материал свмпэ что это

Все о сверхвысокомолекулярном полиэтилене

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности входит в группу термопластичных, его второе название — высокомодульный полиэтилен. Данный материал обладает исключительными физическими и механическими свойствами, его характеристики отличаются от других материй, созданных на основе полиэтилена. Его главная особенность заключается в строении, он состоит из прямых длинных цепочек, расположенных параллельно. Это цепочки состоят из молекул сверхвысокой массы, в отличие от кевлара с короткими молекулами, связи между ними будут более слабыми.

Эти свойства позволяют материалу эффективно распределять приходящуюся на него нагрузку. Высокомодульный полиэтилен очень прочный и жесткий, это самый выносливый материал в своем классе. В этой статье мы расскажем, как его перерабатывают, где применяют, в чем плюсы и минусы материала.

Короткое название этого пластичного материала — PE-500. Высокая прочность позволяет использовать его в самых экстремальных условиях.

Что это такое?

Все цепочки в структуре данного пластичного полимеризованного этилена располагаются в одинаковом направлении. Поэтому они могут распределять нагрузку и выдерживать ее высокие уровни. Внешне он выглядит, как самый обычный пластик. Он плотный и твердый, в производстве не используется токсических веществ, поэтому запах у него отсутствует. Чтобы создать такое вещество, необходимо провести синтез этилена с катализаторами из металлоценов, процедура проходит в условиях сниженного давления. Чтобы придать нужный цвет, технологический процесс дополняется добавлением колера.

Помимо PE-500 существует PE-1000, его молекулярная масса в два раза выше. В такой модификации он настолько крепкий и прочный, что превосходит по данным характеристикам некоторые виды нержавеющей стали.

Плюсы и минусы

У данного материала есть весомые преимущества перед другими полиэтиленами:

Недостаток заключается в невысокой температуре плавления — около 150 градусов по Цельсию, по этой причине его разрешено использовать при температурном режима до ста градусов.

Сверхмолекулярный полиэтилен появился совсем недавно, его изготавливают две российские компании. Его стоимость высокая, это связаны с большими затратами и сложностями в производстве.

Характеристики и качества

Показатели прочности такие высокие благодаря особой структуре с параллельным расположением цепочек. Причина невысокой теплостойкости тоже заключается в строении — связи между некоторыми молекулами могут быть слабыми.

Другие характеристики для PE-1000 такие:

Входит в категорию нормально воспламеняемых. При использовании не вредит экологии, так как не выделяет вредных веществ.

Методы изготовления

Стандарты переработки высокомодульного полиэтилена определяются ГОСТом номер 16338-85. Он предполагает создание этилена под воздействием металлоценовых катализаторов. Обработка осуществляется разными способами.

Прессование горячего типа и спекание

Таким образом делают монолитные конструкции, цилиндры и пласты. Далее их обрабатывают механически, чтобы сделать разные детали, строганую ленту. Сначала порошок-полимер подвергается холодному прессованию, затем технология предполагает спекание на температуре 200 градусов. Так получаются заготовки — блоки, пласты и другие.

Плунжерная экструзия

Сначала исходное сырье плавится на высокой температуре и становится однородной массой, похожей на резину. Затем из него разными устройствами с насадками выдавливают трубы, стержни, ленты.

Гель-прядение

Это самый популярный способ обработки. Переработка осуществляется в несколько этапов. Сперва сырье растворяют в парафиновом масле, получившееся вещество продавливается через тонкие отверстия, как из мясорубки, и попадает в воду. Так получаются волокна, которые будут обжигать в специальной печи, параллельно вытягивая и удаляя растворители из общей массы. Полученное волокно обладает высочайшей прочностью.

Где и как используется?

Применение сверхвысокомолекулярного полиэтилена — это самый интересный вопрос. Возможно, ты с ним регулярно сталкиваешься, но просто не знаешь, что это именно он. Применение достаточно обширное. Благодаря тому, что по качеству материал приравнивается к некоторым маркам стали, его используют в качестве замены высоколегированной стали, цветных металлов и прочих материалов.

Перечислим сферы, в которых этот материал получил наибольшее распространение.

Медицина

В медицинской сфере нужны прочные материалы, обладающие высокими гигиеническими свойствами. В первую очередь для изготовления прочных, безопасных для здоровья и долговечных имплантов. Высокомодульный полиэтилен применяется для этого с 1962 года. На сегодняшний день из него успешно делают зубные импланты в стоматологии, изготавливают протезы-заменители тазобедренного сустава для хирургии. Также вещество используется в ортопедии, из него делают приспособления, которые должны обладать повышенной жесткостью.

Пищевая, химическая, легкая промышленность

Нашел применение в следующем: его используют для производства оборудования и комплектующих для него в пищевом сегменте. Также сверхвысокомодульный полиэтилен идет на производство емкостей, цистерн и бочек. В них можно хранить вещества с агрессивными химическими свойствами. В легкой промышленности идет на производство флаконов для косметических средств и бытовой химии.

Военное дело

Машиностроение

В этой отрасли необходимы прочные материалы для создания деталей, пригодных для работы в масляной и гидравлической среде. Из высокомодульного полиэтилена делают втулки, подшипники, разные шестеренки, вкладыши, они выходят очень прочными к механическому воздействию. PE-1000 применим для выпуска деталей пневмо установок, работающих под высоким давлением.

Оборудование для спорта

В спортивной индустрии его очень много. Присутствует в лыжах, сноубордах, оборудовании для альпинистов, костюмах для фехтовальщиков. Используется при создании детских спортивно-игровых комплексов, выпуска самого разнообразного инвентаря для детей и взрослых.

Также сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности встречается и в быту. Из него делают товары для цветоводства, садовый инвентарь, оборудование для ванных комнат, мебель, детские игрушки. Он присутствует даже в сложной технике, например, в каждом смартфоне.

Источник

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен

Применение

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.

Преимущества и недостатки

Материал обладает рядом весомых достоинств. Основные преимущества заключаются в следующем:

Высокомолекулярный полиэтилен относительно нов. Его производством занимаются 2 отечественных предприятия («Томскнефтехим» и «Казаньоргсинтез»). Технология изготовления сложна и финансово затратна, что сказывается на стоимости готовой продукции.

Методы переработки

Высокомолекулярный полиэтилен изготавливается по стандартам, соответствующим ГОСТу 16338-85. При производстве используется метод синтеза этилена при воздействии металлоценовых катализаторов. На данный момент известно несколько способов переработки полимера.

Спекание и горячее прессование

Благодаря этим методам получают большеформатный монолитный полиэтилен, пластины и цилиндры. В процессе дальнейшей механической обработки из них получают строганую ленту, различные механизмы для оборудования. Технология производства подразумевает холодное прессование полимера-порошка в заготовки и их последующее спекание при температуре +200 градусов. В результате температурной обработки получаются полуфабрикаты – монолиты, пластины и блоки.

Плунжерная экструзия

Процесс производства заключается в плавлении исходного сырья при высоких температурах до однородной резинообразной массы. Из нее при помощи специальных агрегатов с насадками выдавливаются стержни, трубы или ленты различной длины.

Гель-прядение

Технология изготовления включает несколько этапов: растворение исходного сырья в парафиновом масле и продавливание полученной массы через тонкие отверстия в воду. В результате получаются нити, которые в дальнейшем проходят обжиг в печном оборудовании с одновременной вытяжкой волокон и удалением веществ-растворителей. При обработке гель-прядением получается сверхпрочное волокно.

Свойства

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. 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 2 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 (такое свойство называется 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≈250 кгс/мм² и предел текучести σ_0,2≈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 минус 150 °С или даже минус 260 °С (по другим данным — от минус 80 °С) до плюс 80—90 °С.

Что это такое?

Этот материал относят к одному из видов пластичного полимеризованного этилена. Его особенность – удлиненные линейные молекулярные связи, ориентированные в одном и том же направлении. Такие цепи отличаются лучшим восприятием и передачей нагрузок.

По внешнему виду высокомолекулярный полиэтилен напоминает пластик. Он твердый, без запаха, в его составе отсутствуют токсичные вещества. Материал производится методом синтеза этилена и металлоценовых катализирующих веществ на установках низкого давления. На стадии производства в сырье добавляют колер для придания полимеризованному этилену окраса.

Производители также выпускают сверхвысокомолекулярный (ультравысокомолекулярный) полимер с молекулярной массой более 10000000 ед. (PE-1000). По прочностным характеристикам он в несколько раз превосходит некоторые марки углеродистых и нержавеющих сталей.

Свойства и характеристики материала

Высокопрочный полиэтилен имеет длинные молекулярные цепи, расположенные практически параллельно относительно друг друга. Такая особенность строения обеспечивает высокие прочностные показатели. Однако между некоторыми молекулами возникают слабые связи, из-за чего материал нельзя назвать теплостойким. Его рабочие температуры – до +100°С. При повышении температурных показателей до +140 градусов полимер плавится и превращается в вязкую массу.

Полимер PE-1000 имеет следующие технические характеристики:

Сферы применения

Благодаря уникальным свойствам высокомолекулярный полиэтилен используют в различных сферах. Его нередко применяют как аналог, заменяющий различные цветные металлы, высоколегированные стали и другие материалы.

В медицине

Сверхпрочный полимер применяется для изготовления имплантов с 1962 года. Сегодня из него делают протезы для тазобедренных суставов в хирургии и зубных имплантов в стоматологии. Материал применяется для создания различных ортопедических товаров.

В химической, пищевой и легкой промышленности

Материал используется для изготовления оборудования и комплектующих для пищевого производства, емкостей для хранения и транспортировки химически-агрессивных веществ, флаконов для косметики, бочек, цистерн.

В военной отрасли

Прочные волокна полимера применяются для изготовления средств индивидуальной защиты для сотрудников спецслужб. В частности из них изготавливают бронежилеты, каски. Полученная броня имеет небольшой вес, но при этом она надежно защищает от пулевых ранений. А также при помощи этого полимера бронируют спецтехнику.

В машиностроении

Высокопрочный полиэтилен используется для изготовления запчастей, работающих в гидравлических или масляных средах. Из него производят подшипники, втулки, вкладыши, шестерни – детали, подверженные высокой степени механического истирания. Из сверхпрочного полимера PE-1000 изготавливают запчасти для пневмоустановок с повышенным рабочим давлением.

Спортивные товары и инвентарь

Материал используется при изготовлении костюмов для фехтования, альпинистского обмундирования, лыж, сноубордов.

Из высокопрочного полимера изготавливаются многочисленные товары народного потребления. К ним относят изделия для цветоводства и обустройства ванной комнаты, предметы домашнего обихода и садово-огородный инвентарь. Он применяется для производства мебели, детских игрушек, мобильных туалетов, инвентаря для обустройства детских игровых комплексов.

Ещё больше полезной информации о высокомолекулярном полиэтилене можно узнать из видео.

Источник

mastermodel.ru

Проектирование и моделирование.

Телефон: +7 (495) 771-25-50

Вы здесь:

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности и материалы на его основе

Полимеризация СВМПЭ была коммерциализирована в 1950-х. Пионером в данной области выступала компания Ruhrchemie AG, наименование которой менялось на протяжении многих лет. Сегодня порошковые [порошкообразные] материалы из СВМПЭ производят компании Ticona, Braskem и Mitsui. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности доступен на рынке либо в виде уплотненных форм, таких как листы или стержни, или же в виде волокон. СВМПЭ в форме порошка может также быть непосредственно опрессован в форме конечного продукта. Благодаря устойчивости к износу и ударопрочности данного вещества промышленные применения СВМПЭ продолжают расти. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности применяется в автомобильной промышленности и при производстве тары для напитков. С 1960-х годов СВМПЭ также получил широкое распространение при производстве искусственных суставов и имплантатов для применения в хирургии позвоночника, а также для нужд ортопедии.

Волокна СВМПЭ появились в продаже в конце 1970-х. Впервые они были представлены голландской компанией DSM, которая специализировалась на производстве самых разнообразных химических веществ. DSM продавала волокона СВМПЭ под брендом Dyneema. Волокна используются при разработке средств баллистической защиты, в оборонной промышленности, а также в медицинских устройствах.

СВМПЭ является одним из видов полиолефина. Он состоит из очень длинных цепей полиэтилена, который выравнены в одном и том же направлении. Прочность вещества в значительной степени зависит от длины каждой отдельной молекулы (цепи). При создании волокон уровень параллельности ориентации полимерных цепей может превышать 95%, а степень кристалличности доходит до 85%.

В отличие от кевлара, прочность которого определяется сильными связями между относительно короткими молекулами, в данном случае молекулы длинные, а связи между ними (Ван-дер-ваальсовы силы; силы межмолекулярного взаимодействия с энергией 10 — 20 кДж/моль) слабее, чем у кевлара.

Простая структура молекулы также приводит к возникновению поверхностных и химических свойств, которые редко встречаются в других высокопроизводительных полимерах. Например, полярные группы в большинстве полимеров легко взаимодействуют с водой. Так как у олефинов нет таких групп, СВМПЭ не впитывает воду столь же легко и не намокает столь же легко, что делает его объединение с другими полимерами довольно трудной задачей. По тем же причинам, человеческая кожа не взаимодействуют с ним с ощутимой силой, что делает поверхность волокна СВМПЭ скользкой на ощупь.

Так как сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности не содержит таких химических групп, как, например, сложные эфиры, амиды или гидроксильные группы, которые восприимчивы к воздействию агрессивных химических веществ, СВМПЭ очень устойчив к воздействию воды, влаги, большинства химических веществ, ультрафиолетового излучения и микроорганизмов.

При воздействии растягивающей нагрузки СВМПЭ будет непрерывно деформироваться, пока присутствует напряжение. Такой тип деформации называется ползучестью.

Отжиг (метод температурной обработки изделий)

Когда сверхвысокомолекулярный полиэтилен отжигают, материал нагревается в печи или жидкой ванне из силиконового масла или глицерина до температуры в границах от 135 ° C до 138 ° C. Затем материал охлаждается со скоростью 5 ° С / ч до 65 ° C или ниже. Наконец, материал заворачивают в изоляционный слой и в течение 24 часов доводят до комнатной температуры.

Производство

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен синтезируется из мономерных молекул этилена. Эти молекулы на несколько порядков больше, чем молекулы полиэтилена высокой плотности (HDPE), что достигается за счет специального процесса синтеза на основе металлоценовых катализаторов. В общем случае молекулы HDPE имеют от 700 до 1800 мономеров на одну молекулу, в то время как каждая молекула сверхвысокомолекулярного полиэтилена имеет от 100000 до 250000 мономеров.

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен обрабатывается с помощью следующих методов: прессование, плунжерная экструзия, гель-формование и спекание. Ряд европейских компаний начали производство СВМПЭ при помощи техпроцесса прессования в начале 1960-х годов. Гель- формование было ими взято на вооружение намного позже.

Волокна из сверхвысокомолекулярного полиэтилена используются в броне. В частности, они применяются при создании личных бронежилетов, а иногда используются в качестве брони транспортного средства, в стойких к порезам перчатках, альпинистском снаряжении, при создании лески, высокопроизводительной парусины, воздушных змеев, несущего троса на спортивных парашютах и парапланах, корабельных снастей, а также широко применяются в парусном спорте. Волокно Spectra также используется при производстве строп для вейкбордов премиум-класса.

При создании личной брони волокна совмещаются в листы, которые затем накладываются под разными углами. Это позволяет получить мультиаксиальную ткань. Полученный композитный материал отличается повышенной прочностью во всех направлениях. Самые современные военные бронежилеты, разработанные, чтобы защищать не только торс, но и конечности людей, как сообщается, создаются при помощи волокон Spectra и Dyneema. Отметим, что волокно Dyneema обеспечивает защиту от проколов в защитной одежде для спортивного фехтования.

Гель-формованные волокна сверхвысокомолекулярного полиэтилена широко используются в качестве рыболовной лески, так как они имеют меньшую растяжимость, более износостойкие и тоньше, чем традиционная леска из моноволокна (мононитей).

В скалолазании веревки и лямки изготавливаются из комбинации СВМПЭ и нейлоновых нитей. Подобные продукты завоевали популярность за низкий вес и малый объем, однако, в отличие от веревок из нейлона, они обладают очень низкой эластичностью, что делает подобные продукты непригодными для ограничения силы при падении. Кроме того, низкая эластичность означает и низкую прочность. Очень высокая смазывающая способность волокна приводит к плохой устойчивости узлов. Производитель рекомендует использовать тройной морской узел, а не традиционной двойной, при работе с веревкой из сверхвысокомолекулярного полиэтилена диаметром в 6 мм.

Благодаря низкой плотности волокна, тросы и кабели судов могут быть изготовлены из СВМПЭ и плавать на морской воде. «Spectra Wires», как их называют операторы буксировочных судов, в последнее время используются, как более легкая альтернатива стальной проволоке.

Волокна используются в лыжах и сноубордах. Часто СВМПЭ применяются в сочетании с углеродным волокном, армированным стекловолокном композитным материалом, добавляя жесткости и улучшая гибкость. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен часто используется в качестве базового слоя, который контактирует со снегом. На него наносятся абразивные материалы, которые поглощают и удерживают воск.

Высокопроизводительные тросы (например, тросовая оттяжка, оттяжной трос) для парусного спорта и парасейлинга зачастую сделаны из сверхвысокомолекулярного полиэтилена в связи с его низкой растяжимостью, высокой прочностью и низким весом последнего.

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен применяется в медицине более 40 лет. Биоматериал используется для создания тазобедренных, коленных протезов и (с 1980 года) имплантатов для позвоночника. СВМПЭ впервые был использован в медицине в 1962 году и стал доминирующим материалом для тотального протезирования тазобедренного и коленного суставов уже в 1970 году.

Одна неудачная попытка изменить и улучшить свойства СВМПЭ была предпринята в 1970 году. Специалисты решили смешать порошок с углеродными волокнами. Этот усиленный СВМПЭ был выпущен компанией Zimmer на рынок медицинских препаратов под маркой «Poly Two». Углеродные волокна продемонстрировали плохую совместимость с СВМПЭ, и по клинической эффективности новый материал уступал оригинальному сверхвысокомолекулярному полиэтилену.

Вторая попытка изменить свойства СВМПЭ была предпринята после получения возможности доработать его структуру с помощью техпроцесса перекристаллизации под высоким давлением. Перекристаллизованный СВМПЭ был выпущен на рынок медицинских препаратов компанией DePuy в конце 1980 года. Продавался он под брендом «Hylamer». При гамма-облучении в воздухе этот материал демонстрировал восприимчивость к окислению, что приводило к ухудшению его клинической эффективности по сравнению с оригинальным СВМПЭ. Неудачи Hylamer эксперты объясняют непрактичным методом стерилизации материала. В последнее годы наблюдается возрождение интереса к изучению этого материала (по крайней мере, в определенных научных кругах).

Сетчатые (сшитые) материалы из СВМПЭ начали применяться в медицине с 1998 года и быстро стали стандартом в области протезирования тазобедренных суставов, по крайней мере, в Соединенных Штатах. Эти новые материалы сшиваются при помощи гамма-излучения или пучка электронов (50-105 кГр), а затем подвергаются термической обработке для улучшения их устойчивости к окислению. Пятилетние клинические данные из нескольких медицинских исследовательских центров, которые доступны в настоящее время, демонстрирует превосходство материала по сравнению с обычным СВМПЭ при протезировании тазобедренных суставов (эндопротезирования). Клинические исследования все еще продолжаются: ученые исследуют пригодность и эффективность сшитых СВМПЭ при протезировании коленных суставов.

Еще одно медицинское применением СВМПЭ касается с использования волокон на основе данного материала для швов. Причем, в последние десятилетия масштабы применения сверхвысокомолекулярного полиэтилена высокой плотности в данной области непрерывно растут. Волокна медицинского класса для хирургического применения продает компания DSM под торговой маркой «Dyneema Purity».

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности используется в производстве ПВХ (виниловых) окон и дверей, так как он может выдерживать тепловое воздействие, необходимое, чтобы смягчить ПВХ-материалы. СВМПЭ используется как наполнитель для форм различных ПВХ-профилей. Благодаря ему материалы могут иметь «изогнутую» форму.

СВМПЭ также используется в производстве гидравлических уплотнений и подшипников. Он лучше всего подходит для средних механических эксплуатационных нагрузок при работе с водоподающей гидравликой, масляной гидравликой, пневматикой и приложений без смазки. Материалы на основе СВМПЭ имеют хорошую стойкость к истиранию, но лучше подходит для мягких сопряжённых поверхностей.

Источник