Распутывание сополимер высокопрочных арамидных волокон чтобы включить определение их механических свойств
Summary
Основная цель исследования заключается в разработке протокола для подготовки последовательного образцы точные механические испытания сополимер высокопрочных арамидных волокон, удалив покрытие и распутывание стренги отдельные волокна без внесения значительных химическая или физическая деградация.
Abstract
Традиционно, мягкое тело доспехи были сделаны из поли (p-фенилена terephthalamide) (PPTA) и полиэтилена сверхвысокой молекулярной массы. Однако, диверсификацию выбора волокна на рынке Соединенных Штатов тело броней, сополимер волокон на основе комбинации 5-амино – 2-(p– aminophenyl) бензимидазола (PBIA) и были введены более обычных PPTA. Немногое известно о долгосрочной стабильности этих волокон, но как конденсация полимеров, они должны иметь потенциальные чувствительность к влажности и влажности. Таким образом характеризующие прочность материалов и понимание их уязвимость к условиям окружающей среды имеет важное значение для оценки их использования жизни в безопасности приложений. Баллистических сопротивления и других важнейших структурных свойств этих волокон основываются на их прочность. Чтобы точно определить численность отдельных волокон, необходимо отделить их от пряжи без внесения каких-либо повреждений. Для исследования были отобраны три сополимер на основе арамидных волокон. Волокна были промывают ацетоном, следуют метанола для удаления органического покрытия, который провел отдельные волокна в каждой пачке пряжи вместе. Это покрытие делает его трудно отделить одного волокна от комплект пряжи для механических испытаний без повреждения волокон и затрагивающих их прочность. После мытья, ИК-спектроскопии (FTIR) преобразование Фурье была выполнена на вымытых и немытые пробы и результаты были сопоставлены. Этот эксперимент показал, что существует без существенных различий в спектрах поли (p-фенилена-Бензимидазол-terephthalamide-co –p-terephthalamide фенилена) (PBIA-co-PPTA1) и PBIA-co-PPTA3 после мытья и лишь небольшое изменение в интенсивность PBIA. Это означает, что ацетон и метанола полоскания не отрицательно влияющих на волокна и вызывая химической деградации. Кроме того одно волокно растяжение тестирование проводилось на вымытые волокна характеризуют их первоначальной прочности и деформации на провал, и сравнить те других зарегистрированных значений. Итеративная разработка процедурные было необходимо найти успешный метод проведения испытания на растяжение на этих волокон.
Introduction
В настоящее время на уменьшение массы тела броню, необходимых для личной защиты для правоохранительных органов и военных приложений1значительное внимание в области личной охраны. Традиционные броня конструкции опираются на материалы как поли (p-фенилена terephthalamide) (PPTA), также известный как Арамид и полиэтилена для обеспечения защиты от баллистических угроз2. Однако существует заинтересованность в изучении различных высокопрочные волокна материалы для их потенциал для снижения веса требуется остановить конкретной угрозы баллистических броню. Это привело к исследованию альтернативных материалов, таких как сополимер арамидных волокон. Эти волокна производятся по реакции [5-амино – 2-(p– aminophenyl) бензимидазола] (amidobenzimidazole, Аби) и p– фенилендиамином (p-PDA) с Нефтехим хлорида в форме поли (p– фенилена-Бензимидазол-terephthalamide-co –p-фенилена terephthalamide). В этом исследовании мы рассмотрим три различных волокон, все из которых являются коммерчески произведенные материалы, полученные от контакта промышленности. Один является гомополимер волокно, которое производится путем реагирующих ABI с p фенилендиамином формы поли 5-амино – 2-(p– aminophenyl) бензимидазола, или PBIA. Ожидается, что две другие сополимер волокна, рассмотрены в настоящем исследовании будет случайных сополимеров с различных соотношениях PBIA и PPTA связей3. Относительные показатели этих связей не может определяться экспериментально с помощью твердотельных ядерного магнитного резонанса. Эти волокна обозначаются как PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 продлить обозначения, используемые в предыдущей публикации4. PBIA-co-PPTA3 не был изучен ранее, но имеет аналогичную структуру. Эти волокна системы также были в центре внимания нескольких недавно выданных патентов5,6,7.
Превосходное сопротивление баллистических бронежилетов основывается на механические свойства материалов, которые составляют его, например, предел прочности на растяжение и напрягаться, чтобы отказ8,9,10. Значительные усилия11,12,13 были сосредоточены на рассмотрении долгосрочной стабильности полимерных волокон, используемых в body armor исследуя пагубных изменений в этих механических свойств после воздействия условия окружающей среды. Влияние экологических условий на сополимер арамидных волокон не было предметом много исследований3,4. Одна из проблем для изучения этих материалов является трудность распутывание нити для тестирования. До работы в Макдоно4 расследование технику, в которой вода использовалась для распутать нити до проведения испытания на растяжение одно волокно. Однако существует нет полного понимания на ли механическая прочность волокон была изменена под воздействием этой воды. Альтернативой распутывание волокна является проверить механическую прочность пряжи расслоение, однако, это требует большого объема материала и считается Средняя прочность волокон в пакете пряжи, обеспечивая менее конкретной информации. Цель этого проекта является изучение воздействия повышенной влажности и температуры на механические свойства арамидных волокон сополимера. Таким образом важно, чтобы найти альтернативные растворителя для удаления покрытий и распутывание волокна, которые позволят нам отличить гидролиза в волокнах из-за воздействия окружающей среды, вызванных пробоподготовки. Подготовка одного волокна для тестирования еще больше осложняется их небольшого размера. В этой работе мы расследовать несколько общих растворителей (вода, метанол и ацетон) и выберите ацетона как лучший выбор для подготовки единого волокон для тестирования. Все волокна были промываются метанолом до дальнейших испытаний. Фурье преобразование инфракрасной спектроскопии (FTIR) выполняется для определения, если покрытие распада и распутывание шаг вызвал любой химической деградации в материале. Подробный протокол видео показаны шаги подготовки образца распутывания, химического анализа и механические испытания сополимер арамидных волокон предназначен для оказания помощи исследователям в разработке методологий для проведения аналогичных исследований одного волокна в их лабораториях.
Protocol
Representative Results
Discussion
Метод, описанный здесь обеспечивает альтернативный протокол на основе растворителя для удаления покрытий из сополимера арамидных волокон без использования воды. Два предыдущих исследования3,4 показали гидролиза в волокнах этого химического состава, с ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы признать доктор будет Osborn полезные обсуждения и помощь в подготовке cardstock шаблона.
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).
