#14
Сообщение
Тигирь » 18 сен 2026, 15:28
Скачал тат статейку о СВМПЭ с китайского аналога педивикии.
Сохраню на будущее, да и другим может пригодиться.
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен
Полиэтилен с молекулярной массой свыше 1 миллиона.
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен(Источник:涂料产业观察)
01:17
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ, англ. ultra-high molecular weight polyethylene) — это линейный полиэтилен с молекулярной массой свыше 1,5 миллиона, формула которого —(—CH2-CH2—)—n—. Его плотность составляет 0,920–0,964 г/см³, температура тепловой деформации (при 0,46 МПа) — 85 °C, температура плавления — 130–136 °C. Вязкость расплава этого материала достигает 10⁸ Па·с, что требует применения специальных технологий переработки, таких как экструзия, выдувное формование или литье под давлением.3
СВМПЭ обладает высокой прочностью, износостойкостью и стойкостью к химической коррозии, его удельная прочность в 15 раз выше, чем у стали, а ударная вязкость превосходит таковую у углеродного волокна и арамида. Как высокопроизводительное волокно, изделия из него широко используются в Бронежилет , морских тросах и авиационно-космический области. В медицинской сфере он применяется в искусственных суставах, материалах для зубных протезов и медицинских шовных нитях, сочетая биосовместимость и сопротивление ползучести. Этот материал также используется в имплантатах для спортивной медицины. Кроме того, его производные продукты, такие как специальный материал для сепараторов литий-ионных аккумуляторов с молекулярной массой 2 миллиона, уже появились на рынке.4
В 2001 году этот материал был включён в Государственную программу продвижения ключевых научно-технических достижений, а отечественные установки уже достигли производственной мощности в 30 000 тонн в год. Отечественные предприятия производят его с помощью сухого метода и мокрого процесса, занимая более 60% мирового рынка продукции среднего и низкого сегмента, в то время как продукция высокого сегмента по-прежнему зависит от импорта. Производственная технология, использующая реакторный шламовый процесс, осуществила технологическую интеграцию и инновации в таких аспектах, как активность катализатора, полимеризационный процесс и контроль распределения молекулярной массы.1
Китайское название
超高分子量聚乙烯
Температура плавления
130—136 °C
Плотность
0.920 — 0.964 г/см³
Связанные видео
03:27
Сверхвысокомолекулярный полиэтиленовый филамент#Поставщик химического сырья Сяо Чэнь# #Сверхвысокомолекулярный полиэтиленовый филамент#(Источник:化工原料供应商小陈)
00:34
Область применения листа полиэтилена сверхвысокой молекулярной массы(Источник:君文耐磨材料)
00:35
Что такое труба из полиэтилена сверхвысокой молекулярной массы и её применение(Источник:鼎昌信隆PE管)
Введение
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) — это термопластичный инженерный пластик линейной структуры, обладающий превосходными комплексными свойствами.
Его развитие происходило очень быстро. До 1980-х годов средний мировой годовой темп роста составлял 8,5%. После вступления в 1980-е годы темп роста достиг 15–20%. В то время как средний годовой темп роста в Китае превышал 30%. В 1978 году мировое потребление составляло 12 000–12 500 тонн, а к 1990 году мировой спрос достиг примерно 50 000 тонн, из которых на США приходилось 70%. В 2007–2009 годах Китай постепенно стал мировой фабрикой инженерных пластиков, и развитие индустрии сверхвысокомолекулярного полиэтилена было особенно стремительным. Ниже приведена история развития:
В 1930-х годах впервые были выдвинуты основные теории о волокнах из сверхвысокомолекулярного полиэтилена;
Появление методов гель-формования и пластифицированного формования привело к значительному технологическому прорыву в области сверхвысокомолекулярного полиэтилена;
В 1970-х годах исследователи Капаччо и Уорд из Университета Лидса в Великобритании первыми успешно разработали волокна из высокомолекулярного полиэтилена с молекулярной массой 100 000;
В 1964 году в Китае была успешно разработана и запущена в промышленное производство [данная технология];
В 1975 году в Нидерландах, используя декалин в качестве растворителя, был изобретен метод гель-формования (Gelspinning), позволивший успешно получить волокна СВМПЭ, и в 1979 году был подан патент. После десяти лет интенсивных исследований было подтверждено, что гель-формование является эффективным методом производства высокопрочных полиэтиленовых волокон, имеющим промышленные перспективы;
В 1983 году Япония, используя метод гель-экструзии со сверхвысокой вытяжкой и парафин в качестве растворителя, начала производство волокон из сверхвысокомолекулярного полиэтилена;
В Китае трубы из сверхвысокомолекулярного полиэтилена в 2001 году были включены в Государственную программу продвижения ключевых научно-технических достижений согласно документу Министерства науки и технологий Гокэцзицзы (2000) №056, относясь к новым материалам и продуктам химической промышленности. Государственный комитет по планированию и Министерство науки и технологий включили трубы из сверхвысокомолекулярного полиэтилена в Проект ключевых областей высокотехнологичных отраслей, приоритетных для развития.1
Методы идентификации
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен — это высокомолекулярное соединение, которое трудно обрабатывать. Он обладает превосходной износостойкостью, самосмазывающимися свойствами, относительно высокой прочностью, стабильными химическими свойствами и сильной устойчивостью к старению. Поэтому при определении подлинности сверхвысокомолекулярного полиэтилена необходимо обращать внимание именно на эти характеристики. Конкретные методы идентификации следующие:
1. Правило взвешивания: Удельный вес изделий, изготовленных из чистого сверхвысокомолекулярного полиэтилена, находится в диапазоне от 0,93 до 0,95, плотность невелика, поэтому они могут плавать на поверхности воды. Если материал не является чистым полиэтиленом, он утонет.
2. Визуальный метод: Поверхность настоящего сверхвысокомолекулярного полиэтилена ровная, однородная, гладкая, а плотность на срезе очень равномерная. Если материал не является чистым полиэтиленом, его цвет будет тусклым, а плотность — неравномерной.
3. Метод испытания кромки: Кромка (отбортовка) чистого сверхвысокомолекулярного полиэтилена имеет округлую, однородную и гладкую торцевую поверхность. Если материал не является чистым полиэтиленом, на торцевой поверхности кромки будут трещины, а при нагреве и отбортовке может наблюдаться осыпание.2
Формование и переработка
Из-за чрезвычайно высокой вязкости сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) в расплавленном состоянии, достигающей 10⁸ Па*с, и крайне плохой текучести, при которой индекс расплава практически равен нулю, его сложно обрабатывать обычными методами механической обработки. Технологии переработки сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) получили быстрое развитие. Благодаря модификации стандартного перерабатывающего оборудования, обработка СВМПЭ эволюционировала от первоначального прессования и спекания до экструзии, выдувного формования и литья под давлением, а также других специальных методов формования.3
Общие методы
1. Прессование и спекание
(1) Прессование и спекание является наиболее старым методом переработки сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Этот метод отличается довольно низкой производительностью и склонностью к окислению и деградации материала. Для повышения производительности может применяться метод прямого электронагрева.
(2) Метод сверхвысокоскоростного плавления и спекания использует лопастной смеситель, у которого лопасти могут вращаться с максимальной скоростью до 150 м/с, что позволяет нагреть материал до температуры переработки всего за несколько секунд.
2. Экструзионное формование
Оборудование для экструзионного формования в основном включает плунжерные экструдеры, одношнековые и двухшнековые экструдеры. Для двухшнековой экструзии чаще всего используются двухшнековые экструдеры с сонаправленным вращением.
В 196-х годах в основном использовались плунжерные экструдеры. К середине 197-х годов Япония, США, Западная Германия и другие страны разработали технологию одношнековой экструзии. Компания Mitsui Petrochemical Industries (Япония) первой добилась успеха в технологии экструзии круглых прутков в 1974 году. В Китае в конце 1994 года был разработан специальный одношнековый экструдер типа Φ45 для сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), а в 1997 году была успешно запущена промышленная линия для производства труб методом одношнековой экструзии типа Φ65.
(3) Литье под давлением
Компания Mitsui Petrochemical Industries (Япония) разработала технологию литья под давлением в 1974 году и коммерциализировала её в 1976 году, а впоследствии разработала технологию литья под давлением с возвратно-поступательным шнеком. В 1985 году американская компания Hoechst также реализовала процесс шнекового литья под давлением сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). В 1983 году в Китае была модифицирована отечественная литьевая машина модели XS-ZY-125A, что позволило успешно отливать опорные ролики из СВМПЭ для линий розлива пива и втулки для насосов. В 1985 году были успешно отлиты такие изделия, как медицинские искусственные суставы.
(4) Выдувное формование
При переработке сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) после выхода материала из фильеры происходит некоторое сокращение из-за упругого восстановления, при этом практически не наблюдается провисания. Это создает благоприятные условия для выдувного формования полых изделий, особенно крупногабаритных ёмкостей, таких как топливные баки и бочки. Выдувное формование СВМПЭ также позволяет получать высокопроизводительные плёнки с сбалансированной прочностью в продольном и поперечном направлениях, что решает давнюю проблему неоднородности прочности плёнок из ПЭВП, которая часто приводит к разрушению в продольном направлении.
Особые методы
1. Гелевое формование (гель-формование)
(1) История развития
Получение высокопрочных и высокомодульных полиэтиленовых волокон методом гелевого формования с последующей сверхвысокой вытяжкой — это новая технология прядения, появившаяся в конце 1970-х годов. Голландская компания DSM первой подала патентную заявку в 1979 году. Впоследствии промышленное производство было налажено американской компанией Allied Corporation, совместным японо-голландским предприятием Toyobo-DSM, а также японской компанией Mitsui. Институт химических волокон Китайского текстильного университета начал исследования в этой области в 1985 году, постепенно разработав собственную технологию и получив высокопроизводительные волокна из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ).
(2) Процесс прядения
Процесс гель-формования сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) кратко описывается следующим образом: сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) растворяют в подходящем растворителе для получения полуразбавленного раствора, который экструдируется через фильеру, а затем раствор для формования резко охлаждается воздухом или водой, затвердевая в гель-нитевую заготовку. В гель-нитевой заготовке практически весь растворитель остается заключенным внутри, благодаря чему хорошо сохраняется раскрученное состояние макромолекулярных цепей СВМПЭ. Кроме того, снижение температуры раствора приводит к образованию складчато-цепных ламелярных кристаллов СВМПЭ в геле. Таким образом, путем сверхвысокократного горячего вытягивания гель-нитевой заготовки можно достичь полной ориентации и высокой кристалличности макромолекулярных цепей, превратив цепи из складчатой конформации в вытянутую, что позволяет получить волокно высокой прочности и высокого модуля упругости.
(3) Применение
Волокно из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) является волокном третьего поколения специального назначения в мире на сегодняшний день. Его прочность достигает 30,8 сН/дтекс, что является самым высоким показателем удельной прочности среди химических волокон. Оно также обладает такими превосходными свойствами, как хорошая износостойкость, ударопрочность, коррозионная стойкость и светостойкость. Его можно непосредственно использовать для изготовления канатов, тросов, рыболовных сетей и различных тканей: бронежилетов и одежды, антирезаных перчаток и т.д., причем бронежилеты из него превосходят по пулестойкости арамидные. На международном уровне волокно СВМПЭ уже ткут в канаты различной толщины, заменяя традиционные стальные тросы и синтетические волоконные канаты. Композитные материалы на основе волокна СВМПЭ в военной сфере уже используются для изготовления корпусов бронетехники, защитных кожухов радаров, шлемов и т.д.; в спортивных товарах из него изготавливают тетивы для луков, Санный спорт и доски для водных лыж.
2. Смазочная экструзия (литье)
Технология формования методом смазочной экструзии (литья) заключается в создании смазочного слоя между экструдируемым (инжектируемым) материалом и стенкой формы. Это снижает разницу в скоростях сдвига между различными точками материала, уменьшает деформацию изделия и одновременно позволяет повысить скорость экструзии (литья) высоковязких полимеров при низких температурах и с низким энергопотреблением. Существует два основных метода создания смазочного слоя: самосмазывание и совместное смазывание.
(1) Самосмазывающаяся экструзия (литье)
Смазочная экструзия (литье) сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) — это процесс, при котором в материал добавляется соответствующее количество внешней смазки для снижения трения и сдвига между молекулами полимера и металлической стенкой формы, улучшения равномерности течения материала, эффекта демонтажа из формы и качества экструзии. К внешним смазкам в основном относятся высшие жирные кислоты, сложные эфиры, силиконовые смолы, парафин и другие низкомолекулярные смолы. Перед экструзией (литьем) смазка сначала смешивается с другими технологическими добавками и материалом. Во время производства смазка выделяется из материала, образуя смазочный слой, что позволяет реализовать самосмазывающуюся экструзию (литье).
Сообщается в патентах: смешивание 70 частей парафинового масла, 30 частей сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и 1 части аэросила (высокодисперсного силикагеля) с последующим гранулированием позволяет осуществить гладкую экструзию (литье) при температуре 190°C.
(2) Со-смазочная экструзия (литье)
Со-смазочная экструзия (литье) сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) бывает двух видов: первый — использование щелевого метода для вдавливания смазки в пресс-форму, чтобы она образовала смазочный слой между внутренней поверхностью полости формы и расплавленным материалом; второй — смешивание с низковязкой смолой, которая становится частью изделия.
Например: при производстве тонких листов из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) для подачи в полость формы в качестве смазки используется силиконовое масло SH200 с помощью дозирующего насоса, что значительно улучшает внешнее качество получаемого продукта, особенно за счет уменьшения деформации при экструзии, что увеличивает прочность на растяжение.
Валковое формование
Валковое формование — это метод твердотельной обработки, при котором к сверхвысокомолекулярному полиэтилену (СВМПЭ) ниже его температуры плавления прикладывается высокое давление, что приводит к деформации частиц и эффективному их слиянию друг с другом. Основное оборудование состоит из вращающегося колеса с винтовыми канавками и дугообразной плиты с язычковыми канавками, расположенными перпендикулярно винтовым канавкам. В процессе обработки эффективно используется трение между материалом и стенками оборудования, создаваемое давление достаточно для деформации частиц СВМПЭ. На конце станины установлена нагревательная опора, через формующее отверстие выдавливается материал. При совместном использовании этого валкового устройства с экструдером процесс обработки может быть непрерывным.
Термическая обработка
При кратковременном нагреве порошка сверхвысокомолекулярного Смола (СВМПЭ) в течение от 1 до 30 минут при температуре от 140 °C до 275 °C было обнаружено, что некоторые физические свойства сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) значительно и неожиданно улучшаются. Изделия, прессованные из термически обработанного порошка СВМПЭ, по сравнению с изделиями из необработанного СВМПЭ, обладают лучшими физическими свойствами и прозрачностью, а также значительно улучшенной гладкостью поверхности и низкотемпературными механическими характеристиками.
Радиочастота
Обработка сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) с помощью радиочастоты является новым методом обработки. Он заключается в равномерном смешивании порошка СВМПЭ с порошком сажи, обладающим высокими диэлектрическими потерями, и последующем облучении смеси радиочастотой. Выделяемое тепло вызывает размягчение поверхности частиц порошка СВМПЭ, что позволяет уплотнить его под определенным давлением. Этим методом можно формовать очень толстые крупногабаритные детали за несколько минут, а эффективность обработки во много раз выше, чем при обычном прессовании СВМПЭ.
Пористая мембрана
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) растворяют в летучем растворителе, непрерывно экструдируют, а затем подвергают термообратимому процессу гелеобразования/кристаллизации, в результате чего получают влажную гелевую пленку. Растворитель удаляют испарением, и пленка высушивается. Поскольку сформированная каркасная структура ограничивает усадку геля, в процессе сушки образуются микропоры. Последующее двуосное растяжение позволяет достичь максимальной пористости без разрушения целостной пористой структуры. Этот материал может использоваться в качестве водонепроницаемой, дышащей ткани и одежды, устойчивой к химическим веществам, а также в качестве мембран для ультрафильтрации/микрофильтрации, композитных пленок и сепараторов для Аккумуляторная батарея. По сравнению с другими методами, пористые мембраны СВМПЭ, полученные этим способом, обладают наилучшим сочетанием таких характеристик, как размер пор, прочность и толщина.
Модификация
Свойства
По сравнению с другими конструкционными пластиками, сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) имеет такие недостатки, как низкая поверхностная твердость, низкая температура тепловой деформации, относительно низкая прочность на изгиб и плохая устойчивость к ползучести. Это обусловлено молекулярной структурой и морфологией агрегации молекул СВМПЭ, что можно улучшить методами наполнения и сшивания.
Наполнение
Модификация наполнением сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) такими материалами, как стеклянные микросферы, стекловолокно, Слюда, Тальк, диоксид кремния, оксид алюминия (Al₂O₃), Дисульфид молибдена, сажа и др., позволяет значительно улучшить поверхностную твердость, жесткость, устойчивость к ползучести, прочность на изгиб и температуру тепловой деформации. После обработки силанами (связующими агентами) эффект становится еще более заметным. Например, наполнение обработанными стеклянными микросферами может повысить температуру тепловой деформации на 30°C.
Стеклянные микросферы, стекловолокно, слюда, тальк и др. могут повысить твердость, жесткость и термостойкость; Дисульфид молибдена, силиконовые масла и специальные воски могут снизить коэффициент трения, тем самым дополнительно повысив антифрикционные свойства; сажа или металлические порошки могут улучшить антистатические и электропроводящие свойства, а также теплопроводность. Однако после модификации наполнителем ударная прочность несколько снижается. Если содержание наполнителя контролируется в пределах 40%, СВМПЭ все еще сохраняет достаточно высокую ударную прочность.
Обработка
Молекулярные цепи смолы сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) очень длинные, что делает их склонными к разрыву под действием сдвиговых усилий или термической деградации. Поэтому необходимы относительно низкие температуры обработки, короткое время обработки и минимизация сдвиговых воздействий.
Для решения проблем обработки сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), помимо специальной конструкции стандартного оборудования для формования, можно также модифицировать состав смолы: смешивать с другими смолами или добавлять модификаторы текучести, чтобы сделать возможной обработку на обычных экструдерах и литьевых машинах. Это и есть так называемая смазочная экструзия (литье), упомянутая в разделе 2.2.2.
Смешивание
Смешивание является наиболее эффективным, простым и практичным способом улучшения текучести расплава сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Большинство технологий в этой области описано в патентной литературе. Второй компонент, используемый для смешивания, в основном относится к смолам с низкой температурой плавления и низкой вязкостью, таким как ПЭНП, ПЭВП, ПП, полиэфиры и другие. Чаще всего используются полиэтилены средней молекулярной массы (молекулярная масса 400 000–600 000) и полиэтилены низкой молекулярной массы (молекулярная масса < 400 000). При нагревании смешанной системы выше температуры плавления смола СВМПЭ суспендируется в жидкой фазе смолы второго компонента, образуя суспензионный материал, пригодный для экструзии и литья.
(1) Смешивание с полиэтиленами низкой и средней молекулярной массы
Смешивание СВМПЭ с ПЭНП низкой молекулярной массы (молекулярная масса 1 000–20 000, оптимально 5 000–12 000) может значительно улучшить его технологичность при формовании, но одновременно приводит к некоторому снижению механических свойств, таких как прочность на растяжение и упругость при изгибе. ПЭВП также может значительно улучшить текучесть при переработке СВМПЭ, но также вызывает снижение ударной прочности, износостойкости и других свойств. Для поддержания механических свойств смешанной системы СВМПЭ на относительно высоком уровне эффективным компенсирующим методом является добавление зародышеобразователей для ПЭ, таких как бензойная кислота, бензоаты, стеараты, адипаты и др. Это может усилить материал за счет повышения степени кристалличности ПЭ и микрогомогенизации размера сферолитов, эффективно предотвращая снижение механических свойств. В патентах указано, что добавление небольшого количества мелкодисперсного зародышеобразователя — волластонита (размер частиц в диапазоне 5 нм–50 нм, удельная поверхность 100 м²/г–400 м²/г) в смесь СВМПЭ/ПЭВП может хорошо компенсировать снижение механических свойств.
(2) Морфология смеси
Хотя химическая структура СВМПЭ схожа со структурой других видов ПЭ, при использовании обычного оборудования и условий для смешивания в расплаве их смеси трудно сформировать однородную морфологию. Это, вероятно, связано с большой разницей в вязкости компонентов. Смесь СВМПЭ/ПЭНП, полученная с помощью обычного одношнекового смесителя, характеризуется раздельной кристаллизацией компонентов, без образования совместных кристаллов. СВМПЭ в основном диспергирован в матрице ПЭНП в виде наполнителя. Длительная обработка расплава и смешивание на двухвальцовом каландре несколько усиливают взаимодействие между компонентами и дополнительно улучшают свойства, однако морфология совместной кристаллизации все равно не формируется.
Вадхар обнаружил, что при использовании двухэтапного метода смешивания, при котором сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) сначала расплавляется при высокой температуре, а затем охлаждается до более низкой температуры для смешивания с ЛПЭНД, можно получить смесь, способную к образованию совместных кристаллов. Вадхер также получил смеси сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и ЛПЭНД, образующие совместные кристаллы, методом смешивания в растворе.
(3) Механическая прочность смесей
Для системы сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ)/ПЭ без добавления агента-затравки в процессе охлаждения образуются крупные сферолиты с четкими границами между ними. На этих границах существуют внутренние напряжения, вызванные различным расположением молекулярных цепей, что может приводить к образованию трещин. Поэтому по сравнению с базовым полимером прочность на растяжение смесей часто снижается. При ударном воздействии внешней силы трещины быстро распространяются вдоль границ сферолитов, что приводит к разрушению и, как следствие, к снижению ударной прочности.
Текучесть
Модификаторы текучести способствуют распутыванию длинноцепочечных молекул, действуют как смазка между макромолекулами, изменяют передачу энергии между макромолекулярными цепями, тем самым облегчая смещение сегментов цепи и улучшая текучесть полимера.
Модификаторы текучести, используемые для сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), в основном представляют собой алифатические углеводороды и их производные. К алифатическим углеводородам относятся: н-алканы с числом атомов углерода более 22 и смеси низших алканов, в которых они являются основным компонентом; парафины, полученные путем крекинга и очистки нефти и т.д. Их производные представляют собой соединения, содержащие на концах алифатические углеводородные группы, а внутри — одну или более (предпочтительно одну или две) функциональные группы, такие как карбоксильная, гидроксильная, сложноэфирная, карбонильная, карбамоилная, меркапто-группа; число атомов углерода более 8 (предпочтительно от 12 до 50) и молекулярная масса от 130 до 2000 (оптимально от 200 до 800). К ним относятся жирные кислоты, жирные спирты, сложные эфиры жирных кислот, жирные альдегиды, жирные кетоны, алифатические амиды, тиолы и т.д. Например, к жирным кислотам относятся: каприновая кислота, лауриновая кислота, миристиновая кислота, пальмитиновая кислота, стеариновая кислота, олеиновая кислота и др.
В Китае был разработан эффективный модификатор текучести (MS2). Добавление небольшого количества (0,6%–0,8%) значительно улучшает текучесть сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), снижая температуру его плавления до 10°C, что позволяет формовать его на обычных литьевых машинах, при этом прочность на растяжение снижается лишь незначительно.
Кроме того, модификация сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ, UHMW-PE) стиролом и его производными позволяет не только улучшить технологические свойства, облегчая экструзию изделий, но и сохранить отличную износостойкость и химическую стойкость СВМПЭ. Такие вещества, как 1,1-дифенилацетилен, производные стирола и тетралин, также способны придать сверхвысокомолекулярному полиэтилену (СВМПЭ) превосходные технологические свойства, одновременно обеспечивая материалу высокую ударную прочность и износостойкость.
Сшивание
Сшивание проводится для улучшения стабильности формы, устойчивости к ползучести и стойкости к растрескиванию под воздействием окружающей среды. В результате сшивания степень кристалличности сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) снижается, и скрытая вязкость вновь проявляется. Сшивание можно разделить на химическое сшивание и радиационное сшивание. Химическое сшивание происходит в процессе плавления после добавления подходящего сшивающего агента в сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ). Радиационное сшивание осуществляется путем прямого облучения изделий из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) электронным или гамма-излучением, что приводит к сшиванию молекул. Химическое сшивание сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), в свою очередь, подразделяется на сшивание пероксидами и сшивание силановыми связующими.
Пероксиды
Процесс сшивания пероксидами делится на три этапа: смешивание, формование и сшивание. На этапе смешивания сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) расплавляют и смешивают с пероксидом. Под действием пероксида в СВМПЭ образуются свободные радикалы, которые, соединяясь, приводят к сшиванию. На этом этапе необходимо обеспечить, чтобы температура не была слишком высокой, чтобы избежать полного сшивания смолы. После смешивания получают сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) с очень низкой степенью сшивания, способный к дальнейшему сшиванию. Затем его формуют в изделие при температуре выше, чем при смешивании, после чего проводят обработку для сшивания.
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), сшитый пероксидами, по структуре отличается как от термопластов, так и от термореактивных пластмасс и вулканизированных каучуков. Он имеет пространственную структуру, но не является полностью сшитым, поэтому по свойствам он сочетает в себе характеристики всех трех, а именно, одновременно обладает термопластичностью, а также отличной твердостью, вязкостью и устойчивостью к растрескиванию под напряжением и другими свойствами.
В зарубежных источниках сообщалось об использовании 2,5-диметил-2,5-бис(трет-бутилперокси)гексина-3 в качестве сшивающего агента, но в Китае его трудно найти. Цинхуаский университет провел исследование, используя дешевый и легкодоступный дикумилпероксид (DCP) в качестве сшивающего агента. Результаты показали, что при содержании DCP менее 1% ударная прочность может быть повышена на 15–20% по сравнению с чистым сверхвысокомолекулярным полиэтиленом (СВМПЭ). В частности, при содержании DCP 0,25% ударная прочность может быть повышена на 48%. С увеличением содержания DCP повышается температура тепловой деформации, что позволяет использовать его для термостойких труб в системах водяного отопления.
Силановые связующие
Для сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) в основном используются два типа силановых связующих: винилсилоксаны и аллилсилоксаны. Часто применяются винилтриметоксисилан и винилтриэтоксисилан. Связующие обычно активируются пероксидами, часто используется DCP, а в качестве катализатора обычно применяются производные олова.
Процесс формования силаносшитого сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) начинается с термического разложения пероксида на химически высокоактивные свободные радикалы. Эти радикалы отрывают атомы водорода от молекул полимера, превращая основную цепь полимера в активный свободный радикал, который затем вступает в реакцию присоединения с силаном. Присоединённый сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) под действием воды и катализатора конденсации силаноолов подвергается гидролизу и конденсации, образуя поперечные связи, в результате чего получается силаносшитый сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ).
Радиационное сшивание
Под действием определённой дозы электронного или гамма-излучения часть основной или боковой цепи в молекулярной структуре сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) может быть разорвана, образуя определённое количество свободных радикалов. Эти радикалы соединяются друг с другом, образуя поперечные связи, что преобразует линейную молекулярную структуру сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) в сетчатую макромолекулярную структуру. После облучения определённой дозой такие физические свойства сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), как ползучесть, маслопоглощение и твёрдость, в определённой степени улучшаются.
Облучение искусственных суставов из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) гамма-лучами приводит к их сшиванию одновременно со стерилизацией, что повышает твёрдость и гидрофильность искусственного сустава, а также улучшает сопротивление ползучести, тем самым продлевая срок его службы.
Исследования показывают, что сочетание облучения с прививкой ПТФЭ также может улучшить износ и поведение при ползучести сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Этот материал обладает тканевой совместимостью и подходит для имплантации в организм.3
Другие
Полимеры
Полимерные композиты in situ на основе жидкокристаллических полимеров (ЖКП) представляют собой смеси термотропных жидкокристаллических полимеров (ТЖКП) и термопластичных смол. В процессе переработки расплава таких смесей, благодаря жесткой молекулярной структуре ТЖКП, под действием силового поля происходит спонтанная ориентация молекул вдоль направления течения, наблюдается выраженное поведение разжижения при сдвиге, и в матрице смолы in situ формируется упрочняющая фаза с ориентированной структурой, т.е. происходит образование волокон на месте, что приводит к упрочнению термопластичной смолы и улучшению ее технологической текучести. Исследователи из Университета Цинхуа, такие как Чжао Аньчи, добились заметных результатов в улучшении технологических свойств сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) с использованием технологии in situ компаундирования.
Модификация сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) с помощью ТЖКП не только повышает текучесть при переработке, позволяя удобно обрабатывать материал с использованием стандартных технологий термопластичной переработки и обычного оборудования, но также позволяет сохранить высокую прочность на растяжение и ударную вязкость, при этом износостойкость также значительно повышается.
Полимеризационное наполнение
Технология полимеризационного наполнения в синтезе полимеров представляет собой новый метод полимеризации, при котором наполнитель обрабатывают таким образом, чтобы на поверхности его частиц образовались активные центры. В процессе полимеризации олефиновые мономеры, такие как этилен и пропилен, полимеризуются на поверхности частиц наполнителя, образуя смолу, плотно обволакивающую частицы, что в итоге дает композитный материал с уникальными свойствами. Помимо свойств, характерных для смешанных композитов, этот материал обладает собственными особенностями: во-первых, нет необходимости плавить полиэтиленовую смолу, что позволяет сохранить форму наполнителя и получать порошкообразные или волокнистые композитные материалы; во-вторых, такие композиты не ограничены соотношением наполнитель/смола, и, как правило, содержание наполнителя может быть задано произвольно; кроме того, полученный композит представляет собой однородную смесь, на которую не влияют удельный вес или форма наполнителя.
По сравнению с материалами, полученными методом термоплавкого смешивания, в композитах на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), изготовленных по технологии полимеризационного наполнения, частицы наполнителя хорошо диспергированы, а межфазное взаимодействие между частицами и полимерной матрицей также является хорошим. Это приводит к тому, что прочность на растяжение и ударная вязкость композита незначительно отличаются от таковых у чистого сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), но значительно превосходят показатели материалов, полученных смешиванием, особенно при высоком содержании наполнителя, где контраст становится еще более очевидным. Твердость, прочность на изгиб и, в особенности, модуль упругости при изгибе композита значительно повышаются по сравнению с чистым сверхвысокомолекулярным полиэтиленом (СВМПЭ), что делает его особенно подходящим для использования в качестве силовых деталей, таких как подшипники и опоры валов. Кроме того, термомеханические свойства композита также значительно улучшаются: температура размягчения по Вика повышается почти на 30°C, температура тепловой деформации увеличивается почти на 20°C, а коэффициент линейного теплового расширения снижается более чем на 20%. Следовательно, данный материал может использоваться в условиях повышенных температур и подходит для изготовления деталей машин с высокими требованиями к точности, таких как подшипники, втулки и шестерни.
Использование технологии полимеризационного наполнения также позволяет контролировать молекулярную массу сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) путем введения в полимеризационную систему водорода или других переносчиков цепи, что облегчает переработку смолы.
Американский патент описывает получение высокомодульного гомогенного композита на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) методом полимеризационного наполнения с использованием наполнителей с кислотно-нейтральной поверхностью: гидратированного оксида алюминия, диоксида кремния, нерастворимых в воде силикатов, карбоната кальция, основного алюминиево-натриевого карбоната, гидроксиапатита и фосфата кальция. Другой патент указывает, что при полимеризации сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) на поверхности высушенного оксида алюминия в гептане при 60°C и 1,3 МПа в присутствии катализатора можно получить высокомодульный гомогенный композит. Исследовательский институт компании Qilu Petrochemical синтезировал композиты на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), используя в качестве наполнителей диатомит и каолин соответственно.
Сверхвысокомолекулярный
Введение волокон сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) в матрицу из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) приводит к получению композиционного материала с превосходными механическими свойствами благодаря хорошей химической совместимости и сильному межфазному сцеплению, поскольку матрица и волокна обладают одинаковыми химическими характеристиками. Добавление волокон СВМПЭ значительно повышает прочность на растяжение, модуль упругости, ударную вязкость и сопротивление ползучести сверхвысокомолекулярного полиэтилена. По сравнению с чистым СВМПЭ, введение волокон СВМПЭ с объемным содержанием 60% позволяет увеличить максимальное напряжение и модуль упругости на 160% и 60% соответственно. Этот самоупрочненный материал на основе СВМПЭ особенно подходит для применения в биомедицине в нагруженных условиях, причем особый интерес представляет его использование для полной замены искусственных суставов. Низкий объемный коэффициент износа самоупрочненного материала СВМПЭ способен увеличить срок службы искусственных суставов.
Сплавление
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) может образовывать сплавы не только с пластмассами для улучшения своих технологических свойств, но и для получения других характеристик. Среди них наиболее выделяется сплав PP/СВМПЭ.
Обычно упрочнение полимеров достигается введением гибких сегментов цепи в смолу с образованием композита (например, резинопластиковой смеси), и механизм упрочнения объясняется «механизмом множественного образования трещин (крайзинга)». Однако в системе PP/СВМПЭ СВМПЭ оказывает явное упрочняющее действие на полипропилен, что не может быть объяснено теорией «множественных трещин». Впервые в 1993 году в Китае было сообщено об успешном упрочнении полипропилена с помощью СВМПЭ: при содержании СВМПЭ 15% ударная вязкость надрезанной образца смеси более чем в два раза превышала показатель чистого PP. Также сообщалось, что при смешивании СВМПЭ с сополимерным полипропиленом, содержащим этиленовые звенья, при содержании СВМПЭ 25% ударная вязкость увеличивалась более чем вдвое по сравнению с PP. Объяснением вышеуказанных явлений служит «механизм упрочнения сетчатой структурой».
Субмикроскопическая морфология смесей PP/сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) представляет собой биконтинуальную фазу. Молекулы СВМПЭ совместно с длинноцепочечными молекулами PP образуют смешанную сеть, а остальной PP формирует собственную PP-сеть. Эти две структуры переплетаются, образуя «линейную взаимопроникающую сеть». Смешанная сеть в материале выполняет роль каркаса, обеспечивая механическую прочность. При воздействии внешней ударной нагрузки она подвергается значительной деформации, поглощая внешнюю энергию, что играет роль упрочнения. Чем более целостной и плотной является формируемая сеть, тем лучше эффект упрочнения.
Для обеспечения формирования структуры «линейной взаимопроникающей сети» необходимо, чтобы СВМПЭ был диспергирован в PP-матрице на квазимолекулярном уровне, что предъявляет высокие требования к способу смешивания. Исследования Пекинского университета химической технологии показали: четырёхшнековый экструдер способен равномерно диспергировать СВМПЭ в PP-матрице, в то время как эффективность смешивания на двухшнековом экструдере оказывается неудовлетворительной.
EPDM может выступать в роли совместителя для сплава PP/СВМПЭ. Поскольку два основных структурных звена EPDM идентичны таковым у PP и СВМПЭ соответственно, он обладает хорошим сродством к обоим материалам и при смешивании легко диспергируется на границе раздела фаз. EPDM оказывает внедряющее, разделяющее и измельчающее действие на составной эвтектик, что благоприятно сказывается на повышении ударной вязкости материала и позволяет значительно увеличить ударную вязкость по Шарпи (с надрезом).
Кроме того, СВМПЭ также может образовывать сплавы с каучуками, приобретая превосходящие чистый каучук механические свойства, такие как износостойкость, прочность на растяжение и относительное удлинение при разрыве. При этом вулканизация каучука происходит выше температуры размягчения СВМПЭ в процессе смешивания.
Компаундирование
СВМПЭ может быть подвергнут вулканизационному компаундированию с различными Резина (или каучуково-пластиковыми сплавами) для получения модифицированных PE-листов. Эти листы в дальнейшем могут использоваться для изготовления композитных материалов с металлическими листами. Помимо этого, СВМПЭ может быть нанесён на поверхность пластиков для повышения ударопрочности.
Области применения
Благодаря многочисленным превосходным свойствам сверхвысокомолекулярного полиэтилена, он демонстрирует значительные преимущества на рынке высокопроизводительных волокон, включая швартовые тросы для морских нефтяных месторождений и легкие композиционные материалы с высокими характеристиками, играя важнейшую роль в таких областях, как современная война, авиация, космонавтика и оборудование для морской обороны.
1. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен может использоваться для создания футеровки кузовов, бункеров, желобов для перевозки и хранения порошкообразных материалов, таких как уголь, известь, цемент, минеральный порошок, соль, зерно и т.д., благодаря своим превосходным самосмазывающимся и антиадгезионным свойствам, что предотвращает прилипание указанных порошкообразных материалов к транспортно-накопительному оборудованию и обеспечивает стабильную и надежную транспортировку.
2. При использовании сверхвысокомолекулярного полиэтилена для трубопроводов, транспортирующих жидкости, такие как пульпа, его выдающиеся характеристики по сравнению с другими трубами проявляются в следующем: по сравнению с бамбуковыми трубами срок службы увеличивается в 18 раз, а затраты снижаются до 1/25; по сравнению с нейлоновыми трубами срок службы увеличивается в 3 раза, а затраты снижаются до 1/8. Во время транспортировки сопротивление внутри трубы на 25% меньше, чем у неметаллических труб, что значительно повышает эффективность транспортировки.
3. В таких областях, как футеровка желобов, ковшей и отсеков для руды, при использовании традиционных неметаллических материалов в холодную и влажную погоду груз может замерзать на металле, однако при использовании плит из высокомолекулярного полиэтилена этого не происходит, что значительно сокращает стоимость разгрузки. После футеровки саморазгрузочных люков навалочных вагонов и судов плитами из высокомолекулярного полиэтилена среднее время разгрузки сократилось с первоначальных 16–20 часов до 8 часов.
4. В области оборудования для оборонных нужд, благодаря хорошей ударной вязкости и высокой удельной энергии поглощения, он может использоваться в военных целях для изготовления защитной одежды, шлемов, бронежилетов, таких как бронезащитные панели для вертолетов, танков и кораблей, защитные кожухи для радаров, обтекатели ракет, бронежилеты, противоударные жилеты, щиты, парашюты и т.д.
5. В аэрокосмической инженерии, благодаря малому весу, высокой прочности и хорошей ударной стойкости, он подходит для конструкций законцовок крыльев различных самолетов, конструкций космических кораблей и самолетов-поплавков. Также он может использоваться в качестве тормозных парашютов для посадки космических челноков и тросов для подвешивания тяжелых грузов на самолетах, заменяя традиционные стальные тросы и синтетические волоконные канаты, и скорость его развития исключительно высока.
6. В гражданской области изготовленные из него канаты, тросы, паруса и рыболовные снасти применяются в морской инженерии; их длина разрыва под собственным весом в 8 раз превышает таковую у стальных тросов и в 2 раза — у арамидных. Эти канаты используются в качестве якорных швартовых для супертанкеров, морских эксплуатационных платформ, маяков и т.д., решая проблемы, с которыми сталкивались при использовании стальных тросов (коррозия), а также нейлоновых и полиэфирных тросов (коррозия, гидролиз, УФ-деградация), приводящие к снижению прочности и разрыву тросов, что требовало их частой замены.
7. В промышленном применении он может использоваться для изготовления сосудов высокого давления, конвейерных лент, фильтровальных материалов, автомобильных буферных пластин и т.д.; в строительстве — для стен, перегородок и других конструкций. Его использование в качестве армирующего материала для цементных композитов улучшает вязкость цемента и повышает его ударопрочность. Благодаря отличной износостойкости и ударной вязкости он широко применяется в машиностроении для изготовления различных механических компонентов, таких как шестерни, кулачки, рабочие колеса, ролики, шкивы, подшипники, вкладыши подшипников, втулки, разрезные валы, прокладки, уплотнительные шайбы, упругие муфты, винты и т.д.
8. В спортивных товарах из него уже производят защитные шлемы, лыжи, виндсерфинги, удочки, ракетки, а также компоненты для велосипедов, дельтапланов, сверхлегких самолетов и т.д., причем его характеристики превосходят характеристики традиционных материалов.
9. В медицинском аспекте он используется в таких областях, как материалы для зубных протезов, медицинские имплантаты и пластические швы. Он обладает хорошей биосовместимостью и долговечностью, высокой стабильностью, не вызывает аллергических реакций и уже нашел клиническое применение. Также используется для медицинских перчаток и других медицинских изделий.4
Продукция из сверхвысокомолекулярного полиэтилена
Продукция из сверхвысокомолекулярного полиэтилена
Последние достижения в области промышленного освоения
В феврале 2026 года компания Чэнчжи Гуфэнь объявила об успешном запуске пробного производства на своем проекте по сверхвысокомолекулярному полиэтилену.0
В апреле 2026 года дочерняя компания Группы Яньчан Петролеум, Компания Юйлинь Кэмикэл, подписала контракт с Китайской химической инженерией Хуалу Инжиниринг Технолоджи Ко., Лтд. на инвестиции и строительство проекта продукции нижнего течения угольной химии в Промышленном парке Юйхэн в Юйлине, провинция Шэньси. Проект предусматривает строительство установки по производству сверхвысокомолекулярного полиэтилена мощностью 30 000 тонн в год. Продукция проекта, такая как сверхвысокомолекулярный полиэтилен, может применяться в таких областях, как фотоэлектрическая инкапсуляция, облегчение автомобиля, медицинские расходные материалы и высококачественная упаковка.13
5 мая 2026 года отечественное предприятие в области спортивной медицины, Акционерное общество «Пекин Тяньсин Медикал» , провело листинг на Гонконгской фондовой бирже. Эта компания использует высокомолекулярные материалы, включая сверхвысокомолекулярный полиэтилен, в имплантатах для спортивной медицины.14
9 мая 2026 года Компания «Пуаосицзин Новые Энергетические Материалы (Шанхай)» объявила, что представит новые продукты на Выставке CIBF 2026. Пусицзин — это предприятие, занимающееся исследованиями и разработками полиолефиновых материалов.15
