（流体机械及工程专业论文）超高分子量聚乙烯微孔滤材成型研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号t q 3 2学科分类号 4 6 0 2 0 9 9 论文编号1 0 0 1 0 2 0 1 2 0 7 3 0密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 l o 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名张强学号 2 0 0 9 ( ) 0 0 7 3 0 获学位专业名称流体机械及工程获学位专业代码 0 8 0 7 0 4 非金属材料成型理论与 课题来源自选研究方向 设备设计 论文题目超高分子量聚乙烯徼孔滤材成型研究 关键词超高分子量聚乙烯，微孔材料，烧结，过滤，分形维数 论文答辩日期2 0 1 2 年5 月2 6 日论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称 工作单位学科专长 指导教师薛平研究员北京化工大学聚合物加工 评阅人1何继敏副研究员北京化工大学聚合物加工 评阅人2金志明副研究员北京化工大学聚合物加工 中国石化总公司 椭员蝴赵月云高工聚合物加工 北京化工研究院 答辩委员1吴大鸣研究员北京化工大学精密技术 答辩委员2 何亚东 研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员3李庆春研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员4金志明副研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员5何继敏副研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员6王克俭 副研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员7任冬云 副研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员8刘颖 副研究员北京化工大学聚合物复合材料 答辩委员9 刘广建高工北京化工大学聚合物加工 答辩委员1 0 闫宝瑞高工北京化工大学机电控制 答辩委员1 1赵中里讲师北京化工大学 聚合物加工 摘要 超高分子量聚乙烯微孔滤材成型研究 摘要 微孔材料是过滤与分离技术中十分关键的材料。作为一种聚乙烯类热 塑性工程塑料，超高分子量聚乙烯( u h m w p e ) 具有无可比拟的综合性能， 诸如：耐低温性、耐磨性、抗冲击性、化学稳定性等。鉴于超高分子量聚 乙烯的优异性能，利用其制备微孔材料用于过滤与分离过程一直是学界研 究的目标。 目前制备u h m w p e 微孔材料的方法主要有烧结法、颗粒填充法、核 径迹法、熔融挤压拉伸法、t i p s 法、t i p s s 法等，但上述方法均存在自 身不足：烧结法成型周期长、效率低、孔径较大；t i p s 及t i p s s 法制备 的孔径很小，且制品多为膜材或片材，厚度很小；颗粒填充法成孔较为粗 糙，且制备过程需要大量填充颗粒；熔融挤压拉伸法的产品厚度同样较小； 核径迹法技术性强，操作复杂，制品厚度最大仅为几十微米，孔隙率低。 综上，现有各种u h m w p e 微孔材料成型方法存在诸多不足，制品微观结 构在成型过程中较难控制，因而限制了u h m w p e 微孔材料的使用领域。 本文提出了无压烧结的方法，u h m w p e 粉末颗粒堆积起来，控制适 当的工艺条件，使得颗粒接触面通过加热熔融相互粘接起来，同时又能使 颗粒间隙得到保留，最终制成了u h m w p e 多孔体。 本课题研究内容如下： 1 、本文跨学科地将粉末冶金学中晶体面心立方结构的概念引入高分 北京化工大学硕士学位论文 子微孔材料的加工中，将聚合物颗粒的堆砌状态模拟成面心立方结构，然 后根据面心立方结构中的三球成孔原理得出孔径大小的计算公式，运用这 种突破性的研究方法不仅能够预测出微孔制品的孔径大小，还能根据产品 孔径指标利用公式指导加工工艺参数的选取，从而实现微观结构的可控 性； 2 、研究中根据材料d s c 沏j j 试结果，选择适当的加热设备，摸索加工 工艺参数，添加复合润滑剂，缩短成型时间，提高生产效率。本文对样品 的性能进行了测试和分析，讨论加工工艺同样品各主要性能指标之间的规 律。结果显示：u h m w p e 分子量增大导致样品压缩强度相应增大；平均 孔径和孔隙率均随超高分子量聚乙烯粒径的增大而增大，同时压缩强度和 体密度随之减小；增加烧结时间、提高烧结温度，样品平均孔径及孔隙率 减小、压缩强度增大；渗透性能方面的响应趋势同样品平均孔径一致； 3 、本文还引入了分形维数的概念，建立孔结构规整度的微孔分形维 数表征方法，实现对孔结构规整度的量化表征。同时得出聚合物粒径的减 小、烧结温度和烧结时间的增加将导致制品微观结构规整度的降低。 关键词：超高分子量聚乙烯，微孔材料，烧结，过滤，分形维数 s t u d yo nm o l d i n gp r o c e s s o fu h m 阿p e m i c l 之o p o r o u sf i l t e r i a t e r j a l s a b s t r a c t m i c r o p o r o u sm a t e r i a li sav e r yc r i t i c a lp a r to ff i l t r a t i o na n ds e p a r a t i o n t e c h n o l o g y a san e wk i n do fp e t y p et h e r m o p l a s t i ce n g i n e e r i n gp l a s t i c s ， u l t r a - h i g h - m o l e c u l a r - w e i g h t - p o l y e t h y l e n e ( u h m w p e ) h a sc o m p r e h e n s i v e e x c e l l e n tp r o p e r t i e so fr e s i s t a n c et ol o wt e m p e r a t u r e ，a b r a s i o nr e s i s t a n c e ， i m p a c tr e s i s t a n c e ，c h e m i c a ls t a b i l i t y , e t c d u et oi t s e x c e l l e n tp r o p e r t i e s ， f a b r i c a t i n gm i c r o p o r o u sm a t e r i a l sw i t hu h m w p e f o rf i l t r a t i o na n d s e p a r a t i o n i sa l w a y sa l lo b j e c t i v et or e s e a r c hi na c a d e m i a c u r r e n t l ym o l d i n gm e t h o d so fu h m w p em i c r o p o r o u sf i l t e rm a t e r i a l s m a i n l yi n c l u d es i n t e r i - n g ， i n o r g a n i cp a r t i c l ef i l l i n g ，n u c l e a rt r a c km e t h o d ， m e l t i n g 。e x t r u s i o ns t r e t c h i n g ，t h e r m a l l yi n d u c e dp h a s es e p a r a t i o n ，t h e r m a l l y i n d u c e dp h a s es e p a r a t i o ns t r e t c h i n ga n ds oo n b u tt h em e t h o d sa b o v eh a v e t h e i ro w nl i m i t a t i o n s ， s i n t e r i n gm e t h o dn e e d sl o n gp r o c e s s i n gt i m ew h i c h m e a nl o w e f f i c i e n c y , p o r ed i a m e t e ro fp r o d u c tf a b r i c a t e db yt h i sm e t h o di sb i g t i p sa n dt i p s - sc a no n l yf a b r i c a t ep r o d u c tw i t hs m a l l t h i c k n e s ss u c ha s i i i 北京化工大学硕士学位论文 m e m b r a n eo rs h e e t ，a n dc o r r e s p o n d i n gp o r es i z ei ss m a l l i n o r g a n i cp a r t i c l e f i l l i n gn e e dl o t so ff i l l i n gp a r t i c l e s ，p o r ed i a m e t e rm a d eb yt h i sm e t h o di s u s u a l l yb i g m e l t i n g - e x t r u s i o ns t r e t c h i n gi sa l s ou s e dt om a k ep r o d u c tw i t h s m a l lt h i c k n e s s p r o d u c tt h i c k n e s s b yn u c l e a rt r a c km e t h o di s d o z e n so f m i c r o na tm o s t ，a n dp r o d u c tp o r o s i t yi sl o w , m e a n w h i l e ，t h i sm e t h o di n v o l v e s s t r o n gt e c h n i c a lw h i c hm e a nc o m p l e xo p e r a t i o n s a b o v ea l l ，t h e r ea r ea n u m b e ro f s h o r t c o m i n g s i nc u r r e n tm e t h o d sf o r m a k i n g u h m w p e m i c r o p o r o u sm a t e r i a l s ，a n dm i c r o s t r u c t u r e i sd i f f i c u l tt oc o n t r o l d u r i n g p r o c e s s ，w h i c hs h a r p l yl i m i tu h m w p em i c r o p o r o u sm a t e r i a l s a p p l i c a t i o n s c o p e i nt h i s s t u d y , am e t h o dc a l l e dl o o s es i n t e r i n gw a sf i r s tp r o p o s e d u h m w p e p a r t i c l e sp a c kt o g e t h e r , t h es u r f a c eo fu h m w p ep a r t i c l e sb e g i nt o m e l ta n dj o i nt o g e t h e ra tc o n t a c ts u r f a c ew h e nh e a t i n g ，t h ep r o c e s s i n g c o n d i t i o ns h o u l db ep r o p e r l yc o n t r o l l e ds ot h a tt h es p a c ea m o n gt h ep a r t i c l e s r e m a i n s f i n a l l yal 【i n do fu h m w p ep o r o u sb o d y i sf o r m e d t h i ss t u d yf i r s ti n t r o d u c e df a c e - c e n t e r e dc u b i cs t r u c t u r ec o n c e p tf r o m p h y s i c a lm e t a l l u r g yi n t op o l y m e rp r o c e s s i n g p a c k i n gu h m w p ep a r t i c l e s w a sa s s u m e dt ob ea r r a n g e da sf a c e c e n t e r e dc u b i cs t r u c t u r e ，a c c o r d i n gt o p r i n c i p l eo ft h r e e - b a l li n t oap o r e ，af o r m u l a rt oc a l c u l a t et h ep o r es i z ec o u l d b eo b t a i n e d h e n c e ，p o r es i z eo fp r o d u c tc a nb ep r e d i c t e d ，o nt h eo t h e rh a n d p r o c e s s i n gp a r a m e t e r sc a nb ea l s oc h o s e na c c o r d i n gt or e q u i r e m e n to fp o r e s i z e ，w h i c hr e a l i z e ss i m p l ec o n t r o l l a b i l i t yo n m i c r o s t r u c t u r e a b s t r a c t i ns t u d y ，p r o c e s s i n ge q u i p m e n tw a sp r o p e r l yc h o s e na n dt e c h n o l o g i c a l c o n d i t i o n sw e r eg r o p e df o rs t e a d i l ya c c o r d i n gt om a t e r i a l s d s cr e s u l t s t h e c o m p o u n dl u b r i c a n tw a sa d d e dt or e d u c es i n t e r i n gt i m es ot h a tp r o d u c t i o n e f f i c i e n c yw a si n c r e a s e d t h ep e r f o r m a n c e so fs a m p l e sw e r et e s t e da n d a n a l y z e d t h ee f f e c t so fp r o c e s s i n gc o n d i t i o n so np e r f o r m a n c eo fs a m p l ew e r e a l s od i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta su h m w p em o l e c u l a rw e i g h t i n c r e a s e d ，c o m p r e s s i v es t r e n g t hi n c r e a s e d ，a v e r a g ep o r ed i a m e t e ra n dp o r o s i t y b o t hi n c r e a s e dw i t ht h eu h m w p ep a r t i c l ed i a m e t e rw h i l ec o m p r e s s i v e s t r e n g t ha n db u l kd e n s i t yd e c r e a s e d a ss i n t e r i n gt e m p e r a t u r ea n ds i n t e r i n g t i m ed e t e r m i n e di n c r e a s e d ，t h eh e a tw a sr e d u n d a n tt om e l tt h e p a r t i c l e s ， a v e r a g ep o r ed i a m e t e ra n dp o r o s i t yb o t hd e c r e a s e dw h i l ec o m p r e s s i v es t r e n g t h a n db u l kd e n s i t yi n c r e a s e d p e r m e a b i l i t y sc h a n g i n gt r e n dw a st h es a m ea st h a t o f a v e r a g ep o r ed i a m e t e r m o r e o v e r , f r a c t a ld e m e n s i o nw a si n t r o d u c e d f r a c t a ld e m e n s i 6 n c h a r a c t e r i z a t i o nm e t h o df o rp o r es t r u c t u r eu n i f o r m i t yw a se s t a b l i s h e d ，w h i c h r e a l i z e d q u a n t i t a t i v e c h a r a c t e r i z a t i o no fm i c r o s t r u c t u r e s u n i f o r m i t y m e a n w h i l ei tc a m et oac o n c l u s i o nt h a td e c r e a s eo f p a r t i c l ed i a m e t e r , i n c r e a s e o f s i n t e r i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m ew e r ea l lb a df o rm i c r o s t r u c t u r e su n i f o r m i t y k e y w o r d s ：u h m w p e ，m i c r o p o r o u sm a t e r i a l ，s i n t e r i n g ，f i l t e r , f r a c t a l d i m e n s i o n v 原书空白页 不缺内容 目录 目录 第一章绪论1 1 1 引言l 1 2u h m w p e 微孔材料的性能及应用2 1 2 1u h m w p e 微孔材料的性能2 1 2 2u h m w p e 微孔材料的工作机理2 1 2 3u h m w p e 微孔材料的应用3 1 3u h m w p e 微孔材料成型方法研究现状4 1 3 1 聚合物颗粒烧结法5 1 3 2t p s 法及t p s s 法6 1 3 3 熔融挤压拉伸法8 1 3 4 无机物颗粒填充法9 1 3 5 核径迹法1 0 1 4 本课题的研究目的、意义和内容1 l 1 4 1 研究目的1 1 1 4 2 研究意义1 2 1 4 3 研究内容1 2 第二章实验研究及性能测试15 2 1 实验原料的选取：。1 5 2 1 1u h m w p e 树脂的选取1 5 2 1 2 加工助剂的选取1 5 2 1 3 本实验所用原料1 6 2 2 实验方案的设计1 7 2 2 1 实验样品的制备1 7 2 2 2 实验研究技术路线：2 0 2 2 3 实验研究技术路线的可行性分析2 2 2 3 实验主要设备2 3 2 3 1 高速混合机2 3 2 3 2 平板硫化机2 3 2 3 3 成型模具2 3 v i i 北京化工大学硕士学位论文 2 3 4 渗透性测试装置2 4 2 4 样品性能测试与表征2 6 2 5 本章小结2 7 第三章微孔材料微观结构及其可控性的研究2 9 3 1 微孔材料的微观结构2 9 3 2 面心立方结构模型的假设3 0 3 3 三球成孔模型的假设3 1 3 4 模型假设的验证及统计学分析：。3 4 3 5 本章小结3 6 第四章工艺参数对微孔制品性能的影响。3 7 4 1u h m w p e 分子量对微孔制品性能的影响3 7 4 2u h m w p e 树脂粉体粒径对微孔制品性能的影响3 8 4 2 1 粉体粒径对制品平均孔径的影响3 8 4 2 2 粉体粒径对制品孔隙率的影响3 9 4 2 3 粉体粒径对制品压缩强度的影响4 0 4 2 4 粉体粒径对制品体密度的影响4 1 4 2 5 粉体粒径对制品微观结构的影响4 2 4 2 6 粉体粒径对制品孔径分布的影响4 4 4 3 烧结温度和烧结时间对微孔制品性能的影响4 5 4 3 1 烧结温度和烧结时间对压缩强度的影响4 5 4 3 2 烧结温度和烧结时间对平均孔径的影响4 6 4 3 3 烧结温度和烧结时间对孔隙率的影响4 6 4 3 4 烧结温度和烧结时间对体密度的影响4 7 4 3 5 烧结温度和烧结时间对微观结构的影响4 8 4 3 6 烧结温度和烧结时间对孔径分布的影响4 9 4 4 制品渗透性能影响分析4 9 4 5 本章小结5 4 第五章微孔材料微观结构规整度的量化表征。5 5 5 1 分形维数的引入5 5 5 2 微孔结构分形表征的意义5 6 v i i i 目录 5 3 压汞法对微孔材料微观结构的测试分析5 7 5 3 1 压汞法测试原理5 7 5 3 2 微孔材料分型模型的选择6 0 5 3 3 基于压汞测试数据的表面分形维数的计算6 1 5 4 本章小结6 3 第六章总结。6 5 6 1 本课题所做主要工作6 5 6 2 本课题研究的主要结论。：6 5 6 3 本课题的创新点? 。6 6 6 4 待续问题j 6 6 参考文献6 7 蜀【谢。71 研究成果及发表的学术论文。7 3 作者和导师简介。7 5 i x c o n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n c o n t e n t s 1 1p r e f a c e l 1 2p r o p e r t i e s & a p p l i c a t i o no f u h m w p e m i c r o p o r o u sm a t e r i a l s 2 1 2 1p r o p e r t i e s o f u h m w p em i c r o p o r o u sm a t e r i a l s 2 1 2 2u h n i 、p em i c r o p o r o u sm a t e r i a l s w o r k i n gm e c h a n i s m 2 1 2 3a p p l i c a t i o no f u h m w p em i c r o p o r o u sm a t e r i a l s 3 1 3r e s e a r c ho nm o l d i n gm e t h o do f u h m w p em i c r o p o r o u sm a t e r i a l s j 4 1 3 1m e t h o do f s i n t e r i n g 5 1 3 2m e t h o do f t i p s & 田口s s 7 1 3 3m e t h o do f m e l t - e x t r u s i o ns t r e t c h 8 1 3 4m e t h o do f i n o r g a n i c p a r t i c l e sf i l l i n g 9 1 ：；5m e t h o do f n u c l o a rt r a c k 1 0 1 4r e s e a r c ho b j e c t i v e s 、i n t e n t i o n & c o n t e n t s 11 1 4 1r e s e a r c ho b j e c t i v e s 11 】【4 1r e s e a r c hi n t e n t i o n 1 2 1 4 2r e s e a r c hc o n t e n t s ：1 ：! c h a p t e r2e x p e r i m e n t a ls t u d y & p e r f o r m a n c et e s t i n g 1 5 2 1 s e l e c t i o no f e x p e r i m e n t a lr a wm a t e r i a l s 1 5 2 1 1s d e c t i o no f i 刀 m 陬伊er e s i n 1 5 2 1 2s e l e c t i o no f p r o c e s s i n ga d d i t i v e s 二1 5 2 1 3a l le x p e r i m e n t a lm a t e r i a l s 1 6 2 2e x p e r i m e n t a ls c h e m e 17 2 2 1p r e p a r a t i o no fe x p e r i m e n t a ls a m p l e s 17 2 2 2d e s i g no f e x p e r i m e n t a lt e c h n i q u er o u t e 2 0 2 2 3a n a l y s i so f f e a s i b i l i t yo fe x p e r i m e n t a lt e c h n i q u er o u t e 2 2 2 3e x p e r i m e n t a lm a i ne q u i p m e n t s 2 3 2 3 1m i x e r 。2 3 2 3 2m o l d i n gp r e s s 2 3 x i 北京化工大学硕士学位论文 2 3 3m o l d 2 3 2 3 4d e v i c ef o rp e r m e a b i l i t yt e s t i n g 2 4 2 4s a m p l e s p e r f o r m a n c et e s t i n g c h a r a c t e r i z a t i o n 2 6 2 5c o n c l u s i o n so f t h i sc h a p t e r 2 7 c h a p t e r3s t u d yo nm i c r o s t r u e t u r e m a t e r i a l s i t sc o n t r o l l a b i l i t yi nm i c r o p o r o u s 2 9 ：；1m i c r o s t r u c t u r eo f m i c r o p o r o u sm a t e r i a l s 2 9 3 2a s s u m p t i o no f f a c e - c e n t e r e dc u b i cs t r u c t u r em o d e l 3 0 3 3a s s u m p t i o no f t h r e e - b a l l - p o r em o d e l 3 2 3 4v e r t i f i c a t i o n s t a t i s t i c a la n a l y s i so na s s u m p t i o np r o p o s e d 3 4 3 5c o n c l u s i o n so ft h i sc h a p t e r 3 6 c h a p t e r4e f f e c to fp r o c e s s i n gc o n d i t i o n so np e r f o r m a n c e o fm i c r o p o r o u s p r o d u c t s 3 7 4 1e f f e c to f m o l e c u l a rw e i g h to np e r f o r m a n c eo f m i c r o p o r o u sp r o d u c t s 3 7 4 2e f f e c to f p a r t i c l ed i a m e t e ro np e r f o r m a n c eo f m i c r o p o r o u sp r o d u c t s 3 8 4 2 1e f f e c to f p a r t i c l ed i a m e t e ro na v e r a g ep o r ed i a m e t e ro f m i c r o p o r o u sp r o d u c t s 3 8 4 2 2e f f e c to f p a r t i c l ed i a m e t e ro np o r o s i t yo f m i c r o p o r o u sp r o d u c t s - 3 9 4 2 3e f f e c to f p a r t i c l ed i a m e t e ro nc o m p r e s s i v es t r e n g t ho f m i c r o p o r o u s p r o d u c t s 4 0 4 2 4e f f e c to f p a r t i c l ed i a m e t e ro nb u l kd e n s i t yo f m i c r o p o r o u sp r o d u c t s 4 1 4 2 5e f f e c to f p a r t i c l ed i a m e t e ro nm i c r o s 仃u c t u r eo f m i c r o p o r o u sp r o d u c t s 4 2 4 2 6e f f e c to f p a r t i c l ed i a m e t e ro np o r ed i s t r i b u t i o no f m i c r o p o r o u sp r o d u c t s 4 4 4 3e f f e c to fs i n t e r i n gt e m p e r a t u r e t i m eo np e r f o r m a n c eo f m i c r o p o r o u sp r o d u c t s 4 5 4 3 1e f f e c to f s i n t e r i n gt e m p e r a t u r e & t i m eo nc o m p r e s s i v es t r e n g t h 4 5 4 3 2e f f e c to fs i n t e r i n gt e m p e r a t e & t i m eo na v e r a g ep o r ed i a m e t e r 4 6 4 3 3e f f e c to fs i n t e r i n gt e m p e r a t e t i m eo np o r o s i t y 4 6 4 3 4e f f e c to fs i n t e r i n gt e m p e r a t u r e t i m eo nb u l kd e n s i t y 4 7 4 3 5e f f e c to fs i n t e r i n gt e m p e r a t u r e & t i m eo nm i c r o s t r u c t u r e 4 8 4 3 6e f f e c to fs i n t e r i n gt e m p e r a t e t i m eo np o r ed i s t r i b u t i o n 4 4 4 4e f f e c to np e r m e a b i l i t yo f m i c r o p o r o u sp r o d u c t s 4 9 4 5c o n c l u s i o n so f t h i sc h a p t e r ：5 ； x i l c o n t e n t s c h a p t e r 5 q u a n t i t a t i v e c h a r a c t e r i z a t i o no ft h e r e g u l a r i t y o f m i c r o s t r u c t u r ei nm i c r o p o r o u sm a t e r i a l s 5 5 5 1i n t r o d u c t i o no ff r a c t a ld i m e n s i o n 5 5 5 2m e a n i n go f f r a c t a lc h a r a c t e r i z a t i o no f m i c r o p o r es t n l 曲l r e 5 6 5 3t e s t i n g & a n a l y s i so nm i c r o s t r u c t u r eo f p r o d u c t sb ym e r c u r yp o r o s i m e