Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности (СВМПЭ, англ. Ultra-high molecular weight polyethylene, UHMW PE), синонимы:

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

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

История создания[править | править код]

В промышленности СВМПЭ впервые стали применяться в 1950-х годах фирмой «Рурхеми АГ» («Ruhrchemie AG»), а в 1960-х годах А. Дж. Пеннингс, сотрудничая с компанией «ДСМ» («DSM»), (Нидерланды) синтезировал из СВМПЭ волоконные структуры с очень высокой прочностью. В 1970-х годах специалистами из ДСМ на основе открытий Пеннигса удалось создать волокна.[1]

Строение[править | править код]

Молекула СВМПЭ состоит из длинных линейных цепочек полиэтилена (молекулярная масса — 3.5—7.5 млн. а.е.м.[2]) 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 %.

Свойства[править | править код]

В связи со строением молекул СВМПЭ является термопластичным веществом с относительно невысокой температурой плавления (144—152 °С), поэтому изделия из СВМПЭ не рекомендуется эксплуатировать при температурах превышающих 80—100 °С.

СВМПЭ обладает очень низким для органических полимерных соединений водопоглощением, в пределах 0,01—0,05%[3][4], 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[5] излучения и микроорганизмов[3][4][6]. 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[3]. Отношение предела прочности на разрыв к массе у СВМПЭ на 40 % больше, чем у арамидных соединений типа кевлара[7][8].

СВМПЭ имеет достаточно высокий модуль упругости при изгибе — около или чуть больше 1 ГПа и разрушающее растягивающее или изгибное напряжение 20—40 МПа (~4 кгс/мм2)[4][6][3], 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 Н11 после низкотемпературной термомеханической обработки или аусформинга имеет напряжение разрушения σb≈250 кГс/мм2 и предел текучести σ0,2≈180—230 кгс/мм2)[9]. 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[10]. Коэффициент трения СВМПЭ (по стали) — около 0,1[11]. Коэффициент ударной вязкости — 170 кДж/м2 (с надрезом — до 80 кДж/м2), рабочие температуры — от минус 150 °С или даже минус 260 °С[4] (по другим данным — от минус 80 °С) до плюс 80—90 °С[12][5].

Технология производства[править | править код]

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. Изделия из СВМПЭ получаются следующими методами обработки:

Именно с помощью гель-формирования получают самые прочные волокна марок «Дайнима», «Спектра» для тросов, строп и пр.

Производство в России[править | править код]

В России установлены три опытные установки для производства СВМПЭ:

  • «Томскнефтехим», проектная мощность 1000 т/год;
  • «Казаньоргсинтез» (управляющая компания «Полинит», г.Москва), проектная мощность 1000 т/год.[13]
  • ООО «Формопласт»  г. Санкт-Петербург, предприятие возникло на базе технологической лаборатории Объединения «Пластполимер».

Применение[править | править код]

  • 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.[14]
  • 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).[15]

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. «Спектра» и прочие «волшебные» верёвочки…".
  2. 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.
  3. 1 2 3 4 Пластмассы СПб. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен PE 1000 (PE-UHMW).
  4. 1 2 3 4 Фторопластовые технологии. Высокомолекулярный полиэтилен и его виды.
  5. 1 2 Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) – материал для экстремальных условий эксплуатации. www.catalysis.ru. Проверено 23 мая 2016.
  6. 1 2 РустХим. ПОЛИЭТИЛЕН.
  7. Сверхмолекулярный полиэтилен высокой плотности и материалы на его основе. Mastermodel.ru
  8. Материалы и продукция на основе СВМПЭ. www.catalysis.ru. Проверено 23 мая 2016.
  9. 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.
  10. Сверхвысокомолекулярный (высокомолекулярный) полиэтилен СВМПЭ. propolyethylene.ru. Проверено 23 мая 2016.
  11. Наука и технологии России - Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) – материал для экстремальных условий. www.strf.ru. Проверено 23 мая 2016.
  12. Высокомолекулярный полиэтилен и его виды. - Фторопласт в Сибири и на Дальнем Востоке - ЗАО 'Фторопластовые технологии' - Новосибирск. ftoroplastsib.ru. Проверено 23 мая 2016.
  13. Сверхвысокий полиэтилен: рынок в ожидании переработчиков
  14. Сверхмолекулярный полиэтилен: рынок в ожидании переработчиков
  15. Эрлих Э. «Сравнение „кольчужных“ перчаток из кевлара и дайнима»