Polyethylen s ultra vysokou molekulovou hmotností a vysokou hustotou

Ultra-vysokomolekulární polyetylen ( UHMWPE , anglicky  Ultra-high Molecular Weight polyethylene , UHMW PE ) je termoplastický polymer, konstrukční materiál vhodný pro provoz v extrémních provozních podmínkách.

Synonyma:

• vysokomodulový polyethylen (HM PE);
• vysoce výkonný polyethylen (HP PE).

Ultra vysoká hmotnost molekul určuje jedinečné vlastnosti UHMWPE, které se liší od ostatních typů polyethylenu.

Historie vytvoření

UHMWPE byl poprvé použit v průmyslu v 50. letech 20. století společností Ruhrchemie AG . V 60. letech 20. století A. J. Pennings ve spolupráci s firmou DSM (Nizozemsko) syntetizoval vláknité struktury s velmi vysokou pevností z UHMWPE. V 70. letech se vědcům DSM podařilo na základě Penningsových objevů vytvořit vlákna [1] . Ve světě UHMWPE syntetizují Ticona, Braskem, DSM, Teijin (Endumax), Celanese a Mitsui.

Budova

Molekula UHMWPE se skládá z dlouhých lineárních řetězců polyethylenu s molekulovou hmotností 1,5–11,5 milionů a.u. e. m. , stupeň polymerace monomeru - ethylenu je více než 100 tisíc [2] s relativně slabými mezimolekulárními vazbami (10-20 kJ/mol) (naproti tomu např. z Kevlaru , s jeho relativně krátkými molekulami a silnými mezimolekulárními vazby). Úroveň paralelismu v orientaci lineárních molekul může přesáhnout 95 % a stupeň krystalinity dosahuje 85 %.

Vlastnosti

Vzhledem ke struktuře molekul je UHMWPE termoplastická látka s relativně nízkým bodem tání (135–190 °C), proto se výrobky z něj nedoporučují používat při teplotách nad 80–100 °C. Při zahřátí nad bod tání nepřechází UHMWPE do viskózního stavu, ale pouze do vysoce plastického [3] . Povrch výrobků UHMWPE je hladký na dotek.

UHMWPE má velmi nízkou absorpci vody pro organické polymerní sloučeniny , v rozmezí 0,01–0,05 % [4] [5] , což je způsobeno nepřítomností polárních skupin (esterové, amidové, hydroxylové skupiny) v molekulách UHMWPE. Vlastnosti UHMWPE se tedy při vystavení vodě nemění (pro srovnání, v kevlaru se pevnost za mokra snižuje na polovinu kvůli porušení slabých vodíkových vazeb amidových skupin; po vysušení se pevnost plně neobnoví) . UHMWPE je také odolný vůči většině kyselin a zásad , ultrafialovému a gama [6] záření a mikroorganismům [4] [5] [7] .

Specifická hustota čistého UHMWPE je přibližně 0,93–0,94 g/cm³ s přísadami 0,95 g/cm³ [4] . Poměr pevnosti v tahu k hmotnosti UHMWPE je o 40 % vyšší než u aramidových sloučenin, jako je Kevlar [8] . V přítomnosti dlouhodobého statického tahového zatížení se UHMWPE deformuje tak dlouho, dokud existuje mechanické napětí (vlastnost zvaná „tečení“).

UHMWPE má dostatečně vysoký modul v ohybu asi 1 GPa a destruktivní napětí v tahu nebo ohybu 20–40 MPa (~4 kgf/mm²) [5] [7] [4] , takže je z hlediska napětí při přetržení nejlepší. vysoce legované nízkouhlíkové vysoce čisté oceli 50-100krát a modulem pružnosti - 200krát (například nástrojová ocel 4Kh5MFS po nízkoteplotním termomechanickém zpracování nebo ausformingu má lomové napětí σb asi 250 kgf / mm² a mez kluzu σ 0,2 je 180-230 kgf/mm²) [9] . Díky nízké hustotě, která je 8–8,5krát nižší než u ocelí, a vysoké únavové pevnosti (vytrvalosti) však mohou výrobky vyrobené z UHMWPE konkurovat v pevnosti/hmotnosti výrobkům vyrobeným z nízkopevnostních konstrukčních ocelí a dokonce je předčí.

Hlavní vlastnosti UHMWPE, které určují jeho použití, jsou velmi vysoká odolnost proti opotřebení, nízký koeficient tření a vysoká lomová houževnatost (spolehlivost při nízkých teplotách). Z hlediska odolnosti proti opotřebení UHMWPE při přijatelných provozních teplotách a některých abrazivech tedy předčí teflony a dokonce i uhlíkové oceli [10] . Koeficient tření UHMWPE (na oceli) je asi 0,1 [11] . Koeficient rázové houževnatosti - 170 kJ / m² (s vrubem - až 80 kJ / m²), provozní teploty - od -150 ° C nebo dokonce -260 ° C [5] (podle jiných zdrojů - od -80 ° C) až +80 -90 °С [12] [6] .

Technologie výroby

Syntéza UHMWPE se provádí pomocí metalocenových katalyzátorů z monomeru - ethylenu , přičemž počet monomerů v jedné molekule je o několik řádů větší než u vysokohustotního polyethylenu . Pro syntézu UHMWPE se používají nízkotlaká zařízení .

Recyklovaný prášek UHMWPE se prodává buď jako vlákna, nebo v konsolidované formě, jako jsou desky, fólie, profily nebo tyče.

Produkty z UHMWPE se získávají následujícími způsoby zpracování:

• lisování ;
• průběžné lisování profilu nebo vytlačování
• tvorba gelu (spřádání gelu);
• vytlačování pístu.

Právě s pomocí tvorby gelu se získávají nejpevnější vlákna značek Dyneema a Spectra pro kabely , smyčky , široce se používají v balistické ochraně, obranných aplikacích a stále častěji i v lékařských zařízeních.

Výroba v Rusku

V Rusku existuje několik závodů na syntézu prášků UHMWPE:

• Tomskneftekhim , projektovaná kapacita 1000 tun/rok;
• " Kazanorgsintez ", projektovaná kapacita 1000 tun/rok [13] .

Aplikace

• Ve vojenských záležitostech: vytvoření neprůstřelných vesty na bázi vláken UHMWPE (balistické vesty, neprůstřelné vesty) různých tříd ochrany, přilby . Při výrobě tkaniny z vláken se UHMWPE nanáší pod různými úhly (víceosá tkanina z vrstev jednosměrné dýhy), což zvyšuje pevnost vícevrstvého obalu.
• Ve strojírenství (papírenské stroje): koeficient tření výrobků a odolnost proti opotřebení UHMWPE se blíží koeficientům fluoroplastů, a to za mnohem nižší cenu. Díly UHMWPE se používají pro těsnění v hydraulických a pneumatických systémech a v jednotkách se suchým třením.
• V elektrotechnice: izolátory, izolace kabelů.
• V dopravě, stavbě lodí: UHMWPE panely jsou obloženy sklady loděnic. Lana a lana se používají pro tažná, vyvazovací a kotvící zařízení na lodích : současně je pevnost a odolnost proti opotřebení takových lan na jednotku hmotnosti vyšší než u některých druhů ocelí, jejich vlastnosti se za mokra nemění, takové kabely neponořují se do vody a nepotřebují mazání. Známé jsou zejména kabely vyrobené z UHMWPE vláken "Dyneema" ("DSM", Nizozemsko ) a "Spectra" ("Honeywell", USA ).
• Ve sportu: ochrana proti píchnutí při šermu, padákové vlasce, vlasec pro rybaření, horolezecká lana pro horolezectví , při výrobě lyží a snowboardů (v kombinaci s uhlíkovými vlákny zvyšující pevnost a pružnost), syntetický led (potah pro ledové sporty : hokej, curling).
• V lékařství k vytváření kloubních endoprotéz (kyčel, koleno, obratle). Zde se používá hlavně zesíťovaný UHMWPE.
• Směs na bázi UHMWPE (UHMWPE-granule): určená pro použití ve vstřikovacích lisech jako základní polymer nebo aditivum, které zvyšuje odolnost proti opotřebení, odolnost proti praskání, lomovou houževnatost, spolehlivost při nízkých teplotách, chemickou odolnost. Formy výroby granulátu UHMWPE: plechy, desky, desky, fólie, trubky, pláště pro kabelové výrobky, profil.
• UHMWPE trubka. Jedná se o potrubní systémy odolné proti opotřebení pro specifické operace pohybu abrazivních materiálů: nerosty, uhlí, krmiva, odpady; vnitropodnikové potrubí odpadů, suspenzí, past procesních proudů.
• UHMWPE tkaniny se také používají k výrobě ochranných rukavic ve sportu, lékařství, průmyslu (rukavice odolné proti proříznutí, rukavice odolné proti opotřebení) [14] .

Viz také

• Polyethylen

Poznámky

1. ↑ „Dyneema, Spectra a další ‚magická‘ lana...“ Archivováno 3. února 2016 na Wayback Machine .
2. ↑ Kurtz SM Příručka UHMWPE: polyethylen s ultravysokou molekulovou hmotností při totální náhradě kloubu. - Amsterdam: Academic Press, 2004. - 379 s. - ISBN 1417537221 , 9781417537228, 9780124298514, 0124298516.
3. ↑ Andreeva I. N., Veselovskaya E. V., Nalivaiko E. I. Polyethylen o vysoké hustotě s ultravysokou molekulovou hmotností. - L . : Chemie, 1982. - 80 s.
4. ↑ 1 2 3 4 Plasty Petrohrad. Ultra vysokomolekulární polyethylen PE 1000 (PE-UHMW) (nedostupný odkaz) . Získáno 23. května 2016. Archivováno z originálu 30. května 2016. (neurčitý) 
5. ↑ 1 2 3 4 Vysokomolekulární polyethylen a jeho typy . Staženo 23. 5. 2016. Archivováno z originálu 3. 6. 2016. (neurčitý)
6. ↑ 1 2 Ultra vysokomolekulární polyetylen (UHMWPE) - materiál pro extrémní provozní podmínky . Získáno 23. 5. 2016. Archivováno z originálu 29. 6. 2016. (neurčitý)
7. ↑ 1 2 Polyethylen . Staženo 23. 5. 2016. Archivováno z originálu 21. 5. 2016. (neurčitý)
8. ↑ Materiály a produkty založené na UHMWPE . Získáno 23. 5. 2016. Archivováno z originálu 29. 6. 2016. (neurčitý)
9. ↑ Ivanova V. S., Gorodienko L. K., Geminov V. N. et al. Úloha dislokací při kalení a destrukci kovů / Ivanova V. S. - Nauka, 1965. - 180 s. - 4500 výtisků.
10. ↑ Ultra-vysokomolekulární (vysokomolekulární) UHMWPE polyethylen . propolyethylen.ru. Staženo 23. 5. 2016. Archivováno z originálu 24. 5. 2016. (neurčitý)
11. ↑ Ultra vysokomolekulární polyetylen (UHMWPE) - materiál pro extrémní podmínky . Získáno 23. 5. 2016. Archivováno z originálu 4. 6. 2016. (neurčitý)
12. ↑ Vysokomolekulární polyethylen a jeho typy . Staženo 23. 5. 2016. Archivováno z originálu 3. 6. 2016. (neurčitý)
13. ↑ Ultra-vysoký polyetylen: Trh čeká na recyklátory . Získáno 24. ledna 2016. Archivováno z originálu 5. února 2016. (neurčitý)
14. ↑ Erlich E. Srovnání „poštovních“ rukavic vyrobených z Kevlaru a Dyneemu Archivováno 18. června 2021 na Wayback Machine