Xử lý bề mặt sợi UHMWPE

Việc xử lý bề mặt của sợi UHMWPE có thể được chia thành biến đổi vật lý và biến đổi hóa học theo các nguyên tắc phương pháp xử lý khác nhau. Theo các phương tiện sửa đổi khác nhau được sử dụng, nhiều phương pháp có thể được chia nhỏ. Khi nghiên cứu hiệu ứng biến tính cần lưu ý rằng một phương pháp thường có cả đặc tính biến đổi vật lý và biến đổi hóa học. Vì vậy, trong cuộc thảo luận sau đây, theo phương tiện xử lý cụ thể được phân loại.
Điều trị bằng huyết tương
Xử lý bằng plasma được chia thành hai loại: xử lý bằng plasma ở nhiệt độ thấp và xử lý bề mặt ghép bằng plasma.
Cái gọi là xử lý bề mặt plasma nhiệt độ thấp sợi HMWPE là hút bụi sợi HMWPE đã được làm sạch giữa hai tấm của thiết bị xử lý plasma, khởi động thiết bị tạo plasma trong môi trường dưới 40Pa, thực hiện xử lý plasma ở nhiệt độ thấp trên sợi trong một khoảng thời gian nhất định, sau đó lấy sợi ra để bảo quản.
Cái gọi là xử lý bề mặt ghép plasma sợi UHMWPE là ngâm sợi UHMWPE đã được làm sạch vào dung dịch monome, lấy ra sau một khoảng thời gian nhất định và đặt vào thiết bị plasma nhiệt độ thấp để xử lý tiếp. Sau khi xử lý, các điểm hoạt động được tạo ra trên bề mặt sợi để kích hoạt quá trình trùng hợp ghép monome trên bề mặt sợi. Cuối cùng, chất đồng nhất trên bề mặt sợi được rửa bằng axeton và bảo quản để sử dụng sau.
Lớp liên kết yếu (WBL) hình thành trên bề mặt sợi UHMWPE trong quá trình kéo sợi được liên kết chéo hơn nữa nhờ bức xạ cực tím của plasma và độ bền kết dính của bề mặt sợi UHMWPE được cải thiện. Ngoài ra, nhiều nhóm hoạt động khác nhau có thể được hình thành trên bề mặt sợi sau khi xử lý bằng plasma, chẳng hạn như: -CO H -, -co -, -COOh, -COO - và các nhóm hoạt động khác, có lợi cho quá trình hóa học sự kết hợp của sợi và nhựa ma trận. Xử lý bằng plasma cũng tạo ra các rãnh trên bề mặt sợi và làm tăng độ nhám bề mặt, có lợi cho liên kết cơ học với nền. Hiệu suất của sợi HMWPE làm vật liệu composite được cải thiện đáng kể nhờ phương pháp này và độ bền cắt giữa các lớp được tăng hơn 3 lần. Tuy nhiên, tốc độ suy giảm của các nhóm hoạt động của sợi UHMWPE sau khi xử lý bề mặt bằng plasma tương đối lớn và tốc độ suy giảm là 1/3 trong hai giờ. Và phương pháp xử lý đòi hỏi độ chân không cao, yêu cầu áp suất dưới 40Pa. Do đó, việc xử lý bề mặt plasma bằng sợi UHMWPE khó có thể đạt được trong sản xuất công nghiệp hóa chất liên tục.
Điều trị xả thải Corona
Cái gọi là xử lý bề mặt phóng điện vầng quang sợi UHMWPE là đặt sợi UHMWPE đã được làm sạch vào giữa hai tấm của thiết bị xử lý vầng quang dưới áp suất bình thường để tải điện áp cao khoảng 60 KV, công suất khoảng 350W, để không khí bị ion hóa, hào quang được tạo ra và phương pháp xử lý sẽ được đưa ra sử dụng sau một thời gian nhất định.
Xử lý bề mặt phóng điện bằng tia Corona có thể ăn mòn bề mặt sợi UHMWPE, tăng diện tích tiếp xúc giữa sợi và nhựa, đồng thời hình thành tác động chia lưới cơ học sau khi nhựa đóng rắn trên bề mặt sợi. Kích thước của chia lưới cơ học có liên quan chặt chẽ đến mức độ thấm của nhựa vào sợi và diện tích tiếp xúc giữa nhựa và sợi, nhưng cường độ tối đa của tác động vật lý này chỉ là 24 KJ · mol-1. Do đó, việc cải thiện độ bền liên kết bề mặt của sợi và nhựa chỉ bằng cách phóng điện hào quang bị hạn chế. Chỉ có phương pháp xử lý phóng điện bằng hào quang mới được báo cáo cho việc xử lý công nghiệp màng polyolefin. Mặc dù một số sản phẩm công nghiệp của sợi HMWPE hiện được xử lý bằng cách phóng điện vầng quang đơn giản nhưng hiệu quả chưa rõ ràng lắm. Và việc xử lý phóng điện corona phần lớn bị hạn chế do hoạt động không liên tục. Vì vậy, rất khó để thực hiện công nghiệp hóa và tiếp tục xử lý khí thải hào quang.
Ghép bề mặt do chiếu xạ
Cái gọi là phương pháp xử lý ghép bề mặt do chiếu xạ sợi UHMWPE là ghép polyme hóa monome thứ hai trên bề mặt sợi bằng bức xạ và tạo ra một lớp đệm có thể liên kết chặt chẽ với ma trận, để cải thiện độ bám dính giữa sợi và ma trận. Thông thường, nguồn bức xạ là 60C, tia gamma/tia cực tím, v.v., trong đó ánh sáng cực tím khởi tạo chất cảm quang, chẳng hạn như benzophenone (BP), và sau đó chất cảm quang sẽ bắt đầu quá trình ghép monome lên bề mặt sợi UHMWPE. Hiện nay, monome thứ hai được sử dụng là monome propylene, chẳng hạn như: axit acrylic (AA), acrylamide (AM), glycidyl methacrylate (GMA), v.v.
Về lý thuyết, xử lý bề mặt liên kết ngang kích hoạt bằng tia cực tím UHMWPE có thể thực hiện quá trình liên tục và chỉ ảnh hưởng đến lớp bề mặt mỏng nên có triển vọng ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên, do sợi cần được chiếu xạ trong một khoảng thời gian nhất định nên hoạt động không liên tục sẽ hạn chế ứng dụng của nó ở mức độ lớn.
Quá trình oxy hóa
Cái gọi là phương pháp xử lý bề mặt oxy hóa sợi UHMWPE là oxy hóa bề mặt sợi bằng các tác nhân hóa học hoặc khí, nhằm thay đổi độ nhám của bề mặt sợi và hàm lượng các nhóm cực trên bề mặt. Theo môi trường oxy hóa có thể được chia thành hai loại phương pháp ướt và phương pháp khô. Phương pháp ướt là quá trình oxy hóa pha lỏng, các môi trường phổ biến là: K2 Cr2O2 + H2 SO4, KMnO4+ HNO3, H2O2 (30%), v.v.; Sợi UH2MWPE sạch được ngâm trong môi trường, lấy ra sau khi xử lý oxy hóa ở nhiệt độ quy định trong thời gian quy định và rửa về trạng thái trung tính; Rửa trong nước khử ion nhiều lần, lau khô và đặt sang một bên. Phương pháp khô là phương pháp oxy hóa pha khí, oxy hóa quang và oxy hóa ozone thường được sử dụng; Sau khi tiền xử lý, sợi UHMWPE sạch được tiếp xúc với khí trung bình, lấy ra trong thời gian phản ứng nhất định, làm sạch bằng nước ion hóa, sấy khô để sử dụng.
Phương pháp oxy hóa chất lỏng tương đối nhẹ và dễ kiểm soát, nhưng vận hành cồng kềnh, yêu cầu thiết bị cao và ô nhiễm nghiêm trọng. Trong quá trình oxy hóa pha khí, thiết bị đơn giản, vận hành thuận tiện và sản xuất liên tục dễ dàng, nhưng mức độ oxy hóa khó kiểm soát, có thể khiến mức độ oxy hóa quá sâu và làm cho độ bền của sợi bị giảm. sự suy sụp. Tóm lại, để đạt được khả năng xử lý bề mặt oxy hóa liên tục, cần phải thực hiện những cải tiến nhất định về phương pháp vận hành và thiết bị.
Xử lý liên kết ngang hóa học
Phương pháp liên kết ngang hóa học là sử dụng trực tiếp chất khởi đầu để bắt đầu ghép monome trên bề mặt sợi, tương tự như phương pháp ghép bắt đầu bằng chiếu xạ, nhưng có thể tránh phương pháp ghép chiếu xạ trong đầu tư thiết bị, phương pháp này là quy trình đơn giản, dễ đạt được sản xuất công nghiệp liên tục.
Lang Yanqing và cộng sự. đã sử dụng peroxide làm chất khởi đầu để thực hiện sửa đổi liên kết ngang silane trên sợi UHMWPE. Nghiên cứu cho thấy sau khi biến đổi silane, các phân tử silane được ghép trên bề mặt sợi, điều này làm tăng số lượng và độ phân cực của các nhóm chức năng hóa học trên bề mặt sợi, do đó cải thiện đặc tính liên kết giữa sợi và nhựa nền. Sau khi xử lý ghép, bề mặt sợi xuất hiện nhiều vết hơn, điều này làm tăng hiệu ứng liên kết cơ học giữa sợi và nhựa, đồng thời tăng độ bền cắt giữa các lớp của composite, gấp 2,45 lần so với composite trước khi sửa đổi. Đồng thời, khả năng chống rão của sợi biến tính cũng được cải thiện.
Các phương pháp xử lý khác
Ngoài xử lý plasma, oxy hóa thuốc thử hóa học, ghép bề mặt và xử lý phóng điện vầng quang, phương pháp cán và phủ có thể cải thiện đặc tính liên kết của ma trận sợi và nhựa UHMWPE ở một mức độ nhất định.
Phương pháp cán lịch là sợi UHMWPE được thay đổi từ phần tròn ban đầu thành dạng phẳng sau tác động của một cặp con lăn ép, do đó diện tích tiếp xúc trong composite được tăng lên và đặc tính liên kết được cải thiện ở một mức độ nhất định , nhưng nó không rõ ràng. Phương pháp phủ là phủ một lớp thuốc thử lên bề mặt sợi UHMWPE. Từ quá trình sản xuất công nghiệp sợi polyethylen có trọng lượng phân tử cực cao cho đến nay, thuốc thử lý tưởng vẫn chưa được phát triển để phủ. Thuốc thử này sẽ hoạt động như một tác nhân ghép nối để cải thiện đặc tính liên kết giữa sợi UHMWPE và ma trận. Hiệu quả của các phương pháp này trong việc cải thiện độ bám dính giữa các lớp giữa sợi UHMWPE và ma trận là không rõ ràng nên việc nghiên cứu cải tiến các phương pháp này không nhiều như các phương pháp trước.
Do các phương pháp hiện tại, trong khi cải thiện khả năng thấm ướt của sợi, tính chất cơ học của sợi được xử lý sẽ giảm ở các mức độ khác nhau và việc ứng dụng sợi sẽ bị hạn chế. Một số người đưa ra phương pháp xử lý tổng hợp để xử lý sợi UHMWPE, có thể giải quyết được vấn đề này. Wang Chengzhong và cộng sự. đã tiến hành xử lý bề mặt hỗn hợp của sợi UHMWPE bằng quá trình oxy hóa pha lỏng axit cromic và phủ nano silica sol, đồng thời nghiên cứu các đặc tính bề mặt của hỗn hợp sợi UHMWPE/nhựa epoxy. Kết quả cho thấy cả quá trình oxy hóa pha lỏng và lớp phủ bề mặt đều có thể cải thiện tính chất giao diện của vật liệu composite, nhưng thời gian xử lý oxy hóa pha lỏng quá dài, độ bền của sợi sẽ giảm, trong khi xử lý composite có tác dụng hiệp đồng, không thể làm giảm độ bền của sợi nhưng cải thiện đáng kể độ bền cắt giữa các lớp của vật liệu composite, là một phương pháp xử lý bề mặt hiệu quả.