Povrchová úprava UHMWPE vlákna

Povrchovú úpravu UHMWPE vlákna možno rozdeliť na fyzikálnu modifikáciu a chemickú modifikáciu podľa rôznych princípov metód úpravy. Podľa rôznych použitých modifikovaných médií je možné rozdeliť mnohé metódy. Pri štúdiu účinku modifikácie je potrebné poznamenať, že metóda má často vlastnosti fyzikálnej modifikácie aj chemickej modifikácie. Preto sú v nasledujúcej diskusii podľa konkrétneho spracovania klasifikované médiá.
Liečba plazmou
Plazmové ošetrenie sa delí na dva typy: nízkoteplotné plazmové ošetrenie a plazmové štepové ošetrenie povrchu.
Takzvaná nízkoteplotná plazmová povrchová úprava vlákna HMWPE spočíva v odsatí vyčisteného vlákna HMWPE medzi dvoma doskami zariadenia na plazmovú úpravu, spustenie zariadenia na generovanie plazmy v prostredí menej ako 40 Pa, vykonanie nízkoteplotnej plazmovej úpravy na vlákno na určitú dobu a potom vlákno vyberte na uskladnenie.
Takzvaná povrchová úprava UHMWPE vlákna plazmovým štepom spočíva v ponorení vyčisteného UHMWPE vlákna do roztoku monoméru, po určitom čase ho vybrať a umiestniť do nízkoteplotného plazmového zariadenia na ďalšie spracovanie. Po ošetrení sa na povrchu vlákna vytvoria aktívne body, ktoré spustia očkovanú polymerizáciu monoméru na povrchu vlákna. Nakoniec sa homopolymér na povrchu vlákna premyl acetónom a uskladnil na neskoršie použitie.
Slabá väzbová vrstva (WBL) vytvorená na povrchu vlákna UHMWPE v procese zvlákňovania je ďalej zosieťovaná ultrafialovým žiarením plazmy a kohézna sila povrchu vlákna UHMWPE sa zlepšuje. Okrem toho sa na povrchu vlákna po plazmovej úprave môžu vytvoriť rôzne aktívne skupiny, ako sú: -COH -, -co -, -COOh, -COO - a ďalšie aktívne skupiny, ktoré sú vhodné pre chemické látky. kombinácia vlákna a matricovej živice. Plazmová úprava tiež vytvára drážky na povrchu vlákna a zvyšuje drsnosť povrchu, čo prispieva k mechanickému spojeniu s matricou. Výkon vlákna HMWPE ako kompozitného materiálu sa touto metódou výrazne zlepšuje a pevnosť medzivrstvy v šmyku sa zvyšuje viac ako 3-krát. Miera útlmu aktívnych skupín UHMWPE vlákna po plazmovej povrchovej úprave je však relatívne veľká a miera útlmu je jedna tretina za dve hodiny. A metóda úpravy vyžaduje vysoké vákuum, vyžadujúce tlak menší ako 40 Pa. Preto je ťažké dosiahnuť kontinuálnu chemickú priemyselnú výrobu UHMWPE plazmovou povrchovou úpravou.
Liečba korónovým výbojom
Takzvaná povrchová úprava korónovým výbojom z vlákna UHMWPE je umiestniť vyčistené vlákno UHMWPE medzi dve dosky zariadenia na úpravu koróny pod normálnym tlakom, aby sa zaťažilo asi 60 KV vysokého napätia, výkon je asi 350 W, aby sa vzduch ionizoval, generuje sa koróna a liečba sa po určitom čase odoberie na použitie.
Povrchová úprava korónovým výbojom môže leptať povrch vlákna UHMWPE, zväčšovať kontaktnú plochu medzi vláknom a živicou a vytvárať mechanické zábery po vytvrdnutí živice na povrchu vlákna. Veľkosť mechanickej siete úzko súvisí so stupňom infiltrácie živice do vlákna a kontaktnou plochou medzi živicou a vláknom, ale maximálna sila tohto fyzikálneho pôsobenia je iba 24 KJ · mol-1. Preto je obmedzené na zlepšenie medzifázového spojenia vlákna a živice samotným korónovým výbojom. Pre priemyselné spracovanie polyolefínových fólií bolo zaznamenané iba spracovanie korónovým výbojom. Hoci niektoré priemyselné produkty z HMWPE vlákna sú v súčasnosti upravované jednoduchým korónovým výbojom, efekt nie je príliš zrejmý. A liečba korónovým výbojom je do značnej miery obmedzená prerušovanou prevádzkou. Preto je veľmi ťažké realizovať industrializáciu a kontinuitu spracovania korónovým výbojom.
Ožarovaním indukované štepenie povrchu
Takzvané ožiarením vláknami UHMWPE indukované povrchové štepenie je naočkovaním polymerizácie druhého monoméru na povrch vlákna žiarením a vytvorením vyrovnávacej vrstvy, ktorá môže byť tesne spojená s matricou, aby sa zlepšila adhézia medzi vláknami. a matice. Zvyčajne je zdrojom žiarenia 60 °C, gama lúče/ultrafialové svetlo atď., v ktorých ultrafialové svetlo iniciuje fotosenzibilizátor, ako je benzofenón (BP), a potom fotosenzibilizátor iniciuje vrúbľovanie monoméru na povrch UHMWPE vlákna. V súčasnosti je druhým používaným monomérom propylénový monomér, ako napríklad: kyselina akrylová (AA), akrylamid (AM), glycidylmetakrylát (GMA) atď.
Sieťovacia povrchová úprava UHMWPE vlákna spustená UV žiarením môže teoreticky realizovať kontinuálny proces a ovplyvňuje iba tenkú povrchovú vrstvu, takže má perspektívu priemyselného využitia. Pretože je však potrebné vlákno určitý čas ožarovať, prerušovaná prevádzka do značnej miery obmedzuje jeho aplikáciu.
Oxidačný proces
Takzvaná metóda povrchovej úpravy oxidačného vlákna UHMWPE spočíva v oxidácii povrchu vlákna chemickými činidlami alebo plynmi, aby sa zmenila drsnosť povrchu vlákna a obsah polárnych skupín na povrchu. Podľa oxidačného média možno rozdeliť do dvoch kategórií na mokrú metódu a suchú metódu. Mokrá metóda je oxidácia v kvapalnej fáze, jej bežnými médiami sú: K2 Cr2O2 +H2SO4, KMnO4+HNO3, H2O2 (30%) atď.; Čisté vlákno UH2MWPE sa ponorí do média, vyberie sa po oxidačnom spracovaní pri špecifikovanej teplote na špecifikovaný čas a premyje sa do neutrálnej polohy; Niekoľkokrát umyte v deionizovanej vode, vysušte a odložte. Suchá metóda je metóda oxidácie v plynnej fáze, bežne používaná fotooxidácia a oxidácia ozónu; Po predbežnej úprave sa čisté UHMWPE vlákno vystaví stredovému plynu, vyberie sa na určitý reakčný čas, vyčistí sa ionizovanou vodou a vysuší sa na použitie.
Metóda kvapalnej oxidácie je relatívne mierna a ľahko ovládateľná, ale prevádzka je ťažkopádna, požiadavky na vybavenie sú vysoké a znečistenie je vážne. V procese oxidácie v plynnej fáze je zariadenie jednoduché, prevádzka je pohodlná a kontinuálna výroba je jednoduchá, ale stupeň oxidácie je ťažké kontrolovať, čo môže spôsobiť, že stupeň oxidácie bude príliš hlboký a pevnosť vlákna sa zníži. pokles. Stručne povedané, na dosiahnutie kontinuálnej oxidačnej povrchovej úpravy je potrebné vykonať určité zlepšenia v prevádzkových metódach a zariadeniach.
Chemická sieťovacia úprava
Metóda chemického zosieťovania je priame použitie iniciátora na začatie vrúbľovania monomérov na povrch vlákna, podobne ako metóda vrúbľovania iniciovaná ožiarením, ale môže sa vyhnúť metóde vrúbľovania ožiarením pri investícii do zariadenia, táto metóda je jednoduchý proces, ktorý sa dá ľahko dosiahnuť priemyselnou kontinuálnou výrobou.
Lang Yanqing a kol. použil peroxid ako iniciátor na uskutočnenie modifikácie silánového zosieťovania na UHMWPE vlákne. Štúdia zistila, že po modifikácii silánom boli molekuly silánu navrúbľované na povrch vlákna, čo zvýšilo počet a polaritu chemických funkčných skupín na povrchu vlákna, čím sa zlepšila väzbová vlastnosť medzi vláknom a matricovou živicou. Po ošetrení vrúbľovaním sa na povrchu vlákna objavilo viac značiek, čo zvýšilo mechanický spojovací efekt medzi vláknom a živicou a zvýšilo medzivrstvovú pevnosť v šmyku kompozitu, ktorá bola 2,45-krát vyššia ako u kompozitu pred modifikáciou. Súčasne sa zlepšuje aj odolnosť modifikovaného vlákna voči tečeniu.
Iné spôsoby spracovania
Okrem úpravy plazmou, oxidáciou chemickým činidlom, povrchovým štepením a úpravou korónovým výbojom, metódy kalandrovania a poťahovania môžu do určitej miery zlepšiť vlastnosti väzby UHMWPE vlákna a živicovej matrice.
Metóda kalandrovania spočíva v tom, že UHMWPE vlákno sa po pôsobení dvojice prítlačných valcov zmení z pôvodného kruhového prierezu na plochý, takže sa v kompozite zväčší kontaktná plocha a do určitej miery sa zlepší väzbová vlastnosť. , ale nie je to zrejmé. Spôsob poťahovania spočíva v nanesení vrstvy činidla na povrch vlákna UHMWPE. Z doterajšej priemyselnej výroby polyetylénového vlákna s ultra vysokou molekulovou hmotnosťou nebolo vyvinuté ideálne činidlo na poťahovanie. Toto činidlo by malo pôsobiť ako väzbové činidlo na zlepšenie väzobných vlastností medzi vláknom UHMWPE a matricou. Vplyv týchto metód na zlepšenie medzivrstvovej adhézie medzi UHMWPE vláknom a matricou nie je zrejmý, takže výskum modifikácií týchto metód nie je taký veľký ako predchádzajúce metódy.
V dôsledku súčasných metód sa pri zlepšovaní zmáčavosti vlákien v rôznej miere znížia mechanické vlastnosti upravovaných vlákien a obmedzí sa aplikácia vlákien. Niektorí ľudia navrhli metódu kompozitnej úpravy na ošetrenie vlákna UHMWPE, ktorá môže tento problém vyriešiť. Wang Chengzhong a kol. vykonala zloženú povrchovú úpravu vlákna UHMWPE oxidáciou v kvapalnej fáze kyselinou chrómovou a povlakom nanosilika a študovala vlastnosti rozhrania kompozitu UHMWPE vlákno/epoxidová živica. Výsledky ukazujú, že oxidácia v kvapalnej fáze aj povrchový náter môžu zlepšiť vlastnosti rozhrania kompozitných materiálov, ale doba spracovania oxidácie v kvapalnej fáze je príliš dlhá, pevnosť vlákna sa zníži, zatiaľ čo ošetrenie kompozitu má synergický účinok, nemôže znížiť pevnosť vlákna, ale výrazne zlepšiť šmykovú pevnosť medzivrstvy kompozitných materiálov, je účinnou metódou povrchovej úpravy.