Tratamiento superficial de fibra UHMWPE

El tratamiento superficial de la fibra UHMWPE se puede dividir en modificación física y modificación química según diferentes principios de métodos de tratamiento. Según los diferentes medios modificados utilizados, se pueden subdividir muchos métodos. Al estudiar el efecto de modificación, cabe señalar que un método a menudo tiene características tanto de modificación física como de modificación química. Por lo tanto, en la siguiente discusión, se clasifican según los medios de procesamiento específicos.
Tratamiento con plasma
El tratamiento con plasma se divide en dos tipos: tratamiento con plasma a baja temperatura y tratamiento de superficie del injerto con plasma.
El llamado tratamiento de superficie con plasma de baja temperatura de fibra HMWPE consiste en aspirar la fibra HMWPE limpia entre las dos placas del dispositivo de tratamiento de plasma, iniciar el dispositivo generador de plasma en un ambiente de menos de 40 Pa, realizar un tratamiento con plasma a baja temperatura en el fibra durante un cierto período de tiempo y luego retire la fibra para su almacenamiento.
El llamado tratamiento de superficie del injerto de plasma de fibra de UHMWPE consiste en sumergir la fibra de UHMWPE limpia en una solución de monómero, sacarla después de un cierto período de tiempo y colocarla en un dispositivo de plasma de baja temperatura para su tratamiento adicional. Después del tratamiento, se generan puntos activos en la superficie de la fibra para desencadenar la polimerización del injerto del monómero en la superficie de la fibra. Finalmente, el homopolímero de la superficie de la fibra se lavó con acetona y se almacenó para su uso posterior.
La capa de unión débil (WBL) formada en la superficie de la fibra de UHMWPE en el proceso de hilado se reticula aún más mediante la radiación ultravioleta del plasma y se mejora la fuerza de cohesión de la superficie de la fibra de UHMWPE. Además, se pueden formar una variedad de grupos activos en la superficie de la fibra después del tratamiento con plasma, tales como: -CO H -, -co -, -COOh, -COO - y otros grupos activos, que favorecen la química. combinación de la fibra y la resina matriz. El tratamiento con plasma también produce surcos en la superficie de la fibra y aumenta la rugosidad de la superficie, lo que favorece la unión mecánica con la matriz. El rendimiento de la fibra HMWPE como material compuesto mejora enormemente con este método y la resistencia al corte entre capas aumenta más de 3 veces. Sin embargo, la tasa de atenuación de los grupos activos de fibra UHMWPE después del tratamiento de la superficie con plasma es relativamente grande y la tasa de atenuación es de un tercio en dos horas. Y el método de tratamiento requiere un alto vacío, lo que requiere una presión inferior a 40 Pa. Por lo tanto, es difícil lograr un tratamiento de superficie con plasma de fibra de UHMWPE para una producción industrial química continua.
Tratamiento de descarga de corona
El llamado tratamiento de superficie de descarga de corona de fibra UHMWPE consiste en colocar la fibra UHMWPE limpia entre las dos placas del dispositivo de tratamiento de corona bajo presión normal para cargar aproximadamente 60 KV de alto voltaje, la potencia es de aproximadamente 350 W, de modo que el aire se ionice. Se genera corona y el tratamiento se retira para su uso después de un cierto tiempo.
El tratamiento de superficie de descarga corona puede grabar la superficie de la fibra UHMWPE, aumentar el área de contacto entre la fibra y la resina y formar una acción de malla mecánica después del curado de la resina en la superficie de la fibra. El tamaño del mallado mecánico está estrechamente relacionado con el grado de infiltración de la resina en la fibra y el área de contacto entre la resina y la fibra, pero la fuerza máxima de esta acción física es de sólo 24 KJ·mol-1. Por lo tanto, se limita a mejorar la resistencia de la unión interfacial de fibra y resina mediante descarga en corona únicamente. Sólo se ha informado del tratamiento de descarga en corona para el tratamiento industrial de películas de poliolefina. Aunque algunos productos industriales de fibra HMWPE se tratan actualmente mediante descarga en corona simple, el efecto no es muy obvio. Y el tratamiento de descarga de corona está limitado en gran medida por el funcionamiento intermitente. Por tanto, es muy difícil lograr la industrialización y la continuidad del tratamiento de descarga en corona.
Injerto de superficie inducido por irradiación.
El llamado tratamiento de injerto de superficie inducido por irradiación de fibra UHMWPE consiste en injertar polimerizar el segundo monómero en la superficie de la fibra por radiación y producir una capa amortiguadora que se puede unir estrechamente con la matriz, para mejorar la adhesión entre las fibras. y la matriz. Por lo general, la fuente de radiación es 60 °C, rayos gamma/luz ultravioleta, etc., en la que la luz ultravioleta inicia el fotosensibilizador, como la benzofenona (BP), y luego el fotosensibilizador inicia el injerto de monómero en la superficie de la fibra de UHMWPE. En la actualidad, el segundo monómero utilizado es el monómero de propileno, como: ácido acrílico (AA), acrilamida (AM), metacrilato de glicidilo (GMA), etc.
El tratamiento de superficie de reticulación activado por rayos UV de fibra UHMWPE puede realizar un proceso continuo en teoría y solo afecta la capa superficial delgada, por lo que tiene perspectivas de aplicación industrial. Sin embargo, debido a que la fibra necesita irradiarse durante un cierto período de tiempo, el funcionamiento intermitente limita en gran medida su aplicación.
Proceso de oxidación
El método de tratamiento de superficie oxidante de fibra UHMWPE consiste en oxidar la superficie de la fibra mediante agentes químicos o gases, para cambiar la rugosidad de la superficie de la fibra y el contenido de grupos polares en la superficie. Según el medio de oxidación se puede dividir en dos categorías: método húmedo y método seco. El método húmedo es la oxidación en fase líquida, sus medios comunes son: K2 Cr2O2 + H2 SO4, KMnO4+ HNO3, H2O2 (30%) y así sucesivamente; La fibra UH2MWPE limpia se sumerge en el medio, se retira después del tratamiento de oxidación a la temperatura especificada durante el tiempo especificado y se lava hasta neutralidad; Lavar en agua desionizada varias veces, secar y reservar. El método seco es el método de oxidación en fase gaseosa, comúnmente utilizado como fotooxidación y oxidación con ozono; Después del pretratamiento, la fibra UHMWPE limpia se expone a un gas medio, se retira durante un tiempo de reacción determinado, se limpia con agua ionizada y se seca para su uso.
El método de oxidación líquida es relativamente suave y fácil de controlar, pero la operación es engorrosa, los requisitos de equipo son altos y la contaminación es grave. En el proceso de oxidación en fase gaseosa, el equipo es simple, la operación es conveniente y la producción continua es fácil, pero el grado de oxidación es difícil de controlar, lo que puede causar que el grado de oxidación sea demasiado profundo y que la resistencia de la fibra disminuya. rechazar. En resumen, para lograr un tratamiento superficial de oxidación continua, es necesario realizar ciertas mejoras en los métodos y equipos operativos.
Tratamiento de reticulación química
El método de reticulación química es el uso directo del iniciador para iniciar el injerto de monómero en la superficie de la fibra, similar al método de injerto iniciado por irradiación, pero puede evitar el método de injerto por irradiación en la inversión en equipos, este método es un proceso simple, fácil de lograr una producción industrial continua.
Lang Yanqing et al. utilizó peróxido como iniciador para realizar la modificación de la reticulación de silano en fibra de UHMWPE. El estudio encontró que después de la modificación del silano, se injertaban moléculas de silano en la superficie de la fibra, lo que aumentaba el número y la polaridad de los grupos funcionales químicos en la superficie de la fibra, mejorando así la propiedad de unión entre la fibra y la resina matriz. Después del tratamiento del injerto, aparecieron más marcas en la superficie de la fibra, lo que aumentó el efecto de entrelazado mecánico entre la fibra y la resina, y aumentó la resistencia al corte entre capas del compuesto, que era 2,45 veces mayor que la del compuesto antes de la modificación. Al mismo tiempo, también se mejora la resistencia a la fluencia de la fibra modificada.
Otros métodos de procesamiento
Además del tratamiento con plasma, la oxidación de reactivos químicos, el injerto de superficie y el tratamiento de descarga en corona, los métodos de calandrado y recubrimiento pueden mejorar hasta cierto punto las propiedades de unión de la fibra de UHMWPE y la matriz de resina.
El método de calandrado consiste en cambiar la fibra de UHMWPE de la sección circular original a una forma plana después de la acción de un par de rodillos de presión, de modo que el área de contacto aumenta en el compuesto y la propiedad de unión mejora hasta cierto punto. , pero no es obvio. El método de recubrimiento consiste en recubrir una capa de reactivo sobre la superficie de la fibra UHMWPE. Desde la producción industrial de fibra de polietileno de peso molecular ultraalto hasta el momento no se ha desarrollado el reactivo ideal para el recubrimiento. Este reactivo debería actuar como agente de acoplamiento para mejorar la propiedad de unión entre la fibra de UHMWPE y la matriz. El efecto de estos métodos para mejorar la adhesión entre capas entre la fibra de UHMWPE y la matriz no es obvio, por lo que la investigación de modificación de estos métodos no es tanta como la de los métodos anteriores.
Debido a los métodos actuales, aunque mejoran la humectabilidad de las fibras, las propiedades mecánicas de las fibras tratadas se reducirán en diversos grados y la aplicación de las fibras será limitada. Algunas personas proponen un método de tratamiento compuesto para tratar la fibra UHMWPE, que puede resolver este problema. Wang Chengzhong et al. llevaron a cabo un tratamiento de superficie compuesto de fibra de UHMWPE mediante oxidación en fase líquida de ácido crómico y recubrimiento de nano sol de sílice, y estudiaron las propiedades de interfaz del compuesto de fibra de UHMWPE/resina epoxi. Los resultados muestran que tanto la oxidación en fase líquida como el recubrimiento de la superficie pueden mejorar las propiedades de la interfaz de los materiales compuestos, pero el tiempo del tratamiento de oxidación en fase líquida es demasiado largo, la resistencia de la fibra se reducirá, mientras que el tratamiento compuesto tiene un efecto sinérgico, no puede reducir la resistencia de la fibra pero mejorar en gran medida la resistencia al corte entre capas de los materiales compuestos, es un método eficaz de tratamiento de superficies.