Disentangling חוזק גבוה קופולימר ארמיד סיבים כדי לאפשר קביעת תכונות מכניות שלהם
Summary
המטרה העיקרית של המחקר היא לפתח פרוטוקול להכין דגימות עקבית עבור בדיקות מכניות מדויק של חוזק גבוה קופולימר ארמיד סיבים, על ידי הסרת ציפוי disentangling גדילים סיבים בודדים מבלי להציג משמעותית השפלה כימיים או פיזיים.
Abstract
באופן מסורתי, גוף רך שריון נעשתה מתוך פולי (p-phenylene terephthalamide) (PPTA) ופוליאתילן משקל מולקולרי גבוה. עם זאת, לגוון את הבחירות סיבים בשוק שריון הגוף ארצות הברית, קופולימר סיבי מבוסס על השילוב של 5-אמינו – 2-(p– aminophenyl) benzimidazole (PBIA), PPTA קונבנציונליים יותר הוכנסו. מעט מאוד ידוע לגבי היציבות לטווח ארוך של סיבים אלה, אך כמו פולימרים עיבוי, הם צפויים להם פוטנציאל רגישות רטיבות ולחות. לכן, אפיון הכוח של חומרים והבנה הפגיעות שלהם בתנאי סביבה הוא חשוב להערכת חייהם שימוש ביישומי בטיחות. ההתנגדות בליסטי לבין מאפיינים מבניים קריטיים אחרים של סיבים אלה הם שהתבססו על כוחם. כדי לקבוע באופן מדויק את הכוח של סיבי בודדים, יש צורך disentangle אותם מן המעשייה ללא היכרות עם נזק. שלושה סיבים קופולימר מבוסס-ארמיד נבחרו לצורך המחקר. הסיבים נשטפו עם אצטון ואחריו מתנול להסרת ציפוי מבטל אורגני שהחזיקה את הסיבים בודדים בחבילה כל חוט ביחד. ציפוי זה מקשה להפריד סיבים יחיד הצרור חוטי בדיקה מכאנית ללא פגיעה הסיבים, המשפיעים על כוחם. לאחר חפיפה (FTIR) ספקטרוסקופיית פורייה בוצעה על דגימות שטף והן רחוץ, התוצאות הושוו. ניסוי זה הוכיח כי ישנם אין וריאציות משמעותיות הספקטרום של פולי (p-phenylene-benzimidazole-terephthalamide-co –p-phenylene terephthalamide) (PBIA-co-PPTA1), PBIA-co-PPTA3 לאחר כביסה, רק וריאציה קטן עוצמת PBIA. מציין כי שטיפות אצטון, מתנול הם לא לרעה המשפיעים על הסיבים ולא גורם כימי השפלה. בנוסף, בדיקות סיב יחיד בוצע על הסיבים שטף לאפיין את חוזק הראשונית שלהם ואת המתח לכישלון, ולהשוות אותם לערכים אחרים שדווחו. בפיתוח פרוצדורלי איטרטיבי היה צורך למצוא שיטה מוצלחת ביצוע בדיקות על סיבים אלו.
Introduction
כיום, מיקוד משמעותי בתחום של הגנה אישית הוא על הפחתת המסה של האפוד מגן לצורך הגנה אישית עבור יישומים צבאיים1ואכיפת החוק. עיצובים מסורתיים שריון צריכים לסמוך על חומרים כמו זכוכית אקרילית (p-phenylene terephthalamide) (PPTA), הידוע גם בשם ארמיד, ופוליאתילן כדי לספק הגנה מפני איומים בליסטיים2. עם זאת, יש אינטרס לחקור חומרים סיבי חוזק גבוה שונים עבור הפוטנציאל שלהם כדי להקטין את המשקל של שריון נדרש לעצור איום בליסטי ספציפיים. זה הוביל החיפושים של חומרים חלופיים כגון ארמיד קופולימר סיבים. סיבים אלו מיוצרים על ידי התגובה של [5-benzimidazole (p– aminophenyl) – 2 – אמינו] (amidobenzimidazole, ABI) ו p– phenylenediamine (p-PDA) עם terephthaloyl כלוריד כדי טופס פוליפוני (p– phenylene-benzimidazole-terephthalamide-co –p-phenylene terephthalamide). במחקר זה, אנו בוחנים שלושה סיבים שונים, אשר כולם מיוצרים באופן מסחרי חומרי המתקבל איש קשר בתעשייה. אחד הוא סיבים homopolymer אשר עשוי מאת מגיבים עם p-phenylenediamine טופס פוליפוני 5-אמינו – 2 – benzimidazole (p– aminophenyl), או PBIA. שני קופולימר סיבים אחרים שנבדקו במחקר זה צפויים להיות copolymers אקראיים עם יחס שונה של קישורים של PBIA ו- PPTA-3. היחס היחסי של קישורים אלה לא היתה אפשרות לקבוע השפעול באמצעות תהודה מגנטית גרעינית של מצב מוצק. סיבים אלו המיועדים לשמש PBIA-co-PPTA1, PBIA-co-PPTA3 להאריך וכינוים בשימוש בפרסום הקודם4. PBIA-co-PPTA3 לא נחקר קודם לכן, אך יש מבנה דומה. מערכות סיבים אלו היו גם המוקד של מספר לאחרונה שהוענקה פטנטים5,6,7.
התנגדות בליסטי מעולה של שריון המרקסיסטי מבוסס על התכונות המכאניות של החומרים המרכיבים אותו, כגון מתיחה להתאמץ כדי כשל8,9,10. מאמצים משמעותיים11,12,13 יש התמקדה בחינת היציבות לטווח ארוך של סיבים פולימריים המשמש בשריון הגוף על ידי חקירת מזיקה לשינויים אלה תכונות מכניות לאחר חשיפה תנאים סביבתיים. השפעת התנאים הסביבתיים על סיבי קופולימר ארמיד לא היה הנושא של הרבה מחקר3,4. אתגר אחד ללמוד חומרים אלה הוא הקושי disentangling יפצחו לבדיקה. עבודה מוקדמת על ידי מק’דונו4 חקר טכניקה שבה המים שימש disentangle יפצחו לפני ביצוע בדיקות סיב יחיד. עם זאת, היה אין הבנה מלאה על אם חוזק מכני רב, הסיבים שונה על ידי חשיפה זו מים. אלטרנטיבה disentangling הסיבים היא לבחון את חוזק מכני של הקיבוץ חוט, עם זאת, זה דורש כמות גדולה של חומר, והוא נחשב את הממוצע הכוח של הסיבים בחבילה חוט, מתן מידע ספציפית פחות. מטרת פרויקט זה היא לבחון את השפעת טמפרטורה ולחות גבוהות על תכונות מכניות של סיבי קופולימר ארמיד. לכן חיוני כדי למצוא של הממס חלופיות להסרת ציפוי הקונקרטיות סיבים שתאפשר לנו להבחין הידרוליזה של הסיבים עקב החשיפה הסביבתיים מזה המושרה על ידי הכנת הדוגמא. הכנת סיבים בודדים לבדיקת מסובך עוד יותר על ידי גודלם הקטן. בעבודה זו, אנו לחקור מספר ממסים נפוצים (מים, מתנול, אצטון), בחר אצטון הבחירה הטובה ביותר עבור הכנת סיבים בודדים לבדיקה. כל סיבי היו שטפה עם מתנול לפני בדיקה נוספת. (FTIR) ספקטרוסקופיית פורייה מתבצע כדי לקבוע אם הצעד התפרקות ו הקונקרטיות ציפוי גרם כל השפלה כימי בחומר. פרוטוקול וידאו מפורט מציג את השלבים הכנה מדגם של הקונקרטיות, ניתוח כימי בדיקות מכניות של קופולימר ארמיד סיבי נועדה לסייע לחוקרים אחרים בפיתוח מתודולוגיות לביצוע מחקרים דומים של סיבים יחיד במעבדות שלהם.
Protocol
Representative Results
Discussion
השיטה המתוארת במסמך זה מספק פרוטוקול ממס מבוסס חלופי עבור הסרת ציפויים ארמיד קופולימר סיבים ללא שימוש במים. שני הקודם מחקרים3,4 הראה העדויות של הידרוליזה הסיבים של ההרכב הכימי הזה, עם חשיפה אדי מים או מים במצב נוזלי. הימנעות הידרוליזה במהלך הכנת המדגם הוא קר?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצה להכיר את ד ר ויל אוסבורן עבור דיונים מועילים וסיוע עם הכנה של התבנית קרטון.
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).
