Полиэтиленовое сверхволокно. Про полимеры.

   К сверхволокнам  производимым крупнотоннажно отностятся: углеволокно, арамидные волокна (Kevlar), сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ или UHMWPE), s-стекловолокно.

Полиэтилен является тем полимером, который, возможно, наиболее часто встречается вам в повседневной жизни. Полиэтилен является наиболее популярным пластиком в мире. Именно из этого полимера сделаны пакеты для пищевых продуктов, флаконы для шампуня, детские игрушки и даже пуленепробиваемые жилеты. Для столь разностороннего материала он обладает очень простой структурой, наиболее простой среди всех полимеров, производимых в промышленных масштабах. Молекула полиэтилена представляет из себя ни что иное, как длинную цепь из атомов углерода, к каждому из которых присоединено по два атома водорода. Это именно то, что изображено на рисунке в начале этой страницы. Возможно, будет проще нарисовать ее так, как показано на рисунке внизу, только надо помнить, что на самом деле цепочка атомов углерода насчитывает много тысяч звеньев:

 

Обычно линейный полиэтилен производится с молекулярной массой в диапазоне от 200,000 до 500,000, но и это еще не предел.

Полиэтилен с молекулярной массой от 3 000 000 до 6 000 000 обычно называют полиэтиленом со сверхвысокой молекулярной массой или СВМПЭ.

СВМПЭ может быть использован для изготовления волокон, которые настолько прочны, что заменили Кевлар для использования в качестве материала для пуленепробиваемых жилетов. Большие листы этого материала могут быть использованы вместо льда на катках.

СВМПЭ получают при использовании полимеризации с металлоценовыми катализаторами   и  Циглера-Натта.

СВМПЭ, является самым правильным линейным полиэтиленом, и так же не термостоек, при температуре "плавления" он размягчается максимум до состояния мягкой резины, что усложняет литье под давлением, материал прессуется с нагревом.

Из-за этого, для получения волокон его приходиться переводить в гелеобразное состояние, например в 2-4% растворе декалина, и этот гель формовать, вытягивать, вращать охлаждать, еще вытягивать, убирать растворитель превращая в ксерогель

Этот тонкий процесс чем-то напоминает прядение паутины и обеспечивает ориентирование молекул вдоль оси вытяжения.

Хотя  известны способы обойтись без гель-прядения, в т.ч. отечественные. Причем работа велась с 70х годов.

Учитывая доступность сырья, характеристик впечатляют:

• рекордная прочность волокна на разрыв среди доступных материалов, выше чем у стали.
• Плотность меньше 1 г/см3
• Высокая износостойкость, в пластинах выше чем у стали
• Низкий коэффициент трения, в пластинах на уровне фторопласта.
• морозостойкость
• высокая химстойкость
• биологическая совместимость

Прочность на разрыв различных волокон:

 

*_{Удельная прочность (Сигма+/плотность) тут ~ равна длине нити которая порвется под собственным весом (приблизительно, наверное из за ошибок округления). Источник - журнал Полимерные материалы.}

СВМПЭ волокна в Европе продаются под маркой Dyneema, а в Америке — под маркой Spectra:

_{Разрушающее напряжение Паутины до 2ГПа, стали ~0.6 Гпа}

По сравнению со стальными троссами, учитывая в ~8 раз меньше плотность, троссы из СВМПЭ имеют наглядное преимущество при одинаком диаметре, что подвигло научные круги.. использовать тросы из СВМПЭ для спуска с орбиты космических аппаратов.

Прочность на разрыв различных материалов

 

Перечисленные свойства позволяют широко использовать его в механизмах подверженных высокой степени истирания, например зубчатые колеса, втулки, направляющие, отбойники.

В химической промышленности для футеровки емкостей, труб, для транспортировки абразивных и агрессивных материалов, краны, вентили, задвижки и пр.

В добывающей промышленности для облицовки ковшей, кузовов, скатов, транспортерных лент, валов и пр., броневые листы и композиты, медицинские имплантанты, протезы.           

Для рыбаков - плетенка, шнуры, стойкие к порезу ножом перчатки, легкие сверхпрочные ткани (под торговой маркой Dyneema).

Керамическая броня в сочетании с СВМПЭ оказалась одной из самых легких.

За последние годы в ОАО «НИИ стали» были разработаны защитные структуры 6а класса с поверхностной плотностью 36–38 килограммов на квадратный метр на основе карбида бора производства ВНИИЭФа (Саров) на подложке из высокомолекулярного полиэтилена.

ОНПП «Технология» при участии ОАО «НИИ стали» удалось создать защитные структуры 6а класса с поверхностной плотностью 39–40 килограммов на квадратный метр на основе карбида кремния (тоже на подложке из сверхвысокомолекулярного полиэтилена ).

Чудесный материал, а что с производством?

Глобальный рынок

листового СВМПЭ растет 5.8% в год, в 2018г. составил - 82 000т.

Весь рынок СВМПЭ 2014г - 180 000т. Растет, с прогнозом до 410 000т.

В  2022 - 2 600 млн.$ (~6.3$/кг)

 

А вот... как пишут российский рынок СВМПЭ пока что только формируется:

Объем внутреннего производства СВМПЭ можно оценить на уровне 300-400 т., примерно такое же количество закупается за рубежом, при этом основными конкурентами отечественных компаний являются... европейские продуценты.

Объем внутреннего потребления СВМПЭ: ~2000 т/год.

"Как сообщил в ходе презентации генеральный директор ООО "Томскнефтехим" Сергей Мерзляков, предприятие с 2010 года планирует производить от 30 до 50 тысяч тонн в год." Пишут что старую на 1000т/год сдали в металлолом в 2010.

Это 2010, а дальше?:

"Отечественные производители полиэтилена сомневаются в перспективности выпуска сверхвысокомолекулярного ПЭ. Объем потребления внутри страны не превышает 3 тыс. тонн в год." (2017)

Картина маслом

Википедия вообще смешала все в кучу:

В России существуют несколько установок для производства СВМПЭ:  - ???? (сырья или изделий)

• «Томскнефтехим», проектная мощность 1000 т/год; -                          ?? (сдали в металлолом в 2010)
• «Казаньоргсинтез», проектная мощность 1000 т/год^[13]; -                       ? ( не премиум качество)
• ООО «Формопласт», Санкт-Петербург, предприятие возникло на базе технологической лаборатории объединения «Пластполимер»;                                                                                   -  ?? (Изделий из сырья СВМПЭ)
• ООО «НПО Гелар» Красноярск, проектная мощность 1000 т/год.      -?? (Изделий из сырья СВМПЭ).

---

ООО "ФОРМОПЛАСТ" :  "К сожалению, из-за санкций , в России не представлены сырьевые материалы для получения суперпрочных волокон. Поэтому максимальная прочность волокон, которую можно достичь из доступного сырья, не выше 0.6 Гпа. "

---

Справка по маркам полиэтилена:

         Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности. Изд.Химия 1982г )