Свойства сверхвысокомолекулярного полиэтилена

СВМПЭ является типичным линейным полимером и обладает небольшим количеством боковых ответвлений и двойных связей. При получении СВМПЭ реакции обрыва цепи на низкомолекулярных ненасыщенных олигомерах практически не протекают, о чём свидетельствует отсутствие винилиденовых связей. Для СВМПЭ, в значительно меньшей степени протекают реакции изомеризации, что приводит к уменьшению содержания транс-виниленовых связей. Таким образом, для СВМПЭ характерно уменьшение общего содержания СН₃-групп за счёт как концевых групп, так и боковых ответвлений и значительное уменьшение количества ненасыщенных связей по сравнению со стандартным ПЭНД. Основные структурные характеристики СВМПЭ и стандартного ПЭНД представлены в табл 1.

Табл. 1. Основные структурные характеристики СВМПЭ и ПЭНД

Химическая стойкость полиэтилена определяется структурой полимерной цепи, и главным образом, молекулярной массой. СВМПЭ инертен к действию многих химических реагентов и широко применяется для изготовления изделий, контактирующих с агрессивными средами.

СВМПЭ исключительно стоек к действию щелочей любой концентрации и водных растворов нейтральных, кислых и основных солей. На СВМПЭ не действуют органические кислоты, в том числе муравьиная и уксусная, а также концентрированная соляная и плавиковая кислоты. Серная кислота до 80 %-ной концентрации при комнатной температуре не оказывает действие на СВМПЭ. При увеличении концентрации серной кислоты и увеличении длительности контакта наблюдается интенсивное пожелтение изделий.

СВМПЭ, однако, как и стандартный ПЭНД, изменяет свои свойства и даже разрушается под действием окислителей. Азотная кислота, даже при довольно низкой концентрации, разрушает СВМПЭ. Окисление и разрушение значительно усиливаются при увеличении температуры эксплуатации изделия.

Жидкий и газообразный хлор и фтор разрушают СВМПЭ, а бром и йод поглощаются им и диффундируют сквозь полимер. Разбавленные растворы хлора и различные отбеливающие вещества слабо действуют на СВМПЭ.

Склонность к набуханию в органических растворителях у СВМПЭ значительно ниже, чем у ПЭНД. По мере увеличения температуры степень набухания увеличивается. ПЭНД при температуре выше 80 ⁰С, а СВМПЭ выше 120 – 140 ⁰С растворяются во многих органических растворителях, особенно в алифатических и ароматических углеводородах и их галогенпроизводных.

СВМПЭ обладает низкой газо- и паропроницаемостью. Проницаемость зависит не только от структуры полиэтилена, но и от размера молекул газа и их сродства к полимеру, а также от толщины изделия, температуры и градиента концентрации. Проницаемость СВМПЭ наименьшая для сильнополярных веществ и наибольшая для углеводородов, поэтому СВМПЭ выгодно отличается от других полимеров малой проницаемостью для воды и водяных паров. В связи с этим изделия из СВМПЭ пригодны для использования не только во влажном воздухе, но и при непосредственном контакте с водой.

СВМПЭ из всех разработанных марок ПЭНД имеет самую высокую прочность, стойкость к удару и к растрескиванию. Также СВМПЭ отличает способность сохранять высокие прочностные характеристики в широком интервале температур. Это объясняется тем, что в структуре полиэтилена все элементы надмолекулярной структуры оказываются в той или иной мере связанными между собой посредством физических узлов (зацепление молекул), а также проходными молекулами. Проходные молекулы исходного кристаллического полимера и физические узлы сохраняются и при деформировании полиэтилена, связывая отдельные участки элементов надмолекулярной структуры и обеспечивая их прочность. По мере увеличения числа макромолекул содержание таких проходных цепей и физических узлов возрастает, а следовательно, увеличивается количество связываемых ими элементов надмолекулярной структуры. Это, в свою очередь, приводит к увеличению прочности, стойкости к удару и к растрескиванию СВМПЭ.

С ростом длины макромолекул затрудняется кристаллизация, при этом степень кристалличности и размеры кристаллитов уменьшаются. Этим объясняется более низкое значение плотности СВМПЭ по сравнению с стандартным ПЭВД. Также, на плотность оказывает влияние метод синтеза, и в частности, используемый катализатор. В случае металлорганических катализаторов СВМПЭ с молекулярной массой 1 000 000 и 4 000 000 имеет плотность 938 и 933 кг/м³ соответственно, тогда как стандартный ПЭНД – 949 – 954 кг/м³; в случае применения катализаторов, нанесённых на носитель, плотность СВМПЭ (M_ω = 2 000 000) составляет 940 кг/м³, а стандартного ПЭНД – 962 кг/м³. Сравнительные свойства СВМПЭ и ПЭНД представлены в табл.2.

Табл. 2. Основные физико-механические (при комнатной температуре) и теплофизические показатели СВМПЭ и ПЭВД

СВМПЭ обладает высокой стойкостью к удару и практически не разрушается до –100 ⁰С. При более низких температурах, вплоть до –180 ⁰С, хотя и происходит разрушение испытуемого образца СВМПЭ, сохраняется сравнительное высокое значение ударной вязкости. Стойкость к удару возрастает с увеличением молекулярной массы и наблюдается для СВМПЭ вплоть до молекулярной массы в 5 000 000 – 6 000 000.

Предел текучести, твёрдость и модуль упругости при комнатной температуре находятся в соответствии с плотностью несколько ниже для СВМПЭ, чем для ПЭНД.

При отрицательных температурах у СВМПЭ относительное удлинение при разрыве значительно выше, чем у стандартного ПЭНД. СВМПЭ, таким образом, является более гибким полимером, а следовательно, и более морозостойким. При положительной температуре СВМПЭ становится менее гибким, чем ПЭНД. Таким образом СВМПЭ обладает более широким температурным интервалом эксплуатации.

СВМПЭ имеет хорошие антифрикционные свойства, близкие к свойствам фторопласта-42 и полиамида П-68, широко применяемых в качестве антифрикционных материалов. Коэффициент трения СВМПЭ также равен коэффициенту трения фторопласта и полиамида.

Износостойкость СВМПЭ вдвое превышает износостойкость остальных марок ПЭНД. При введении в него твёрдых смазок, например графита, в количестве примерно 0,5 % износостойкость увеличивается в 2 раза и приближается к износостойкости стали (36,4 мин/мм³). Также у СВМПЭ наблюдается повышенная стойкость к абразивному износу. Этот показатель для СВМПЭ в 3 раза выше чем у фторопласта-4, и в 5 раз выше, чем у капролона.

Трудности переработки СВМПЭ связаны с тем, что при нагревании, СВМПЭ переходит не в вязкотекучее, как стандартный ПЭНД с молекулярной массой ниже 700 000, а в высокоэластическое состояние, что приводит к увеличению коэффициента вязкости и повышению модуля упругости расплава. При переработке СВМПЭ высоко-производительными методами на стандартных машинах наблюдается интенсивное протекание процессов механохимической деструкции. Поэтому для изготовления из СВМПЭ изделий, максимально сохраняющих качество исходного полимера, или используются специфические приёмы переработки, или создаются особые типы экструдеров и литьевых машин, которые позволяют перерабатывать полимер в режиме пристенного скольжения, создавать более высокие давления в процессе переработки и т.д.

Наиболее распространёнными методами переработки СВМПЭ являются спекание, горячее прессование и плунжерная экструзия.