Ontwarren hoge sterkte copolymeer aramidevezels om de bepaling van hun mechanische eigenschappen
Summary
Het primaire doel van de studie is voor de ontwikkeling van een protocol ter voorbereiding van consistente exemplaren voor nauwkeurige mechanische testen van hoge sterkte copolymeer aramidevezels, door het verwijderen van een coating en de individuele vezels strengen ontwarren zonder de invoering van belangrijke chemische of fysische achteruitgang.
Abstract
Traditioneel, zachte body armor is gemaakt van poly (p-phenylene terephthalamide) (PPTA) en ultrahoge moleculairgewicht-polyethyleen. Echter, diversificatie van de vezel keuzen in de markt van de Verenigde Staten lichaam armor, copolymeer vezels op basis van de combinatie van 5-amino – 2 – benzimidazol (p– aminophenyl) (PBIA) en de meer conventionele PPTA werden geïntroduceerd. Er is weinig bekend over de stabiliteit van deze vezels in de lange termijn, maar als de condensatie polymeren, zij naar verwachting hebben potentiële gevoeligheid voor vocht en vocht. Karakterisering van de sterkte van de materialen en het begrip daarom hun kwetsbaarheid voor milieuomstandigheden belangrijk voor de evaluatie van de levensduur van hun gebruik in veiligheidstoepassingen. Ballistische weerstand en andere kritische structurele eigenschappen van deze vezels zijn gebaseerd op hun sterkte. Nauwkeurig bepalen van de sterkte van de individuele vezels, is het noodzakelijk om hen van het garen te ontwarren zonder schade. Drie copolymeren op basis van aramide vezels werden geselecteerd voor de studie. De vezels werden gewassen met aceton, gevolgd door methanol te verwijderen van een organische coating die de individuele vezels in elke bundel garen bij elkaar gehouden. Deze coating maakt het moeilijk te scheiden van één vezels van de bundel garen voor de mechanische testen zonder beschadiging van de vezels en invloed op hun sterkte. Na het wassen, fourier transformatie (FTIR) infraroodspectroscopie werd uitgevoerd op monsters die zowel gewassen en ongewassen en de resultaten werden vergeleken. Dit experiment heeft aangetoond dat er geen aanzienlijke variaties in de spectra van poly (p-phenylene-benzimidazol-terephthalamide-co –p-phenylene terephthalamide) (PBIA-co-PPTA1) en PBIA-co-PPTA3 na het wassen, en slechts een kleine variatie in intensiteit voor PBIA. Dit geeft aan dat de aceton en methanol gespoeld zijn niet ongunstig beïnvloeden de vezels veroorzaken chemische aantasting. Daarnaast enkele vezel treksterkte getest op de gewassen vezels te karakteriseren van hun eerste treksterkte en stam te mislukken, en die andere gerapporteerde waarden te vergelijken. Procedurele bijsturing was nodig om een succesvolle methode voor het uitvoeren van de treksterkte testen op deze vezels te vinden.
Introduction
Belangrijk aandachtspunt op het gebied van persoonlijke bescherming is momenteel op het terugdringen van de massa van de body armor die nodig zijn voor de bescherming van de persoonsgegevens voor rechtshandhaving en militaire toepassingen1. Traditionele pantser ontwerpen hebben vertrouwd op materialen zoals poly (p-phenylene terephthalamide) (PPTA), ook bekend als aramide, en polyethyleen om te beschermen tegen ballistische dreigingen2. Er is echter een belang in het verkennen van verschillende hoge sterkte vezel materialen voor hun potentieel om het gewicht van armor nodig om te stoppen met een specifieke ballistische bedreiging te verminderen. Dit heeft geleid tot de verkenning van alternatieve materialen zoals copolymeer aramidevezels. Deze vezels zijn vervaardigd door de reactie van [5-amino – 2-(p– aminophenyl) benzimidazol] (amidobenzimidazole, ABI) en p– fenyleendiamine (p-PDA) met terephthaloyl chloride aan formulier poly (p– phenylene-benzimidazol-terephthalamide-co –p-phenylene terephthalamide). In deze studie onderzoeken we drie verschillende vezels, die allemaal commercieel geproduceerde materialen verkregen uit een contact van de industrie. Een is een homopolymeer vezel die is aangebracht door reagerende ABI met p-fenyleendiamine formulier poly 5-amino – 2-(p– aminophenyl) benzimidazol of PBIA. De andere twee copolymeer vezels onderzocht in deze studie naar willekeurige copolymeren met verschillende verhoudingen van PBIA en PPTA verbanden3verwachting. De relatieve verhoudingen van deze verbanden kon niet worden vastgesteld experimenteel gebruik van solid-state nucleaire magnetische resonantie. Deze vezels zijn aangewezen als PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 uit te breiden van de benamingen die in een eerdere publicatie4gebruikt. PBIA-co-PPTA3 was niet eerder onderzocht, maar heeft een vergelijkbare structuur. Deze vezel-systemen zijn ook de focus van verschillende onlangs verleende octrooien5,6,7.
Superieure ballistische weerstand van body armor is gebaseerd op de mechanische eigenschappen van de materialen waaruit het, zoals de ultieme treksterkte en stam tot mislukking8,9,10. 12,13 van de11,van de aanzienlijke inspanningen hebben gericht geweest op het onderzoek van de stabiliteit op de lange termijn van polymere vezels gebruikt in kogelvrije vesten door nadelige veranderingen in deze mechanische eigenschappen onderzoeken na blootstelling aan milieu-omstandigheden. Het effect van omgevingsfactoren op copolymeer aramidevezels niet het onderwerp geweest van veel onderzoek3,4. Een uitdaging aan het bestuderen van deze materialen is de moeilijkheid in het ontwarren van garens om te testen. Voorafgaande werk van McDonough4 onderzocht een techniek waarmee water werd gebruikt om te ontwarren garens vóór het uitvoeren van enkele vezel treksterkte testen. Er was echter geen volledige overeenstemming over of de mechanische sterkte van de vezels door de blootstelling van dit water was gewijzigd. Een alternatief voor het ontwarren van de vezels is het testen van de mechanische sterkte van de garen-bundel, maar dit vereist een grote hoeveelheid materiaal, en wordt beschouwd als het gemiddelde van de sterkte van de vezels in de bundel garen, minder specifieke voorlichting. Het doel van dit project is te onderzoeken van het effect van de verhoogde vochtigheid en temperatuur op de mechanische eigenschappen van aramidevezels copolymeer. Het is dus essentieel om te vinden van een alternatieve oplosmiddel voor coating verwijderen en loskoppelen van de glasvezel waarmee ons te onderscheiden van hydrolyse in de vezels als gevolg van de milieublootstelling daaruit geïnduceerd door bereiding van de monsters. De voorbereiding van enkele vezels voor het testen wordt verder bemoeilijkt door hun kleine omvang. In dit werk, we onderzoeken van verschillende gemeenschappelijke oplosmiddelen (water, methanol en aceton) en selecteer aceton als de beste keuze voor de voorbereiding van enkele vezels voor het testen. Alle vezels werden gespoeld met methanol alvorens verder te worden getest. Fourier transformatie (FTIR) Infraroodspectroscopie is uitgevoerd om te bepalen als de coating ontbinding en ontvlechting stap een chemische aantasting in het materiaal veroorzaakt. De gedetailleerde video-protocol tonen de sample voorbereiding stappen van ontvlechting, chemische analyse en mechanische testen van copolymeren aramidevezels is bedoeld om te helpen andere onderzoekers bij de ontwikkeling van methodologieën voor het uitvoeren van soortgelijke studies van enkele vezels in hun laboratoria.
Protocol
Representative Results
Discussion
De hierin beschreven methode biedt een alternatieve solventgebaseerde protocol voor het verwijderen van coatings van aramidevezels copolymeer zonder water te gebruiken. Twee eerdere studies3,4 toonde het bewijs van hydrolyse in de vezels van de chemische compositie, met blootstelling aan waterdamp of vloeibaar water. Vermijden van hydrolyse tijdens de bereiding van de monsters is van cruciaal belang voor de volgende fase van experimenten waar deze sets van vezels…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs wil erkennen van Dr. Will Osborn voor nuttige discussies en hulp bij de voorbereiding van de sjabloon 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 |
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).
