Сверхвысокомолекулярный полиэтилéн (СВМПЭ, англ. Ultra-high molecular weight polyethylene, UHMW PE) — термопластичный полимер, конструкционный материал, пригодный для работы в экстремальных условиях эксплуатации.
Синонимы:
Сверхвысокая масса молекул определяет уникальные свойства СВМПЭ, отличные от других разновидностей полиэтилена.
В промышленности СВМПЭ впервые стали применять в 1950-х годах фирмой «Ruhrchemie AG». В 1960-х годах А. Дж. Пеннингс, сотрудничая с компанией «DSM» (Нидерланды), синтезировал из СВМПЭ волоконные структуры с очень высокой прочностью. В 1970-х годах специалистами из DSM на основе открытий Пеннигса удалось создать волокна. В мире СВМПЭ синтезируют компании Ticona, Braskem, DSM, Teijin (Endumax), Celanese и Mitsui.
Молекула СВМПЭ состоит из длинных линейных цепочек полиэтилена с молекулярной массой 1,5—11,5 млн а. е. м., степень полимеризации мономера — этилена более 100 тысяч с относительно слабыми межмолекулярными связями (10—20 кДж/моль) (в отличие, например, от кевлара, с его относительно короткими молекулами и сильными межмолекулярными связями). Уровень параллельности в ориентации линейных молекул может превышать 95 %, а степень кристалличности доходит до 85 %.
В связи со строением молекул СВМПЭ является термопластичным веществом с относительно невысокой температурой плавления (135—190 °С), поэтому изделия из него не рекомендуют эксплуатировать при температурах превышающих 80—100 °С. При нагревании выше температуры плавления СВМПЭ не переходит в вязкотекущее состояние, а лишь в высокопластичное. Поверхность изделий из СВМПЭ — гладкая на ощупь.
СВМПЭ обладает очень низким для органических полимерных соединений водопоглощением, в пределах 0,01—0,05 %, что обусловлено отсутствием в молекулах СВМПЭ полярных групп (сложноэфирных, амидных, гидроксильных группировок). Поэтому свойства СВМПЭ не изменяются при воздействии воды (для сравнения, у кевлара прочность при намокании уменьшается в два раза из-за нарушения слабых водородных связей амидных групп, при высыхании прочность восстанавливается не полностью). СВМПЭ также устойчивы к воздействию большинства кислот и щелочей, ультрафиолетового и гамма излучения и микроорганизмов.
Удельная плотность чистого СВМПЭ — примерно 0,93—0,94 г/см³ с добавками — 0,95 г/см³. Отношение предела прочности на разрыв к массе у СВМПЭ на 40 % больше, чем у арамидных соединений типа кевлара. При наличии долговременной статической нагрузки, действующей на растягивание, СВМПЭ деформируется пока существует механическое напряжение (свойство называют «ползучестью»).
СВМПЭ имеет достаточно высокий модуль упругости при изгибе — около 1 ГПа и разрушающее растягивающее или изгибное напряжение 20—40 МПа (~4 кгс/мм²), уступая, таким образом, по разрушающим напряжениям лучшим высоколегированным малоуглеродистым высокочистым сталям в 50—100 раз, а по модулю упругости — в 200 раз (например, инструментальная сталь 4Х5МФС после низкотемпературной термомеханической обработки или аусформинга имеет напряжение разрушения σb составляет около 250 кгс/мм² и предел текучести σ0,2 равен 180—230 кгс/мм²). Однако благодаря низкой плотности, в 8—8,5 раз меньшей, чем у сталей, и высокой усталостной прочности (выносливости), изделия из СВМПЭ могут конкурировать по показателю прочность/собственный вес с изделиями из низкопрочных конструкционных сталей и даже превосходить их.
Основные свойства СВМПЭ, обуславливающие его применение, — очень высокая износостойкость, низкий коэффициент трения и высокая вязкость разрушения (низкотемпературная надёжность). Так, по износостойкости СВМПЭ при допустимых для него температурах эксплуатации и некоторых абразивах превосходит тефлоны и даже углеродистые стали. Коэффициент трения СВМПЭ (по стали) — около 0,1. Коэффициент ударной вязкости — 170 кДж/м² (с надрезом — до 80 кДж/м²), рабочие температуры — от −150 °С или даже −260 °С (по другим данным — от −80 °С) до +80—90 °С.
Синтез СВМПЭ производят с применением металлоценовых катализаторов из мономера — этилена, при этом количество мономеров в одной молекуле на несколько порядков больше, чем у полиэтилена высокой плотности. Для синтеза СВМПЭ применяют установки низкого давления.
Переработанный СВМПЭ порошок выпускают на рынок либо в виде волокон, либо в консолидированной форме, например в виде листов, плёнок, профилей или стержней.
Изделия из СВМПЭ получают следующими методами обработки:
Именно с помощью гель-формирования получают самые прочные волокна марок «Dyneema» и «Spectra» для тросов, строп, широко используют в баллистической защите, оборонных применениях и всё чаще в медицинских устройствах.
В России существуют несколько установок синтеза порошков СВМПЭ: