一种聚合物基多孔材料微波烧结成型方法及制得的聚合物基多孔材料与流程

本发明属于多孔型聚合物材料成型技术领域，尤其涉及一种聚合物基多孔材料微波烧结成型方法及制得的聚合物基多孔材料。

背景技术：

由于不同的材料、不同的物相对微波的吸收存在差异，因此，利用微波具有的特殊波段与材料的基本细微结构耦合而产生热量，可对物相进行选择性加热，实现材料中大区域的零梯度均匀加热，并且微波烧结具有升温速度快、能源利用率高、加热效率高和安全环保无污染等特点，成为材料烧结的新工艺方法，广泛用于制备不锈钢、铜锌合金、钨铜合金、镍基高温合金、硬质合金及电子陶瓷等。发明cn110375543a公开了介电材料连续微波烧结或熔制成型方法及设备，利用微波具有的特殊波段与材料的基本细微结构耦合而产生热量，材料的介质损耗使其材料整体加热至烧结温度或熔化温度而达到制品致密化烧结或熔制的效果。发明cn109837411a公开了一种微波烧结碳纳米管增强铜基复合材料，改善了铜基粉末合金的硬度、耐磨性，为制备高性能的碳纳米管增强铜基复合材料提供一种新的生产工艺。

目前，微波烧结已成为材料烧结领域的新的研究热点，但在聚合物领域还没有相应研究。聚合物基多孔材料具有优异的综合性能，广泛运用于各个领域，但目前所采用的方法如粉末烧结法、热致相分离法、无机物填充法等，均存在成型周期长、加热不均匀、操作复杂等缺点；将微波烧结引入聚合物基多孔材料的成型方法，将极大地提高生产效率和能源利用率，适用于大规模生产。并且利用微波对液体的选择性加热，如甘油，可以使聚合物基体均匀受热，得到孔隙率和孔径可调、结构均匀的聚合物基多孔材料。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提供了一种聚合物基多孔材料微波烧结成型方法及制得的聚合物基多孔材料。本发明提供的方法是一种使制品孔隙率高、孔隙率及孔径大小可调、加热速率快、烧结速度快、生产效率高的制备聚合物基多孔材料的微波烧结成型方法。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

本发明提供的一种聚合物基多孔材料微波烧结成型方法，包括如下步骤：

(1)称取聚合物微粉和可微波加热的液体，将聚合物粉末加入可微波加热的液体中，混合均匀，得到混合液(具有一定粘度的流体状态)；

(2)将步骤(1)所述混合液装入模具中，平铺，使其完整覆盖模具型腔，调节微波控制箱，设定好所需要的温度，然后将模具放置于微波控制箱中，打开微波控制开关，然后进行微波加热烧结处理，取出模具，打开模具型腔，取出制品，得到烧结后的样品；

(3)将步骤(2)所述烧结后的样品浸泡在水中，超声处理，然后放入烘箱烘干，除去液相，得到所述聚合物基多孔材料(开孔性多孔材料)。

进一步地，步骤(1)所述聚合物粉末的微观形态为球状或椭球状，平均粒径25-150μm。所述聚合物粉末基本上不吸收或很少吸收微波。

进一步地，步骤(1)所述聚合物为高密度聚乙烯、聚丙烯、超高分子量聚乙烯、聚四氟乙烯及聚砜塑料等中的一种以上。所述聚合物为纯料粉末或添加有助剂的聚合物混合物。

进一步地，步骤(1)所述可微波加热的液体为甘油、乙二醇、环丁砜中的一种以上。所述可微波加热的液体可溶于水。所述可微波加热的液体能在不同程度上吸收微波，形成加热效果。

进一步地，步骤(1)所述聚合物粉末与可微波加热的液体的质量比为6：4-2：8。

进一步地，步骤(2)所述微波加热烧结处理的温度为170-200℃。

进一步地，步骤(2)所述微波加热烧结处理的时间为2-10分钟。

进一步地，步骤(3)所述超声处理的时间为3-5小时。

进一步地，，步骤(3)所述烘干的温度为70-80℃，烘干的时间为3-5小时。

本发明提供一种由上述的微波烧结成型方法制得的聚合物基多孔材料。

本发明提供的聚合物基多孔材料是利用微波对液体的选择性加热，达到快速加热效果，实现聚合物粉末颗粒间的粘接，来得到所需要的多孔材料，通过改变液体和聚合物粉末的配比，来调节孔隙率和孔径大小。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)本发明采用微波烧结法对聚合物微粉和可微波加热的液体进行加热和烧结，对物料的加热速率快、烧结速率快、生产效率高、孔隙率高；

(2)本发明利用微波对液体的选择性加热，通过对液体在多孔粉末中所形成的连续相形成整体加热的效果，实现材料中大区域的零梯度均匀加热，使物料受热均匀，减少制品中的热应力，所得产品的开孔性好、多孔结构均匀；

(3)本发明利用微波对液体的选择性加热，聚合物微粉在加热过程中形态基本不受影响，而液相可以实现很好的加热效果，实现对加热区域的控制，还可以通过调节聚合物粉末和液体的不同配比调控多孔材料孔隙率和孔径大小；

(4)本发明所用的微波烧结成型方法易于控制、安全、无污染，且成型时间短、操作简单、易于控制，适用于大规模生产。

附图说明

图1a和图1c分别为实施例1中制得的聚合物基多孔材料在不同放大比例的微观形貌sem图；

图1b为实施例2中制得的聚合物基多孔材料的微观形貌sem图。

具体实施方式

以下结合实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可以通过市售购买得到的常规产品。

实施例1

利用本发明所述聚合物基多孔材料微波烧结成型方法，包括以下步骤：

(1)清理模具：将模具型腔清理干净。

(2)加料：用电子秤称取配比为4：6的超高分子量聚乙烯微粉和甘油，将聚合物粉末加入到甘油中，将两组分均匀混合，形成具有一定粘度的流体状态，得到混合物。

(3)装模：将所述混合物装入模具中，平铺，使其完整覆盖模具型腔。

(4)控温：调节微波控制箱，置于170-200℃的温度区间，设定好所需要的温度，实施例1设定的温度为200摄氏度。

(5)微波烧结：将模具放置于微波控制箱中烧结，计时2分钟。

(6)冷却与取件：计时结束后，微波烧结成型过程完成，关闭温度控制箱取出模具，当温度降至室温时，取出制品，修整。

(7)将所得的样品置于去离子水中，超声处理5小时，然后放入烘箱，于70℃温度下烘干3小时，除去甘油相，得到所述聚合物基多孔材料。

(8)将所得样品进行孔隙率测试、微观形貌测试及力学性能测试。

实施例2(实施例1-2选用超高分子量聚乙烯微粉进行微波烧结实验，牌号为xm220，区别在于超高分子量聚乙烯和甘油的配比不一样)

利用本发明所述聚合物基多孔材料微波烧结成型方法，包括以下步骤：

(1)清理模具：将模具型腔清理干净。

(2)加料：用电子秤称取配比为2：8的超高分子量聚乙烯微粉和甘油，将聚合物粉末加入到甘油中，将两组分均匀混合，形成具有一定粘度的流体状态，得到混合物。

(3)装模：将混合物装入模具中，平铺，使其完整覆盖模具型腔。

(4)控温：调节微波控制箱，置于170-200℃的温度区间，设定好所需要的温度，实施例2设定的温度为200摄氏度。

(5)微波烧结：将模具放置于微波控制箱中烧结，计时2分钟。

(6)冷却与取件：计时结束后，微波烧结成型过程完成，关闭温度控制箱取出模具，当温度降至室温时，取出制品，修整。

(7)将所得的样品置于去离子水中，超声处理5小时，然后放入烘箱，于70℃温度下烘干3小时，除去甘油相，得到所述聚合物基多孔材料。

(8)将所得样品进行孔隙率测试、微观形貌测试及力学性能测试。

实施例3

利用本发明所述聚合物基多孔材料微波烧结成型方法，包括以下步骤：

(1)清理模具：将模具型腔清理干净。

(2)加料：用电子秤称取配比为4：6的超高分子量聚乙烯微粉和环丁砜，将聚合物粉末加入到环丁砜中，将两组分均匀混合，形成具有一定粘度的流体状态，得到混合物。

(3)装模：将混合物装入模具中，平铺，使其完整覆盖模具型腔。

(4)控温：调节微波控制箱，置于170-200℃的温度区间，设定好所需要的温度，实施例3设定的温度为170摄氏度。

(5)微波烧结：将模具放置于微波控制箱中烧结，计时3分钟。

(6)冷却与取件：计时结束后，微波烧结成型过程完成，关闭温度控制箱取出模具，当温度降至室温时，取出制品，修整。

(7)将所得的样品置于去离子水中，超声处理5小时，然后放入烘箱，于70℃温度下烘干3小时，除去环丁砜相，得到所述聚合物基多孔材料。

(8)将所得样品进行孔隙率测试、微观形貌测试及力学性能测试。

实施例4

利用本发明所述聚合物基多孔材料微波烧结成型方法，包括以下步骤：

(1)清理模具：将模具型腔清理干净。

(2)加料：用电子秤称取配比为2：8的超高分子量聚乙烯微粉和环丁砜，将聚合物粉末加入到环丁砜中，将两组分均匀混合，形成具有一定粘度的流体状态，得到混合物。

(3)装模：将混合物装入模具中，平铺，使其完整覆盖模具型腔。

(4)控温：调节微波控制箱，置于170-200℃的温度区间，设定好所需要的温度.实施例4设定的温度为180摄氏度。

(5)微波烧结：将模具放置于微波控制箱中烧结，计时3分钟。

(6)冷却与取件：计时结束后，微波烧结成型过程完成，关闭温度控制箱取出模具，当温度降至室温时，取出制品，修整。

(7)将所得的样品置于去离子水中，超声处理5小时，然后放入烘箱，于70℃温度下烘干3小时，除去环丁砜相，得到所述聚合物基多孔材料。

(8)将所得样品进行孔隙率测试、微观形貌测试及力学性能测试。

对比例1(对比例1-2选用超高分子量聚乙烯粉末进行微粉烧结实验，牌号为xm220，区别在于超高分子量聚乙烯粉末的加料量不同)

(1)清理模具：将模具型腔清理干净，并喷涂一层脱模剂。

(2)加料：用电子秤称取3g的uhmwpe(即超高分子量聚乙烯，牌号为xm220)微粉，之后将粉末装入模具型腔中，装填完成后，对模具加以振荡，尽可能的保证物料装填的均匀。

(3)固定模具：合上阴模和阳模，并用螺栓连接固定。

(4)调节温度控制箱，使其于170-200℃的温度区间，设定所需要的烧结温度，对比例1设定的温度为200摄氏度，达到预定的烧结温度后，对装填好的成型模具进行加热烧结，当温度控制箱示数达到规定的烧结温度且稳定时，烧结10分钟。

(5)冷却与取件：计时结束后，烧结过程完成，关闭温度控制箱和电路控制系统，取出模具，放入25℃的水中，快速冷却，当温度降至室温时，停止冷却，取出烧结制品，修整。

(6)将所得样品在70℃温度下烘干3小时，进行孔隙率测试、微观形貌测试及力学性能测试。

对比例2(对比例1-2选用超高分子量聚乙烯粉末进行微粉烧结实验，牌号为xm220，区别在于超高分子量聚乙烯粉末的加料量不同)

(1)清理模具：将模具型腔清理干净，并喷涂一层脱模剂。

(2)加料：用电子秤称取4g的uhmwpe(即超高分子量聚乙烯，牌号为xm220)微粉，之后将粉末装入模具型腔中，装填完成后，对模具加以振荡，尽可能的保证物料装填的均匀。

(3)固定模具：合上阴模和阳模，并用螺栓连接固定。

(4)调节温度控制箱，使其于170-200℃的温度区间，设定所需要的烧结温度，对比例2设定的温度为200摄氏度，达到预定的烧结温度后，对装填好的成型模具进行加热烧结，当温度控制箱示数达到规定的烧结温度且稳定时，烧结10分钟。

(5)冷却与取件：计时结束后，烧结过程完成，关闭温度控制箱和电路控制系统，取出模具，放入25℃的水中，快速冷却，当温度降至室温时，停止冷却，取出烧结制品，修整。

(6)将所得样品在70℃温度下烘干3小时，进行孔隙率测试、微观形貌测试及力学性能测试。

表1实施例、对比例的孔隙率、力学性能

由表1可以看出，对比例1-2是传统烧结工艺，烧结时间长，且孔隙率较低，主要是由于传统烧结工艺是通过上下两块模板热传导加热，导致制品内部受热非常不均匀，制品靠近压板处过度熔融，芯层还未开始熔融，此外由于压力的作用，制品表面完全熔融压制，存在较大的温差，也会影响制品孔隙的均一性。

实施例1-4利用微波对液体的选择性加热，通过对液体在聚合物微粉中所形成的连续相，形成整体加热的效果，实现材料中大区域的零梯度均匀加热，使物料受热均匀，减少制品中的热应力，所得产品的开孔性好、多孔结构均匀，孔隙率提高了200％-400％，力学性能虽然有一定的下降，但还是保持较高的压缩和弯曲强度，不影响制品的实际使用性能，可以根据多孔材料的实际使用要求。由图1a和1b的微观形貌sem图可以比较直观地发现，增加甘油的添加量，多孔结构表现为较多的孔洞，即提高了样品的孔隙率，因此，改变聚合物微粉和液体的配比实现调控多孔制品的孔隙率。附图1c为实施例1较高放大倍数下的多孔结构微观形貌图，可以发现，所得样品的多孔结构排列较为均匀，这保证了产品在使用过程性能的均匀性和稳定性。

以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。