Modification of polyethylene by high energy ion or electron beam - structural, micromechanical and conductivity studies of the surface layer

• Autorzy: Bieliński D. M. , Ślusarczyk C. , Jagielski J. , Lipiński P.

Warianty tytułu

PL

Modyfikacja polietylenu za pomocą wysokoenergetycznej wiązki jonów lub elektronów - badania struktury, właściwości mikromechanicznych i przewodności warstwy wierzchniej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Commercial grade polyethylenes: high density (PE-HD) and ultra-high molecular weight one (PE-UHMW) were subjected to the surface modification by electron beam irradiation (0.6-1.5MeV/50-500kGy) and ion beam bombardment (He+ 160keV/2ź1013-5ź1016 ions/cm2; Ar+ 130keV/1ź1013-2ź1016 ions/cm2). Effects of modifications were studied by spherical nanoindentation and scratch hardness tests. Contrary to electron beam irradiation, the ion beam bombardment, especially of He+ ions, can significantly increase (up to 3 times) hardness of the surface layer of polyethylene in comparison to the bulk. According to Grazing Incidence X-ray Diffraction (GIXRD) it is associated with an increased degree of crystallinity due to the surface modification. Nuclear Reaction Analysis (NRA) reveals a hydrogen release due to ion bombardment which saturates at the CH atomic composition. It cannot however be associated with cross-polymerization or crosslinking of macromolecules because of some unsaturations being present and a graphite formation. Partially graphitized and/or better organized modified macromolecular chains "rooted" in the polymer substrate explain low friction and wear resistance of ion bombarded polyethylenes. Even high stress crackings are not able to proceed with further delamination of the modified surface layer. Treatment of the material with heavy Ar+ ions of energy 150-300keV was combined with an electrical doping by implantation of polyethylene with I+ ions of energy 150keV. Apart an increase in hardness, the modification results additionally in a significant reduction of the surface resistivity (more than 20 times), facilitating a removal of static charge.

PL

Próbki handlowych polietylenów: o dużej gęstości (PE-HD) oraz o bardzo wysokim ciężarze cząsteczkowym (PE-UHMW) poddano modyfikacji powierzchniowej metodą naświetlania wiązką elektronów lub bombardowania wiązką jonów (He+ lub Ar+). Efekt modyfikacji materiału uzyskany za pomocą nanoindentacji kulistej oceniano na podstawie odporności powierzchni na zarysowanie. W odróżnieniu od efektów naświetlania wiązką elektronów, bombardowanie jonowe, zwłaszcza jonami He+, może znacznie zwiększyć twardość (nawet do 3 razy) warstwy wierzchniej polietylenu w porównaniu z wnętrzem materiału. Wyniki uzyskane metodą rozpraszania promieniowania rentgenowskiego padającego pod małymi kątami (GIXRD) sugerują, że jest to konsekwencją wzrostu stopnia krystaliczności warstwy wierzchniej polimeru w wyniku modyfikacji. Analiza warstwy wierzchniej metodą reakcji jądrowej (NRA) ujawnia uwalnianie wodoru wywołane bombardowaniem jonowym, które zatrzymuje się na poziomie składu atomowego CH (rys. 4 i 5). Jednakże tego wyniku nie należy traktować jako potwierdzenia polimeryzacji krzyżowej (cross-polymerization) lub sieciowania makrocząsteczek polimeru, ponieważ w jego warstwie wierzchniej stwierdzono obecność zarówno wiązań podwójnych jak i grafitu. Obecność częściowo zgrafityzowanych i/lub lepiej zorganizowanych zmodyfikowanych łańcuchów makrocząsteczek, „zakorzenionych” w podłożu polimerowym, wyjaśnia niski współczynnik tarcia i znakomitą odporność na ścieranie bombardowanych jonami polietylenów. Nawet duże obciążenia, powodujące pękanie twardej warstwy wierzchniej, nie są w stanie doprowadzić do jej delaminacji. Modyfikowanie materiału za pomocą ciężkich jonów Ar+ o energii 150-300keV połączono z elektrycznym domieszkowaniem polietylenu dokonując implantacji warstwy wierzchniej polimeru jonami I+ o energii 150keV. W wyniku modyfikacji oprócz wzrostu twardości, uzyskano dodatkowo znaczne obniżenie oporności powierzchniowej (nawet 20-krotne), zapobiegające gromadzeniu się ładunku elektrostatycznego.

Słowa kluczowe

EN

polyethylene; ion bombardment; surface layer; modification; crystallinity degree; hardness; surface resistivity

PL

polietylen; bombardowanie jonowe; warstwa wierzchnia; modyfikacja; stopień krystaliczności; twardość; oporność powierzchniowa

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Chemii Przemysłowej
• Czasopismo: Polimery
• Rocznik: 2007
• Tom: T. 52, nr 5
• Strony: 329--335
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz.

Twórcy

autor

Bieliński D. M.

autor

Ślusarczyk C.

autor

Jagielski J.

autor

Lipiński P.

• Institute of Polymer and Dye Technology, Technical University of Lodz, 90-924 Lodz, Poland,

Bibliografia

• 1. Seymour R. B.: "Polymers for Engineering Applications. Vol 2 Engineering Plastics", ASM International, Metals Park, Columbus, Ohio 2004.
• 2. Kurtz S. M.: "The UHMWPE Handbook. Ultra-High Molecular Weight Polyethylene in Total Joint Replacement", Elsevier Academic Press, San Diego -- London 2004.
• 3. Bowden F. P., Tabor D.: "Friction. An Introduction to Tribology", Heinemann, London 1974.
• 4. Bieliński D. M., Lipiński P., Ślusarski L., Grams J., Paryjczak T., Jagielski J., Turos A., Madi N. K.: Surf. Sci. 2004, 564, 179.
• 5. Proc. of the International Conference on "Ion Beam Modification of Materials": Nucl. Instrum. Methods B 2003, 206.
• 6. Korugic-Karasz L. S., Hoffmann E. A.: Nonliear Optics. Quantum Optics 2004, 32, 135.
• 7. Dong H., Bell T.: Surf. Coat. Technol. 1999, 111, 29.
• 8. Shi W., Dong H., Bell T.: Surf. Eng. 2003, 19, 279.
• 9. Żenkiewicz M.: Polimery 2005, 50, 4.
• 10. Suzuki Y.: Nucl. Instrum. Methods B 2003, 206, 501.
• 11. Clough R. L.: Nucl. Instrum. Methods B 2001, 185, 8.
• 12. Švorčik A., Rybka V., Hnatowicz V., Smetana K.: J. Mater. Sci.: Mater. Med. 1997, 8, 435.
• 13. Sudoł M., Czaja K., Cybo J., Duda P.: Polimery 2004, 49, 841.
• 14. Abdul-Kader A. M., Turos A., Grambole D., Jagielski J., Piątkowska A., Madi N. K., Al-Maadeed M.: Nucl. Instrum. Methods B 2005, 240, 152.
• 15. Czupryńska J.: Polimery 2002, 47, 8.
• 16. Żenkiewicz M., Rauchfleisz M., Czupryńska J.: Polimery 2003, 48, 343.
• 17. Jagielski J.: Vacuum 2005, 78, 409.
• 18. Żuchowska D.: Polimery 1997, 42, 182.
• 19. Żenkiewicz M.: Polimery 2005, 50, 365.
• 20. Nastasi M., Tesmer J.: "Ion Beam Analysis Handbook", Academic Press, New York 1996.
• 21. Ferrari A. C., Robertson J.: Physical Rev. 2000, B 61, 14095.
• 22. www.micromaterials.co.uk
• 23. Turos A., Jagielski J., Piątkowska A., Bieliński D. M., Ślusarski L., Madi N. K.: Vacuum 2003, 70, 201.
• 24. Żenkiewicz M., Rauchfleisz M., Czupryńska J.: J. Rad. Phys. Chem. 2003, 68, 799.
• 25. Chiang C. K., Druy M. A., Gau S. C., Heeger A. J., Louis E. J., Mac Diarmid A. G., Park Y. W., Shirakawa H.: J. Am. Chem. Soc. 1978, 100, 1013.