СВМПЭ (PE-UHMW) — сверхвысокомолекулярный полиэтилен

СВМПЭ — сверхвысокомолекулярный полиэтилен, в международном обозначении PE-UHMW или UHMWPE (ultra-high-molecular-weight polyethylene), в торговле его часто называют PE-1000. Химически это тот же линейный полиэтилен, что и в трубах или канистрах, но его молекулы-цепочки в десятки раз длиннее. Длина цепей даёт редкое для пластмасс сочетание свойств: высокую стойкость к истиранию, низкий коэффициент трения, большую ударную вязкость, которая сохраняется на морозе, и почти нулевое водопоглощение. Поэтому СВМПЭ применяют там, где металл быстро изнашивается, а обычные пластики не выдерживают ударов.

Что такое сверхвысокомолекулярный полиэтилен

Любой полиэтилен состоит из повторяющихся звеньев –CH₂–CH₂–. Отличие СВМПЭ — в длине цепей: молекулярная масса типичных марок составляет от 2 до 6 млн г/моль, тогда как у полиэтилена для труб и плёнок она измеряется сотнями тысяч. Технический доклад IUPAC относит к «сверхвысокомолекулярным» полиэтилены со средневесовой молярной массой больше 10⁶. Промышленный выпуск СВМПЭ освоила немецкая компания Ruhrchemie в 1950-х годах.

Очень длинные цепи многократно переплетаются между собой. Нагрузка при ударе или трении распределяется на огромное число связей, поэтому материал не выкрашивается и не раскалывается. Обратная сторона той же особенности — расплав СВМПЭ почти не течёт, и перерабатывать его приходится иначе, чем обычные термопласты.

Как СВМПЭ отличают от обычного полиэтилена: стандарты

Молекулярную массу при приёмке напрямую не измеряют, поэтому стандарты задают косвенные признаки:

• ISO 21304-1:2019 (заменил ISO 11542-1:2001) относит к PE-UHMW полиэтилен, у которого показатель текучести расплава (ПТР) при 190 °C и нагрузке 21,6 кг меньше 0,1 г/10 мин. Марки внутри класса различают по числу вязкости, напряжению при удлинении и ударной вязкости по Шарпи с надрезом;
• ASTM D4020 считает сверхвысокомолекулярными линейные полимеры этилена с относительной вязкостью 1,44 и более. Её измеряют в растворе концентрацией 0,02 % в декагидронафталине (декалине) при 135 °C. В обзорной литературе этот порог связывают с молекулярной массой более 3,1 млн г/моль.

Из-за разных методик одна и та же марка может называться в паспорте «PE-UHMW по ISO» или «UHMW-PE по ASTM D4020». При подборе замены сравнивают не название, а молекулярную массу (или вязкость раствора) и назначение марки.

Свойства СВМПЭ

В таблице — типичные значения для ненаполненного СВМПЭ по паспортам изготовителей (в основном TIVAR 1000 с молекулярной массой 4,0–5,4 млн по ASTM D4020) и справочным данным. У конкретных марок цифры отличаются, нормы для приёмки берут из паспорта марки.

Показатель	Типичное значение
Молекулярная масса	2–6 млн г/моль
Плотность	0,93–0,94 г/см³
Предел текучести при растяжении (ASTM D638)	около 21 МПа
Прочность при растяжении (ASTM D638)	около 40 МПа
Твёрдость по Шору D	около 68
Коэффициент трения по стали без смазки (ASTM D1894)	статический 0,15; динамический 0,12
Ударная вязкость по Изоду с надрезом	образцы часто не разрушаются (более 1070 Дж/м)
Водопоглощение	практически отсутствует
Температура плавления	137–143 °C
Длительная рабочая температура на воздухе	до +80…+90 °C (по данным разных изготовителей)
Становится хрупким	ниже −150 °C
Коэффициент линейного расширения	около 2·10−4 1/К
Удельное объёмное электросопротивление	более 1015 Ом·см

Две цифры из таблицы важны для конструктора. Первая — коэффициент линейного расширения: он примерно в 16 раз больше, чем у стали, поэтому длинные направляющие и футеровки крепят с зазорами, а посадки втулок рассчитывают с учётом рабочей температуры. Вторая — рабочая температура: выше +80 °C материал заметно теряет прочность и жёсткость. Кроме того, под постоянной нагрузкой СВМПЭ медленно деформируется (ползёт) даже при комнатной температуре.

Износостойкость и трение

СВМПЭ — самосмазывающийся материал. Коэффициент трения у него заметно ниже, чем у полиамида и полиацеталя, и сравним с фторопластом, а стойкость к абразивному износу у СВМПЭ выше, чем у фторопласта. Благодаря этому детали из СВМПЭ работают всухую, без смазки, которая в пищевых, химических и пыльных производствах была бы источником загрязнения.

Ещё одно преимущество — гладкая, плохо смачиваемая поверхность: к СВМПЭ плохо прилипают влажные сыпучие материалы. Футеровка бункера, течки или кузова из СВМПЭ уменьшает налипание и зависание груза.

Химическая стойкость

СВМПЭ стоек к воде, кислотам, щелочам и большинству агрессивных сред, кроме некоторых кислот-окислителей. Он не набухает во влажной среде, и, в отличие от капролона, размеры деталей из него от влаги не меняются. Та же инертность мешает склеивать СВМПЭ: материал плохо смачивается, и детали обычно соединяют механически — винтами, клёпкой, в пазах.

Как перерабатывают СВМПЭ

Показатель текучести меньше 0,1 г/10 мин означает, что литьё под давлением и обычная шнековая экструзия для СВМПЭ практически не подходят. Применяют особые методы:

• прессование порошка в нагретых пресс-формах — так получают листы и блоки большой толщины;
• плунжерную (поршневую) экструзию — стержни, трубы, профили;
• спекание порошка без полного расплавления — пористые изделия, например пористые фильтрационные плёнки из ПТФЭ и СВМПЭ;
• гель-формование — высокопрочные волокна. Волокно Dyneema разработала нидерландская компания DSM в конце 1970-х годов, позже появились волокна Spectra.

Готовые заготовки хорошо обрабатываются резанием: точением, фрезерованием, сверлением. Инструмент нужен острый, режимы — с отводом тепла, чтобы не оплавить поверхность. После обработки деталь стоит выдержать до выравнивания температуры и только потом контролировать размеры.

Где применяют СВМПЭ

• направляющие и натяжители цепей, звёздочки, шнеки, скребки, износостойкие планки конвейеров;
• футеровки бункеров, течек, желобов и кузовов для угля, руды, зерна, глины;
• подшипники скольжения, втулки мешалок, ролики, слабонагруженные зубчатые колёса;
• детали пищевого оборудования — у отдельных марок есть допуск к контакту с продуктами, он указывается в паспорте марки;
• фильтрующие элементы из пористого спечённого СВМПЭ;
• волокна для канатов, тканей и защитных композитов;
• медицина: в парах трения эндопротезов СВМПЭ впервые применил английский хирург Джон Чанли в 1962 году. Для имплантатов выпускают отдельные медицинские марки.

СВМПЭ, фторопласт или капролон

Эти материалы часто рассматривают как взаимозаменяемые, но у каждого своя область:

• фторопласт-4 (ПТФЭ) выдерживает гораздо более высокие температуры и почти любые химикаты, но хуже сопротивляется абразиву и сильнее течёт под нагрузкой;
• капролон (литьевой полиамид) жёстче и прочнее, работает при более высокой температуре, но поглощает влагу и меняет размеры;
• СВМПЭ выигрывает там, где главное — абразивный износ, удары, мороз, вода и работа без смазки при температуре до +80 °C.

Другие антифрикционные полимеры и композиции на их основе собраны в разделе «Графитопласт».

Частые вопросы о СВМПЭ

Чем СВМПЭ отличается от ПНД?

Оба материала — полиэтилен, но у СВМПЭ молекулярная масса в десятки раз больше: миллионы г/моль против сотен тысяч. Поэтому СВМПЭ намного устойчивее к истиранию и ударам, зато его нельзя перерабатывать литьём под давлением, как ПНД.

До какой температуры работает СВМПЭ?

Длительно — до +80…+90 °C на воздухе, кратковременно выше. На холоде материал сохраняет ударную вязкость и становится хрупким лишь ниже −150 °C.

Можно ли склеить СВМПЭ?

Склеивать его трудно: поверхность плохо смачивается клеями. Детали из СВМПЭ крепят винтами, заклёпками или устанавливают в пазы с учётом теплового расширения.

Формы поставки и заявка

СВМПЭ поставляется в виде листов, блоков, стержней, профилей, а также деталей по чертежу. В заявке укажите:

• требуемую марку или молекулярную массу (если есть требование);
• форму и размеры заготовки или чертёж детали;
• цвет и особые требования: антистатические свойства, допуск к контакту с пищевыми продуктами;
• количество и срок.

Пришлите запрос — подберём материал под условия работы вашей детали.