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UHMWPE微孔滤材的成型方法中的聚合物颗粒烧结法介绍

2021-12-27 19:40:37

烧结法:即将装入模具中的高聚物粉料加热, 当温度超过高聚物的玻璃化转变温度时,聚合物处于高弹态,此时由于高分子链段的内旋转,促使大分子链的一部分产生卷曲与伸长。这样高聚物颗粒从外到内会逐渐变得柔软而富有弹性,软化了的颗粒会自动地使整个粉体达到较大堆积,以具有最小的比表面积,颗粒之间的接触面会自动地增加;继续加热到高聚物颗粒外表面为粘流态时,由于温度较高,分子的热运动变得较为容易,分子链段也就易于活动,这样相互接触的颗粒表面,由于分子链段的相互扩散、移动而彼此粘结起来。控制适当的加热时间和温度,使颗粒间仍有部分空隙。然后停止加热,冷却,就形成了多孔体。生产设备主要为烧结箱或平板压机,模具、冷却装置等,设备的投入较小。


烧结法中几个重要的工艺参数如:UHMWPE 分子量、UHMWPE 颗粒粒径、装料堆积密度、烧结温度、烧结时间、烧结压力、成孔剂的使用等,对产品的最终性能影响较大。

UHMWPE分子量对产品性能的影响主要体现在冲击强度和开孔率两方面。随着分子量的增大, 冲击强度会不断升高,但到达某一高度值后,反而逐渐下降,这可以通过材料本身的性质来解释。在冲击强度达到较高点之前:分子量越大,分子链越长,分子之间的相互作用力越大,材料的内聚强度也就越大,从而抗冲击能力提高;分子量增大,分子链也变得非常长,这些特别长的分子链妨碍了结晶,因而分子构相中存在大量的无定形区,这些区域可以吸收较大的冲击能量,使得冲击强度提高; 分子量越大,其熔体粘度也就越高,颗粒表面粘结后,其粘结强度也越大。在冲击强度达到较高点之后,随着分子量的增大,分子链的缠结和巨大的分子间作用力使分子滑动能力下降,在承受突然负荷时,分子链变形和伸长能力很差,这时就会发生断裂,这就是冲击强度到达较高值后反而下降的原因。随着分子量的增大,开孔率相应增大。这是因为分子量越大,物料受热时,从软化到熔融的时间越长,则软化了的粉体颗粒就更容易均匀地堆积, 更容易形成多孔结构。

烧结滤芯

UHMWPE 颗粒粒径对产品性能的影响表现为: 颗粒粒径越大,开孔率越大,但微孔结构容易变得不规则,微孔分布也变得不均匀,强度随之下降; 颗粒粒径越小,微孔结构越细密均匀,开孔率虽有降低,但强度有所升高。上述两种情况可以这样解释:进行烧结时,热量是从粉体颗粒的表面逐渐进入颗粒的内部,颗粒越大,从颗粒表面软化到颗粒内部熔融的时间也就越长,就更容易形成多孔结构;颗粒越细,熔融时间就会缩短,易粘连,就越难形成多孔结构[7]。同时,粒径的大小几乎决定着所制备的制品孔径的大小。根据烧结法成孔机理,UHMWPE的颗粒互相堆砌,颗粒与颗粒之间的间隙就构成了孔的来源, 故 UHMWPE 颗粒粒径越大, 颗粒之间堆积的间隙就越大,导致产品的孔径也就越大。所以,选择 UHMWPE 的粒径时,应充分考虑所要制得的产品孔径的大小。有些工艺中,存在烧结前进行预压的步骤,当然预压压力不大,此步可排出原料中的空气,但这样会使物料更加密实,装料密度增大,颗粒之间的间隙变小,孔径减小,开孔率也下降,产品强度有所提高, 微孔结构变得细密均匀。也可采用无压力烧结。

烧结滤芯

在烧结过程中,最重要的就是烧结温度和烧结时间这两个密切关联的工艺参数。烧结温度高,烧结时间短,反之亦然。一定的烧结时间内,温度偏低,产品开孔率较高,但颗粒接触面的粘结强度不足,影响了整个产品的强度;如果温度过高,开孔率会偏低,产品局部老化发黄,颗粒接触面积逐渐增大,最终熔融在一起,孔被填满。所以,生产时应根据实际情况合理选择烧结温度和烧结时间。


此外,需要指出的是成孔剂的使用较为宽松, 可选用也可不选用。用作成孔剂的物质很多,如碳酸氢钠,氯化铵,氯化钾等水溶性物质以及水杨酸等挥发性物质,通常选择价格便宜且不易造成环境污染的水溶性物质做成孔剂。随着成孔剂使用量的增大,产品孔径及开孔率均有增大趋势,但产品强度有所下降,产品表面会变得不光滑,易出现明显的大孔结构。

华北石油勘查设计研究院将超高分子量聚乙烯的粉末进行无压烧结,制备了低渗透油田注水用的过滤管[8]。用该种方法制备的 UHMWPE 微孔滤材的孔径范围在 1~200 μm 之间,过滤精度可达 1μm 以下,通过改变工艺条件,可制备各种大小的孔径,满足不同场合的需求,且该种方法下,产品的形状和尺寸不受约束,所以用烧结法生产的超高分子量聚乙烯微孔滤材的使用范围较广。

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