Сверхвысокомолекуля́рный полиэтилéн ( 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.

История создания

В промышленности СВМПЭ впервые стали применять в 1950-х годах фирмой « ». 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 . В мире СВМПЭ синтезируют компании Ticona, Braskem, DSM, Teijin (Endumax), Celanese и Mitsui.

Строение

Молекула СВМПЭ состоит из длинных линейных цепочек полиэтилена с молекулярной массой 1,5—11,5 млн а. е. м. , степень полимеризации мономера — этилена более 100 тысяч 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 в ориентации линейных молекул может превышать 95 %, а степень доходит до 85 %.

Свойства

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

СВМПЭ обладает очень низким для органических полимерных соединений водопоглощением , в пределах 0,01—0,05 % , что обусловлено отсутствием в молекулах СВМПЭ полярных групп (сложноэфирных, амидных, гидроксильных группировок). Поэтому свойства СВМПЭ не изменяются при воздействии воды (для сравнения, у кевлара прочность при намокании уменьшается в два раза из-за нарушения слабых водородных связей амидных групп, при высыхании прочность восстанавливается не полностью). СВМПЭ также устойчивы к воздействию большинства кислот и щелочей , ультрафиолетового и гамма излучения и микроорганизмов .

Удельная плотность чистого СВМПЭ — примерно 0,93—0,94 г/см³ с добавками — 0,95 г/см³ . Отношение предела прочности на разрыв к массе у СВМПЭ на 40 % больше, чем у арамидных соединений типа кевлара . При наличии долговременной статической нагрузки, действующей на растягивание, СВМПЭ деформируется пока существует механическое напряжение (свойство называют «ползучестью»).

СВМПЭ имеет достаточно высокий модуль упругости при изгибе — около 1 ГПа и разрушающее растягивающее или изгибное напряжение 20—40 МПа (~4 кгс/мм²) , 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 σ _b составляет около 250 кгс/мм² и предел текучести σ _0,2 равен 180—230 кгс/мм²) . 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 . Коэффициент трения СВМПЭ (по стали) — около 0,1 . Коэффициент ударной вязкости — 170 кДж/м² (с надрезом — до 80 кДж/м²), рабочие температуры — от −150 °С или даже −260 °С (по другим данным — от −80 °С) до +80—90 °С .

Технология производства

Синтез СВМПЭ производят 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 применяют установки низкого давления .

Переработанный СВМПЭ порошок выпускают на рынок либо в виде волокон, либо в консолидированной форме, например в виде листов, плёнок, профилей или стержней.

Изделия из СВМПЭ получают 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 «Dyneema» и «Spectra» для тросов , строп , широко используют в баллистической защите, оборонных применениях и всё чаще в медицинских устройствах.

Производство в России

В России существуют несколько установок синтеза порошков СВМПЭ:

• « Томскнефтехим », проектная мощность 1000 т/год;
• « Казаньоргсинтез », проектная мощность 1000 т/год .

Применение

• В военном деле: создание бронежилетов на основе волокон СВМПЭ (баллистические жилеты, пуленепробиваемые жилеты) различных классов защиты, шлемы . При изготовлении ткани из волокон СВМПЭ накладывают под разными углами (мультиаксиальная ткань из слоёв однонаправленного (unidirectional) шпона), что увеличивает прочность многослойного пакета.
• В машиностроении (бумагодельные машины): коэффициент трения изделий и износостойкость из СВМПЭ приближается к фторопластам, при значительно меньшей стоимости. Детали из СВМПЭ используют для уплотнений в гидравлических и пневматических системах и в узлах сухого трения.
• В электротехнике: изоляторы, изоляция кабелей.
• В транспорте, судостроении: панелями из СВМПЭ облицовывают 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 «Dyneema» («DSM», Нидерланды ) и «Spectra» («Honeywell», США ).
• В спорте: противоукольная защита в фехтовании, стропы парашютов, леска для рыбной ловли, альпинистские верёвки для альпинизма , в производстве лыж и сноубордов (в сочетании с углеволокном , увеличивая прочность и гибкость), синтетический лёд (покрытие для ледовых видов спорта: хоккей, кёрлинг).
• В медицине для создания эндопротезов суставов (тазобедренных, коленных, позвонков). Здесь в основном применяют «сшитые» СВМПЭ.
• Компаунд на основе СВМПЭ (СВМПЭ-гранула): предназначен 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 технологических потоков.
• Ткани из СВМПЭ применяют также для производства травмобезопасных перчаток в спорте, медицине, промышленности (перчатки стойкие к порезу, износостойкие перчатки) .

См. также

• Полиэтилен

Примечания