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超高分子量聚乙烯/活性炭微孔滤材连续挤出成型研究

作　者: 方晓峰
导　师: 何继敏
学　校: 北京化工大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 活性炭超高分子量聚乙烯微孔过滤挤出
分类号: TQ424.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

活性炭微孔滤材由于其自身良好的过滤吸附性能,能有效除去水中颗粒、色度、有机污染物和一些重金属,被广泛应用于净水、环保、催化等工业部门。常规活性炭滤材大多采用模压烧结法,但由于成型周期长、成本高等原因不利于大规模工业化生产,因此如何有效连续生产、降低成本,提高活性炭滤材的吸附性能和利用率成为当今研究的热门话题。本文采用一种新型的活性炭滤材制备方法—活性炭单螺杆挤出法,来连续挤出制备活性炭滤材。论文主要内容：自主设计了活性炭滤材专用单螺杆挤出机,并研究活性炭滤材的成型配方条件,通过实验研究,可以实现高效地生产性能优良、成本低廉的活性炭滤材。此外,还分析了活性炭颗粒之间成孔的堆积模型,并采用Fluent软件模拟了不同堆积模型下的渗流速率。本文得出以下结论：(1)自主设计、建立了一套活性炭滤材专用单螺杆挤出实验装置,其具有较小的压缩比和长径比,能够实现以UHMWPE为粘结剂的活性炭微孔滤芯的连续挤出成型。(2)通过比较不同模具定型套长度和温度对活性炭滤芯口模挤出状态和滤芯粘结效果的影响,结果表明：模具定型套长度增加、温度降低,活性炭滤芯越难挤出,并且挤出滤芯表面越光滑密实,活性炭的孔隙结构和堆积越差；确定了适合UHMWPE/活性炭混合物挤出的模具定型套。(3)研究了活性炭含量和粒径、粘结剂(HDPE、UHMWPE)类型对活性炭滤芯的挤出成型和粘结效果的影响,结果表明：活性炭含量越高,粒径越小,物料越难挤出；且粘结效果越差；采用UHMWPE粘结剂成型的活性炭滤芯孔隙结构由于HDPE。(4)研究了UHMWPE型粘结剂的分子量、含量对活性炭滤芯的结构(平均孔径、孔径分布、孔隙率)和性能(密度、压缩强度)的影响,结果表明：随着UHMWPE的分子量的增加,活性炭滤芯的平均孔径和孔隙率增大,密度和压缩强度减小；随着GUR4150含量的增加,所制备的活性炭滤芯的孔隙率、密度和压缩强度等都有所下降,平均孔径先上升后下降。(5)提出了活性炭滤芯的孔隙堆积模型,模拟计算和比较了简单立方、体心立方和面心立方三种堆积模型下的滤芯孔径、孔隙率和渗透速率。(6)最终制得的活性炭滤芯(以GUR4150型UHMWPE粘结剂,活性炭含量80%)最佳结构,其平均孔径为44.34μm,孔隙率为56.31%,密度为0.52g/cm3,压缩强度为0.89MPa。其结构性能可与烧结成型活性炭滤芯相媲美。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-19
第一章绪论  19-31
  1.1 引言  19-20
  1.2 UHMWPE过滤材料成型方法  20-23
    1.2.1 颗粒烧结法  20-21
    1.2.2 热致相分离法  21-22
    1.2.3 添加成孔剂法  22-23
  1.3 活性炭过滤材料的成型方法  23-27
    1.3.1 活性炭颗粒烧结法  23-24
    1.3.2 活性炭螺杆挤出法  24-27
  1.4 活性炭滤芯应用及发展  27-28
  1.5 研究目的和意义  28-29
  1.6 研究重点与难点  29
  1.7 研究内容  29-31
第二章实验原料、装置、方案及性能测试  31-41
  2.1 原料选择  31-32
    2.1.1 活性炭的选择  31
    2.1.2 粘结剂树脂的选择  31-32
    2.1.3 其它添加剂的选择  32
  2.2 实验装置  32-36
    2.2.1 专用单螺杆挤出机设计  32-36
    2.2.2 高速混合机  36
    2.2.3 电热恒温鼓风干燥箱  36
  2.3 实验方案  36-39
    2.3.1 实验样品制备的工艺路线  36-37
    2.3.2 实验技术路线  37-39
  2.4 性能测试及表征方法  39-40
    2.4.1 密度测试  39
    2.4.2 压缩强度测试  39-40
    2.4.3 扫描电子显微镜观察  40
    2.4.4 压汞仪测试  40
  2.5 本章小结  40-41
第三章 UHMWPE/活性炭微孔滤材的挤出过程与成型机理  41-51
  3.1 UHMWPE/活性炭微孔滤材成型工艺条件  41-42
    3.1.1 原料干燥  41
    3.1.2 原料混合  41-42
    3.1.3 实验挤出工艺条件  42
  3.2 UHMWPE/活性炭微孔滤材挤出状态的变化  42-44
    3.2.1 物料在机筒内的挤出状态  42-43
    3.2.2 模具定型套的温度对挤出状态的影响  43-44
    3.2.3 模具定型套的长度对挤出状态的影响  44
  3.3 UHMWPE/活性炭微孔滤材挤出难易程度的影响因素  44-46
    3.3.1 纯UHMWPE的挤出  44-45
    3.3.2 活性炭含量对挤出难易程度的影响  45
    3.3.3 活性炭粒径对挤出难易程度的影响  45-46
  3.4 UHMWPE/活性炭微孔滤材粘结效果的影响因素  46-48
    3.4.1 形成过程对活性炭滤芯粘结效果的影响  46
    3.4.2 不同粘结剂对活性炭滤芯粘结效果的影响  46-47
    3.4.3 不同含量粘结剂对活性炭滤芯粘结效果的影响  47-48
  3.5 物料的预处理对UHMWPE/活性炭微孔滤材的影响  48-50
    3.5.1 活性炭的预处理对挤出成型的影响  49-50
    3.5.2 物料的混合效果对挤出成型的影响  50
  3.6 本章小结  50-51
第四章滤芯过滤机理与模拟计算  51-65
  4.1 UHMWPE/活性炭微孔滤材过滤机理  51-52
    4.1.1 滤芯的物理截流  51-52
    4.1.2 滤芯的吸附  52
  4.2 UHMWPE/活性炭微孔滤材的孔隙模型  52-53
  4.3 三种粉末颗粒堆积模型计算  53-55
  4.4 多孔介质的阻力因素  55-58
  4.5 三种堆积模型的模拟计算  58-63
    4.5.1 模型建立与网格划分  58-59
    4.5.2 计算域的设置  59-60
    4.5.3 计算结果与讨论  60-63
  4.6 本章小结  63-65
第五章成型设备和配方对微孔滤材结构和性能的影响  65-79
  5.1 模具定型套对活性炭滤芯结构的影响  65-66
  5.2 活性炭粒径对活性炭滤芯结构的影响  66-67
  5.3 粘结剂类型对活性炭滤芯结构的影响  67-69
  5.4 UHMWPE型粘结剂的分子量对活性炭滤芯结构与性能的影响  69-73
    5.4.1 分子量对活性炭滤芯平均孔径的影响  69-70
    5.4.2 分子量对活性炭滤芯孔径分布的影响  70-71
    5.4.3 分子量对活性炭滤芯孔隙率的影响  71
    5.4.4 分子量对活性炭滤芯密度的影响  71-72
    5.4.5 分子量对活性炭滤芯压缩强度的影响  72-73
  5.5 UHMWPE型粘结剂含量对活性炭滤芯结构与性能的影响  73-77
    5.5.1 含量对活性炭滤芯平均孔径的影响  73-74
    5.5.2 含量对活性炭滤芯孔径分布的影响  74-75
    5.5.3 含量对活性炭滤芯孔隙率的影响  75-76
    5.5.4 含量对活性炭滤芯密度的影响  76
    5.5.5 含量对活性炭滤芯压缩强度的影响  76-77
  5.6 挤出滤芯与烧结滤芯对比  77-78
  5.7 本章小结  78-79
第六章全文总结  79-81
  6.1 课题主要工作  79
  6.2 课题研究的主要结论  79-80
  6.3 课题的创新点  80
  6.4 有待进一步研究内容  80-81
参考文献  81-83
致谢  83-85
发表的学术论文  85-87
作者及导师简介  87-89
附件  89-90

超高分子量聚乙烯/活性炭微孔滤材连续挤出成型研究

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