UHMWPE 繊維の表面処理

UHMWPE 繊維の表面処理は、処理方法の異なる原理に従って物理的改質と化学的改質に分けることができます。使用するさまざまな修飾メディアに応じて、多くの方法をさらに細分化できます。修飾の効果を研究する場合、多くの場合、方法には物理的修飾と化学的修飾の両方の特性があることに注意する必要があります。したがって、以下の説明では、特定の処理メディアに従って分類されます。
プラズマ処理
プラズマ処理は、低温プラズマ処理とプラズマグラフト表面処理の２種類に分けられます。
いわゆるHMWPE繊維の低温プラズマ表面処理は、洗浄したHMWPE繊維をプラズマ処理装置の2枚のプレートの間に真空引きし、40Pa以下の環境下でプラズマ発生装置を起動し、表面に低温プラズマ処理を行います。ファイバーを一定期間保管した後、ファイバーを取り外して保管します。
いわゆる UHMWPE ファイバーのプラズマグラフト表面処理は、洗浄した UHMWPE ファイバーをモノマー溶液に浸漬し、一定時間後に取り出し、低温プラズマ装置に入れてさらに処理します。処理後、繊維表面に活性点が生成され、繊維表面でのモノマーのグラフト重合が引き起こされます。最後に、繊維表面のホモポリマーをアセトンで洗浄し、後で使用するために保管しました。
紡糸工程でUHMWPE繊維の表面に形成された弱結合層（WBL）がプラズマの紫外線照射によりさらに架橋され、UHMWPE繊維表面の凝集力が向上します。さらに、プラズマ処理後の繊維の表面には、-CO H -、-co -、-COOh、-COO - などのさまざまな活性基が形成される可能性があります。これらは化学物質の付着を促進します。繊維とマトリックス樹脂の組み合わせ。また、プラズマ処理により繊維表面に溝が形成され、表面粗さが増加します。これにより、マトリックスとの機械的結合が促進されます。この方法により、HMWPE繊維の複合材料としての性能が大幅に向上し、層間せん断強度が3倍以上向上しました。しかし、プラズマ表面処理後の UHMWPE 繊維の活性基の減衰率は比較的大きく、2 時間で 1/3 になります。また、高真空を必要とする処理方法であり、必要な圧力は40Pa以下です。したがって、UHMWPE 繊維のプラズマ表面処理は、連続的な化学工業生産を達成することが困難です。
コロナ放電処理
いわゆるUHMWPE繊維のコロナ放電表面処理は、常圧下で洗浄したUHMWPE繊維をコロナ処理装置の2枚のプレートの間に置き、約60KVの高電圧を負荷します。電力は約350Wで、空気がイオン化されます。コロナが発生し、一定時間経過後に治療薬を取り出して使用します。
コロナ放電表面処理は、UHMWPE 繊維の表面をエッチングし、繊維と樹脂の間の接触面積を増加させ、繊維表面で樹脂が硬化した後に機械的噛み合い作用を形成します。機械的噛み合いの大きさは、繊維への樹脂の浸透度や樹脂と繊維の接触面積に密接に関係しますが、この物理的作用の最大強度はわずか24 KJ・mol-1です。したがって、コロナ放電だけで繊維と樹脂の界面結合強度を向上させるには限界がある。ポリオレフィンフィルムの工業的処理としては、コロナ放電処理のみが報告されている。現在、HMWPE 繊維の工業製品の一部には単純なコロナ放電処理が施されていますが、その効果はあまり明らかではありません。また、コロナ放電処理は間欠運転により大幅に制限されます。したがって、コロナ放電処理の工業化と継続を実現することは非常に困難である。
照射誘起表面グラフト化
いわゆるUHMWPE繊維の照射誘起表面グラフト処理は、放射線によって繊維の表面に第2のモノマーをグラフト重合させ、マトリックスと緊密に結合できるバッファ層を生成して、繊維間の接着性を向上させるものです。そしてマトリックス。通常、放射線源は 60℃、ガンマ線/紫外線などで、紫外線によりベンゾフェノン (BP) などの光増感剤が開始され、光増感剤によって UHMWPE 繊維の表面へのモノマーのグラフトが開始されます。現在、使用されている 2 番目のモノマーは、アクリル酸 (AA)、アクリルアミド (AM)、メタクリル酸グリシジル (GMA) などのプロピレンモノマーです。
UHMWPE繊維のUV誘発架橋表面処理は、理論的には連続プロセスを実現でき、薄い表面層にのみ影響を与えるため、産業応用の可能性があります。しかし、ファイバは一定時間照射する必要があるため、断続的な動作となり、その用途が大幅に制限されてしまいます。
酸化プロセス
いわゆるＵＨＭＷＰＥ繊維酸化表面処理法は、化学薬品またはガスによって繊維表面を酸化して、繊維表面の粗さと表面の極性基の含有量を変化させることである。酸化媒体に応じて、湿式法と乾式法の 2 つのカテゴリに分けることができます。湿式法は液相酸化であり、その一般的な媒体は、K2 Cr2O2 + H2 SO4、KMnO4+ HNO3、H2O2 (30%) などです。清浄な UH2MWPE 繊維を媒体に浸漬し、指定温度で指定時間酸化処理した後取り出し、中性まで洗浄します。脱イオン水で数回洗浄し、乾燥させて保管します。乾式法は気相酸化法で、一般的に使用される光酸化法とオゾン酸化法です。前処理後、清浄な UHMWPE 繊維を媒体ガスにさらし、一定の反応時間放置し、イオン水で洗浄し、乾燥させて使用します。
液体酸化法は比較的穏やかで制御が容易ですが、操作が煩雑で、設備要件が高く、汚染も深刻です。気相酸化のプロセスでは、設備がシンプルで操作が便利で、連続生産が容易ですが、酸化度の制御が難しく、酸化度が深すぎて繊維強度が低下する可能性があります。衰退。つまり、連続的に酸化表面処理を行うためには、作業方法や設備に工夫が必要となります。
化学架橋処理
化学架橋法は、開始剤を直接使用して繊維表面にモノマーのグラフト化を開始する方法であり、照射開始グラフト法と同様ですが、設備投資において照射グラフト法を回避でき、プロセスが単純であり、工業的連続生産が容易です。
ラング・ヤンチンら UHMWPE 繊維にシラン架橋修飾を行うための開始剤として過酸化物を使用しました。この研究では、シラン修飾後、シラン分子が繊維表面にグラフトされ、繊維表面の化学官能基の数と極性が増加し、繊維とマトリックス樹脂の間の結合特性が向上することがわかりました。グラフト処理後、繊維の表面にさらに多くのマーキングが現れ、繊維と樹脂の間の機械的結合効果が増加し、複合材料の層間せん断強度が増加し、改質前の複合材料の2.45倍でした。同時に、改質繊維の耐クリープ性も向上します。
その他の加工方法
プラズマ処理、化学試薬の酸化、表面グラフト化およびコロナ放電処理に加えて、カレンダー加工およびコーティング方法により、UHMWPE 繊維と樹脂マトリックスの結合特性をある程度改善できます。
カレンダー加工法とは、UHMWPE繊維を一対のプレスローラーの作用により元の円形断面から平坦な形状に変化させ、複合体の接触面積を増加させ、接着性をある程度向上させる方法です。、しかしそれは明らかではありません。コーティング方法は、UHMWPE ファイバーの表面に試薬の層をコーティングすることです。これまでの超高分子量ポリエチレン繊維の工業生産では、コーティングに最適な試薬は開発されていませんでした。この試薬は、UHMWPE 繊維とマトリックスの結合特性を向上させるカップリング剤として機能します。 UHMWPE 繊維とマトリックス間の層間接着の改善に対するこれらの方法の効果は明らかではないため、これらの方法の改質研究は以前の方法ほど多くはありません。
現在の方法では、繊維の湿潤性は向上しますが、処理された繊維の機械的特性はさまざまな程度に低下し、繊維の用途は制限されます。この問題を解決できる、UHMWPE 繊維を処理する複合処理方法を提案する人もいます。王成中ら。クロム酸液相酸化とナノシリカゾルコーティングによるUHMWPE繊維の複合表面処理を実施し、UHMWPE繊維/エポキシ樹脂複合体の界面特性を研究しました。結果は、液相酸化と表面コーティングの両方が複合材料の界面特性を改善できることを示していますが、液相酸化処理時間が長すぎると繊維強度が低下し、複合処理には相乗効果がありますが、複合材料の界面特性を改善することはできません。繊維強度は低下しますが、複合材料の層間せん断強度は大幅に向上する効果的な表面処理方法です。

UHMWPE繊維の表面処理