Polietilenă cu greutate moleculară ultra mare de înaltă densitate

Polietilena cu greutate moleculară ultra-înaltă ( UHMWPE , engleză  Polietilenă cu greutate moleculară ultra-înaltă , UHMW PE ) este un polimer termoplastic, un material structural potrivit pentru funcționare în condiții extreme de funcționare.

Sinonime:

• polietilenă cu modul înalt (HM PE);
• polietilenă de înaltă performanță (HP PE).

Masa foarte mare de molecule determină proprietățile unice ale UHMWPE, care sunt diferite de alte tipuri de polietilenă.

Istoricul creației

UHMWPE a fost folosit pentru prima dată în industrie în anii 1950 de către Ruhrchemie AG . În anii 1960, A. J. Pennings, în colaborare cu compania DSM (Olanda), a sintetizat structuri din fibre cu rezistență foarte mare din UHMWPE. În anii 1970, oamenii de știință DSM au reușit să creeze fibre pe baza descoperirilor lui Pennings [1] . În lume, UHMWPE este sintetizat de Ticona, Braskem, DSM, Teijin (Endumax), Celanese și Mitsui.

Clădire

Molecula UHMWPE constă din lanțuri liniare lungi de polietilenă cu o greutate moleculară de 1,5–11,5 milioane u.a. e. m. , gradul de polimerizare a monomerului - etilena este mai mare de 100 mii [2] cu legături intermoleculare relativ slabe (10-20 kJ / mol) (spre deosebire, de exemplu, de Kevlar , cu moleculele sale relativ scurte și intermoleculare puternice ). obligațiuni). Nivelul de paralelism în orientarea moleculelor liniare poate depăși 95%, iar gradul de cristalinitate ajunge la 85%.

Proprietăți

Datorită structurii moleculelor, UHMWPE este o substanță termoplastică cu un punct de topire relativ scăzut (135–190 °C), prin urmare produsele fabricate din acesta nu sunt recomandate a fi utilizate la temperaturi care depășesc 80–100 °C. Când este încălzit peste punctul de topire, UHMWPE nu trece într-o stare vâscoasă, ci doar într-o stare foarte plastică [3] . Suprafața produselor UHMWPE este netedă la atingere.

UHMWPE are o absorbție de apă foarte scăzută pentru compușii polimerici organici , în intervalul 0,01–0,05% [4] [5] , ceea ce se datorează absenței grupelor polare (grupe ester, amidă, hidroxil) în moleculele UHMWPE. Prin urmare, proprietățile UHMWPE nu se schimbă atunci când este expus la apă (pentru comparație, în Kevlar, rezistența umedă scade la jumătate din cauza încălcării legăturilor slabe de hidrogen ale grupărilor amidice; atunci când este uscat, rezistența nu este complet restaurată) . UHMWPE este, de asemenea, rezistent la majoritatea acizilor și alcalinelor , radiațiilor ultraviolete și gamma [6] și microorganismelor [4] [5] [7] .

Densitatea specifică a UHMWPE pur este de aproximativ 0,93–0,94 g/cm³ cu aditivi de 0,95 g/cm³ [4] . Raportul dintre rezistența la tracțiune și masa UHMWPE este cu 40% mai mare decât cel al compușilor aramid , cum ar fi Kevlar [8] . În prezența unei sarcini statice de întindere pe termen lung, UHMWPE se deformează atâta timp cât există o solicitare mecanică (o proprietate numită „fluaj”).

UHMWPE are un modul de încovoiere suficient de mare de aproximativ 1 GPa și o tensiune distructivă la întindere sau la încovoiere de 20–40 MPa (~4 kgf/mm²) [5] [7] [4] , cedând astfel în ceea ce privește tensiunile de rupere la cel mai bun oțeluri de înaltă puritate, cu conținut scăzut de carbon, de 50-100 de ori și de modulul de elasticitate - de 200 de ori (de exemplu, oțelul de scule 4Kh5MFS după prelucrare termomecanică la temperatură joasă sau ausformare are o tensiune de rupere σ b de aproximativ 250 kgf / mm² iar limita de curgere σ 0,2 este 180-230 kgf/mm²) [9] . Cu toate acestea, datorită densității scăzute, care este de 8–8,5 ori mai mică decât cea a oțelurilor, și rezistenței mari la oboseală (rezistență), produsele fabricate din UHMWPE pot concura din punct de vedere rezistență/greutate cu produsele din oțeluri structurale cu rezistență scăzută și chiar să le depășească.

Principalele proprietăți ale UHMWPE care determină utilizarea acestuia sunt rezistența foarte mare la uzură, coeficientul scăzut de frecare și duritatea ridicată la rupere (fiabilitatea la temperaturi scăzute). Deci, în ceea ce privește rezistența la uzură a UHMWPE la temperaturi de funcționare acceptabile și unii abrazivi, acesta depășește teflonii și chiar oțelurile carbon [10] . Coeficientul de frecare al UHMWPE (pe oțel) este de aproximativ 0,1 [11] . Coeficient de rezistență la impact - 170 kJ / m² (cu crestătură - până la 80 kJ / m²), temperaturi de funcționare - de la -150 ° C sau chiar -260 ° C [5] (în funcție de alte surse - de la -80 ° C) la +80 -90 °С [12] [6] .

Tehnologia de producție

Sinteza UHMWPE este realizată folosind catalizatori metalocen din monomer - etilenă , în timp ce numărul de monomeri dintr-o moleculă este cu câteva ordine de mărime mai mare decât cel al polietilenei de înaltă densitate . Pentru sinteza UHMWPE se folosesc instalații de joasă presiune .

Pulberea UHMWPE reciclată este comercializată fie ca fibre, fie într-o formă consolidată, cum ar fi foi, filme, profile sau tije.

Produsele din UHMWPE sunt obținute prin următoarele metode de procesare:

• presare ;
• presare continuă a profilului, sau extrudare
• formare de gel (gel-spinning);
• extrudare cu piston.

Cu ajutorul formării gelului se obțin cele mai puternice fibre ale mărcilor Dyneema și Spectra pentru cabluri , chingi , sunt utilizate pe scară largă în aplicații de protecție balistică, apărare și, din ce în ce mai mult, în dispozitive medicale.

Producția în Rusia

În Rusia, există mai multe plante pentru sinteza pulberilor UHMWPE:

• Tomskneftekhim , capacitate de proiectare 1000 tone/an;
• „ Kazanorgsintez ”, capacitate de proiectare 1000 tone/an [13] .

Aplicație

• În afaceri militare: crearea de armături pe bază de fibre UHMWPE (veste balistice, veste antiglonț) de diferite clase de protecție, căști . La fabricarea țesăturii din fibre, UHMWPE este aplicat în diferite unghiuri (țesătură multiaxială din straturi de furnir unidirecțional), ceea ce crește rezistența pachetului multistrat.
• În inginerie mecanică (mașini de hârtie): coeficientul de frecare a produselor și rezistența la uzură a UHMWPE se apropie de cele ale fluoroplasticelor, la un cost mult mai mic. Piesele UHMWPE sunt utilizate pentru etanșări în sistemele hidraulice și pneumatice și în unitățile de frecare uscată.
• În electrotehnică: izolatori, izolarea cablurilor.
• În transport, construcții navale: panourile UHMWPE sunt căptușite cu stocuri de șantiere navale. Corzile și cablurile sunt folosite pentru dispozitivele de remorcare, ancorare și ancorare pe nave : în același timp, rezistența și rezistența la uzură a unor astfel de frânghii pe unitate de masă este mai mare decât cea a anumitor tipuri de oțel, proprietățile lor nu se schimbă atunci când sunt umede, astfel de cabluri nu se scufundă în apă și nu necesită lubrifiere. Cablurile realizate din fibre UHMWPE „Dyneema” („DSM”, Țările de Jos ) și „Spectra” („Honeywell”, SUA ) sunt deosebit de cunoscute.
• În sport: protecție anti-înțepătură în garduri, linii de parașute, fir de pescuit pentru pescuit, frânghii de cățărat pentru alpinism , la fabricarea de schiuri și snowboard -uri (în combinație cu fibră de carbon , creșterea rezistenței și flexibilității), gheață sintetică (acoperire pentru sporturi pe gheață : hochei, curling ).
• În medicină, pentru a crea endoproteze articulare (șold, genunchi, vertebre). Aici, UHMWPE reticulat este utilizat în principal.
• Compus pe bază de UHMWPE (UHMWPE-granule): conceput pentru utilizare în mașinile de turnare prin injecție ca polimer de bază sau aditiv care crește rezistența la uzură, rezistența la fisurare, duritatea la rupere, fiabilitatea la temperaturi scăzute, rezistența chimică. Forme de producere a granulelor UHMWPE: foi, plăci, plăci, peliculă, țeavă, manta pentru produse din cablu, profil.
• Conducta UHMWPE. Acestea sunt sisteme de conducte rezistente la uzură pentru operațiuni specifice de deplasare a materialelor abrazive: minerale, cărbune, furaje, deșeuri; conducte în instalație de deșeuri, suspensii, paste ale fluxurilor de proces.
• Țesăturile UHMWPE sunt, de asemenea, utilizate pentru producția de mănuși de siguranță în sport, medicină, industrie (mănuși rezistente la tăiere, mănuși rezistente la uzură) [14] .

Vezi și

• Polietilenă

Note

1. ↑ „Dyneema, Spectra and other ‘magic’ ropes...” Arhivat 3 februarie 2016 la Wayback Machine .
2. ↑ Kurtz SM Manualul UHMWPE: polietilenă cu greutate moleculară ultra-înaltă în înlocuirea totală a articulațiilor. - Amsterdam: Academic Press, 2004. - 379 p. - ISBN 1417537221 , 9781417537228, 9780124298514, 0124298516.
3. ↑ Andreeva I. N., Veselovskaya E. V., Nalivaiko E. I. Polietilenă cu greutate moleculară ultraînaltă de înaltă densitate. - L . : Chimie, 1982. - 80 p.
4. ↑ 1 2 3 4 Plastics Sankt Petersburg. Polietilenă cu greutate moleculară ultra mare PE 1000 (PE-UHMW) (link indisponibil) . Consultat la 23 mai 2016. Arhivat din original pe 30 mai 2016. (nedefinit) 
5. ↑ 1 2 3 4 Polietilenă cu greutate moleculară mare și tipurile acesteia . Preluat la 23 mai 2016. Arhivat din original la 3 iunie 2016. (nedefinit)
6. ↑ 1 2 Polietilenă cu greutate moleculară ultra mare (UHMWPE) - material pentru condiții extreme de funcționare . Preluat la 23 mai 2016. Arhivat din original la 29 iunie 2016. (nedefinit)
7. ↑ 1 2 Polietilenă . Preluat la 23 mai 2016. Arhivat din original la 21 mai 2016. (nedefinit)
8. ↑ Materiale și produse bazate pe UHMWPE . Preluat la 23 mai 2016. Arhivat din original la 29 iunie 2016. (nedefinit)
9. ↑ Ivanova V. S., Gorodienko L. K., Geminov V. N. și colab. Rolul dislocațiilor în întărirea și distrugerea metalelor / Ivanova V. S. - Nauka, 1965. - 180 p. - 4500 de exemplare.
10. ↑ Polietilenă UHMWPE cu greutate moleculară foarte mare (greutate moleculară mare) . propolietilenă.ru. Preluat la 23 mai 2016. Arhivat din original la 24 mai 2016. (nedefinit)
11. ↑ Polietilenă cu greutate moleculară ultra mare (UHMWPE) - material pentru condiții extreme . Preluat la 23 mai 2016. Arhivat din original la 4 iunie 2016. (nedefinit)
12. ↑ Polietilenă cu greutate moleculară mare și tipurile acesteia . Preluat la 23 mai 2016. Arhivat din original la 3 iunie 2016. (nedefinit)
13. ↑ Polietilenă ultra-înaltă: o piață în așteptarea reciclatorilor . Preluat la 24 ianuarie 2016. Arhivat din original la 5 februarie 2016. (nedefinit)
14. ↑ Erlich E. Comparația mănușilor „poștă” din Kevlar și Dyneem Arhivată 18 iunie 2021 la Wayback Machine