Oberflächenbehandlung von UHMWPE-Fasern

Die Oberflächenbehandlung von UHMWPE-Fasern kann nach verschiedenen Prinzipien der Behandlungsmethoden in physikalische und chemische Modifikation unterteilt werden. Viele Methoden lassen sich entsprechend der verwendeten unterschiedlichen modifizierten Medien unterteilen. Bei der Untersuchung des Modifikationseffekts ist zu beachten, dass eine Methode häufig sowohl physikalische als auch chemische Modifikationseigenschaften aufweist. Daher werden in der folgenden Diskussion die spezifischen Verarbeitungsmedien entsprechend klassifiziert.
Plasmabehandlung
Die Plasmabehandlung wird in zwei Arten unterteilt: Niedertemperatur-Plasmabehandlung und Plasmatransplantat-Oberflächenbehandlung.
Bei der sogenannten HMWPE-Faser-Niedertemperatur-Plasmaoberflächenbehandlung wird die gereinigte HMWPE-Faser zwischen den beiden Platten des Plasmabehandlungsgeräts abgesaugt, das Plasmaerzeugungsgerät in einer Umgebung von weniger als 40 Pa gestartet und eine Niedertemperatur-Plasmabehandlung durchgeführt Ballaststoffe für einen bestimmten Zeitraum aufbewahren und dann zur Lagerung entnehmen.
Bei der sogenannten UHMWPE-Faser-Plasma-Transplantat-Oberflächenbehandlung wird die gereinigte UHMWPE-Faser in eine Monomerlösung getaucht, nach einer bestimmten Zeit herausgenommen und zur weiteren Behandlung in ein Niedertemperatur-Plasmagerät gelegt. Nach der Behandlung werden auf der Faseroberfläche aktive Punkte erzeugt, die die Pfropfpolymerisation des Monomers auf der Faseroberfläche auslösen. Abschließend wurde das Homopolymer auf der Faseroberfläche mit Aceton gewaschen und zur späteren Verwendung aufbewahrt.
Die beim Spinnprozess auf der Oberfläche der UHMWPE-Faser gebildete schwache Bindungsschicht (WBL) wird durch die ultraviolette Strahlung des Plasmas weiter vernetzt und die Kohäsionsfestigkeit der UHMWPE-Faseroberfläche wird verbessert. Darüber hinaus können nach der Plasmabehandlung verschiedene aktive Gruppen auf der Oberfläche der Faser gebildet werden, wie zum Beispiel: -CO H -, -co -, -COOh, -COO - und andere aktive Gruppen, die der Chemikalie förderlich sind Kombination aus Faser und Matrixharz. Die Plasmabehandlung erzeugt außerdem Rillen auf der Faseroberfläche und erhöht die Oberflächenrauheit, was die mechanische Bindung mit der Matrix begünstigt. Die Leistung von HMWPE-Fasern als Verbundwerkstoff wird durch diese Methode erheblich verbessert und die Scherfestigkeit zwischen den Schichten wird um mehr als das Dreifache erhöht. Allerdings ist die Schwächungsrate der aktiven Gruppen von UHMWPE-Fasern nach der Plasmaoberflächenbehandlung relativ groß und beträgt ein Drittel in zwei Stunden. Und die Behandlungsmethode erfordert ein Hochvakuum, das einen Druck von weniger als 40 Pa erfordert. Daher ist es schwierig, mit der UHMWPE-Faserplasma-Oberflächenbehandlung eine kontinuierliche chemische Industrieproduktion zu erreichen.
Koronaentladungsbehandlung
Bei der sogenannten UHMWPE-Faser-Koronaentladungs-Oberflächenbehandlung wird die gereinigte UHMWPE-Faser unter Normaldruck zwischen die beiden Platten des Koronabehandlungsgeräts gelegt, um eine Hochspannung von etwa 60 KV zu laden. Die Leistung beträgt etwa 350 W, so dass die Luft ionisiert wird. Es wird eine Korona erzeugt und die Behandlung wird nach einer bestimmten Zeit zur Anwendung genommen.
Eine Oberflächenbehandlung mit Koronaentladung kann die Oberfläche von UHMWPE-Fasern ätzen, die Kontaktfläche zwischen Faser und Harz vergrößern und nach dem Aushärten des Harzes auf der Faseroberfläche eine mechanische Vernetzungswirkung erzeugen. Die Größe der mechanischen Vernetzung hängt eng mit dem Grad der Harzinfiltration auf der Faser und der Kontaktfläche zwischen Harz und Faser zusammen, aber die maximale Stärke dieser physikalischen Wirkung beträgt nur 24 KJ · mol-1. Daher ist es nur begrenzt möglich, die Grenzflächenbindungsfestigkeit von Faser und Harz allein durch Koronaentladung zu verbessern. Für die industrielle Behandlung von Polyolefinfolien wurde nur über eine Koronaentladungsbehandlung berichtet. Obwohl einige Industrieprodukte aus HMWPE-Fasern derzeit durch einfache Koronaentladung behandelt werden, ist der Effekt nicht sehr offensichtlich. Und die Behandlung durch Koronaentladung ist durch den intermittierenden Betrieb weitgehend eingeschränkt. Daher ist es sehr schwierig, eine Industrialisierung und Kontinuität der Koronaentladungsbehandlung zu realisieren.
Durch Bestrahlung induzierte Oberflächenveredelung
Bei der sogenannten durch Bestrahlung der UHMWPE-Faser induzierten Oberflächenpfropfbehandlung wird das zweite Monomer auf der Oberfläche der Faser durch Strahlung pfropfpolymerisiert und eine Pufferschicht erzeugt, die eng mit der Matrix verbunden werden kann, um die Haftung zwischen den Fasern zu verbessern und die Matrix. Normalerweise handelt es sich bei der Strahlungsquelle um 60 °C, Gammastrahlung/ultraviolettes Licht usw., wobei ultraviolettes Licht den Photosensibilisator wie Benzophenon (BP) initiiert und dann der Photosensibilisator die Monomerpfropfung auf der Oberfläche der UHMWPE-Faser initiiert. Derzeit wird als zweites Monomer Propylenmonomer verwendet, beispielsweise Acrylsäure (AA), Acrylamid (AM), Glycidylmethacrylat (GMA) usw.
Die UV-vernetzende Oberflächenbehandlung von UHMWPE-Fasern kann theoretisch einen kontinuierlichen Prozess realisieren und wirkt sich nur auf die dünne Oberflächenschicht aus, sodass eine industrielle Anwendung möglich ist. Da die Faser jedoch über einen bestimmten Zeitraum bestrahlt werden muss, schränkt der intermittierende Betrieb ihre Anwendung stark ein.
Oxidationsprozess
Bei der sogenannten oxidierenden Oberflächenbehandlungsmethode für UHMWPE-Fasern wird die Faseroberfläche durch chemische Mittel oder Gase oxidiert, um die Rauheit der Faseroberfläche und den Gehalt an polaren Gruppen auf der Oberfläche zu verändern. Je nach Oxidationsmedium können zwei Kategorien in Nassverfahren und Trockenverfahren unterteilt werden. Das Nassverfahren ist die Flüssigphasenoxidation. Die üblichen Medien sind: K2 Cr2O2 + H2 SO4, KMnO4+ HNO3, H2O2 (30 %) und so weiter; Die saubere UH2MWPE-Faser wird in das Medium eingetaucht, nach der Oxidationsbehandlung bei der angegebenen Temperatur für die angegebene Zeit herausgenommen und neutral gewaschen; Mehrmals in entionisiertem Wasser waschen, trocknen und beiseite stellen. Das Trockenverfahren ist ein Gasphasenoxidationsverfahren, häufig verwendete Photooxidation und Ozonoxidation. Nach der Vorbehandlung wird die saubere UHMWPE-Faser einem Mediumgas ausgesetzt, für eine bestimmte Reaktionszeit herausgenommen, mit ionisiertem Wasser gereinigt und zur Verwendung getrocknet.
Die Flüssigkeitsoxidationsmethode ist relativ mild und leicht zu kontrollieren, aber der Vorgang ist umständlich, die Anforderungen an die Ausrüstung sind hoch und die Umweltverschmutzung ist schwerwiegend. Bei der Gasphasenoxidation ist die Ausrüstung einfach, die Bedienung bequem und die kontinuierliche Produktion einfach, aber der Oxidationsgrad ist schwer zu kontrollieren, was dazu führen kann, dass der Oxidationsgrad zu tief ist und die Faserfestigkeit nachlässt Abfall. Kurz gesagt, um eine kontinuierliche Oxidationsoberflächenbehandlung zu erreichen, müssen bestimmte Verbesserungen bei den Betriebsmethoden und der Ausrüstung vorgenommen werden.
Chemische Vernetzungsbehandlung
Bei der chemischen Vernetzungsmethode wird ein Initiator direkt verwendet, um die Monomerpfropfung auf der Faseroberfläche zu initiieren. Dies ähnelt der strahlungsinitiierten Pfropfmethode, kann jedoch die Bestrahlungspfropfungsmethode bei Ausrüstungsinvestitionen vermeiden. Diese Methode ist ein einfacher Prozess, der eine industrielle kontinuierliche Produktion leicht erreichen kann.
Lang Yanqing et al. verwendeten Peroxid als Initiator, um eine Silanvernetzungsmodifikation an UHMWPE-Fasern durchzuführen. Die Studie ergab, dass nach der Silanmodifikation Silanmoleküle auf die Faseroberfläche aufgepfropft wurden, was die Anzahl und Polarität der chemischen funktionellen Gruppen auf der Faseroberfläche erhöhte und so die Bindungseigenschaft zwischen der Faser und dem Matrixharz verbesserte. Nach der Pfropfbehandlung traten mehr Markierungen auf der Oberfläche der Faser auf, was den mechanischen Verriegelungseffekt zwischen der Faser und dem Harz verstärkte und die Scherfestigkeit zwischen den Schichten des Verbundwerkstoffs erhöhte, die 2,45-mal höher war als die des Verbundwerkstoffs vor der Modifikation. Gleichzeitig wird auch die Kriechfestigkeit der modifizierten Faser verbessert.
Andere Verarbeitungsmethoden
Zusätzlich zur Plasmabehandlung, der Oxidation chemischer Reagenzien, der Oberflächenpfropfung und der Koronaentladungsbehandlung können Kalandrierungs- und Beschichtungsverfahren die Bindungseigenschaften der UHMWPE-Faser und der Harzmatrix bis zu einem gewissen Grad verbessern.
Das Kalandrierverfahren besteht darin, dass die UHMWPE-Faser nach der Einwirkung eines Presswalzenpaares von ihrem ursprünglichen kreisförmigen Querschnitt in eine flache Form verändert wird, so dass die Kontaktfläche im Verbundwerkstoff vergrößert und die Bindungseigenschaft bis zu einem gewissen Grad verbessert wird , aber es ist nicht offensichtlich. Bei der Beschichtungsmethode wird eine Reagenzschicht auf die Oberfläche der UHMWPE-Faser aufgetragen. Aus der industriellen Produktion von Polyethylenfasern mit ultrahohem Molekulargewicht wurde bisher noch nicht das ideale Reagenz für die Beschichtung entwickelt. Dieses Reagenz soll als Haftvermittler wirken, um die Bindungseigenschaft zwischen UHMWPE-Faser und Matrix zu verbessern. Der Effekt dieser Methoden auf die Verbesserung der Zwischenschichthaftung zwischen UHMWPE-Faser und Matrix ist nicht offensichtlich, daher ist die Modifikationsforschung dieser Methoden nicht so umfassend wie bei den vorherigen Methoden.
Durch die derzeitigen Methoden werden zwar die Benetzbarkeit der Fasern verbessert, die mechanischen Eigenschaften der behandelten Fasern werden jedoch in unterschiedlichem Maße reduziert und die Anwendung der Fasern wird eingeschränkt. Einige Leute schlagen eine Verbundbehandlungsmethode zur Behandlung von UHMWPE-Fasern vor, die dieses Problem lösen kann. Wang Chengzhong et al. führten eine Verbundoberflächenbehandlung von UHMWPE-Fasern durch Chromsäure-Flüssigphasenoxidation und Nano-Kieselsolbeschichtung durch und untersuchten die Grenzflächeneigenschaften des UHMWPE-Faser/Epoxidharz-Verbundwerkstoffs. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl die Flüssigphasenoxidation als auch die Oberflächenbeschichtung die Grenzflächeneigenschaften der Verbundwerkstoffe verbessern können, die Dauer der Flüssigphasenoxidationsbehandlung jedoch zu lang ist und die Faserfestigkeit verringert wird, während die Verbundwerkstoffbehandlung einen synergistischen Effekt hat, dies jedoch nicht der Fall ist Eine wirksame Methode zur Oberflächenbehandlung besteht darin, die Faserfestigkeit zu verringern, aber die Scherfestigkeit zwischen den Schichten der Verbundwerkstoffe erheblich zu verbessern.