CN110315671A - 一种聚乙烯粉末的烧结成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料成型加工技术领域，公开了一种聚乙烯粉末的烧结成型方法，包括以下步骤：步骤1，将聚乙烯粉末和过渡金属氧化物粉末按质量比为(5～20):1的比例混合，并搅拌均匀，得到聚乙烯粉末颗粒和过渡金属氧化物粉末的混合物；步骤2，对所述混合物进行预热处理，预热温度为100℃～140℃，预热时间为20min～120min；步骤3，取出所述混合物并对其进行微波烧结，微波烧结的温度为110℃～220℃，直至整个所述混合物固化。本发明提供的聚乙烯粉末颗粒的烧结成型方法能够从时间和空间梯度上解决现有技术和方法所造成的过度烧结与欠烧结问题，进而提高聚乙烯烧产品的质量。

Description

一种聚乙烯粉末的烧结成型方法

技术领域

本发明涉及材料成型加工技术领域，特别是一种聚乙烯粉末的烧结成型方法。

背景技术

用聚乙烯制成的产品具有良好的抗腐蚀性、耐磨性、无毒性、耐低温性等一系列的特点。聚乙烯在现代工业和生活中的应用极为广泛，如：利用聚乙烯制成的过滤器可用于过滤工业水或者自来水；通过聚乙烯粉末烧结成的聚乙烯管可用于饮用水的输送；聚乙烯粉末烧成的安全帽具有抗冲击性能等。由此可见，聚乙烯粉末成型质量的好坏直接影响到其制造出来的产品的使用寿命和性能，也关乎一个生产厂家的次品率问题。如何提高聚乙烯粉末的成型质量成为了工业进一步发展需要解决的问题。

现有的聚乙烯粉末成型技术主要采用外置热源热传导的方式对聚乙烯粉末进行熔融固化，具体工艺方法可以理解为：将粉末状的聚乙烯放置于特定形状的模具中，将模具置于加热炉中，升高加热炉的温度，使其高于聚乙烯的软化温度。在此温度下保温一定时间，有利于热传导的进行，使得聚乙烯的内部熔融固化，从而得到聚乙烯粉末的制作样品。

该工艺方法存在以下问题：在加热炉升温后，模具通过热传导和热扩散等方式将热能传递到聚乙烯粉末的内部。由于热量是从外而内传递的，粉末状的物品内部存在极大的温度梯度，容易出现接近模具表面的粉末熔融固化而远离外表面的中心区域的粉末尚未固化，或者粉末外部区域烧结过度而内部烧结不足的现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种聚乙烯粉末的烧结成型方法，能解决聚乙烯粉末烧结成型时中心区域和外表面烧结程度不同，质量不均匀的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种聚乙烯粉末的烧结成型方法，包括以下步骤：

步骤1，将聚乙烯粉末和过渡金属氧化物粉末按质量比为(5～20):1的比例混合，并搅拌均匀，得到聚乙烯粉末颗粒和过渡金属氧化物粉末的混合物；

步骤2，对所述混合物进行预热处理，预热温度为100℃～140℃，预热时间为20min～120min；

步骤3，取出所述混合物并对其进行微波烧结，微波烧结的温度为110℃～220℃，直至所述混合物从表面至芯部全部粘连在一起并固化。作为优选方案，所述步骤2还包括：将所述混合物放入模具中，并对其进行压实。

作为优选方案，采用液压机将所述混合物压实，所述液压机的工作压强范围为5MPa～8MPa。

作为优选方案，所述模具的材料为非金属材料。

作为优选方案，还包括步骤4，将从步骤3得到的固化后的所述混合物冷却至室温后，对其进行表面处理。

作为优选方案，在步骤3中，微波频率为0.8GHz～3GHz。

作为优选方案，在步骤3中，采用功率范围在500W-3kW的微波炉对所述混合物进行微波烧结。

作为优选方案，所述过渡金属氧化物粉末为二氧化钛粉末或二氧化锌粉末或二氧化锆粉末。

作为优选方案，在步骤1中，所述聚乙烯粉末和所述过渡金属氧化物粉末的质量比为(5～10):1。

综上，本发明实施例所提供的一种聚乙烯粉末的烧结成型方法通过在聚乙烯粉末中掺杂无毒无害的过渡金属氧化物粉末，将过渡金属氧化物粉末均匀分散在聚乙烯粉末中，然后将混合物的粉末放置于微波辐射场中，令其中的过渡金属氧化物粉末能够迅速升温，每一个微粒过度金属氧化物均成为一个热源，相当于无数个微热源被分散到聚乙烯粉末中，聚乙烯粉末中心区域到边缘区域均有发热热源，能对聚乙烯粉末进行均匀地加热烧结固化，提高了聚乙烯粉末烧结固化后内部质量，减小了因热辐射梯度引起的内外烧结质量不均匀，避免了外部表面过度烧结而中心烧结不足的问题。并通过预热处理缩短了现有聚乙烯烧结固化的时间。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提供一种聚乙烯粉末的烧结成型方法，其包括以下步骤：

步骤1，将聚乙烯粉末和过渡金属氧化物粉末按质量比为(5～20):1的比例混合，并搅拌均匀，得到聚乙烯粉末颗粒和过渡金属氧化物粉末的混合物；

步骤2，对混合物进行预热处理，预热温度为100℃～140℃，预热时间为20min～120min；

步骤3，取出混合物并对其进行微波烧结，微波烧结的温度为110℃～220℃，直至整个混合物完全固化。

微波烧结主要依靠材料在电磁场中由于介质损耗而引起的体加热。微波烧结意味着将微波电磁能转化为热能，其能量通过媒介以电磁波形式传递。这样物质的加热过程与物质内部的极化有着密切的关系。微波烧结具有加热速度快，设备占地面积小，清洁无污染的优点。

基于上述技术方案，本发明提供的聚乙烯粉末的烧结成型方法利用具有变价的过渡金属氧化物内部晶体结构存在缺陷，在微波烧结时，金属氧化物的电导率发生变化，在微波场中能够以电导损耗或者介电驰豫的方式将微波能转换为热能，在微波辐射下迅速升温，能量的转化效率远远高于传统的传热途径。也就是说金属氧化物粉末相当于热源，在聚乙烯粉末中掺杂金属氧化物粉末，相当于在聚乙烯粉末中均匀内置热源，能避免聚乙烯粉末受热不均。高分子粉末成型的条件是要把高分子粉末加热到将要融化的状态。而聚乙烯为非晶体结构，没有固定的熔点，其软化温度约为120℃～145℃，在此温度范围下，粉末微粒互相粘接，内部颗粒软化聚合形成需要的形状，即粉末完全固化。因此，本发明实施例提供的聚乙烯粉末的烧结成型方法能有效解决利用传统成型工艺方法产生的粉末烧结不均匀的问题，能使混合物从其外部表面至其芯部全部粘连在一起并完全固化，有效地避免了温度梯度导致的聚乙烯粉末中心区域和边缘区域烧结不一致的问题产生，解决了用传统的烧结方法所导致的聚乙烯粉末颗粒欠烧和过烧的问题，进而解决了聚乙烯粉末烧结不均匀的问题，提高了聚乙烯粉末的烧结质量。冷却后的混合物具有一定的强度和刚度，可以抵抗外力，防止变形。同时混合物也具有一定孔隙，能实现气体和液体的过滤与分离。上述步骤适合用于制造要求聚乙烯粉末成型后的孔径为0.1mm～1mm的样品。

预热处理能让混合物粉末内外有一个较高的初始温度，减少微波烧结的时间，缩短产品成型的时间，提高烧结效率。在本实施例中，将混合物放置于保温箱中进行预热处理，保温箱中的温度需要低于聚乙烯粉末的融化温度，因此预热时保温箱内的温度约为100℃～140℃。预热时间为20min～120min，若预热时间过长，只会浪费聚乙烯粉末烧结成型的时间，若预热时间过短，则会延长混合物所需的烧结时间，降低整个生产效率。

聚乙烯粉末和金属氧化物掺杂的粉末质量比为(5～20)：1，且在不同的掺杂比的情况下，其预热时间相同。优选地，在步骤1中，聚乙烯粉末和过渡金属氧化物粉末的质量比为(5～10)：1，掺杂比例适中，既能保证聚乙烯粉末中均匀掺杂有热源，又能使得固化后的混合物中聚乙烯粉末占有较大的比例，纯度高。当称取20g聚乙烯粉末时，只需要0.2g的金属氧化物粉末。金属粉末掺杂的量需要根据特定的情况进行特定的选择，即根据生产需要进行掺杂。

进一步的，当需要烧结成型后的高分子粉末的孔径低于0.1mm时，步骤2还包括：将混合物放入模具中，并对其进行压实。模具的形状根据所需求的聚乙烯粉末成型后的形状而定，可以为特定形状的模具。模具的材料为非金属材料，特别是不能为纯金属或者不锈钢模具。模具材料应当包含但不限于常用的木材模具。压实能让粉末的孔隙度降低，孔隙体积缩小。具体地，采用液压机将混合物压实，液压机的工作压强范围为5MPa～8MPa。液压机在工作时在行程的任何位置都可以产生液压机的最大压力，可以长时间保持压力，在本实施例中，保压时间为3min～10min。液压机的安全性能好，液压机工作时平稳撞击振动和噪声较小。综上，步骤2可以包括两个步骤，记为步骤2.1和步骤2.2。在步骤2.1中，将在步骤1中得到的混合物粉末放置于保温箱保温20min～30min。在步骤2.2中，将保温后的混合物粉末放置于特定形状的模具中并压实。其中步骤2.1和步骤2.2的顺序不限于本发明实施例描述的顺序，且当需要烧结成型后的聚乙烯粉末为大尺寸孔径的高分子粉末时，不需要将聚乙烯粉末压实，即步骤2.2可以被省略。这里所指的大孔径直径范围应当理解为0.1mm～1mm。

其中，在步骤3中，微波频率为0.8GHz～3GHz，在此频率下微波加热的效果较好。微波加热消除了混合物中的温度梯度，混合物体系中温度分布处处均衡。微波烧结能实现较大区域的均匀加热，使材料内部热应力减小，从而减小成型后的聚乙烯发生开裂、变形的概率。在步骤3中，使用者可采用微波炉对混合物粉末进行微波加热，将放有混合物粉末的模具放置于微波炉中烧结，直至固化后取出。更佳地，在步骤3中，采用功率范围在500W～3kW的微波炉对混合物进行微波烧结。微波炉的功率不同，聚乙烯粉末需要加热的时间也不同。微波烧结的时间与聚乙烯粉末的用量，金属粉末的掺杂量以及模具的具体形状有关。本实施例采用圆饼状的模具，经过试验，在保温箱中的时间为25min，在功率为700W，频率在2450MHz的民用微波炉中，混合物粉末需要烧结35分钟。

此外，本发明实施例提供的聚乙烯粉末的烧结成型方法还包括步骤4，将从步骤3得到的固化后的混合物冷却至室温后，对其进行表面处理。表面处理包括脱模检修和修理毛刺，抽样切片检查表层到里层孔隙变化情况等等。表面处理可进一步优化得到的成品，令聚乙烯粉末固化后的表面更加光滑。

特别的，过渡金属氧化物为有一定的晶体结构缺陷的氧化物，例如，过渡金属氧化物粉末为二氧化钛粉末或二氧化锌粉末或二氧化锆粉末。在相同的制造步骤和工艺参数的条件下，将三者分别与相同重量的聚乙烯粉末混合烧结后得到的混合物样品的质量是相同的。具体可参考以下的验证实验，其步骤如下：

步骤1，分别称取三份重量为20g聚乙烯粉末，分别放置于三个圆饼形的木质模具中，称取一份重量为0.2g的二氧化钛粉末放置于第一个模具中，利用机械对第一个模具中的粉末进行充分搅拌混合，得到混合物样品a；称取一份重量为0.2g的二氧化锆粉末放置于第二个模具中，利用机械对第二个模具中的粉末进行充分搅拌混合，得到混合物样品b；称取一份重量为0.2g的二氧化锌粉末放置于第三个模具中，利用机械对第三个模具中的粉末进行充分搅拌混合，得到混合物样品c；

步骤2，将三个模具中的混合物样品放入预热温度为110℃的保温箱中预热25min；

步骤3，待混合物粉末的温度与环境温度一致后，从保温箱中取出三个装有混合物样品的模具，并将以上三者放入频率相同且功率均为700W的民用微波炉中进行微波烧结，烧结时间为35min，固化后取出三个混合物样品。

对上述三个样品进行的分析观察，用外力掰断样品a、b和c，发现样品a、b和c需要借助机械工具才能将其掰断，三者的的断面质量基本一样，均比较平整，而且粉末掉落量极少。利用道具切断样品a、b和c后发现，三者的内部质量基本一致，肉眼下观察到三者的中心区域和边缘区域硬度均基本一致。通过验证实验的结果对比分析，证明了二氧化钛、二氧化锌和二氧化锆对微波的敏感程度基本一致，即三者在相同的掺杂比例下，经过相同的工艺处理后得到的混合物样品的质量相同，效果完全一样。

本发明实施例提供的聚乙烯粉末的烧结成型方法的效果可以通过对比实验验证。以下将通过对比实验将聚乙烯粉末烧结方法与传统的热传导烧结成型进行比较，进一步解释说明本发明实施例提供的一种聚乙烯粉末烧结方法的优点。对比试验的具体步骤如下：

步骤1，准备三个形状和材料完全相同的模具，分别称取两份重量为20g聚乙烯粉末，分别放置于两个模具中，称取一份重量为0.2g的二氧化钛粉末放置于第一个模具中，对第一个模具中的粉末进行充分搅拌混合，得到混合物样品d；称取一份重量为0.2g的二氧化钛粉末放置于第二个模具中，对第二个模具中的粉末进行充分搅拌混合，得到混合物样品e；称取一份重量为20.2g的聚乙烯粉末放置于第三个模具中，得到混合物样品f；

步骤2，将三个模具中的混合物样品放入同一个保温箱中预热，预热温度为110℃，预热时间为25min；

步骤3，待混合物粉末的温度与环境温度一致后，从保温箱中取出三个装有混合物样品的模具，将样品d放置于功率为700w，频率为2450MHz的微波炉中进行微波烧结，烧结温度为140℃，烧结时间为35min，固化后取出；将样品e和f放置于传统的聚乙烯粉末烧结炉中烧结，烧结温度为140℃，烧结时间为35min，固化后取出。

对上述三个样品进行的分析观察，用外力掰断样品d、e和f，其中样品e和f用手便能轻松将其掰断，且断面凹凸不平，有明显的大量粉末掉落，在肉眼观察下发现其中心区域和边缘区域硬度明显不一致。样品d需要借助机械工具才能将其掰断，断面不平度明显低于样品e，粉末掉落量极少，肉眼下观察到中心区域和边缘区域硬度基本一致。利用道具切断样品发现：样品e和f用较小的力气即可切开，断面切口不平，有大量粉末掉落，内部松散，有未烧结的部分；样品d用很大的力气才可切开，断面切口平整，内部无明显未烧结区域，无明显掉分现象，中心区域和边缘区域硬度一致。也就是说，本发明实施例提供的聚乙烯粉末的烧结成型方法解决了聚乙烯粉末烧结成型后外部表面过度烧结而中心烧结不足的问题。

在本实施例中，可选取二氧化钛粉末与聚乙烯粉末掺杂。在不同的微波炉功率条件下，烧结不同的时间，得到的混合物样品的质量不同。本实施例将五个样品放置于不同微波炉中烧结不同的时间，通过对比分析最后的烧结结果，得出最佳的微波烧结频率和烧结时间。具体的实施步骤如下：

步骤1，分别称取五份重量为20g聚乙烯粉末，分别放置于五个具有相同模具中，称取五份重量为0.2g的二氧化钛粉末，分别放置于对应的五个模具中，对五个模具中的粉末进行充分搅拌混合，得到五个混合物样品，可记为样品g、h、i、j和k；

步骤2，将五个模具中的混合物样品放入预热温度为110℃的保温箱中预热25min，采用液压机在相同的压强条件下压实五个混合物样品，并保压相同的时间；

步骤3，从保温箱中取出五份混合物样品，将五份混合物样品分别放入五个微波炉中进行微波烧结，其中五个微波炉的烧结温度相同，其频率均为2450MHz，区别在于：将g模具的混合物样品放置于功率为1KW的微波炉中烧结35min，将h模具的混合物样品放置于功率为1300W的微波炉中烧结35min，将i模具的混合物样品放置于功率为1500W的微波炉中烧结35min，将j模具的混合物样品放置于功率为1500W的微波炉中烧结20min，将k模具的混合物样品放置于功率为1500W的微波炉中烧结15分钟，待所有样品固化后取出。

对上述五个样品进行的分析观察如下：g、h、k三组模具中的混合物样品外表面情况基本一致，并且与上述对比实验中的样品d外形相同。样品i完全变黑碳化，为废品。样品j外表面略有黄色，具有过度烧结的现象。将五组样品分别在同一位置下切断，并观察其断面情况：g样品断面平整，且断面质量略高于上述对比实验中的样品d。样品h的断面略有过度烧结的浅黄色呈现，是烧结时间过长导致的。样品i内外一样，已经完全碳化为废品；样品j内部有明显的浅黄色，断面平整硬度较大。样品k内部没有过度烧结现象断面平整硬度大。所有样品切断时均无掉粉现象。

综上，本发明实施例所提供的一种聚乙烯粉末的烧结成型方法通过在聚乙烯粉末中掺杂无毒无害的过渡金属氧化物粉末，将过渡金属氧化物粉末均匀分散在聚乙烯粉末中，然后将混合物的粉末放置于微波辐射场中，令其中的过渡金属氧化物粉末能够迅速升温，每一个微粒过度金属氧化物均成为一个热源，相当于无数个微热源被分散到聚乙烯粉末中，聚乙烯粉末中心区域到边缘区域均有发热热源，能对聚乙烯粉末进行均匀地加热烧结固化，提高了聚乙烯粉末烧结固化后内部质量，减小了因热辐射梯度引起的内外烧结质量不均匀，避免了外部表面过度烧结而中心烧结不足的问题。并通过预热处理缩短了现有聚乙烯烧结固化的时间。

应当理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种聚乙烯粉末的烧结成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将聚乙烯粉末和过渡金属氧化物粉末按质量比为(5～20):1的比例混合，并搅拌均匀，得到聚乙烯粉末颗粒和过渡金属氧化物粉末的混合物；

步骤2，对所述混合物进行预热处理，预热温度为100℃～140℃，预热时间为20min～120min；

步骤3，取出所述混合物并对其进行微波烧结，微波烧结的温度为110℃～220℃，直至整个所述混合物固化。

2.根据权利要求1所述的聚乙烯粉末的烧结成型方法，其特征在于，所述步骤2还包括：将所述混合物放入模具中，并对其进行压实。

3.根据权利要求2所述的聚乙烯粉末的烧结成型方法，其特征在于，采用液压机将所述混合物压实，所述液压机的工作压强范围为5MPa～8MPa。

4.根据权利要求2所述的聚乙烯粉末的烧结成型方法，其特征在于，所述模具的材料为非金属材料。

5.根据权利要求1所述的聚乙烯粉末的烧结成型方法，其特征在于，还包括步骤4，将从步骤3得到的固化后的所述混合物冷却至室温后，对其进行表面处理。

6.根据权利要求1所述的聚乙烯粉末的烧结成型方法，其特征在于，在步骤3中，微波频率为0.8GHz～3GHz。

7.根据权利要求1或6所述的聚乙烯粉末的烧结成型方法，其特征在于，在步骤3中，采用功率范围在500W-3kW的微波炉对所述混合物进行微波烧结。

8.根据权利要求1所述的聚乙烯粉末的烧结成型方法，其特征在于，所述过渡金属氧化物粉末为二氧化钛粉末或二氧化锌粉末或二氧化锆粉末。

9.根据权利要求1或8所述的聚乙烯粉末的烧结成型方法，其特征在于，在步骤1中，所述聚乙烯粉末和所述过渡金属氧化物粉末的质量比为(5～10):1。