Μελέτη με φασματοσκοπία Raman υπό υψηλή πίεση αραμιδικών ινών Kevlar-29
Creators: name: Σέμπρος, Θεοφάνης Αναστασίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2017
Subjects: Υψηλή πίεση
Φασματοσκοπία Raman
Αραμιδικές ίνες
High pressure
Raman spectroscopy
Aramide fibres

description: Το Kevlar-29 ως υλικό υπάγεται στις αραμιδικές ίνες. Είναι ελαφρύ και με πολύ καλές μηχανικές ιδιότητες και χρησιμοποιείται εκτεταμένα σε εφαρμογές όπου απαιτείται προστασία και αντοχή, με γνωστότερες αυτών τις σχετιζόμενες με τη βαλιστική (αλεξίσφαιρα γιλέκα), τα κράνη (μοτοσυκλετών), διάφορα καλώδια και σχοινιά, ως στοιχεία δομικής ενίσχυσης ελαστικών κ.α. Οι ίνες του Kevlar αποτελούνται από πολυμερικές αλυσίδες, όπου αμιδικές ομάδες είναι συνδεδεμένες άμεσα με δυο αρωματικούς δακτυλίους. Οι μακριές αυτές αλυσίδες είναι ισχυρά προσανατολισμένες και αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με δεσμούς υδρογόνου και αλληλεπιδράσεις μεταξύ των αρωματικών δακτυλίων. Στην εργασία αυτή, μελετήθηκε η απόκριση του Kevlar-29 σε υψηλή υδροστατική πίεση (έως 5.5 GPa), μονοαξονική εφελκυστική παραμόρφωση και ως συνάρτηση της θερμοκρασίας μέσω της τεχνικής οπτικής φασματοσκοπίας Raman. Για την επίτευξη υψηλών υδροστατικών πιέσεων χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος κυψελίδας άκμονος διαμαντιού με γλυκερόλη ως μέσο μετάδοσης της πίεσης, ενώ η εκτίμηση της πίεσης σε κάθε στάδιο πραγματοποίηθηκε με την τεχνική της φωτοφωταύγειας του ρουμπινιού. Παρατηρήθηκε ότι αυξανομένης της πίεσης, η πλειοψηφία των παρατηρηθέντων κορυφών μετατοπίζεται προς υψηλότερες συχνότητες με κλίσεις 1.2-6.2 cm-1GPa-1, χωρίς να υπάρχουν σημαντικές αλλαγές στη μορφή των φασμάτων Raman και τις σχετικές εντάσεις. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η κορυφή στους 787 cm-1, που αποδίδεται κυρίως σε διπλώσεις εκτός επιπέδου των αρωματικών δακτυλίων και εμφανίζει κλίση μόλις 0.5 cm-1GPa-1, γεγονός που υπονοεί ότι παρά τη μείωση του όγκου (υπό την εφαρμοζόμενη υδροστατική πίεση), το περιβάλλον του δακτυλίου δεν διαφοροποιείται σημαντικά. Επιπλέον, η κορυφή στους 1647 cm-1, που αποδίδεται κυρίως σε εκτάσεις του δεσμού C=O, παρουσιάζει πρακτικά μηδενική κλίση (-0.1 cm-1GPa-1), υποδεικνύοντας πως η μείωση όγκου απορροφάται κατά κύριο λόγο από τους πολύ ασθενέστερους δεσμούς υδρογόνου. Τέλος, η κορυφή στους 154 cm-1 παρουσιάζει μια σημαντική ελάττωση της έντασης καθώς και μια μη γραμμική απόκριση με την πίεση, έχοντας αρχική κλίση πολύ μεγαλύτερη από των υπολοίπων κορυφών (29.4 cm-1GPa-1), γεγονός που παραπέμπει σε εξωτερικό (μεταξύ των πολυμερών αλυσίδων) τρόπο δόνησης. Αυτό επιβεβαιώνεται και από τη θετική απόκριση της συχνοτικής θέσης της κορυφής στη μονοαξονική εφελκυστική παραμόρφωση καθώς και από τον ταχεία μετατόπιση της συχνότητάς της με τη θερμοκρασία. Όλες οι μεταβολές που παρατηρήθηκαν κατά την αύξηση της πίεσης είναι πλήρως αντιστρεπτές κατά την ελάττωσή της
description: Kevlar-29 aramide fibres (poly-p-phenylene terephthalamide, PPTA) is a light weight, high strength material extensively used in ballistic applications, ropes and cables, protective apparel, helmets, vehicular armoring and plates, rubber reinforcement in tires etc. Kevlar fibres consist of polymeric chains where amide groups are attached directly between two aromatic rings. These long chains are highly oriented with many interchain hydrogen bonds and aromatic stacking interactions. In this work, Raman spectroscopy (λexc= 515 nm) has been used to study the pressure, uniaxial tensile strain and temperature response of Kevlar-29. Hydrostatic pressure up to 5.5 GPa was applied by means of a diamond anvil cell using glycerol as pressure transmitting medium and the ruby fluorescence technique for pressure calibration. With increasing pressure, the majority of the observed Raman peaks shift to higher frequencies with slopes 1.2-6.2 cm-1GPa-1, without significant changes in their lineshapes and relative intensities. Interestingly, the Raman peak at 787 cm-1, attributed mainly to ring puckering, exhibits a pressure slope of only 0.5 cm-1GPa-1, suggesting that despite the volume reduction upon pressure application, the ring environment associated with this out-of-plane vibration is not significantly altered. Moreover, the peak at 1647 cm-1, attributed mainly to the C=O stretching vibration (Amide I band), displays a nearly zero pressure slope (-0.1 cm-1GPa-1), indicating that the volume reduction is somehow absorbed by the much weaker hydrogen bonds. Finally, the lowest frequency Raman peak (154 cm-1) exhibits a relatively strong intensity attenuation and a sublinear pressure response with initial slope as high as 29.4 cm-1GPa-1, implying that it could be assigned to an external mode. This is further confirmed by the positive response of this peak frequency to uniaxial tensile strain, as well as its large frequency shift with temperature. All the observed changes are reversible upon pressure decrease
description: Σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γκρενόμπλ (Γαλλία), το ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος, και το CNRS (Centre National de la Researche Scientifique, Γαλλία)