Полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы

редактировать
полиэтилен с очень длинной цепью и высокой ударной вязкостью

Полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы (UHMWPE, UHMW ) - это подмножество термопласта полиэтилена. Также известный как высокомодульный полиэтилен, (HMPE ), он имеет чрезвычайно длинные цепи с молекулярной массой обычно от 3,5 до 7,5 миллионов а.е.м.. Более длинная цепь служит для более эффективной передачи нагрузки на основную цепь полимера за счет усиления межмолекулярных взаимодействий. В результате получается очень прочный материал с наивысшей ударной вязкостью из всех термопластов, производимых в настоящее время.

СВМПЭ не имеет запаха, вкуса и нетоксичен. Он воплощает в себе все характеристики полиэтилена высокой плотности (HDPE) с добавленными чертами устойчивости к концентрированным кислотам и щелочам, а также многочисленным органическим растворителям.. Он обладает высокой устойчивостью к агрессивным химическим веществам, за исключением окисляющих кислот ; имеет чрезвычайно низкое влагопоглощение и очень низкий коэффициент трения ; самосмазывающийся (см. граничная смазка ); и обладает высокой устойчивостью к истиранию, в некоторых формах в 15 раз более устойчивой к истиранию, чем углеродистая сталь. Его коэффициент трения значительно ниже, чем у нейлона и ацетала, и сравним с коэффициентом трения политетрафторэтилена (ПТФЭ, тефлон), но СВМПЭ имеет лучшую стойкость к истиранию. чем PTFE.

Содержание

  • 1 Разработка
  • 2 Структура и свойства
  • 3 Производство
  • 4 Области применения
    • 4.1 Волокно
    • 4.2 Медицинское
    • 4.3 Производство
    • 4.4 Проволока / кабель
    • 4.5 Морская инфраструктура
  • 5 См. также
  • 6 Ссылки
  • 7 Дополнительная литература
  • 8 Внешние ссылки

Разработка

Полимеризация UHMWPE была коммерциализирована в 1950-х годах компанией AG, который менял имена с годами. Сегодня порошковые материалы из СВМПЭ, которым можно напрямую придать окончательную форму изделия, производятся Ticona, Braskem, DSM, Teijin (Эндумакс), Селанез и Мицуи. Обработанный СВМПЭ коммерчески доступен в виде волокон или в консолидированной форме, такой как листы или стержни. Благодаря своей устойчивости к износу и ударам СВМПЭ продолжает находить все более широкое применение в промышленности, в том числе в автомобилестроении и розливе в бутылки. С 1960-х годов СВМПЭ также был предпочтительным материалом для тотального сустава артропластики в ортопедических и спинных имплантатах.

Волокна СВМПЭ, коммерциализируются в конце 1970-х годов голландской химической компанией DSM широко использовались в баллистической защите, оборонных приложениях и все чаще в медицинских устройствах.

Структура и свойства

Структура UHMWPE, с n больше 100 000

UHMWPE - это тип полиолефина. Он состоит из очень длинных цепей полиэтилена, которые выровнены в одном направлении. Его сила во многом зависит от длины каждой отдельной молекулы (цепи). Ван-дер-Ваальсовы связи между молекулами относительно слабы для каждого атома перекрытия между молекулами, но, поскольку молекулы очень длинные, могут существовать большие перекрытия, что в сумме увеличивает способность переносить большие силы сдвига от молекулы. к молекуле. Каждая цепь связана с другими таким количеством ван-дер-ваальсовых связей, что общая межмолекулярная прочность высока. Таким образом, большие растягивающие нагрузки не ограничиваются в такой степени сравнительной слабостью каждой ван-дер-ваальсовой связи.

При формировании волокон полимерные цепи могут достигать параллельной ориентации более 95% и уровня кристалличности от 39% до 75%. Напротив, кевлар получает свою прочность благодаря прочной связи между относительно короткими молекулами.

Слабая связь между молекулами олефинов позволяет местным тепловым возбуждениям нарушать кристаллический порядок данной цепи по частям, что придает ей гораздо более низкую термостойкость, чем у других высокопрочных волокон. Его температура плавления составляет от 130 до 136 ° C (от 266 до 277 ° F), и, согласно DSM, не рекомендуется использовать волокна из СВМПЭ при температурах, превышающих 80-100 ° C (176-212 ° F). ° F) в течение длительного времени. Он становится хрупким при температурах ниже -150 ° C (-240 ° F).

Простая структура молекулы также приводит к поверхностным и химическим свойствам, которые редко встречаются в высокоэффективных полимеры. Например, полярные группы в большинстве полимеров легко связываются с водой. Поскольку олефины не имеют таких групп, UHMWPE не абсорбирует воду легко и не влажно, что затрудняет его связывание с другими полимерами. По тем же причинам кожа не взаимодействует с ней сильно, из-за чего поверхность волокна СВМПЭ становится скользкой. Подобным образом ароматические полимеры часто чувствительны к ароматическим растворителям из-за ароматических взаимодействий стекирования, эффекта, к которому неуязвимы алифатические полимеры, такие как UHMWPE. Поскольку UHMWPE не содержит химических групп (таких как сложные эфиры, амиды или гидроксильные группы), которые подвержены воздействию агрессивных агентов, он очень устойчив к воде., влажность, большинство химикатов, УФ-излучение и микроорганизмы.

Под растягивающей нагрузкой СВМПЭ будет постоянно деформироваться, пока присутствует напряжение - эффект, называемый ползучесть.

. Когда СВМПЭ отожжен, материал нагревается до 135 ° C. ° C и 138 ° C в духовке или на жидкой бане с силиконовым маслом или глицерином. Затем материал охлаждают со скоростью 5 ° C / ч до 65 ° C или ниже. Наконец, материал оборачивают изолирующим покрытием на 24 часа, чтобы довести его до комнатной температуры.

Производство

Синтезирован сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) из его мономера этилена, который связан вместе с образованием основного полиэтиленового продукта. Эти молекулы на несколько порядков длиннее, чем молекулы известного полиэтилена высокой плотности (HDPE), благодаря процессу синтеза на основе металлоценовых катализаторов, ​​в результате чего молекулы UHMWPE обычно содержат от 100 000 до 250 000 мономерных единиц на молекулу каждая по сравнению с 700 до 1800 мономеров HDPE.

СВМПЭ обрабатывают по-разному: прессованием, прессованием экструзией, формованием геля и спеканием. Несколько европейских компаний начали компрессионное формование UHMW в начале 1960-х годов. Гель-прядение появилось намного позже и предназначалось для разных целей.

При формовании геля точно нагретый гель из UHMWPE экструдируют через фильеру. Экструдат пропускают через воздух и затем охлаждают на водяной бане. Конечным результатом является волокно с высокой степенью молекулярной ориентации и, следовательно, исключительной прочностью на разрыв. Формование геля зависит от выделения отдельных цепных молекул в растворителе, так что межмолекулярные зацепления минимальны. Запутывание затрудняет ориентацию цепи и снижает прочность конечного продукта.

Области применения

Fiber

LIROS Dyneema hollow

Dyneema и Spectra - это марки легких высокопрочных гелей с ориентированными прядями, пряденных через фильеру. Они имеют предел текучести до 2,4 ГПа (2,4 кН / мм или 350,000 psi ) и плотность всего лишь 0,97 г / см (для Dyneema SK75). Высокопрочные стали имеют сопоставимый предел текучести, а низкоуглеродистые стали имеют гораздо более низкий предел текучести (около 0,5 ГПа). Поскольку сталь имеет удельный вес примерно 7,8, эти материалы имеют отношение прочности к массе в восемь раз больше, чем у высокопрочных сталей. Отношение прочности к массе для Dyneema примерно на 40% выше, чем для арамида. Dyneema была изобретена Альбертом Пеннингсом в 1963 году, но поступила в продажу компанией DSM в 1990 году.

СВМПЭ используется в качестве композитных пластин в броне, в частности, личной броне и иногда как броня автомобиля. Волокна UHMWPE в гражданском строительстве включают в себя стойкие к порезам перчатки, лук тетивы, альпинистское снаряжение, автомобильные лебедки, леска, лески для подводные ружья, высокопроизводительные паруса, стропы подвески на спортивных парашютах и парапланах, такелаж в яхтинг, кайты и кайт-стропы для кайтспорта.

Для личной брони волокна, как правило, выравниваются и склеиваются в листы, которые затем накладываются слоями под разными углами для придания конечному композитному материалу прочности во всех направлениях. Говорят, что недавно разработанные дополнения к бронежилету Interceptor вооруженных сил США, предназначенные для защиты рук и ног, используют ткань Spectra или Dyneema. Dyneema обеспечивает устойчивость к проколам защитной одежде в спорте фехтование.

Использование веревки Dyneema / Spectra для автомобильных лебедок дает множество преимуществ по сравнению с более распространенной стальной проволокой. Основной причиной перехода на веревку Dyneema является предлагаемая дополнительная безопасность. Меньшая масса каната Dyneema в сочетании со значительно меньшим удлинением при разрыве несет гораздо меньше энергии, чем сталь или нейлон, что обеспечивает практически полное отсутствие защелкивания. Канат Dyneema не создает изгибов, которые могут вызвать слабые места, а также, будучи канатом вместо кабеля, любые потертые участки, которые могут появиться по длине каната, не могут проткнуть кожу, как традиционная проволока. Канат Dyneema менее плотен, чем вода, что облегчает восстановление воды, так как подъемный кабель легче найти, чем традиционный канат. Доступные яркие цвета также улучшают видимость, если веревка затонула или загрязнилась. Еще одним преимуществом для автомобильной промышленности является меньший вес каната Dyneema по сравнению с традиционными стальными канатами. Типичная 11-миллиметровая веревка Dyneema длиной 30 метров может весить около 2 кг, эквивалентная стальная веревка будет весить около 13 кг. Одним из заметных недостатков каната Dyneema является его восприимчивость к ультрафиолетовому излучению, что означает, что многие пользователи устанавливают кожух для лебедки, чтобы защитить кабель.

Пряденые волокна СВМПЭ превосходны как леска, поскольку они менее растягиваются, более устойчивы к истиранию и тоньше традиционной моноволоконной лески.

в лазании, шнур и тесьма, изготовленные из комбинаций СВМПЭ и нейлона пряжи, завоевали популярность из-за их малого веса и объема. Они обладают очень низкой эластичностью по сравнению с их нейлоновыми аналогами. Кроме того, низкая эластичность означает низкую вязкость. Очень высокая смазывающая способность волокна приводит к плохой способности удерживать узлы и в основном используется в предварительно сшитых «стропах» (петлях лямки) - полагаться на узлы для соединения частей из СВМПЭ обычно не рекомендуется, и при необходимости рекомендуется использовать тройной рыболовный узел, а не традиционный двойной рыболовный узел.

судовые тросы и тросы, изготовленные из волокна (удельный вес 0,97) плавают в морской воде. «Провода Spectra», как их называют в сообществе буксировщиков, обычно используются для торцевых проводов как более легкая альтернатива стальным канатам.

Он используется в лыжах и сноубордах, часто в сочетании с углеродным волокном, усиливающим композитный материал стекловолокно, добавляя жесткость и улучшая его характеристики гибкости. СВМПЭ часто используется в качестве основного слоя, контактирующего со снегом, и включает абразивные материалы для впитывания и удержания воска.

Он также используется в подъемных устройствах для изготовления подъемных стропов с малым весом и тяжелых условий эксплуатации. Благодаря своей исключительной стойкости к истиранию он также используется в качестве отличной защиты углов синтетических подъемных строп.

Высокоэффективные стропы (такие как ахтерштаги ) для парусного спорта и парасейлинга изготовлены из СВМПЭ из-за их низкого растяжения и высокой прочности., и небольшой вес. Точно так же Dyneema часто используется для запуска планеров с земли, поскольку по сравнению со стальным тросом его превосходная стойкость к истиранию приводит к меньшему износу при беге по земле и в лебедку, что увеличивает время между отказами.

Dyneema использовалась для 30-километрового космического троса в ЕКА / российском спутнике молодых инженеров 2 сентября 2007 года.

Dyneema Composite Fabric (DCF) ламинированный материал, состоящий из сетки нитей Dyneema, зажатой между двумя тонкими прозрачными полиэфирными мембранами. Этот материал очень прочен для своего веса и первоначально был разработан для использования в парусах гоночных яхт под названием Cuben Fiber. В последнее время он нашел новые применения, особенно в производстве легкого и сверхлегкого туристического и туристического снаряжения, такого как палатки и рюкзаки.

В стрельбе из лука UHMWPE широко используется в качестве материала для тетивы из-за его низкой ползучести и растяжения по сравнению, например, с дакроном (ПЭТ). Помимо чистых волокон СВМПЭ, большинство производителей используют смеси для дальнейшего снижения ползучести и растяжения материала. В этих смесях волокна UHMWPE смешиваются, например, с Vectran.

. В парашютном спорте Spectra является одним из наиболее распространенных материалов, используемых для подвесных строп, в значительной степени вытесняя использовавшиеся ранее Дакрон, он легче и менее громоздкий. Spectra обладает превосходной прочностью и износостойкостью, но не имеет стабильных размеров (т.е. усаживается) под воздействием тепла, что приводит к постепенной и неравномерной усадке различных строп, поскольку они подвергаются разному трению во время развертывания купола, что требует периодической замены строп. Кроме того, он почти полностью неэластичен, что может усугубить шок открытия. По этой причине линии дакрона (ПЭТ) продолжают использоваться в студенческих и некоторых тандемных системах, где добавленная масса не вызывает беспокойства, а вероятность повреждения отверстия. В свою очередь, в высокоэффективных парашютах, используемых для парашютиста, Spectra заменяется на Vectran и HMA (высокомодульный арамид ), которые еще тоньше и стабильны по размерам, но демонстрируют больший износ и требуют гораздо более частого обслуживания, чтобы предотвратить катастрофический отказ. Spectra / Dyneema также используются для замыкающих контуров запасного парашюта при использовании с устройствами автоматической активации, где их чрезвычайно низкий коэффициент трения имеет решающее значение для правильной работы в случае срабатывания резака.

Медицинский

СВМПЭ имеет клиническую историю как биоматериал для использования в тазобедренных, коленных суставах и (с 1980-х годов) для имплантатов позвоночника. Интернет-хранилище информации и обзорных статей, относящихся к СВМПЭ медицинского класса, известное как UHMWPE Lexicon, было запущено в Интернете в 2000 году.

Компоненты для замены суставов исторически изготавливались из смол "GUR". Эти порошковые материалы производятся Ticona, обычно превращаются в полуформы такими компаниями, как Quadrant и Orthoplastics, а затем обрабатываются в компоненты имплантатов и стерилизуются производителями устройств.

UHMWPE впервые был использован клинически в 1962 году сэром John Charnley и стал основным опорным материалом для полной замены тазобедренного и коленного суставов в 1970-х годах. На протяжении всей его истории предпринимались безуспешные попытки модифицировать СВМПЭ для улучшения его клинических характеристик до тех пор, пока в конце 1990-х не был разработан высоко сшитый СВМПЭ.

Одна неудачная попытка модифицировать СВМПЭ была предпринята смешивание порошка с углеродными волокнами. Этот усиленный СВМПЭ был выпущен Zimmer в клинических условиях под названием «Poly Two» в 1970-х годах. Углеродные волокна имели плохую совместимость с матрицей UHMWPE, а его клинические характеристики уступали исходному UHMWPE.

Вторая попытка модифицировать UHMWPE заключалась в перекристаллизации под высоким давлением. Этот перекристаллизованный СВМПЭ был клинически выпущен DePuy под названием «Hylamer» в конце 1980-х годов. При гамма-облучении на воздухе этот материал проявлял восприимчивость к окислению, что приводило к худшим клиническим характеристикам по сравнению с первичным UHMWPE. Сегодня плохая клиническая история Hylamer в значительной степени объясняется его методом стерилизации, и наблюдается возрождение интереса к изучению этого материала (по крайней мере, в определенных исследовательских кругах). Гиламер потерял популярность в Соединенных Штатах в конце 1990-х годов с разработкой материалов из сверхвысокомолекулярного полиэтилена с высокой степенью поперечных связей, однако в литературе продолжают появляться негативные клинические отчеты из Европы о гиламере.

Материалы из сверхсшитого сверхвысокомолекулярного полиэтилена были клинически представлены в 1998 году и быстро стали стандартом лечения тотальной замены тазобедренного сустава, по крайней мере, в Соединенных Штатах. Эти новые материалы сшиваются гамма-излучением или электронным пучком (50–105 кГр), а затем термически обрабатываются для повышения их стойкости к окислению. Теперь доступны пятилетние клинические данные из нескольких центров, демонстрирующие их превосходство по сравнению с обычным сверхвысокомолекулярным полиэтиленом при полной замене тазобедренного сустава (см. артропластика ). Клинические исследования все еще продолжаются для изучения эффективности высокосшитого UHMWPE для замены коленного сустава.

В 2007 году производители начали включать антиоксиданты в UHMWPE для поверхностей, поддерживающих артропластику тазобедренного и коленного суставов. Витамин E (альфа-токоферол) является наиболее распространенным антиоксидантом, используемым в радиационно-сшитом СВМПЭ для медицинских целей. Антиоксидант помогает гасить свободные радикалы, которые образуются в процессе облучения, придавая ПЭСВМПЭ улучшенную стойкость к окислению без необходимости термической обработки. Несколько компаний с 2007 года продают технологии замены суставов, стабилизированные антиоксидантами, с использованием как синтетического витамина Е, так и антиоксидантов на основе затрудненного фенола.

Еще одним важным достижением в области медицины сверхвысокомолекулярного полиэтилена за последнее десятилетие стало увеличение его использования. волокон для швов. Медицинские волокна для хирургического применения производятся DSM под торговым наименованием "Dyneema Purity".

Производство

СВМПЭ используется в производстве окон и дверей из ПВХ (винила), так как он может выдерживать тепло, необходимое для размягчения материалов на основе ПВХ, и используется в качестве наполнителя формы / камеры для различных профилей формы ПВХ, чтобы эти материалы «изгибались» или формировались вокруг шаблона.

СВМПЭ также используется при производстве гидравлических уплотнений и подшипников. Он лучше всего подходит для средних механических нагрузок в воде, масляной гидравлике, пневматике и системах без смазки. Он обладает хорошей устойчивостью к истиранию, но лучше подходит для мягких сопрягаемых поверхностей.

Провод / кабель

Кабель катодной защиты с изоляцией из фторполимера / HMWPE обычно изготавливается с двойной изоляцией. Он имеет первичный слой из фторполимера, такого как ECTFE, который химически устойчив к хлору, серной кислоте и соляной кислоте. За первичным слоем следует изоляционный слой из HMWPE, который обеспечивает пластичную прочность и допускает значительные злоупотребления при установке. Оболочка из HMWPE также обеспечивает механическую защиту.

Морская инфраструктура

UHMWPE используется в морских сооружениях для швартовки судов и плавучих сооружений в целом. СВМПЭ образует контактную поверхность между плавающей структурой и неподвижной. Древесина также использовалась и используется для этого приложения. СВМПЭ выбран в качестве облицовки кранцев для причальных сооружений из-за следующих характеристик:

  • Износостойкость: лучшая среди пластмасс, лучше, чем у стали
  • Ударопрочность: лучшая среди пластмасс, аналогична стали
  • Низкое трение (влажные и сухие условия): самосмазывающийся материал

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

  • Southern et al., Свойства полиэтилена, кристаллизованного под действием ориентации и давления капиллярного вискозиметра, работающего под давлением, Журнал прикладной науки о полимерах т. 14, pp. 2305–2317 (1970).
  • Канамото, О сверхвысоком растяжении путем вытягивания монокристаллических матов из высокомолекулярного полиэтилена, Polymer Journal vol. 15, No. 4, pp. 327–329 (1983).

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-06-20 10:03:46
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте