燒結(jié)法:即將裝入模具中的高聚物粉料加熱, 當(dāng)溫度超過(guò)高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí),聚合物處于高彈態(tài),此時(shí)由于高分子鏈段的內(nèi)旋轉(zhuǎn),促使大分子鏈的一部分產(chǎn)生卷曲與伸長(zhǎng)。這樣高聚物顆粒從外到內(nèi)會(huì)逐漸變得柔軟而富有彈性,軟化了的顆粒會(huì)自動(dòng)地使整個(gè)粉體達(dá)到較大堆積,以具有最小的比表面積,顆粒之間的接觸面會(huì)自動(dòng)地增加;繼續(xù)加熱到高聚物顆粒外表面為粘流態(tài)時(shí),由于溫度較高,分子的熱運(yùn)動(dòng)變得較為容易,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)而彼此粘結(jié)起來(lái)??刂七m當(dāng)?shù)募訜釙r(shí)間和溫度,使顆粒間仍有部分空隙。然后停止加熱,冷卻,就形成了多孔體。生產(chǎn)設(shè)備主要為燒結(jié)箱或平板壓機(jī),模具、冷卻裝置等,設(shè)備的投入較小。
燒結(jié)法中幾個(gè)重要的工藝參數(shù)如:UHMWPE 分子量、UHMWPE 顆粒粒徑、裝料堆積密度、燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間、燒結(jié)壓力、成孔劑的使用等,對(duì)產(chǎn)品的最終性能影響較大。
UHMWPE分子量對(duì)產(chǎn)品性能的影響主要體現(xiàn)在沖擊強(qiáng)度和開(kāi)孔率兩方面。隨著分子量的增大, 沖擊強(qiáng)度會(huì)不斷升高,但到達(dá)某一高度值后,反而逐漸下降,這可以通過(guò)材料本身的性質(zhì)來(lái)解釋。在沖擊強(qiáng)度達(dá)到較高點(diǎn)之前:分子量越大,分子鏈越長(zhǎng),分子之間的相互作用力越大,材料的內(nèi)聚強(qiáng)度也就越大,從而抗沖擊能力提高;分子量增大,分子鏈也變得非常長(zhǎng),這些特別長(zhǎng)的分子鏈妨礙了結(jié)晶,因而分子構(gòu)相中存在大量的無(wú)定形區(qū),這些區(qū)域可以吸收較大的沖擊能量,使得沖擊強(qiáng)度提高; 分子量越大,其熔體粘度也就越高,顆粒表面粘結(jié)后,其粘結(jié)強(qiáng)度也越大。在沖擊強(qiáng)度達(dá)到較高點(diǎn)之后,隨著分子量的增大,分子鏈的纏結(jié)和巨大的分子間作用力使分子滑動(dòng)能力下降,在承受突然負(fù)荷時(shí),分子鏈變形和伸長(zhǎng)能力很差,這時(shí)就會(huì)發(fā)生斷裂,這就是沖擊強(qiáng)度到達(dá)較高值后反而下降的原因。隨著分子量的增大,開(kāi)孔率相應(yīng)增大。這是因?yàn)榉肿恿吭酱螅锪鲜軣釙r(shí),從軟化到熔融的時(shí)間越長(zhǎng),則軟化了的粉體顆粒就更容易均勻地堆積, 更容易形成多孔結(jié)構(gòu)。
UHMWPE 顆粒粒徑對(duì)產(chǎn)品性能的影響表現(xiàn)為: 顆粒粒徑越大,開(kāi)孔率越大,但微孔結(jié)構(gòu)容易變得不規(guī)則,微孔分布也變得不均勻,強(qiáng)度隨之下降; 顆粒粒徑越小,微孔結(jié)構(gòu)越細(xì)密均勻,開(kāi)孔率雖有降低,但強(qiáng)度有所升高。上述兩種情況可以這樣解釋:進(jìn)行燒結(jié)時(shí),熱量是從粉體顆粒的表面逐漸進(jìn)入顆粒的內(nèi)部,顆粒越大,從顆粒表面軟化到顆粒內(nèi)部熔融的時(shí)間也就越長(zhǎng),就更容易形成多孔結(jié)構(gòu);顆粒越細(xì),熔融時(shí)間就會(huì)縮短,易粘連,就越難形成多孔結(jié)構(gòu)[7]。同時(shí),粒徑的大小幾乎決定著所制備的制品孔徑的大小。根據(jù)燒結(jié)法成孔機(jī)理,UHMWPE的顆?;ハ喽哑?,顆粒與顆粒之間的間隙就構(gòu)成了孔的來(lái)源, 故 UHMWPE 顆粒粒徑越大, 顆粒之間堆積的間隙就越大,導(dǎo)致產(chǎn)品的孔徑也就越大。所以,選擇 UHMWPE 的粒徑時(shí),應(yīng)充分考慮所要制得的產(chǎn)品孔徑的大小。有些工藝中,存在燒結(jié)前進(jìn)行預(yù)壓的步驟,當(dāng)然預(yù)壓壓力不大,此步可排出原料中的空氣,但這樣會(huì)使物料更加密實(shí),裝料密度增大,顆粒之間的間隙變小,孔徑減小,開(kāi)孔率也下降,產(chǎn)品強(qiáng)度有所提高, 微孔結(jié)構(gòu)變得細(xì)密均勻。也可采用無(wú)壓力燒結(jié)。
在燒結(jié)過(guò)程中,最重要的就是燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間這兩個(gè)密切關(guān)聯(lián)的工藝參數(shù)。燒結(jié)溫度高,燒結(jié)時(shí)間短,反之亦然。一定的燒結(jié)時(shí)間內(nèi),溫度偏低,產(chǎn)品開(kāi)孔率較高,但顆粒接觸面的粘結(jié)強(qiáng)度不足,影響了整個(gè)產(chǎn)品的強(qiáng)度;如果溫度過(guò)高,開(kāi)孔率會(huì)偏低,產(chǎn)品局部老化發(fā)黃,顆粒接觸面積逐漸增大,最終熔融在一起,孔被填滿。所以,生產(chǎn)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間。
此外,需要指出的是成孔劑的使用較為寬松, 可選用也可不選用。用作成孔劑的物質(zhì)很多,如碳酸氫鈉,氯化銨,氯化鉀等水溶性物質(zhì)以及水楊酸等揮發(fā)性物質(zhì),通常選擇價(jià)格便宜且不易造成環(huán)境污染的水溶性物質(zhì)做成孔劑。隨著成孔劑使用量的增大,產(chǎn)品孔徑及開(kāi)孔率均有增大趨勢(shì),但產(chǎn)品強(qiáng)度有所下降,產(chǎn)品表面會(huì)變得不光滑,易出現(xiàn)明顯的大孔結(jié)構(gòu)。
華北石油勘查設(shè)計(jì)研究院將超高分子量聚乙烯的粉末進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié),制備了低滲透油田注水用的過(guò)濾管[8]。用該種方法制備的 UHMWPE 微孔濾材的孔徑范圍在 1~200 μm 之間,過(guò)濾精度可達(dá) 1μm 以下,通過(guò)改變工藝條件,可制備各種大小的孔徑,滿足不同場(chǎng)合的需求,且該種方法下,產(chǎn)品的形狀和尺寸不受約束,所以用燒結(jié)法生產(chǎn)的超高分子量聚乙烯微孔濾材的使用范圍較廣。
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