一种利用放电等离子烧结加工超高分子量聚乙烯的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用放电等离子烧结技术加工超高分子量聚乙烯块体的方法，该方法包括以下步骤：（1）将UHMWPE粉末烘干后，通过冷压制备成坯料，作为预烧结体；（2）通过放电等离子烧结对预烧结体进行烧结加工成型。通过加热使粉末表面熔化，在一定压力作用下进行烧结，提高粉末表面熔体内大分子链的运动活性，加速分子链在相邻粉末之间的扩散熔合，保留粉末内部的初生态结构，从而实现UHMWPE粉末的低温、快速、均匀致密化和固结化，减少制品内的熔融缺陷，提高其磨损性能。本发明专利技术将有助于解决UHMWPE熔体粘度大、加工性能差的问题，拓展放电等离子烧结方法在高性能、难加工高分子材料的高效、低成本制备中的应用。

A method of processing UHMWPE by spark plasma sintering

The invention discloses a method for processing UHMWPE block by spark plasma sintering technology, the method comprises the following steps: (1) drying UHMWPE powder, preparing the blank by cold pressing as the pre sintering body; (2) sintering and forming the pre sintering body by spark plasma sintering. The surface of UHMWPE powder is melted by heating and sintered under a certain pressure to improve the movement activity of macromolecular chains in the melt on the surface of powder, accelerate the diffusion and fusion of molecular chains between adjacent powders, and retain the primary ecological structure of the powder, so as to realize the low temperature, rapid, uniform densification and consolidation of UHMWPE powder, reduce the melting defects in the product and improve its wear Performance. The invention will help to solve the problems of high viscosity and poor processing performance of UHMWPE melt, and expand the application of spark plasma sintering method in the preparation of high-performance and difficult to process polymer materials with high efficiency and low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种利用放电等离子烧结加工超高分子量聚乙烯的方法
本专利技术属于材料加工领域，具体涉及一种利用放电等离子烧结加工超高分子量聚乙烯的方法。
技术介绍
超高分子量聚乙烯(ultrahighmolecularweightpolyethylene,UHMWPE)是分子量150万以上的线性聚乙烯。分子式：–(–CH2–CH2–)n–，密度：0.920～0.940g/cm3。热变形温度(0.46MPa)：85℃，熔点：130～136℃，具有超长、线型、柔性、非极性的分子链结构。这种结构一方面赋予其超越其它工程塑料的卓越性能，在极端特殊环境具有广阔的应用前景；另一方面使其加工极其困难，难以用螺杆挤出、注射成型等常规塑料加工方法制备，制约了其推广应用。因此，研究UHMWPE的成型加工一直是高分子学术界和工业界关注的难题之一。目前，UHMWPE主要通过模压成型、柱塞挤出等传统方法成型加工。这种通过模具表面加热传导的方法存在热传导慢、受热不均等问题。理论上，高分子粉末的扩散融合时间与分子量的3.4次方成正比。据计算，当UHMWPE分子量为200万时，消除粉末界面至完全融合的时间大于10天。因此，需长时间高温高压，使紧密接触的粉末充分熔化，分子链在粉末界面相互扩散融合。但是，熔融态下无规线团缠结密度增大、高压下分子链自由体积减小，链运动受限、重结晶生长折叠链片晶困难，导致界面熔融缺陷、结晶度低、氧化降解、力学性能差等问题。因此，探索新的加工原理和开发新加工方法，消除熔融缺陷，是UHMWPE加工成型的热点。放电等离子烧结(SparkPlasmaSintering,SPS)是一种通过低电压、大电流的直流脉冲源产生等离子，快速、均匀加热粉末表面使其瞬时熔化并活化表面分子运动，在压力作用下迅速流动扩散至相邻的粉末，固结形成致密块体的场致辅助新型烧结方法。SPS烧结过程可以看作是颗粒放电、导电加热和加压综合作用的结果。除加热和加压这两个促进烧结的因素外，在SPS技术中，颗粒间的有效放电可产生局部高温，可以使表面局部熔化、表面物质剥落；高温等离子的溅射和放电冲击清除了粉末颗粒表面杂质(如去除表面氧化物等)和吸附的气体。SPS方法对粉末内部的结构影响较小，可抑制晶体长大，常用于难熔金属和高温陶瓷等难加工材料的高效率、低成本加工。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述不足，并提出一种高效率的超高分子量聚乙烯加工方法，制备一种熔融缺陷少、均匀性良好的超高分子量聚乙烯材料。本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。一种利用放电等离子烧结加工超高分子量聚乙烯的方法，包括以下步骤：(1)将UHMWPE粉末烘干后通过冷压制备成坯料，作为预烧结体；(2)通过放电等离子烧结对步骤(1)中的预烧结体进行烧结加工。优选的，所述步骤(1)中烘干的条件为50-70℃的温度下烘干3-5h。为了减小常温下UHMWPE粉末表面孔洞中水分对烧结过程的影响，因此在装填UHMWPE材料到石墨模具里之前需要烘干以去除水分。优选的，所述步骤(1)中的冷压压力为5-20MPa，以将样品压制成型为宜，样品压制均匀，无断裂现象，压制样品表面无粉末掉落。调控放电等离子设备的气氛、气压、温度、频率、时间等参数，制备等离子体处理UHMWPE坯料。在不同的烧结参数下得到性能不同的烧结试样。优选的，所述步骤(2)中放电等离子烧结中的烧结压力为10-50MPa，烧结温度为150-300℃。优选的，烧结升温升压过程中，首先将以25℃/min升温至100℃，保温保压2min，以排除空气中水分，同时进一步在软化点温度以上压实坯料，使粉末之间能够更充分的接触；然后将烧结压力升高至30-50MPa，再以25-100℃/min的升温速度升温至150-300℃，保温保压0-2min。优选的，烧结后降温，先水冷至90-120℃，然后自然冷却至室温。优选的，所述步骤(2)中放电等离子烧结的电流模式为脉冲电流，且脉冲时间为3～15毫秒，通断比为10:1～3:1。优选的，所述步骤(2)中放电等离子烧结的气氛真空为4～10Pa。其中，预烧结体由UHMWPE粉末装填在石墨模具中得到。整套石墨模具由钵体、上下导体柱组成，各配件均为石墨材料制成。需要在模具中辅助放置石墨纸垫片与套筒，具体做法为：将下导体柱插入钵体中间空置区，随后添加一张石墨垫片以覆盖下导体柱，再将石墨套筒放入钵体中且压住下层石墨垫片，将经过预处理的适量样品装满套筒内腔，随后用另一片石墨垫片覆盖之，最后插入并压实上导体柱，手动将整个模具放入SPS设备主腔体中等待SPS烧结成型。放电等离子烧结工艺参数是决定UHMWPE烧结成型加工成败的关键，因此，本专利技术通过分析放电等离子烧结过程中的多场耦合作用机理，优化放电等离子烧结工艺参数至临界值。该技术通过低电压(1～6伏特)、大电流(100～300安培)脉冲直流放电，产生等离子体，通过精确调控烧结温度及升降温速度，仅使UHMWPE粉末表面局部瞬时熔化，而粉末内部则保持初生态结构；调控烧结压力确保粉末致密化；调控烧结时间，提高粉末表面大分子链的运动活性，加速分子链在相邻粉末之间的扩散熔合，确保粉末表面UHMWPE分子链动力学扩散至相邻的粉末，固结时重结晶来不及长大，同时热量来不及传导至粉末内部导致初生态结构破坏。通过电热效应加热使UHMWPE粉末表面软化、塑化、熔化，提高粉末表面熔体内大分子链的运动活性，加速分子链在相邻粉末之间的扩散熔合，保留粉末内部的初生态结构；同时，在一定压力作用下进行烧结使UHMWPE粉末致密化和固结化(参见图1)，图1中d参见S.M.Kurtz,UHMWPEbiomaterialshandbook,Thirded.,Elsevier,Amsterdam,2016.，图1中的g参见图2a。从而实现UHMWPE粉末的低温、快速、均匀致密化和固结化，减少制品内的熔融缺陷，提高其磨损性能。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：本专利技术所采用的放电等离子烧结超高分子量聚乙烯方法中无需添加任何粘结剂，而且能够提高粉末表面大分子链的运动活性，加速分子链在相邻粉末之间的扩散熔合，从而实现UHMWPE粉末的低温、快速、均匀致密化和固结化，减少制品内的熔融缺陷，提高其磨损性能。本专利技术将有助于解决UHMWPE熔体粘度大、加工性能差的问题，拓展放电等离子烧结方法在高性能、难加工高分子材料的高效、低成本制备中的应用。附图说明图1放电等离子烧结超高分子量聚乙烯方法的原理示意图；图2a放电等离子烧结UHMWPE-1样品低倍SEM图；图2b放电等离子烧结UHMWPE-1样品高倍SEM图；图3放电等离子烧结UHMWPE-1样品的压缩实验应力-应变曲线示意图；图4放电等离子烧结UHMWPE-2样品摩擦磨损试验后样品表面的SEM图；图5放电等离子烧结UHMWPE-3样品红外光谱图。具体实施方式以下结合具体实施例和附图对本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用放电等离子烧结加工超高分子量聚乙烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n（1）将UHMWPE粉末烘干后，通过冷压制备成坯料，作为预烧结体；/n（2）通过放电等离子烧结对步骤（1）中的预烧结体进行烧结加工。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用放电等离子烧结加工超高分子量聚乙烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将UHMWPE粉末烘干后，通过冷压制备成坯料，作为预烧结体；
（2）通过放电等离子烧结对步骤（1）中的预烧结体进行烧结加工。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）中烘干的条件为50-70℃的温度下烘干3-5h。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）中冷压的压力为5-20MPa。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（2）中放电等离子烧结中的烧结压力为10-50MPa，烧结温度为150-300℃。


5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：方立明，潘西满，祁海生，储康杰，任富增，王勇强，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44