Открыть главное меню

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности


Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ, англ. Ultra-high molecular weight polyethylene, UHMW PE) — термопластичный полимер, конструкционный материал, пригодный для работы в экстремальных условиях эксплуатации.

Синонимы:

  • Полиэтилен с высоким модулем упругости (англ. High modulus polyethylene, HM PE);
  • Полиэтилен с высокими эксплуатационными характеристиками (англ. High performance polyethylene, HP PE).

Сверхвысокая масса молекул определяет уникальные свойства СВМПЭ, отличные от других разновидностей полиэтилена.

Содержание

История созданияПравить

В промышленности СВМПЭ впервые стали применяться в 1950-х годах фирмой «Ruhrchemie AG[de]», а в 1960-х годах А. Дж. Пеннингс, сотрудничая с компанией «DSM» (Нидерланды), синтезировал из СВМПЭ волоконные структуры с очень высокой прочностью. В 1970-х годах специалистами из DSM на основе открытий Пеннигса удалось создать волокна[1]. В мире СВМПЭ синтезируют следующие компании: Ticona, Braskem, DSM, Teijin (Endumax), Celanese и Mitsui.

СтроениеПравить

Молекула СВМПЭ состоит из длинных линейных цепочек полиэтилена (молекулярная масса — 1,5—11,5 млн. а. е. м.[2][3]) с относительно слабыми межмолекулярными связями (10—20 кДж/моль) (в отличие, например, от кевлара, с его относительно короткими молекулами и сильными межмолекулярными связями). Уровень параллельности ориентации молекул может превышать 95 %, а степень кристалличности доходит до 85 %.

СвойстваПравить

В связи со строением молекул СВМПЭ является термопластичным веществом с относительно невысокой температурой плавления (135—190 °С), поэтому изделия из СВМПЭ не рекомендуется эксплуатировать при температурах превышающих 80—100 °С. При нагревании выше температуры плавления СВМПЭ не переходит в вязкотекущее состояние, а лишь в высокопластичное[4].

СВМПЭ обладает очень низким для органических полимерных соединений водопоглощением, в пределах 0,01—0,05 %[5][6], что обусловлено отсутствием в молекулах СВМПЭ полярных групп (сложноэфирных, амидных, гидроксильных группировок). Поэтому свойства СВМПЭ не изменяются при воздействии воды (у кевлара прочность при намокании уменьшается в 2 раза из-за нарушения слабых водородных связей амидных групп, при высыхании прочность восстанавливается не полностью), а поверхность изделий из СВМПЭ — гладкая на ощупь.

СВМПЭ также устойчивы к воздействию большинства кислот и щелочей, ультрафиолетового и гамма[7] излучения и микроорганизмов[5][6][8]. При наличии долговременной статической нагрузки, действующей на растягивание, СВМПЭ деформируется пока существует механическое напряжение (такое свойство называется ползучестью).

Удельная плотность чистого СВМПЭ — примерно 0,93—0,94,г/см³ с добавками — 0,95 г/см³[5]. Отношение предела прочности на разрыв к массе у СВМПЭ на 40 % больше, чем у арамидных соединений типа кевлара[9][10].

СВМПЭ имеет достаточно высокий модуль упругости при изгибе — около 1 ГПа и разрушающее растягивающее или изгибное напряжение 20—40 МПа (~4 кгс/мм²)[6][8][5], уступая, таким образом, по разрушающим напряжениям лучшим высоколегированным малоуглеродистым высокочистым сталям в 50—100 раз, а по модулю упругости — в 200 раз (например, инструментальная сталь 4Х5МФС после низкотемпературной термомеханической обработки или аусформинга имеет напряжение разрушения σb≈250 кгс/мм² и предел текучести σ0,2≈180—230 кгс/мм²)[11]. Однако благодаря низкой плотности, в 8—8,5 раз меньшей, чем у сталей, и высокой усталостной прочности (выносливости), изделия из СВМПЭ могут конкурировать по показателю прочность/собственный вес с изделиями из низкопрочных конструкционных сталей и даже превосходить их.

Основные свойства СВМПЭ, обуславливающие его применение, — очень высокая износостойкость, низкий коэффициент трения и высокая вязкость разрушения (низкотемпературная надёжность). Так, по износостойкости СВМПЭ при допустимых для него температурах эксплуатации и некоторых абразивах превосходит тефлоны и даже углеродистые стали[12]. Коэффициент трения СВМПЭ (по стали) — около 0,1[13]. Коэффициент ударной вязкости — 170 кДж/м² (с надрезом — до 80 кДж/м²), рабочие температуры — от минус 150 °С или даже минус 260 °С[6] (по другим данным — от минус 80 °С) до плюс 80—90 °С[14][7].

Технология производстваПравить

Синтез СВМПЭ производится с применением металлоценовых катализаторов из мономера — этилена, при этом количество мономеров в одной молекуле на несколько порядков больше, чем у полиэтилена высокой плотности. Для синтеза СВМПЭ применяются установки низкого давления.

Переработанный СВМПЭ порошок выпускается на рынке либо в виде волокон, либо в консолидированной форме, например в виде листов, пленок, профилей или стержней.

Изделия из СВМПЭ получаются следующими методами обработки:

  • Прессование;
  • Непрерывное профильное прессование, или штранг-прессование
  • Гель-формирование (гель-прядение);
  • Плунжерная экструзия.

Именно с помощью гель-формирования получают самые прочные волокна марок «Дайнима» и «Спектра» для тросов, строп, широко используются в баллистической защите, оборонных применениях и всё чаще в медицинских устройствах.

Производство в РоссииПравить

В России существуют несколько установок синтеза порошков СВМПЭ:

ПрименениеПравить

  • В военном деле: создание бронежилетов на основе волокон СВМПЭ (баллистические жилеты, пуленепробиваемые жилеты) различных классов защиты, шлемы. При изготовлении ткани из волокон СВМПЭ накладываются под разными углами (мультиаксиальная ткань из слоев однонаправленного шпона UD — UniDirectional), что увеличивает прочность многослойного пакета.
  • В машиностроении (бумагодельные машины и др.): коэффициент трения изделий и износостойкость из СВМПЭ приближается к фторопластам, при значительно меньшей стоимости. Детали из СВМПЭ используются для уплотнений в гидравлических и пневматических системах и в узлах сухого трения.
  • В электротехнике: изоляторы, изоляция кабелей и др.
  • В транспорте, судостроении: панелями из СВМПЭ облицовываются стапели судостроительных верфей. Канаты и тросы используются для буксировки, швартовки и якорных устройств на судах: при этом прочность и износостойкость таких канатов на единицу массы выше, чем у стальных некоторых марок, их свойства не меняются при намокании, такие тросы не тонут в воде и не нуждаются в смазке. Особенно известны тросы из волокон СВМПЭ «Дайнима» («ДСМ», Нидерланды), «Спектра» («Хонивелл», США).
  • В спорте: противоукольная защита в фехтовании, стропы парашютов, леска для рыбной ловли, тросы для альпинизма, в производстве лыж и сноубордов (в сочетании с углеволокном, увеличивая прочность и гибкость), синтетический лед (покрытие для ледовых видов спорта: хоккей, кёрлинг).
  • В медицине для создания эндопротезов суставов (тазобедренных, коленных, позвонков). Здесь в основном применяются «сшитые» СВМПЭ.
  • Компаунд на основе СВМПЭ, СВМПЭ гранула. Композиция предназначена для использования в термопласт-автоматах в качестве основного полимера или добавки повышающей износостойкость, стойкость к растрескиванию, вязкость разрушения, низкотемпературную надёжность, химическую стойкость. Формы выпуска СВМПЭ гранулы: листы, плиты, пластины, плёнка, труба, оболочка для кабельной продукции, профиль.
  • Труба из СВМПЭ. Это износостойкие трубопроводные системы для конкретных операций перемещения абразивных материалов: минералов, угля, кормов, отходов; внутризаводские трубопроводы отходов, суспензий, паст и т. п. технологических потоков.
  • Ткани из СВМПЭ применяются также для производства травмобезопасных перчаток в спорте, медицине, промышленности (перчатки стойкие к порезу, износостойкие перчатки)[16].

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. «Спектра» и прочие «волшебные» верёвочки…".
  2. Materials Database. tools.celanese.com. Дата обращения 24 мая 2019.
  3. Kurtz, Steven M., 1968-. The UHMWPE handbook : ultra-high molecular weight polyethylene in total joint replacement. — Amsterdam: Academic Press, 2004. — 1 online resource (xiv, 379 pages) с. — ISBN 1417537221, 9781417537228, 9780124298514, 0124298516.
  4. Андреева И. Н., Веселовская Е. В., Наливайко Е. И. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности. — Л.: Химия, 1982. — 80 с.
  5. 1 2 3 4 Пластмассы СПб. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен PE 1000 (PE-UHMW).
  6. 1 2 3 4 Фторопластовые технологии. Высокомолекулярный полиэтилен и его виды.
  7. 1 2 Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) – материал для экстремальных условий эксплуатации. www.catalysis.ru. Дата обращения 23 мая 2016.
  8. 1 2 РустХим. ПОЛИЭТИЛЕН.
  9. Сверхмолекулярный полиэтилен высокой плотности и материалы на его основе. Mastermodel.ru
  10. Материалы и продукция на основе СВМПЭ. www.catalysis.ru. Дата обращения 23 мая 2016.
  11. Иванова В. С., Городиенко Л. К., Геминов В. Н. и др. Роль дислокаций в упрочнении и разрушении металлов / Иванова В.С. — Наука, 1965. — 180 с. — 4500 экз.
  12. Сверхвысокомолекулярный (высокомолекулярный) полиэтилен СВМПЭ. propolyethylene.ru. Дата обращения 23 мая 2016.
  13. Наука и технологии России - Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) – материал для экстремальных условий. www.strf.ru. Дата обращения 23 мая 2016.
  14. Высокомолекулярный полиэтилен и его виды. - Фторопласт в Сибири и на Дальнем Востоке - ЗАО "Фторопластовые технологии" - Новосибирск. ftoroplastsib.ru. Дата обращения 23 мая 2016.
  15. Сверхвысокий полиэтилен: рынок в ожидании переработчиков
  16. Эрлих Э. «Сравнение „кольчужных“ перчаток из кевлара и дайнима»