PE-UHMW微孔濾材成型工藝研究

張 強,薛 平

(北京化工大學機電工程學院,北京100029)

PE-UHMW微孔濾材成型工藝研究

張 強,薛 平＊

(北京化工大學機電工程學院,北京100029)

采用燒結法制備了超高相對分子質量聚乙烯(PE-UHMW)微孔材料,并對微孔材料的各項性能進行了分析。結果表明,采用燒結法成型的PE-U HMW粉末的顆粒與顆粒間相互堆砌,堆砌形成的間隙便是微孔形成的原因。微孔材料的性能與 PE-U HMW的相對分子質量、粉末粒徑、堆砌密度、燒結溫度、燒結時間等因素有關。PE-UHMW的相對分子質量越大,微孔材料的壓縮強度越大;粉末粒徑越大,微孔材料的孔徑越大;隨著燒結溫度和燒結時間的增加,微孔材料的孔徑變小,孔徑分布變寬。

超高相對分子質量聚乙烯;微孔材料;燒結;過濾;成型工藝

0 前言

PE-U HMW是一種具有優異綜合性能的熱塑性工程塑料[1]。它有著其他工程塑料無可比擬的耐磨、抗沖擊、耐腐蝕、自潤滑等性能,廣泛用于國民經濟的各個領域。國內外研制PE-U HMW微孔材料的歷史已有30年,在長期的科學實驗和工業生產中,已經形成了多種成熟的方法,如核徑跡法、熔融擠壓拉伸法、無機物顆粒填充法、熱致相分離法等,這些方法具有各自不同的成孔機理[2]。

根據金屬粉末燒結成型機理及PE-U HMW自身特性,本文采用無壓燒結的方法來制備PE-U HMW微孔材料,并對微孔材料的各項性能進行了分析。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PE-U HMW粉料,M-Ⅱ、M-Ⅲ、M-Ⅳ,相對分子質量大小順序為M-Ⅱ

加工助劑,市售。

1.2 主要設備及儀器

烘箱,SFG-02.400,恒豐醫療器械有限公司;

高速混合機,SHR-50A,三興江帆機械廠;

模壓機,400 mm×400 mm,鄭州鑫和機器制造有限公司;

萬能材料試驗機,Modei 1185,英國Instron公司;

掃描電子顯微鏡,S-4700,日本 Hitachi公司;

全自動壓汞儀,Auto Pore Ⅳ9510,美國麥克儀器公司;

模具,自制。

1.3 試樣制備

將PE-U HMW粉料裝入模具中,然后對模具進行加熱,當粉體顆粒外表面達到黏流態時,由于溫度較高,分子的熱運動變得相對較為容易,分子鏈段也就易于活動,這樣相互接觸的顆粒表面,由于分子鏈段的相互擴散、移動而彼此粘接起來[3],控制適當的加熱時間和溫度,使相互堆砌的粉體顆粒間仍有部分空隙,然后停止加熱,冷卻形成微孔材料。

1.4 性能測試與結構表征

按 GB/T 8813—1988測試PE-U HMW微孔材料的壓縮強度,試樣為圓管狀,外徑為(36±1)mm,內徑為(24±1)mm,長度為(50±1)mm;

利用全自動壓汞儀測試PE-U HMW微孔材料的平均孔徑、開孔率和孔徑分布等參數;

樣品噴金后采用掃描電子顯微鏡對其微觀結構進行觀察。

2 結果與討論

2.1 相對分子質量對微孔材料性能的影響

PE-U HMW的相對分子質量對微孔材料性能的影響主要體現在壓縮強度上。從表1可以看出,隨著PE-U HMW相對分子質量的增大,微孔材料的壓縮強度相應增大。這是因為相對分子質量越大,分子鏈越長,分子鏈間的相互作用越大,材料的內聚能也就越大;同時,相對分子質量越大,熔體黏度也就越高,顆粒表面熔接后,其熔接強度也就越大。

表1 PE-UHMW相對分子質量對微孔材料壓縮強度的影響Tab.1 Effect of molecular weight of PE-U HMW on compressive strength of microporous materials

2.2 粉末粒徑對微孔材料性能的影響

PE-U HMW粉末粒徑對微孔材料的性能影響較大,它直接決定微孔材料孔徑的大小,對于開孔率、壓縮強度等性能亦有一定影響。從表2可以看出,隨著PE-U HMW粉末粒徑的增大,微孔材料的平均孔徑也增大,開孔率增高,而壓縮強度則會降低。這是因為在進行燒結時,熱量是從粉體顆粒的表面逐步傳入顆粒的內部,顆粒越大,從顆粒表面軟化到整個顆粒熔融需要的時間越長,這樣就更容易形成較大的孔,從而使材料的平均孔徑、開孔率增大;相反,顆粒越細,顆粒熔融時間縮短,易燒結過度,進而導致軟化了的顆粒將孔隙完全填滿,孔徑就會變小,開孔率隨之變小。就壓縮強度而言,顆粒越大,自然狀態下堆積密度越小,顆粒間相互接觸的總面積小,總的粘接強度不足,從而導致壓縮強度降低;顆粒越細,自然狀態下堆積密度大,顆粒間相互接觸的總面積大,總的粘接強度較大,壓縮強度也就越大。壓縮強度與體積密度的變化趨勢一致。

表2 PE-UHMW粉末粒徑對微孔材料性能的影響Tab.2 Effect of particle size of PE-UHMW powder on the properties of microporous materials

從圖1可以看出,每種微孔材料的孔徑分布都存在一個峰值,即占有體積最多的那部分孔的孔徑,峰值左側的點多于右側,且隨著粉末粒徑的減小,孔徑分布變窄。擬定過濾精度等于峰值孔徑,可得不同粉末粒徑的微孔材料的過濾精度分別為:45.468、40.420、25.957、13.950μm。說明隨著粉末粒徑的減小,微孔材料的峰值孔徑變小,過濾精度逐漸提高。

圖1 PE-UHMW粉末粒徑對微孔材料孔徑分布的影響Fig.1 Effect of particle size of PE-U HMW powder on pore size distribution of microporous materials

2.3 燒結溫度和燒結時間對微孔材料性能的影響

從表3和表4可以看出,選取粉末粒徑為250～355μm的PE-U HMW,在相同燒結時間下,燒結溫度越低,微孔材料的開孔率越大,但壓縮強度降低。如果燒結溫度過高,容易出現開孔率過低、制品局部發黃、甚至表面結皮無微孔等不良現象。同樣,相同燒結溫度下,燒結時間越短,微孔材料的開孔率越高,但壓縮強度降低。無論是提高燒結溫度還是延長燒結時間,都是增大了對材料的熱量供給,當材料吸收的熱量增多,表面熔融的粉體顆粒越多,顆粒粘接的總強度越大,表現為壓縮強度升高,但熔融部分增多使得顆粒間隙被填充,直接導致開孔率下降。體積密度的變化趨勢則跟熱量的供給是一致的。

表3 燒結溫度對微孔材料性能的影響Tab.3 Effect of sintering temperature on the properties of microporous materials

表4 燒結時間對微孔材料性能的影響Tab.4 Effect of sintering time on the properties of microporous materials

從圖2可以看出,隨著燒結溫度和燒結時間的提高,微孔材料的孔徑分布變寬,峰值孔徑減小,這說明熱量供給的增多會導致微孔材料孔徑分布不均勻,平均孔徑變小,孔徑大小的不確定性增加,微孔結構的不規則性增加。

圖2 燒結溫度和燒結時間對微孔材料孔徑分布的影響Fig.2 Effect of sintering temperature and time on pore size distribution of microporous materials

2.4 微孔材料的微觀結構

從圖3可以看出,燒結后的 PE-U HMW粉末顆粒并不是融成一團,而是收縮形成很多細小的顆粒,這些顆粒相互堆砌、表面粘接形成具有一定強度的多孔材料,顆粒間隙就是孔的來源,從而驗證了成孔機理。

圖3 微孔材料微觀結構的SEM照片Fig.3 SEM micrographs for microstructure of microporous materials

顆粒的形狀、大小、堆砌密度、排列順序都是決定微孔材料結構的重要因素。顆粒在受熱后,表面熔化,在表面張力的作用下熔化的顆粒趨于球形,球形的顆粒鑲嵌在一起,它們的形狀越相似,尺寸越小,所得微孔結構就越規則,孔徑也越小。堆砌密度則主要影響孔徑大小,堆砌密度越大,孔徑越小。本文采用無壓燒結的方法,故可不考慮堆砌密度的影響。此外,排列順序也可以人為控制,可以采取類似于振動加料的原理,將燒結前的粉末顆粒進行振動排序,一方面使得排列的順序更加規則,另一方面使得自然狀態下的堆砌密度達到最大,這樣,所得微孔結構也就更加規則,孔分布更加均勻。最后,設定合理的燒結溫度和燒結時間,防止顆粒間隙被熔融的物料填滿,即防止物料塑化過度,就能得到上述的微孔結構。需要指出的是,采用電鏡法測得的微孔材料的孔徑一般比采用壓汞法、濾速法測得的數據要大得多,這是因為微孔材料具有各向同性的三維空間網狀結構,微孔上下交錯,使其通道有效直徑減小[4],圖3(a)也證實了這種結構。

3 結論

(1)采用無壓燒結法可直接制備PE-U HMW微孔材料,PE-U HMW相對分子質量對微孔材料的壓縮強度有一定影響,相對分子質量越大,壓縮強度也越大;

(2)PE-U HMW粉末粒徑對微孔材料的性能有著重要影響,粉末粒徑越大,微孔材料的孔徑越大,故可以通過粉末粒徑來調節微孔材料的平均孔徑,進而調節過濾效果;

(3)PE-U HMW顆粒在冷卻過程中收縮成許多細小顆粒,這些顆粒相互堆砌粘接起來,其中的間隙就是成孔原因;

(4)PE-U HMW粉末堆砌密度越大,孔徑越小,壓縮強度越大,如采用無壓燒結法,堆砌密度即為自然狀態下的裝料密度,可以不考慮它的影響;

(5)提高燒結溫度或延長燒結時間,微孔材料的平均孔徑減小,孔徑分布寬度增大,增加了孔徑大小的不確定性,嚴重影響了孔徑分布的均勻性和孔結構的規則性。

[1] 陳 戰,王家序,秦大同.超高分子量聚乙烯基本性能及改性與應用研究[J].潤滑與密封,2001,(5):54-56.

[2] 趙忠華,薛 平,何亞東,等.用 TIPS法成型超高分子量聚乙烯微孔材料的機理分析[J].高分子材料科學與工程,2003,19(1):24-27.

[3] 劉仁山.微孔塑料過濾管的研制[J].化學推進劑與高分子材料,1998,(4):26-30.

[4] 潘 波,李文俊.熱致相分離聚合物微孔膜[J].膜科學與技術,1995,15(1):1-3.

Study on Processing Conditions of PE-UHMW Microporous Filter Materials

ZHANG Qiang,XUE Ping＊
(College of Mechanical and Electrical Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)

Ultrahigh molecular weight polyethylene(PE-U HMW)microporous materials were prepared by sintering method,and the properties of microporous materials were studied.The forming reason of micropores was gap among particles.The properties of microporous materials were affected by molecular weight,particle size,packing density,sintering temperature and sintering time.The compressive strength of microporous materials increased with increasing molecular weight of PE-U HMW.The particle size of PE-U HMW powder decided the pore size,the bigger the particle size was,the bigger the pore size was.With increasing sintering temperature and sintering time,the pore size decreased;meanwhile the width of pore size distribution increased.

ultrahigh molecular weight polyethylene;microporous material;sintering;filtration;processing condition

TQ325.1+2

B

1001-9278(2011)07-0068-04

2011-05-12

＊聯系人,xuepmail@263.net