PE-UHMW微孔濾材成型工藝研究

張 強(qiáng),薛 平

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京100029)

PE-UHMW微孔濾材成型工藝研究

張 強(qiáng),薛 平＊

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京100029)

采用燒結(jié)法制備了超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯(PE-UHMW)微孔材料,并對(duì)微孔材料的各項(xiàng)性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,采用燒結(jié)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(duì)分子質(zhì)量、粉末粒徑、堆砌密度、燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間等因素有關(guān)。PE-UHMW的相對(duì)分子質(zhì)量越大,微孔材料的壓縮強(qiáng)度越大;粉末粒徑越大,微孔材料的孔徑越大;隨著燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間的增加,微孔材料的孔徑變小,孔徑分布變寬。

超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯;微孔材料;燒結(jié);過(guò)濾;成型工藝

0 前言

PE-U HMW是一種具有優(yōu)異綜合性能的熱塑性工程塑料[1]。它有著其他工程塑料無(wú)可比擬的耐磨、抗沖擊、耐腐蝕、自潤(rùn)滑等性能,廣泛用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外研制PE-U HMW微孔材料的歷史已有30年,在長(zhǎng)期的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)中,已經(jīng)形成了多種成熟的方法,如核徑跡法、熔融擠壓拉伸法、無(wú)機(jī)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(jī)理[2]。

根據(jù)金屬粉末燒結(jié)成型機(jī)理及PE-U HMW自身特性,本文采用無(wú)壓燒結(jié)的方法來(lái)制備PE-U HMW微孔材料,并對(duì)微孔材料的各項(xiàng)性能進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PE-U HMW粉料,M-Ⅱ、M-Ⅲ、M-Ⅳ,相對(duì)分子質(zhì)量大小順序?yàn)镸-Ⅱ

加工助劑,市售。

1.2 主要設(shè)備及儀器

烘箱,SFG-02.400,恒豐醫(yī)療器械有限公司;

高速混合機(jī),SHR-50A,三興江帆機(jī)械廠;

模壓機(jī),400 mm×400 mm,鄭州鑫和機(jī)器制造有限公司;

萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī),Modei 1185,英國(guó)Instron公司;

掃描電子顯微鏡,S-4700,日本 Hitachi公司;

全自動(dòng)壓汞儀,Auto Pore Ⅳ9510,美國(guó)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(duì)模具進(jìn)行加熱,當(dāng)粉體顆粒外表面達(dá)到黏流態(tài)時(shí),由于溫度較高,分子的熱運(yùn)動(dòng)變得相對(duì)較為容易,分子鏈段也就易于活動(dòng),這樣相互接觸的顆粒表面,由于分子鏈段的相互擴(kuò)散、移動(dòng)而彼此粘接起來(lái)[3],控制適當(dāng)?shù)募訜釙r(shí)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(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

按 GB/T 8813—1988測(cè)試PE-U HMW微孔材料的壓縮強(qiáng)度,試樣為圓管狀,外徑為(36±1)mm,內(nèi)徑為(24±1)mm,長(zhǎng)度為(50±1)mm;

利用全自動(dòng)壓汞儀測(cè)試PE-U HMW微孔材料的平均孔徑、開(kāi)孔率和孔徑分布等參數(shù);

樣品噴金后采用掃描電子顯微鏡對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)微孔材料性能的影響

PE-U HMW的相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)微孔材料性能的影響主要體現(xiàn)在壓縮強(qiáng)度上。從表1可以看出,隨著PE-U HMW相對(duì)分子質(zhì)量的增大,微孔材料的壓縮強(qiáng)度相應(yīng)增大。這是因?yàn)橄鄬?duì)分子質(zhì)量越大,分子鏈越長(zhǎng),分子鏈間的相互作用越大,材料的內(nèi)聚能也就越大;同時(shí),相對(duì)分子質(zhì)量越大,熔體黏度也就越高,顆粒表面熔接后,其熔接強(qiáng)度也就越大。

表1 PE-UHMW相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)微孔材料壓縮強(qiáng)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(duì)微孔材料性能的影響

PE-U HMW粉末粒徑對(duì)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(duì)于開(kāi)孔率、壓縮強(qiáng)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(kāi)孔率增高,而壓縮強(qiáng)度則會(huì)降低。這是因?yàn)樵谶M(jìn)行燒結(jié)時(shí),熱量是從粉體顆粒的表面逐步傳入顆粒的內(nèi)部,顆粒越大,從顆粒表面軟化到整個(gè)顆粒熔融需要的時(shí)間越長(zhǎng),這樣就更容易形成較大的孔,從而使材料的平均孔徑、開(kāi)孔率增大;相反,顆粒越細(xì),顆粒熔融時(shí)間縮短,易燒結(jié)過(guò)度,進(jìn)而導(dǎo)致軟化了的顆粒將孔隙完全填滿,孔徑就會(huì)變小,開(kāi)孔率隨之變小。就壓縮強(qiáng)度而言,顆粒越大,自然狀態(tài)下堆積密度越小,顆粒間相互接觸的總面積小,總的粘接強(qiáng)度不足,從而導(dǎo)致壓縮強(qiáng)度降低;顆粒越細(xì),自然狀態(tài)下堆積密度大,顆粒間相互接觸的總面積大,總的粘接強(qiáng)度較大,壓縮強(qiáng)度也就越大。壓縮強(qiáng)度與體積密度的變化趨勢(shì)一致。

表2 PE-UHMW粉末粒徑對(duì)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(gè)峰值,即占有體積最多的那部分孔的孔徑,峰值左側(cè)的點(diǎn)多于右側(cè),且隨著粉末粒徑的減小,孔徑分布變窄。擬定過(guò)濾精度等于峰值孔徑,可得不同粉末粒徑的微孔材料的過(guò)濾精度分別為:45.468、40.420、25.957、13.950μm。說(shuō)明隨著粉末粒徑的減小,微孔材料的峰值孔徑變小,過(guò)濾精度逐漸提高。

圖1 PE-UHMW粉末粒徑對(duì)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(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間對(duì)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(jié)時(shí)間下,燒結(jié)溫度越低,微孔材料的開(kāi)孔率越大,但壓縮強(qiáng)度降低。如果燒結(jié)溫度過(guò)高,容易出現(xiàn)開(kāi)孔率過(guò)低、制品局部發(fā)黃、甚至表面結(jié)皮無(wú)微孔等不良現(xiàn)象。同樣,相同燒結(jié)溫度下,燒結(jié)時(shí)間越短,微孔材料的開(kāi)孔率越高,但壓縮強(qiáng)度降低。無(wú)論是提高燒結(jié)溫度還是延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間,都是增大了對(duì)材料的熱量供給,當(dāng)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(qiáng)度越大,表現(xiàn)為壓縮強(qiáng)度升高,但熔融部分增多使得顆粒間隙被填充,直接導(dǎo)致開(kāi)孔率下降。體積密度的變化趨勢(shì)則跟熱量的供給是一致的。

表3 燒結(jié)溫度對(duì)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(jié)時(shí)間對(duì)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(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間的提高,微孔材料的孔徑分布變寬,峰值孔徑減小,這說(shuō)明熱量供給的增多會(huì)導(dǎo)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(jié)構(gòu)的不規(guī)則性增加。

圖2 燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間對(duì)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(jié)構(gòu)

從圖3可以看出,燒結(jié)后的 PE-U HMW粉末顆粒并不是融成一團(tuán),而是收縮形成很多細(xì)小的顆粒,這些顆粒相互堆砌、表面粘接形成具有一定強(qiáng)度的多孔材料,顆粒間隙就是孔的來(lái)源,從而驗(yàn)證了成孔機(jī)理。

圖3 微孔材料微觀結(jié)構(gòu)的SEM照片F(xiàn)ig.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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)就越規(guī)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(wú)壓燒結(jié)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(lèi)似于振動(dòng)加料的原理,將燒結(jié)前的粉末顆粒進(jìn)行振動(dòng)排序,一方面使得排列的順序更加規(guī)則,另一方面使得自然狀態(tài)下的堆砌密度達(dá)到最大,這樣,所得微孔結(jié)構(gòu)也就更加規(guī)則,孔分布更加均勻。最后,設(shè)定合理的燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間,防止顆粒間隙被熔融的物料填滿,即防止物料塑化過(guò)度,就能得到上述的微孔結(jié)構(gòu)。需要指出的是,采用電鏡法測(cè)得的微孔材料的孔徑一般比采用壓汞法、濾速法測(cè)得的數(shù)據(jù)要大得多,這是因?yàn)槲⒖撞牧暇哂懈飨蛲缘娜S空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),微孔上下交錯(cuò),使其通道有效直徑減小[4],圖3(a)也證實(shí)了這種結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

(1)采用無(wú)壓燒結(jié)法可直接制備PE-U HMW微孔材料,PE-U HMW相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)微孔材料的壓縮強(qiáng)度有一定影響,相對(duì)分子質(zhì)量越大,壓縮強(qiáng)度也越大;

(2)PE-U HMW粉末粒徑對(duì)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(guò)粉末粒徑來(lái)調(diào)節(jié)微孔材料的平均孔徑,進(jìn)而調(diào)節(jié)過(guò)濾效果;

(3)PE-U HMW顆粒在冷卻過(guò)程中收縮成許多細(xì)小顆粒,這些顆粒相互堆砌粘接起來(lái),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(qiáng)度越大,如采用無(wú)壓燒結(jié)法,堆砌密度即為自然狀態(tài)下的裝料密度,可以不考慮它的影響;

(5)提高燒結(jié)溫度或延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)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(yán)重影響了孔徑分布的均勻性和孔結(jié)構(gòu)的規(guī)則性。

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

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

[3] 劉仁山.微孔塑料過(guò)濾管的研制[J].化學(xué)推進(jìn)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(xué)與技術(shù),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(lián)系人,xuepmail@263.net