5.2. Свойства сверхвысокомолекулярного полиэтилена

Структура макромолекул СВМПЭ отличается очень большой длиной и малой разветвленностью по сравнению с полиэтиленом низкого давления (ПЭНД). Для этого полимера характерно уменьшение общего числа СН₃ групп за счет как концевых, так и боковых ответвлений и значительного уменьшения количества ненасыщенных связей. Благодаря особенностям строения макромолекул и их большой длине кристаллизация СВМПЭ затруднена, и он имеет более низкую плотность и степень кристалличности по сравнению с ПЭНД. Надмолекулярная структура СВМПЭ состоит из сферолитов, составленных из ламелей. Изменение структуры полимера резко меняет многие свойства ПЭНД, поэтому СВМПЭ не относят ни к одной из марок ПЭНД. 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. 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 счет 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.3 [3].

Таблица 3

Основные структурные характеристики свмпэ и пэнд

Характеристика	СВМПЭ	ПЭНД
Среднемассовая молекулярная масса	1500 000	260000
Полидисперсность (среднемассовая молекулярная масса / среднечисленная молекулярная масса)	12	16
Содержание:
фракций с молекулярной массой 1000000 и выше, %	45	11
групп CH3 на 1000 атомов углерода	< 1,0	2,0
связей С=С на 1000 атомов углерода,	0,05	0,65
в том числе, %: винильных винилиденовых транс-виниленовых	90 0 10	60 20 20

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 повышении концентрации серной кислоты и увеличении длительности контакта наблюдается интенсивное пожелтение изделий.

СВМПЭ, однако, как и стандартный ПЭНД, изменяет свои свойства и 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 роста 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 галогенопроизводных.

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 широко используется для изготовления защитных покрытий горно-обогатительного оборудования, деталей и элементов конструкций, подвергающихся ударной нагрузке, фильтров для пищевой и химической промышленности, сверхпрочных тканей и нитей для производства средств бронезащиты, а также изготовления спортивного инвентаря.

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 оказывают влияние метод синтеза и используемый катализатор. В случае металлорганических катализаторов СВМПЭ с молекулярной массой 1000000 и 4000000 имеет плотность 938 и 933 кг/м³ соответственно, тогда как стандартный ПЭНД – 949 – 954 кг/м³; в случае применения катализаторов, нанесенных на носитель, плотность СВМПЭ составляет 940 кг/м³, а стандартного ПЭНД – 962 кг/м³. Сравнительные свойства СВМПЭ и ПЭНД представлены в табл. 4 [3].

Таблица 4