Entwirren hohe Festigkeit-Copolymer-Aramid-Fasern um die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften ermöglichen
Summary
Das primäre Ziel der Studie ist es, ein Protokoll, um konsistente Proben vorbereiten für präzise mechanische Prüfung von hochfesten Copolymer-Aramid-Fasern, durch das Entfernen einer Beschichtung und entwirrt die einzelnen Faserstränge ohne signifikante entwickeln chemischen oder physikalischen Abbau.
Abstract
Traditionell, weichen Körper Rüstung aus Poly erzielt worden (p-Phenylene sind) (PPTA) und Ultra-hochmolekularen Polyethylen. Aber die Faser-Entscheidungen in den Vereinigten Staaten Körper Rüstung zu diversifizieren, Copolymer Fasern basiert auf der Kombination von 5-amino – 2-(p– Aminophenyl) Benzimidazol (PBIA) und der eher konventionellen PPTA eingeführt wurden. Wenig ist bekannt über die langfristige Stabilität dieser Fasern, aber als Kondensation Polymere, sie sollen potenzielle Empfindlichkeit gegenüber Nässe und Feuchtigkeit haben. Daher ist wichtig für die Bewertung ihrer Lebenszeit Einsatz in Sicherheitsanwendungen ihrer Anfälligkeit gegenüber Umweltbedingungen charakterisieren die Stärke der Materialien und Verständnis. Ballistischen Widerstandsfähigkeit und anderen kritischen strukturellen Eigenschaften dieser Fasern sind auf ihre Stärke ausgesagt. Um die Stärke der einzelnen Fasern genau zu bestimmen, ist es notwendig, ihnen aus dem Garn zu entwirren, ohne Schäden. Drei Aramid-basierten Copolymeren Fasern wurden für die Studie ausgewählt. Die Fasern wurden gewaschen, mit Aceton, gefolgt von Methanol, eine organische Beschichtung zu entfernen, die die einzelnen Fasern in jedem Bündel Garn zusammengehalten. Diese Beschichtung macht es schwierig, einzelne Fasern aus dem Garn-Bundle für mechanische Prüfungen ohne Beschädigung der Fasern und die Auswirkungen auf ihre Stärke zu trennen. Nach dem Waschen, Fourier-Transformation (FTIR) Infrarotspektroskopie wurde an gewaschenen und ungewaschenen Proben durchgeführt und die Ergebnisse wurden verglichen. Dieses Experiment hat gezeigt, dass es keine erheblichen Abweichungen in den Spektren von Poly (p-Phenylene-Benzimidazol-sind-co –p-Phenylene sind) (PBIA-co-PPTA1) und PBIA-co-PPTA3 nach dem Waschen und nur eine kleine Variation in Intensität für PBIA. Dies bedeutet, dass die Aceton und Methanol Spülungen sind nicht negativ die Fasern beeinflussen und chemischen Abbau verursacht. Darüber hinaus wurde die Einzelfaser Zugprüfung am die gewaschenen Fasern zur Charakterisierung ihrer ursprünglichen Zugfestigkeit und Dehnung zum Scheitern, und vergleichen diese mit anderen gemeldeten Werten durchgeführt. Iterative Verfahren Entwicklung war notwendig, um eine erfolgreiche Methode zur Durchführung Zugversuch auf diese Fasern zu finden.
Introduction
Fokus auf dem Gebiet des Personenschutzes ist derzeit auf Reduzierung der Masse der Körper Rüstung für den Personenschutz für Gesetzdurchführung und militärische Anwendungen1benötigt. Traditionelle Rüstung Entwürfe haben stützte sich auf Materialien wie Poly (p-Phenylene sind) (PPTA), auch bekannt als Aramid und Polyethylen zum Schutz gegen ballistische Bedrohungen2. Allerdings gibt es ein Interesse an der Erforschung verschiedener hochfester Fasermaterialien für ihr Potenzial, reduzieren Sie das Gewicht der Rüstung erforderlich, um eine bestimmte ballistische Bedrohung zu stoppen. Dies führte zu der Erforschung von alternativen Materialien wie Aramidfasern Copolymer. Diese Fasern werden durch die Reaktion von hergestellt [5-amino – 2-(p– Aminophenyl) Benzimidazol] (Amidobenzimidazole, ABI) und p– Phenylendiamin (p-PDA) mit Terephthaloyl Chlorverbindung Form Poly (p– Phenylene-Benzimidazol-sind-co –p-Phenylene sind). In dieser Studie untersuchen wir drei verschiedene Fasern, die kommerziell hergestellten Materialien aus einem Industrie-Kontakt sind. Einer ist ein Homopolymer-Faser, die durch reagierenden ABI mit p-Phenylendiamin Form Poly 5 erfolgt-amino – 2-(p– Aminophenyl) Benzimidazol oder PBIA. Die anderen zwei Copolymer Fasern untersucht in dieser Studie sollen zufällige Copolymere mit unterschiedlichen Seitenverhältnissen PBIA und PPTA Gestänge3sein. Das relative Verhältnis der diese Verbindungen konnte nicht ermittelt werden, experimentell mit Festkörper-Kernspinresonanz. Diese Fasern werden benannt PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3, die in einer früheren Publikation4verwendeten Bezeichnungen zu verlängern. PBIA-co-PPTA3 wurde bisher nicht untersucht, aber hat eine ähnliche Struktur. Diese Faser-Systeme wurden auch im Mittelpunkt von mehreren kürzlich erteilten Patente5,6,7.
Überlegener ballistischer Widerstand Body Armor gründet sich auf die mechanischen Eigenschaften der Materialien, die es, wie Zugfestigkeit und Dehnung auf Fehler8,9,10enthalten. Erhebliche Anstrengungen11,12,13 konzentrierten sich auf die Untersuchung der langfristigen Stabilität der Polymeren Fasern im Körper Rüstung durch die Untersuchung von nachteiligen Veränderungen in diesen mechanischen Eigenschaften nach der Exposition gegenüber Umweltbedingungen. Die Wirkung von Umweltbedingungen auf Copolymer Aramidfasern wurde nicht das Thema vieler Forschung3,4. Eine Herausforderung für das Studium dieser Materials ist die Schwierigkeit entwirrt Garne zum Testen. Vor der Arbeit von McDonough4 untersucht eine Technik, durch die Wasser verwendet wurde, um Garne vor der Durchführung Einzelfaser Zugversuch zu entwirren. Allerdings gab es kein vollständiges Verständnis auf, ob die mechanische Festigkeit der Fasern durch diesen Kontakt mit Wasser verändert wurde. Eine Alternative zu die Fasern entwirrt, die mechanische Festigkeit des Garns Bundles zu testen ist dies erfordert eine große Menge an Material, und gilt als die Stärke der Fasern im Garn-Bundle mit weniger spezifischen Informationen im Durchschnitt. Das Ziel dieses Projektes ist, die Wirkung der erhöhten Luftfeuchtigkeit und Temperatur auf die mechanischen Eigenschaften der Aramidfasern Copolymer zu untersuchen. So ist es wichtig, eine alternative Lösungsmittel für Beschichtung entfernen und Faser Entflechtung, die uns ermöglichen wird, Hydrolyse in den Fasern aufgrund der Umweltexposition von, induziert durch eine Probenvorbereitung unterscheiden zu finden. Die Vorbereitung der Einzelfasern zu Testzwecken ist durch ihre geringe Größe zusätzlich erschwert. In dieser Arbeit wir untersuchen mehrere gebräuchlichen Lösungsmittel (Wasser, Methanol und Aceton) und wählen Sie Aceton als die beste Wahl für die Zubereitung von Einzelfasern zu Testzwecken. Alle Fasern wurden mit Methanol gespült, bevor Sie weiter testen. Fourier-Transformation (FTIR) Infrarotspektroskopie wird durchgeführt, um festzustellen, ob die Beschichtung Auflösung und Entflechtung Schritt chemischen Abbau im Material verursacht. Das ausführliche video-Protokoll zeigt die Probe Vorbereitungsschritte Entflechtung, chemische Analyse und mechanische Prüfung von Copolymer-Aramid-Fasern sollen andere Forscher bei der Entwicklung von Methoden für die Durchführung von ähnlicher Studies der Einzelfasern in ihren Laboratorien.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die hier beschriebene Methode bietet eine Alternative Lösungsmittel-basiertes Protokoll zum Entfernen von Beschichtungen aus Aramidfasern Copolymer ohne Verwendung von Wasser. Zwei frühere Studien3,4 zeigte die Beweise der Hydrolyse in die Fasern dieser chemische Zusammensetzung mit der Exposition gegenüber Wasserdampf oder flüssiges Wasser. Vermeidung von Hydrolyse bei der Probenvorbereitung ist entscheidend für die nächste Phase der Experimente wo werden …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren möchten Dr. Willen Osborn für hilfreiche Gespräche und Unterstützung bei der Vorbereitung der Cardstock Vorlage zu bestätigen.
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
- 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).
