeidelsen er kritisk for neste fase av eksperimenter der disse settene av fibre vil bli undersøkt for sin mottakelighet for aldring på grunn av hydrolyse…

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