СВМПЭ волокно: способ получения, свойства, применение

Сверхвысокомолекулярное полиэтиленовое (СВМПЭ) волокно относится к классу полиолефинов. Полиолефиновые волокна – синтетические волокна, получаемые главным образом из изотактического полипропилена, полиэтилена, реже – из поли-4-метил-1-пентена. Формуют из расплавов полимеров экструзионным методом, выпускают в виде комплексных нитей, мононитей, нитей из ориентированной пленки (плоской и фибриллированной) и резаного волокна. Ориентационное вытягивание сформованных волокон (в 5-10 раз) осуществляют на обогреваемой металлической поверхности или в воздушной среде при температуре на 20-30 °С ниже температуры плавления полимера.

Для повышения устойчивости полиолефиновых волокон при нагревании и УФ облучении в полиолефины на стадии их синтеза или грануляции вводят стабилизаторы (фенолы, ароматические амины, аминофенолы или другие соединения [14].

Получение СВМПЭ волокон

Сверхвысокая молекулярная масса дает определенные плюсы данному волокну (уникальные физико-механические свойства), но существуют и минусы: высокая вязкость расплава не позволяет использовать обычные для термопластов методы переработки.

Необходимо использовать специальные методы переработки СВМПЭ:

1. Прессование (спекание под давлением)

2. Спекание

3. Рэм-экструзия

4. Напыление (горячепламенное, электростатическое)

5. Гель-формование (волокно)

На настоящий момент одним из эффективных и технологичных способов получения сверхвысокопрочных нитей из СВМПЭ является метод гель-формования с дальнейшим вытягиванием волокон. Основы этого метода были заложены в 70-е годы голландскими исследователями Смитом, Лемстрой и Пеннингсом. Важнейшая стадия данного метода, на которой реализуются упруго-прочностные свойства полимерного материала, - стадия ориентационного вытягивания.

С помощью указанного метода в Голландии (фирма DSM), США (фирма Allied Signal Corp.), Японии (фирма Мицуи) и России (Всероссийский научно-исследовательский институт синтетического волокна, г.Тверь) уже производят волокна из СВМПЭ с прочностью 3 ГПа, что составляет около 10% от теоретического предела.

Порошок СВМПЭ поступает в смеситель (1), где при определенной температуре смешивается с растворителем. Далее прядильный раствор СВМПЭ через дозирующее устройство под действием шнеков поступает в экструдер (2) и затем в специальную охлаждающую ванну (3). Проходя через фильеры раствор для прядения, после охлаждения превращается в многофиламентное волокно. Качество волокна зависит от его вытяжки на специальных вытягивающих и намоточных устройствах (4,5). Чем больше ступеней вытягивания и выше кратность вытяжки, тем более прочное волокно. Схема получения СВМПЭ волокна представлена на рисунке 13.1

1 – узел растворения; 2 - экструдер; 3 - охлаждающая ванна; 4 - узел экстракции;

5 - узел сушки.

Рисунок 13.1. Технологическая схема получения СВМПЭ волокон методом гель-формования

Свойства СВМПЭ волокон

Волокна и нити обладают высокими диэлектрическими свойствами, трудно воспламеняются, но горят. Гидрофобны, устойчивы в кислотах и щелочах (за исключением концентрированных кислот: HNO₃ и хлорсульфоновой SO₂(Cl)OH). Не растворимы в неполярных органических растворителях (бензол, толуол, декалин, тетралин) ввиду высокой кристалличности полиолефинов при комнатной температуре, но с повышением температуры набухают, а затем растворяются. Устойчивы к действию микроорганизмов.

Достоинства полиолефиновых волокон: высокая эластичность и низкая стоимость благодаря доступности сырья; недостатки: низкая светостойкость и относительно невысокая температура плавления.

Полиолефины отличаются своими хорошими поверхностными свойствами и низкой плотностью. В настоящее время они используются главным образом в выработке «невидимого» промышленного текстиля, например, фильтровальных тканей или нетканых материалов. Кроме того, они потенциально интересны для домашнего, спортивного и автомобильного текстиля.

Низкая температура плавления полиолефинов может быть повышена путем проведения подходящего процесса полимеризации. Низкая удельная плотность полиолефинов не имеет себе равных, поэтому текстильные материалы из них со сравнимым диаметром волокон и переплетением приблизительно на 30% легче [14].

Высокая гидрофобность поверхности текстиля на основе полиолефиновых волокон одновременно является и достоинством, и недостатком. Низкая смачиваемость текстиля делает его высокоустойчивым к действию погоды, бактерий или грибков, а также химических реагентов, особенно щелочей. Эти свойства делают ткани из полиолефиновых волокон привлекательными для наружного применения, например в тентовых конструкциях или в качестве солнцезащитного материала. Полиолефиновые волокна обеспечивают также высокую прочность и эластичность полотна. Кроме того, учитывая низкую способность полиолефинов впитывать и удерживать запахи, они представляют значительный интерес для изготовления спортивного инвентаря для водных видов спорта.

Полиэтилен (ПЭ) является наиболее крупнотоннажным полимером (объем производства около 100 млн т/год). Известно огромное число типов и марок ПЭ (линейный и разветвленный ПЭ, полиэтилен с различной молекулярной массой и разным молекулярно-массовым распределением, сополимеры этилена с олефинами, отличающиеся содержанием олефина и характером химического и композиционного распределения олефина в макромолекуле и т.д.). Однако, только отдельные марки полиэтилена, обладающие особыми физико-механическими свойствами, могут быть отнесены к конструкционным полимерам.

Одним из наиболее перспективных полимерных конструкционных материалов является сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), который относится к новому поколению полимеров. Он обладает уникальным комплексом физико-механических свойств, востребован в разнообразных областях применения, благодаря высокой износостойкости, устойчивости в агрессивных средах, низкому коэффициенту трения, высокой ударной вязкости, рекордно низкой температурой хрупкости (до –200 0С), что позволяет создавать изделия из него для работы в экстремальных условиях. Кроме того, СВМПЭ относится к наиболее доступным и дешевым полимерным материалам. К сверхвысокомолекулярным относят полиэтилены с молекулярной массой свыше 1000 000 г/моль. В таблице Г13.1 представлены свойства СВМПЭ.

Таблица 13.1 – Свойства сверхвысокомолекулярного полиэтилена [14]

С понижением температуры ниже 0⁰С стойкость к ударным воздействиям ослабевает, но эта способность СВМПЭ не исчезает даже при температурах близких к абсолютному нулю. Таким образом, изделия из СВМПЭ с успехом могут применяться в криогенной технике, насосах жидкого водорода при -253 ⁰С.

Способность поглощать энергию удара является одним из уникальных свойств СВМПЭ, и этим обусловлено его использование в системах индивидуальной и коллективной защиты, защиты орбитальных станций от метеоритов и космического мусора. Благодаря этому, наряду с высокой стойкостью к истиранию и низким коэффициентом трения, он получил широкое применение в качестве основы при производстве пластиковых лыж, сноуборда.

В таблице 13.2 представлена сравнительная характеристика свойств волокон

Таблица 13.2 – Сравнительная характеристика свойств волокон [15]

*Удельная прочность – отношение предела прочности к плотности;

**удельный модуль – отношение модуля Юнга к плотности

Применение СВППЭ волокон

Перечислим основные области применения СВМПЭ волокон.

1) Направляющие и облицовка для бункеров, кузовов карьерных самосвалов, вагонов и различных механизмов в горнорудной промышленности, исключающие налипание и намерзание льда, сыпучих и глинистых материалов.

2) Детали и элементы конструкций, подвергающиеся ударной нагрузке и истиранию в машиностроении, текстильной и целлюлозно-бумажной промышленности: катки, зубчатые передачи, опорные втулки, бессмазочные подшипники, направляющие и другое. Металлические валы могут свободно вращаться во втулках из СВМПЭ, несмотря на несоосность или присутствие песка, пыли, и других видов загрязнений. Трубы из СВМПЭ не боятся перепадов температуры, подвижки грунтов. По ним может транспортироваться в водной пульпе уголь, руда, нефтепродукты и прочие материалы. Износ труб в такой транспортной магистрали будет минимальным, налипание исключается.

3) Сепараторы для автомобильных аккумуляторов.

4) Ленты и пластины для изготовления скользящих поверхностей спортинвентаря: лыжи, сноуборды и др.

5) Морозостойкие износостойкие композиционные материалы для резинотехнических изделий.

6) Эндопротезы . Элемент скольжения в протезах суставов изготавливают из высокоочищенного СВМПЭ.

7) Фильтры. Размер пор фильтров из СВМПЭ определяется технологическими параметрами при получении. Из одного и того же материала можно получить фильтры с различным размером пор.

8) Изделия и конструкции специального назначения, в том числе корпусные элементы вооружений и военной техники, конструкционные материалы для авиа-, вертолето- и ракетостроения, средства индивидуальной и коллективной бронезащиты и т.д.

9) Судо-, автомобилестроение, армирование труб и кабелей, производство суперпрочных канато-веревочных изделий.

Высокопрочные полиэтиленовые волокна (ВВПЭ) в 15 раз прочнее, чем качественная сталь и на 40 процентов прочнее, чем арамидные волокна при равном весе. Волокна всплывают в воде, устойчивы к воздействию влаги, УФ лучам и химическому воздействию. Изделия из них являются радиопрозрачными. Высокопрочное высокомодульное полиэтиленовое волокно, благодаря своей нанокристаллической структуре имеет очень высокие механические характеристики.

Примеры продукции, изготавливаемой из отечественного СВМПЭ

- Фильтры для пищевой и химической промышленности «Экспресс-Эко», г. Обнинск.

- Сепарационные пластины для аккумуляторов «Экохиммаш», г. Москва.

- Направляющие ролики для эскалаторов метро ОАО «Завод им. «Комсомольской правды», г. Санкт-Петербург».

- Листы из СВМПЭ с резиновым подслоем для футеровки ударостойкой облицовкой горно-шахтного оборудования ОАО «Красноярская химическая компания».

- Сверхпрочное СВМПЭ-волокно и жгут ФГУП "ВНИИСВ", г. Тверь.