Obróbka powierzchniowa włókna UHMWPE

Obróbkę powierzchniową włókna UHMWPE można podzielić na modyfikację fizyczną i modyfikację chemiczną zgodnie z różnymi zasadami metod obróbki. Wiele metod można podzielić ze względu na różne stosowane modyfikowane podłoża. Badając efekt modyfikacji, należy zauważyć, że metoda często ma zarówno cechy modyfikacji fizycznej, jak i chemicznej. Dlatego w poniższej dyskusji sklasyfikowano media według konkretnego przetwarzania.
Leczenie plazmą
Obróbkę plazmową dzieli się na dwa typy: obróbkę plazmową w niskiej temperaturze i obróbkę powierzchni przeszczepu plazmowego.
Tak zwana niskotemperaturowa obróbka powierzchni plazmą z włókna HMWPE polega na odkurzeniu oczyszczonego włókna HMWPE pomiędzy dwiema płytami urządzenia do obróbki plazmowej, uruchomieniu urządzenia wytwarzającego plazmę w środowisku o ciśnieniu mniejszym niż 40 Pa, przeprowadzeniu niskotemperaturowej obróbki plazmowej na włókna przez określony czas, a następnie wyjąć włókno do przechowywania.
Tak zwana obróbka powierzchni przeszczepu plazmą włókien UHMWPE polega na zanurzeniu oczyszczonych włókien UHMWPE w roztworze monomeru, wyjęciu go po pewnym czasie i umieszczeniu w niskotemperaturowym urządzeniu plazmowym w celu dalszej obróbki. Po obróbce na powierzchni włókna generowane są punkty aktywne, które powodują polimeryzację szczepioną monomeru na powierzchni włókna. Na koniec homopolimer na powierzchni włókna przemyto acetonem i przechowywano do późniejszego użycia.
Słabo wiążąca warstwa (WBL) utworzona na powierzchni włókna UHMWPE w procesie przędzenia jest dalej sieciowana przez promieniowanie ultrafioletowe plazmy, co poprawia wytrzymałość kohezyjną powierzchni włókna UHMWPE. Ponadto na powierzchni włókna po obróbce plazmowej mogą tworzyć się różnorodne grupy aktywne takie jak: -COH-, -co-, -COOh, -COO - i inne grupy aktywne, które sprzyjają działaniu chemicznemu połączenie włókna i żywicy matrycowej. Obróbka plazmowa powoduje również powstawanie rowków na powierzchni włókna i zwiększa chropowatość powierzchni, co sprzyja mechanicznemu połączeniu z osnową. Dzięki tej metodzie znacznie poprawia się wydajność włókna HMWPE jako materiału kompozytowego, a wytrzymałość na ścinanie międzywarstwy zwiększa się ponad 3-krotnie. Jednakże stopień tłumienia aktywnych grup włókna UHMWPE po obróbce powierzchni plazmą jest stosunkowo duży i współczynnik tłumienia wynosi jedną trzecią w ciągu dwóch godzin. Metoda leczenia wymaga wysokiej próżni, wymagającej ciśnienia mniejszego niż 40 Pa. Dlatego obróbka powierzchni plazmą z włókien UHMWPE jest trudna do osiągnięcia w ciągłej chemicznej produkcji przemysłowej.
Leczenie wyładowaniami koronowymi
Tak zwana obróbka powierzchniowa wyładowaniem koronowym włókna UHMWPE polega na umieszczeniu oczyszczonego włókna UHMWPE pomiędzy dwiema płytami urządzenia do obróbki koronowej pod normalnym ciśnieniem w celu obciążenia wysokim napięciem około 60 KV, moc wynosi około 350 W, dzięki czemu powietrze jest zjonizowane, Generowana jest korona, a zabieg jest wyjmowany do użytku po pewnym czasie.
Obróbka powierzchni wyładowaniami koronowymi może wytrawić powierzchnię włókna UHMWPE, zwiększyć powierzchnię styku między włóknem a żywicą i utworzyć mechaniczne działanie siatkowe po utwardzeniu żywicy na powierzchni włókna. Rozmiar siatki mechanicznej jest ściśle powiązany ze stopniem infiltracji żywicy na włóknie i powierzchnią styku żywicy z włóknem, ale maksymalna siła tego fizycznego oddziaływania wynosi tylko 24 KJ · mol-1. Dlatego też poprawę siły wiązania międzyfazowego włókna i żywicy ogranicza się wyłącznie poprzez wyładowanie koronowe. W przypadku przemysłowej obróbki folii poliolefinowych opisano jedynie obróbkę wyładowaniami koronowymi. Chociaż niektóre produkty przemysłowe z włókna HMWPE są obecnie poddawane działaniu prostego wyładowania koronowego, efekt nie jest zbyt oczywisty. Leczenie wyładowaniami koronowymi jest w dużej mierze ograniczone przez pracę przerywaną. Dlatego bardzo trudno jest zrealizować industrializację i ciągłość leczenia wyładowaniami koronowymi.
Szczepienie powierzchniowe wywołane napromienianiem
Tak zwana obróbka szczepienia powierzchniowego wywołana napromienianiem włókien UHMWPE ma na celu polimeryzację drugiego monomeru na powierzchni włókna za pomocą promieniowania i wytworzenie warstwy buforowej, która może być ściśle związana z matrycą, aby poprawić przyczepność pomiędzy włóknem i matryca. Zwykle źródłem promieniowania jest temperatura 60°C, promieniowanie gamma/światło ultrafioletowe itp., w którym światło ultrafioletowe inicjuje fotosensybilizator, taki jak benzofenon (BP), a następnie fotosensybilizator inicjuje szczepienie monomeru na powierzchni włókna UHMWPE. Obecnie drugim stosowanym monomerem jest monomer propylenowy, taki jak: kwas akrylowy (AA), akrylamid (AM), metakrylan glicydylu (GMA) i tak dalej.
Obróbka powierzchniowa sieciująca włókien UHMWPE za pomocą promieni UV może teoretycznie realizować proces ciągły i wpływa tylko na cienką warstwę powierzchniową, więc ma perspektywę zastosowania przemysłowego. Jednakże ze względu na konieczność naświetlania światłowodu przez określony czas, praca przerywana w dużym stopniu ogranicza jego zastosowanie.
Proces utleniania
Tak zwana metoda utleniającej powierzchni włókna UHMWPE polega na utlenieniu powierzchni włókna za pomocą środków chemicznych lub gazów, tak aby zmienić chropowatość powierzchni włókna i zawartość grup polarnych na powierzchni. Według środka utleniającego można podzielić na metodę mokrą i metodę suchą dwie kategorie. Metodą mokrą jest utlenianie w fazie ciekłej, jej powszechnymi mediami są: K2 Cr2O2 + H2 SO4, KMnO4+ HNO3, H2O2 (30%) i tak dalej; Czyste włókno UH2MWPE zanurza się w medium, wyjmuje po utlenianiu w określonej temperaturze przez określony czas i przemywa do stanu neutralnego; Umyć kilka razy w wodzie dejonizowanej, osuszyć i odstawić. Metoda sucha to metoda utleniania w fazie gazowej, powszechnie stosowana fotoutlenianie i utlenianie ozonem; Po wstępnej obróbce czyste włókno UHMWPE poddaje się działaniu medium gazowego, usuwa na określony czas reakcji, oczyszcza wodą jonizowaną i suszy przed użyciem.
Metoda utleniania cieczą jest stosunkowo łagodna i łatwa do kontrolowania, ale operacja jest uciążliwa, wymagania sprzętowe wysokie, a zanieczyszczenie poważne. W procesie utleniania w fazie gazowej sprzęt jest prosty, obsługa jest wygodna, a ciągła produkcja jest łatwa, ale stopień utlenienia jest trudny do kontrolowania, co może powodować zbyt głęboki stopień utlenienia i powodować spadek wytrzymałości włókna spadek. Krótko mówiąc, aby osiągnąć ciągłą obróbkę powierzchni poprzez utlenianie, konieczne jest wprowadzenie pewnych ulepszeń w metodach operacyjnych i sprzęcie.
Chemiczna obróbka sieciująca
Metoda sieciowania chemicznego polega na bezpośrednim zastosowaniu inicjatora w celu zainicjowania szczepienia monomeru na powierzchni włókna, podobnie do metody szczepienia inicjowanego napromienianiem, ale pozwala uniknąć metody szczepienia napromienianiem przy inwestycji w sprzęt, metoda ta jest prostym procesem, łatwym do osiągnięcia w przemysłowej ciągłej produkcji.
Lang Yanqing i in. zastosował nadtlenek jako inicjator do przeprowadzenia modyfikacji sieciowania silanowego na włóknie UHMWPE. Badania wykazały, że po modyfikacji silanem na powierzchni włókna zaszczepiono cząsteczki silanu, co zwiększyło liczbę i polarność chemicznych grup funkcyjnych na powierzchni włókna, poprawiając w ten sposób właściwości wiązania pomiędzy włóknem a żywicą matrycową. Po obróbce przeszczepowej na powierzchni włókna pojawiło się więcej śladów, co zwiększyło efekt mechanicznego zazębiania się włókna z żywicą oraz zwiększyło wytrzymałość kompozytu na ścinanie międzywarstwowe, która była 2,45 razy większa niż kompozytu przed modyfikacją. Jednocześnie poprawia się również odporność na pełzanie modyfikowanych włókien.
Inne metody przetwarzania
Oprócz obróbki plazmowej, utleniania odczynnikiem chemicznym, szczepienia powierzchniowego i obróbki wyładowań koronowych, metody kalandrowania i powlekania mogą w pewnym stopniu poprawić właściwości wiążące włókna UHMWPE i matrycy żywicy.
Metoda kalandrowania polega na tym, że po działaniu pary rolek dociskowych włókno UHMWPE zmienia swój pierwotny przekrój kołowy na płaski, dzięki czemu zwiększa się powierzchnia styku w kompozycie i do pewnego stopnia poprawia się właściwości wiązania , ale nie jest to oczywiste. Metoda powlekania polega na nałożeniu warstwy odczynnika na powierzchnię włókna UHMWPE. Z przemysłowej produkcji włókien polietylenowych o ultrawysokiej masie cząsteczkowej nie opracowano dotychczas idealnego odczynnika do powlekania. Odczynnik ten powinien działać jako środek sprzęgający, poprawiający właściwości wiązania pomiędzy włóknem UHMWPE a matrycą. Wpływ tych metod na poprawę adhezji międzywarstwowej pomiędzy włóknem UHMWPE a osnową nie jest oczywisty, dlatego też badania nad modyfikacjami tych metod nie są tak duże jak w przypadku poprzednich metod.
Dzięki obecnym metodom, przy jednoczesnej poprawie zwilżalności włókien, właściwości mechaniczne poddanych obróbce włókien ulegną zmniejszeniu w różnym stopniu, a zastosowanie włókien będzie ograniczone. Niektórzy proponują metodę obróbki kompozytowej w celu obróbki włókna UHMWPE, która może rozwiązać ten problem. Wang Chengzhong i in. przeprowadzili złożoną obróbkę powierzchni włókna UHMWPE poprzez utlenianie w fazie ciekłej kwasu chromowego i powlekanie nano zolem krzemionkowym oraz zbadali właściwości powierzchni styku kompozytu włókno UHMWPE/żywica epoksydowa. Wyniki pokazują, że zarówno utlenianie w fazie ciekłej, jak i powlekanie powierzchni mogą poprawić właściwości powierzchni styku materiałów kompozytowych, ale czas obróbki utleniania w fazie ciekłej jest zbyt długi, wytrzymałość włókna zostanie zmniejszona, podczas gdy obróbka kompozytowa ma efekt synergistyczny, nie może zmniejsza wytrzymałość włókien, ale znacznie poprawia wytrzymałość na ścinanie międzywarstwowych materiałów kompozytowych, jest skuteczną metodą obróbki powierzchni.