СВМПЭ - сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности (Ultra-high-molecular-weight polyethylene; UHMWPE), также известный как высокомодульный полиэтилен (high-modulus polyethylene; HMPE) или высокопроизводительный полиэтилен (high-performance polyethylene;  HPPE) является одной из разновидностей термопластичного полиэтилена. Это вещество состоит из чрезвычайно длинных цепей молекул и отличается высокой молекулярной массой - от 2 до 6 миллионов. Длинные цепочки служат для более эффективной передачи нагрузки и распределения ее внутри полимера путем укрепления межмолекулярных взаимодействий. Из этого вещества создаются очень жесткие материалы с высокой ударной прочностью. По данному показателю СВМПЭ превосходит любой термопластичный полиэтилен, промышленное производство которого сейчас налажено. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности обладает высокой стойкостью к агрессивным химическим веществам, за исключением окисляющих кислот, характеризуются предельно низким поглощением влаги и очень низким коэффициентом трения. Материал является самосмазывающимся и обладает высокой устойчивостью к истиранию. Некоторые его разновидности в 15 раз более устойчивы к истиранию, чем углеродистая сталь. Коэффициент трения СВМПЭ значительно ниже, чем у нейлона и ацеталя, и сравним с коэффициентом трения политетрафторэтилена (ПТФЭ, политетрафторэтилен, фторопласт-4, тефлон), но СВМПЭ имеет лучшую стойкость к истиранию, чем ПТФЭ. Материал не имеет запаха, вкуса и нетоксичен.

 

Полимеризация СВМПЭ была коммерциализирована в 1950-х. Пионером в данной области выступала компания Ruhrchemie AG, наименование которой менялось на протяжении многих лет. Сегодня порошковые [порошкообразные] материалы из СВМПЭ производят компании Ticona, Braskem и Mitsui. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности доступен на рынке либо в виде уплотненных форм, таких как листы или стержни, или же в виде волокон. СВМПЭ в форме порошка может также быть непосредственно опрессован в форме конечного продукта. Благодаря устойчивости к износу и ударопрочности данного вещества промышленные применения СВМПЭ продолжают расти. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности применяется в автомобильной промышленности и при производстве тары для напитков. С 1960-х годов СВМПЭ также получил широкое распространение при производстве искусственных суставов и имплантатов для применения в хирургии позвоночника, а также для нужд ортопедии.

 

Волокна СВМПЭ появились в продаже в конце 1970-х. Впервые они были представлены голландской компанией DSM, которая специализировалась на производстве самых разнообразных химических веществ. DSM продавала волокона СВМПЭ под брендом Dyneema.  Волокна используются при разработке средств баллистической защиты, в оборонной промышленности, а также в медицинских устройствах.

 

Описание - строение и свойства

 

СВМПЭ является одним из видов полиолефина. Он состоит из очень длинных цепей полиэтилена, который выравнены в одном и том же направлении. Прочность вещества в значительной степени зависит от длины каждой отдельной молекулы (цепи). При создании волокон уровень параллельности ориентации полимерных цепей может превышать 95%, а степень кристалличности доходит до 85%.

 

В отличие от кевлара, прочность которого определяется сильными связями между относительно короткими молекулами, в данном случае молекулы длинные, а связи между ними (Ван-дер-ваальсовы силы; силы межмолекулярного взаимодействия с энергией 10 — 20 кДж/моль) слабее, чем у кевлара.

 

Слабая связь между молекулами олефинов (этиленовый углеводород) позволяет при помощи локального термического возбуждения часть за частью нарушать целостность молекулярных цепей кристаллизующегося полимера. Это свойство делает СВМПЭ гораздо менее теплостойким, чем другие высокопрочные волокна. Его температура плавления составляет от 144 до 152 ° C (291 до 306 ° F), и, согласно данным компании DSM, волокна СВМПЭ не рекомендуется использовать при температурах, превышающих 80 - 100 ° C (176 до 212 ° F) в течение длительного периода времени. Вещество становится хрупким при температуре ниже -150 ° C (-240 ° F).

 

Простая структура молекулы также приводит к возникновению поверхностных и химических свойств, которые редко встречаются в других высокопроизводительных полимерах. Например, полярные группы в большинстве полимеров легко взаимодействуют с водой. Так как у олефинов нет таких групп, СВМПЭ не впитывает воду столь же легко и не намокает столь же легко, что делает его объединение с другими полимерами довольно трудной задачей. По тем же причинам, человеческая кожа не взаимодействуют с ним с ощутимой силой, что делает поверхность волокна СВМПЭ скользкой на ощупь.

 

Так как сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности не содержит таких химических групп, как, например, сложные эфиры, амиды или гидроксильные группы, которые восприимчивы к воздействию агрессивных химических веществ, СВМПЭ очень устойчив к воздействию воды, влаги, большинства химических веществ, ультрафиолетового излучения и микроорганизмов.

 

При воздействии растягивающей нагрузки СВМПЭ будет непрерывно деформироваться, пока присутствует напряжение. Такой тип деформации называется ползучестью.

 

Отжиг (метод температурной обработки изделий)

 

Когда сверхвысокомолекулярный полиэтилен отжигают, материал нагревается в печи или жидкой ванне из силиконового масла или глицерина до температуры в границах от 135 ° C до 138 ° C. Затем материал охлаждается со скоростью 5 ° С / ч до 65 ° C или ниже. Наконец, материал заворачивают в изоляционный слой и в течение 24 часов доводят до комнатной температуры.

 

Производство

 

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен синтезируется из мономерных молекул этилена. Эти молекулы на несколько порядков больше, чем молекулы полиэтилена высокой плотности (HDPE), что достигается за счет специального процесса синтеза на основе металлоценовых катализаторов. В общем случае молекулы HDPE имеют от 700 до 1800 мономеров на одну молекулу, в то время как каждая молекула сверхвысокомолекулярного полиэтилена имеет от 100000 до 250000 мономеров.

 

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен обрабатывается с помощью следующих методов: прессование, плунжерная экструзия, гель-формование и спекание. Ряд европейских компаний начали производство СВМПЭ при помощи техпроцесса прессования в начале 1960-х годов. Гель- формование было ими взято на вооружение намного позже.

 

Отметим, что при гель-формовании материал производится в шахте с охлаждением или в охладительной ванне. Волокна подвергаются пластификационному вытягиванию. Растворитель удаляют осторожной (например, вакуумной) сушкой промывкой легкотекучими жидкостями или, смешивающимися с растворителем полимера (во многие случаях - водой), с последующей сушкой. После этого, при необходимости, проводят термодинамически вытягивание и термообработку.

 

Использование - создание волокон

 

Баллистические жилеты (пуленепробиваемые жилеты или противопульные жилеты) могут быть изготовлены из СВМПЭ. Волокна Dyneema и Spectra, полученные при помощи гель-формования  СВМПЭ имеют условный предел текучести до 2,4 ГПа (350 000 фунтов на квадратный дюйм), а удельный вес (плотность) находится в районе 0,97 (для Dyneema типа SK75). Для сравнения, высокоскоростные стали имеют сопоставимый условный предел текучести, а низкоуглеродистые стали имеют значительно более низкий предел текучести (около 0,5 ГПа). Поскольку сталь имеет удельный вес около 7.8, можно отметить, что отношение предела прочности к массе этих материалов (Dyneema и Spectra) в 8 - 15 раз выше, чем у стали. Отношение предела прочности к массе для Dyneema примерно на 40% выше, чем для арамидных волокон.

 

Волокна из сверхвысокомолекулярного полиэтилена используются в броне. В частности, они применяются при создании личных бронежилетов, а иногда используются в качестве брони транспортного средства, в стойких к порезам перчатках, альпинистском снаряжении, при создании лески, высокопроизводительной парусины, воздушных змеев, несущего троса на спортивных парашютах и парапланах, корабельных снастей, а также широко применяются в парусном спорте. Волокно Spectra также используется при производстве строп для вейкбордов премиум-класса.

 

При создании личной брони волокна совмещаются в листы, которые затем накладываются под разными углами. Это позволяет получить мультиаксиальную ткань. Полученный композитный материал отличается повышенной прочностью во всех направлениях. Самые современные военные бронежилеты, разработанные, чтобы защищать не только торс, но и конечности людей, как сообщается, создаются при помощи волокон Spectra и Dyneema. Отметим, что волокно Dyneema обеспечивает защиту от проколов в защитной одежде для спортивного фехтования.

 

Гель-формованные волокна сверхвысокомолекулярного полиэтилена широко используются в качестве рыболовной лески, так как они имеют меньшую растяжимость, более износостойкие и тоньше, чем традиционная леска из моноволокна (мононитей).

 

В скалолазании веревки и лямки изготавливаются из комбинации СВМПЭ и нейлоновых нитей. Подобные продукты завоевали популярность за низкий вес и малый объем, однако, в отличие от веревок из нейлона, они обладают очень низкой эластичностью, что делает подобные продукты непригодными для ограничения силы при падении. Кроме того, низкая эластичность означает и низкую прочность. Очень высокая смазывающая способность волокна приводит к плохой устойчивости узлов. Производитель рекомендует использовать тройной морской узел, а не традиционной двойной, при работе с веревкой из сверхвысокомолекулярного полиэтилена диаметром в 6 мм.

 

Благодаря низкой плотности волокна, тросы и кабели судов могут быть изготовлены из СВМПЭ и плавать на морской воде. "Spectra Wires", как их называют операторы буксировочных судов, в последнее время используются, как более легкая альтернатива стальной проволоке.

 

Волокна используются в лыжах и сноубордах. Часто СВМПЭ применяются в сочетании с углеродным волокном, армированным стекловолокном композитным материалом, добавляя жесткости и улучшая гибкость. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен часто используется в качестве базового слоя, который контактирует со снегом. На него наносятся абразивные материалы, которые поглощают и удерживают воск.

 

Высокопроизводительные тросы  (например, тросовая оттяжка, оттяжной трос) для парусного спорта и парасейлинга зачастую сделаны из сверхвысокомолекулярного полиэтилена в связи с его низкой растяжимостью, высокой прочностью и низким весом последнего.

 

Использование - применение в медицине (полная замена суставов)

 

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен применяется в медицине более 40 лет. Биоматериал используется для создания тазобедренных, коленных протезов и (с 1980 года) имплантатов для позвоночника. СВМПЭ впервые был использован в медицине в 1962 году и стал доминирующим материалом для тотального протезирования тазобедренного и коленного суставов уже в 1970 году.

 

Одна неудачная попытка изменить и улучшить свойства СВМПЭ была предпринята в 1970 году. Специалисты решили смешать порошок с углеродными волокнами. Этот усиленный СВМПЭ был выпущен компанией Zimmer на рынок медицинских препаратов под маркой "Poly Two". Углеродные волокна продемонстрировали плохую совместимость с СВМПЭ, и по клинической эффективности новый материал уступал оригинальному сверхвысокомолекулярному полиэтилену.

 

Вторая попытка изменить свойства СВМПЭ была предпринята после получения возможности доработать его структуру с помощью техпроцесса перекристаллизации под высоким давлением. Перекристаллизованный СВМПЭ был выпущен на рынок медицинских препаратов компанией DePuy в конце 1980 года. Продавался он под брендом  "Hylamer". При гамма-облучении в воздухе этот материал демонстрировал восприимчивость к окислению, что приводило к ухудшению его клинической эффективности по сравнению с оригинальным СВМПЭ. Неудачи Hylamer эксперты объясняют непрактичным методом стерилизации материала. В последнее годы наблюдается возрождение интереса к изучению этого материала (по крайней мере, в определенных научных кругах).

 

Сетчатые (сшитые) материалы из СВМПЭ начали применяться в медицине с 1998 года и быстро стали стандартом в области протезирования тазобедренных суставов, по крайней мере, в Соединенных Штатах. Эти новые материалы сшиваются при помощи гамма-излучения или пучка электронов (50-105 кГр), а затем подвергаются термической обработке для улучшения их устойчивости к окислению. Пятилетние клинические данные из нескольких медицинских исследовательских центров, которые доступны в настоящее время, демонстрирует превосходство материала по сравнению с обычным СВМПЭ при протезировании тазобедренных суставов (эндопротезирования). Клинические исследования все еще продолжаются: ученые исследуют пригодность и эффективность сшитых СВМПЭ при протезировании коленных суставов.

 

Еще одно медицинское применением СВМПЭ касается с использования волокон на основе данного материала для швов. Причем, в последние десятилетия масштабы применения сверхвысокомолекулярного полиэтилена высокой плотности в данной области непрерывно растут. Волокна медицинского класса для хирургического применения продает компания DSM под торговой маркой "Dyneema Purity".

 

Использование - производство промышленных товаров

 

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности используется в производстве ПВХ (виниловых) окон и дверей, так как он может выдерживать тепловое воздействие, необходимое, чтобы смягчить ПВХ-материалы. СВМПЭ используется как наполнитель для форм различных ПВХ-профилей. Благодаря ему материалы могут иметь "изогнутую" форму.

 

СВМПЭ также используется в производстве гидравлических уплотнений и подшипников. Он лучше всего подходит для средних механических эксплуатационных нагрузок при работе с водоподающей гидравликой, масляной гидравликой, пневматикой и приложений без смазки. Материалы на основе СВМПЭ имеют хорошую стойкость к истиранию, но лучше подходит для мягких сопряжённых поверхностей.