การรักษาพื้นผิวของเส้นใย UHMWPE

การรักษาพื้นผิวของเส้นใย UHMWPE สามารถแบ่งออกเป็นการดัดแปลงทางกายภาพและการดัดแปลงทางเคมีตามหลักการรักษาที่แตกต่างกัน ตามสื่อดัดแปลงต่างๆ ที่ใช้ สามารถแบ่งย่อยได้หลายวิธี เมื่อศึกษาผลการดัดแปลง ควรสังเกตว่าวิธีการมักจะมีทั้งลักษณะการดัดแปลงทางกายภาพและการดัดแปลงทางเคมี ดังนั้นในการสนทนาต่อไปนี้ตามสื่อการประมวลผลเฉพาะจึงถูกจัดประเภท
การรักษาด้วยพลาสมา
การบำบัดด้วยพลาสมาแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ การบำบัดด้วยพลาสมาที่อุณหภูมิต่ำ และการบำบัดพื้นผิวกราฟต์ด้วยพลาสมา
การรักษาพื้นผิวพลาสมาอุณหภูมิต่ำของเส้นใย HMWPE ที่เรียกว่าคือการดูดเส้นใย HMWPE ที่ทำความสะอาดระหว่างแผ่นสองแผ่นของอุปกรณ์บำบัดพลาสมา เริ่มต้นอุปกรณ์สร้างพลาสมาภายใต้สภาพแวดล้อมที่น้อยกว่า 40Pa ทำการบำบัดพลาสมาที่อุณหภูมิต่ำบน เป็นระยะเวลาหนึ่งแล้วจึงนำเส้นใยออกเพื่อเก็บไว้
การรักษาพื้นผิวกราฟต์พลาสมาไฟเบอร์ UHMWPE ที่เรียกว่าคือการจุ่มเส้นใย UHMWPE ที่ทำความสะอาดแล้วในสารละลายโมโนเมอร์ แล้วนำออกมาหลังจากช่วงระยะเวลาหนึ่ง และวางไว้ในอุปกรณ์พลาสมาอุณหภูมิต่ำเพื่อการบำบัดต่อไป หลังการบำบัด จะมีการสร้างจุดแอคทีฟบนพื้นผิวไฟเบอร์เพื่อกระตุ้นการเกิดกราฟต์พอลิเมอไรเซชันของโมโนเมอร์บนพื้นผิวไฟเบอร์ ในที่สุดโฮโมโพลีเมอร์บนพื้นผิวไฟเบอร์จะถูกล้างด้วยอะซิโตนและเก็บไว้เพื่อใช้ในภายหลัง
ชั้นยึดเกาะแบบอ่อนแอ (WBL) ที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของเส้นใย UHMWPE ในกระบวนการปั่นด้ายจะถูกเชื่อมขวางเพิ่มเติมโดยรังสีอัลตราไวโอเลตของพลาสมา และปรับปรุงความแข็งแรงในการยึดเกาะของพื้นผิวเส้นใย UHMWPE นอกจากนี้ กลุ่มแอคทีฟต่างๆ สามารถเกิดขึ้นได้บนพื้นผิวของไฟเบอร์หลังการบำบัดด้วยพลาสมา เช่น: -CO H -, -co -, -COOh, -COO - และกลุ่มแอคทีฟอื่นๆ ซึ่งเอื้อต่อสารเคมี การผสมผสานระหว่างไฟเบอร์และเมทริกซ์เรซิน การบำบัดด้วยพลาสมายังสร้างร่องบนพื้นผิวของไฟเบอร์และเพิ่มความหยาบของพื้นผิว ซึ่งเอื้อต่อการยึดเหนี่ยวทางกลกับเมทริกซ์ ประสิทธิภาพของเส้นใย HMWPE ในฐานะวัสดุคอมโพสิตได้รับการปรับปรุงอย่างมากด้วยวิธีนี้ และความต้านทานแรงเฉือนระหว่างชั้นก็เพิ่มขึ้นมากกว่า 3 เท่า อย่างไรก็ตาม อัตราการลดทอนของกลุ่มที่ใช้งานของเส้นใย UHMWPE หลังการรักษาพื้นผิวพลาสมาค่อนข้างมาก และอัตราการลดทอนคือหนึ่งในสามในสองชั่วโมง และวิธีการบำบัดต้องใช้สุญญากาศสูงซึ่งต้องใช้แรงดันน้อยกว่า 40Pa ดังนั้นการรักษาพื้นผิวพลาสมาไฟเบอร์ UHMWPE จึงเป็นเรื่องยากที่จะบรรลุการผลิตทางอุตสาหกรรมเคมีอย่างต่อเนื่อง
การรักษาการปล่อยโคโรนา
การบำบัดพื้นผิวการปล่อยโคโรนาด้วยไฟเบอร์ UHMWPE ที่เรียกว่าคือการวางเส้นใย UHMWPE ที่ทำความสะอาดแล้วระหว่างแผ่นสองแผ่นของอุปกรณ์บำบัดโคโรนาภายใต้แรงดันปกติเพื่อโหลดไฟฟ้าแรงสูงประมาณ 60 KV กำลังไฟประมาณ 350W เพื่อให้อากาศแตกตัวเป็นไอออน โคโรนาเกิดขึ้น และการรักษาจะถูกนำออกไปใช้หลังจากช่วงระยะเวลาหนึ่ง
การรักษาพื้นผิวการปล่อยโคโรนาสามารถกัดพื้นผิวของเส้นใย UHMWPE เพิ่มพื้นที่สัมผัสระหว่างเส้นใยและเรซิน และสร้างรูปแบบกลไกตาข่ายหลังจากการบ่มเรซินบนพื้นผิวเส้นใย ขนาดของตาข่ายเชิงกลมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับระดับการแทรกซึมของเรซินบนเส้นใยและพื้นที่สัมผัสระหว่างเรซินและเส้นใย แต่ความแข็งแรงสูงสุดของการกระทำทางกายภาพนี้คือเพียง 24 KJ · โมล-1 ดังนั้นจึงจำกัดอยู่ที่การปรับปรุงความแข็งแรงการยึดเกาะระหว่างพื้นผิวของเส้นใยและเรซินโดยการปล่อยโคโรนาเพียงอย่างเดียว มีรายงานเฉพาะการบำบัดด้วยการปล่อยโคโรนาสำหรับการบำบัดฟิล์มโพลีโอเลฟินทางอุตสาหกรรม แม้ว่าผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมบางชนิดของเส้นใย HMWPE จะได้รับการบำบัดโดยการปล่อยโคโรนาอย่างง่าย แต่ผลที่ได้ก็ไม่ชัดเจนนัก และการรักษาด้วยโคโรนานั้นส่วนใหญ่จะถูกจำกัดโดยการผ่าตัดเป็นระยะๆ ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากมากที่จะตระหนักถึงการพัฒนาทางอุตสาหกรรมและความต่อเนื่องของการบำบัดโคโรนา
การปลูกถ่ายพื้นผิวด้วยการฉายรังสี
สิ่งที่เรียกว่าการฉายรังสีเส้นใย UHMWPE ที่เกิดจากการฉายรังสีที่พื้นผิวคือการกราฟต์โพลีเมอร์ไรซ์โมโนเมอร์ตัวที่สองบนพื้นผิวของเส้นใยโดยการฉายรังสี และผลิตชั้นบัฟเฟอร์ที่สามารถยึดติดกับเมทริกซ์อย่างใกล้ชิด เพื่อปรับปรุงการยึดเกาะระหว่างเส้นใย และเมทริกซ์ โดยทั่วไปแหล่งกำเนิดรังสีคือ 60C, รังสีแกมมา/แสงอัลตราไวโอเลต ฯลฯ ซึ่งแสงอัลตราไวโอเลตจะเริ่มต้นตัวสร้างความไวแสง เช่น เบนโซฟีโนน (BP) จากนั้นตัวเร่งแสงจะเริ่มการกราฟต์โมโนเมอร์กับพื้นผิวของเส้นใย UHMWPE ปัจจุบันโมโนเมอร์ตัวที่สองที่ใช้คือโพรพิลีนโมโนเมอร์ เช่น กรดอะคริลิก (AA) อะคริลาไมด์ (AM) ไกลซิดิลเมทาคริเลต (GMA) เป็นต้น
การรักษาพื้นผิวเชื่อมขวางด้วยรังสี UV ของเส้นใย UHMWPE สามารถทำให้เกิดกระบวนการที่ต่อเนื่องในทางทฤษฎี และส่งผลต่อชั้นพื้นผิวบางเท่านั้น ดังนั้นจึงมีโอกาสนำไปใช้ในอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม เนื่องจากไฟเบอร์จำเป็นต้องได้รับการฉายรังสีในช่วงระยะเวลาหนึ่ง การทำงานที่ไม่ต่อเนื่องจึงจำกัดการใช้งานในระดับสูง
กระบวนการออกซิเดชั่น
วิธีที่เรียกว่าวิธีการรักษาพื้นผิวออกซิไดซ์ของเส้นใย UHMWPE คือการออกซิไดซ์พื้นผิวของเส้นใยด้วยสารเคมีหรือก๊าซ เพื่อเปลี่ยนความหยาบของพื้นผิวของเส้นใยและปริมาณของกลุ่มขั้วบนพื้นผิว ตามสื่อออกซิเดชันสามารถแบ่งออกเป็นวิธีเปียกและวิธีแห้งได้สองประเภท วิธีเปียกคือการออกซิเดชันของเฟสของเหลว สื่อทั่วไปคือ: K2 Cr2O2 + H2 SO4, KMnO4+ HNO3, H2O2 (30%) และอื่นๆ เส้นใย UH2MWPE ที่สะอาดจะถูกจุ่มลงในตัวกลาง นำออกมาหลังจากการบำบัดด้วยออกซิเดชั่นที่อุณหภูมิที่กำหนดตามเวลาที่กำหนด และล้างให้เป็นกลาง ล้างในน้ำปราศจากไอออนหลาย ๆ ครั้ง เช็ดให้แห้งแล้วพักไว้ วิธีแห้งคือวิธีออกซิเดชันของเฟสแก๊ส โฟโตออกซิเดชันที่ใช้กันทั่วไปและออกซิเดชันของโอโซน หลังจากการปรับสภาพล่วงหน้า เส้นใย UHMWPE ที่สะอาดจะถูกสัมผัสกับก๊าซขนาดกลาง ซึ่งถูกดึงออกมาในช่วงเวลาปฏิกิริยาหนึ่ง จากนั้นทำความสะอาดด้วยน้ำแตกตัวเป็นไอออน และทำให้แห้งเพื่อใช้งาน
วิธีการออกซิเดชันของของเหลวค่อนข้างอ่อนและควบคุมง่าย แต่การดำเนินการยุ่งยาก ความต้องการอุปกรณ์สูง และมลพิษก็ร้ายแรง ในกระบวนการออกซิเดชันของเฟสแก๊ส อุปกรณ์นั้นง่าย การดำเนินการสะดวก และการผลิตต่อเนื่องนั้นง่าย แต่ระดับออกซิเดชันนั้นควบคุมได้ยาก ซึ่งอาจทำให้ระดับออกซิเดชันลึกเกินไป และทำให้ความแข็งแรงของเส้นใยถึง ปฏิเสธ. กล่าวโดยสรุป เพื่อให้บรรลุการรักษาพื้นผิวออกซิเดชั่นอย่างต่อเนื่อง จำเป็นต้องทำการปรับปรุงวิธีการใช้งานและอุปกรณ์บางอย่าง
การบำบัดด้วยการเชื่อมขวางทางเคมี
วิธีการเชื่อมโยงข้ามทางเคมีคือการใช้โดยตรงของตัวริเริ่มเพื่อเริ่มต้นการปลูกถ่ายโมโนเมอร์บนพื้นผิวของเส้นใย คล้ายกับวิธีการปลูกถ่ายอวัยวะที่เริ่มต้นการฉายรังสี แต่สามารถหลีกเลี่ยงวิธีการปลูกถ่ายอวัยวะการฉายรังสีในการลงทุนอุปกรณ์ วิธีนี้เป็นกระบวนการง่ายๆ และง่ายต่อการบรรลุการผลิตต่อเนื่องทางอุตสาหกรรม
หลาง หยานชิง และคณะ ใช้เปอร์ออกไซด์เป็นตัวริเริ่มในการดำเนินการดัดแปลงการเชื่อมขวางไซเลนบนเส้นใย UHMWPE การศึกษาพบว่าหลังจากการดัดแปลงไซเลน โมเลกุลของไซเลนจะถูกกราฟต์บนพื้นผิวไฟเบอร์ ซึ่งเพิ่มจำนวนและขั้วของกลุ่มฟังก์ชันทางเคมีบนพื้นผิวไฟเบอร์ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงคุณสมบัติการยึดเกาะระหว่างเส้นใยและเมทริกซ์เรซิน หลังการรักษากราฟต์ ปรากฏเครื่องหมายมากขึ้นบนพื้นผิวของเส้นใย ซึ่งเพิ่มผลการประสานทางกลระหว่างเส้นใยและเรซิน และเพิ่มความต้านทานแรงเฉือนระหว่างชั้นของคอมโพสิต ซึ่งเป็น 2.45 เท่าของคอมโพสิตก่อนที่จะทำการดัดแปลง ในขณะเดียวกัน ความต้านทานการคืบของเส้นใยดัดแปลงก็ได้รับการปรับปรุงเช่นกัน
วิธีการประมวลผลอื่น ๆ
นอกเหนือจากการบำบัดด้วยพลาสมาแล้ว ปฏิกิริยาออกซิเดชันของสารเคมี การปลูกถ่ายพื้นผิวและการบำบัดการปล่อยโคโรนา การรีดและการเคลือบสามารถปรับปรุงคุณสมบัติการยึดเกาะของเส้นใย UHMWPE และเมทริกซ์เรซินได้ในระดับหนึ่ง
วิธีการรีดคือการเปลี่ยนเส้นใย UHMWPE จากส่วนวงกลมเดิมเป็นรูปร่างแบนหลังจากการทำงานของลูกกลิ้งกดคู่ เพื่อให้พื้นที่สัมผัสเพิ่มขึ้นในคอมโพสิต และคุณสมบัติการยึดเกาะได้รับการปรับปรุงในระดับหนึ่ง แต่มันไม่ชัดเจน วิธีการเคลือบคือการเคลือบชั้นรีเอเจนต์บนพื้นผิวของเส้นใย UHMWPE จากการผลิตทางอุตสาหกรรมของเส้นใยโพลีเอทิลีนที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงเป็นพิเศษจนถึงขณะนี้ ยังไม่มีการพัฒนารีเอเจนต์ในอุดมคติสำหรับการเคลือบ รีเอเจนต์นี้ควรทำหน้าที่เป็นสารเชื่อมต่อเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติการยึดเกาะระหว่างไฟเบอร์ UHMWPE และเมทริกซ์ ผลของวิธีการเหล่านี้ในการปรับปรุงการยึดเกาะระหว่างชั้นระหว่างเส้นใย UHMWPE และเมทริกซ์ยังไม่ชัดเจน ดังนั้นการวิจัยการปรับเปลี่ยนวิธีการเหล่านี้จึงไม่มากเท่ากับวิธีการก่อนหน้านี้
ด้วยวิธีการปัจจุบัน ขณะเดียวกันก็ปรับปรุงความสามารถในการเปียกของเส้นใย คุณสมบัติทางกลของเส้นใยที่ผ่านการบำบัดจะลดลงเป็นองศาที่แตกต่างกัน และการใช้งานของเส้นใยจะถูกจำกัด บางคนหยิบยกวิธีการรักษาด้วยคอมโพสิตเพื่อรักษาเส้นใย UHMWPE ซึ่งสามารถแก้ปัญหานี้ได้ หวัง เฉิงจง และคณะ ดำเนินการรักษาพื้นผิวแบบผสมของเส้นใย UHMWPE โดยออกซิเดชันเฟสของเหลวกรดโครมิกและการเคลือบนาโนซิลิกาโซล และศึกษาคุณสมบัติส่วนต่อประสานของคอมโพสิตไฟเบอร์ UHMWPE/อีพอกซีเรซิน ผลการวิจัยพบว่าทั้งการออกซิเดชันของเฟสของเหลวและการเคลือบผิวสามารถปรับปรุงคุณสมบัติส่วนต่อประสานของวัสดุคอมโพสิตได้ แต่เวลาในการรักษาออกซิเดชันของเฟสของเหลวยาวเกินไป ความแข็งแรงของเส้นใยจะลดลง ในขณะที่การรักษาคอมโพสิตมีผลเสริมฤทธิ์กัน ไม่สามารถ ลดความแข็งแรงของเส้นใย แต่ช่วยเพิ่มความต้านทานแรงเฉือนระหว่างชั้นของวัสดุคอมโพสิตได้อย่างมาก เป็นวิธีการรักษาพื้นผิวที่มีประสิทธิภาพ