Проблемы контроля качества полимерного материала УХМВПЭ

Thread Content

Последнее изменение в этом посте было сделано лиаифэнг 28.07.2018 в 07:54. UHMWPE (полиэтилен с очень высокой молекулярной массой) – это термопластичный инженерный пластик с отличными эксплуатационными свойствами; его молекулы имеют линейную структуру, а молекулярная масса превышает 1,5 миллиона. Низкая плотность, отличная износостойкость, самосмазываемость, устойчивость к ударам, коррозии и т. д. Очень высокая молекулярная масса UHMWPE (у HDPE она обычно составляет всего 20–300 тысяч) обеспечивает ему отличные эксплуатационные свойства. Кроме того, это термопластичный инженерный пластик с умеренной ценой и высокими характеристиками. Он объединяет в себе преимущества различных видов пластиков: обладает высокой стойкостью к износу, ударам, способностью к самоослаблению трения, устойчивостью к коррозии, способностью поглощать энергию ударов, стойкостью к низким температурам, является гигиеничным и нетоксичным, не склонен к прилипанию, плохо впитывает воду, имеет низкую плотность. Фактически, в настоящее время не существует ни одного чистого полимерного материала, обладающего таким большим количеством превосходных свойств. Устойчивость к износу. Устойчивость UHMWPE к износу является лучшей среди всех пластмасс; она превосходит устойчивость некоторых металлов. По сравнению с другими инженерными пластмассами, индекс износа UHMWPE составляет лишь 1/5 от значения для PA66 и 1/10 от значения для HEPE и PVC ； По сравнению с металлами это 1/7 от углеродистой стали и 1/27 от латуни. Степень износостойкости настолько высока, что с помощью обычных методов испытаний пластмасс на износ её трудно определить; поэтому был специально разработан прибор для испытания на износ в песчано-цементной среде. Антиизносные свойства UHMWPE пропорциональны молекулярной массе: чем выше молекулярная масса, тем лучше антиизносные свойства. Ударная прочность: ударная прочность UHMWPE входит в число самых высоких среди всех инженерных пластмасс. Она примерно в 2 раза выше, чем у PC с высокой ударной прочностью, в 5 раз выше, чем у ABS, и более чем в 10 раз выше, чем у POM и PBTP. Устойчивость к ударам настолько высока, что с использованием обычных методов испытаний на удар её трудно разрушить. Его ударная прочность увеличивается с ростом молекулярной массы, достигая максимума при молекулярной массе в 1,5 миллиона, а затем постепенно снижается при дальнейшем увеличении молекулярной массы. Следует отметить, что он также сохраняет высокую ударную прочность в жидком азоте (–195°C) — это свойство, отсутствующее у других пластиков. Кроме того, у неё выше твердость поверхности при многократных ударах. У УХМВПЭ с самоослабляющимся трением чрезвычайно низкий коэффициент трения (0,05–0,11), поэтому она обладает отличными свойствами самоослабления трения. В таблице 1 приведено сравнение коэффициентов трения UHMWPE с другими инженерными пластмассами. Как видно из таблицы 1, коэффициент трения кинетического трения UHMWPE при водном смазывании составляет половину от значений для PA66 и POM; при отсутствии смазки он уступает только политетрафторэтилену (PTFE), который обладает наилучшими свойствами самосмазки среди пластмасс ； При скольжении или вращении его смазочные свойства превосходят таковые у смазанной смазкой стали и латуни. Поэтому в области трибологии UHMWPE считается идеальным трибологическим материалом с отличным соотношением стоимости и характеристик. Коэффициент трения. Название: самосмазывающееся масло, смазочное масло, UHMWPE. Значения коэффициента трения: 0,10–0,22; 0,05–0,10; 0,05–0,08 для UHMWPE. Для PTFE: 0,04–0,25; 0,04–0,08; 0,04–0,05. Для PA66: 0,15–0,40; 0,14–0,19; 0,06–0,11. Для POM: 0,15–0,35; 0,10–0,20; 0,05–0,10. Таблица 1. Сравнение коэффициентов трения UHMWPE с другими инженерными пластмассами. Стойкость к химическим веществам. UHMWPE обладает отличной стойкостью к химическим веществам. При определенных температурах и концентрациях он может выдерживать действие различных коррозионных сред (кислот, щелочей, солей), а также органических сред (за исключением растворителей на основе толуола). При замачивании в 80 видах органических растворителей при температурах 20°C и 80°C в течение 30 дней на его поверхности не наблюдалось никаких аномалий, а другие физические свойства практически не изменились. Способность к поглощению ударной энергии: UHMWPE обладает выдающейся способностью к поглощению ударной энергии; значение этого показателя среди всех пластмасс является самым высоким. Благодаря этому материал обеспечивает хорошую демпфирующую способность и эффективно снижает уровень шума. Устойчивость к низким температурам: UHMWPE обладает отличной устойчивостью к низким температурам; даже при температуре жидкого гелия (–169°C) он сохраняет пластичность, поэтому может использоваться в ядерной промышленности в качестве компонентов, устойчивых к низким температурам. Гигиеничность и безопасность: UHMWPE является гигиеничным и безвредным веществом; полностью соответствует стандартам Японской ассоциации по санитарии. Он также одобрен Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США и Министерством сельского хозяйства США, поэтому может использоваться в контакте с пищевыми продуктами и лекарствами. Поверхность из UHMWPE с антиадгезионными свойствами обладает чрезвычайно слабой способностью к адсорбции; её способность противостоять прилипанию уступает только PTFE, который считается материалом с наилучшими антиадгезионными характеристиками среди пластмасс. Поэтому поверхность таких изделий плохо прилипает к другим материалам. Низкая впитываемость: коэффициент впитывания UHMWPE очень низок ； Обычно этот показатель составляет менее 0,01%, что в 1 раз меньше, чем у PA66; поэтому перед процессом формовки обычно не требуется проводить процедуру сушки. Плотность. В таблице 2 приведено сравнение плотности UHMWPE с другими инженерными пластмассами. Из таблицы 2 видно, что плотность UHMWPE ниже, чем у всех остальных инженерных пластиков: она примерно на 56% ниже, чем у PTFE, на 33% ниже, чем у POM, и на 30% ниже, чем у PBTP. Поэтому изделия из него очень легкие. Название | Относительная плотность | Плотность UHMWPE в процентах от плотности данного материала | PTFE | 2,12 | 56 | POM | 1,41 | 33 | PBTP | 1,31 | 30 | PC | 1,20 | 22 | PA | 1,02–1,14 | 8–18 | UHMWPE | 0,94 | Таблица 2. Сравнение плотности UHMWPE с другими инженерными пластмассами. Прочность на растяжение: Благодаря специфической структуре, характерной для UHMWPE, этот материал обладает безупречной прочностью на растяжение. С помощью метода гель-спиннинга можно получить волокна с чрезвычайно высокой упругостью и прочностью; прочность на растяжение таких волокон составляет 3–3,5 ГПа, а упругость – 100–125 ГПа ； Удельная прочность волокна является самой высокой среди всех коммерчески доступных в настоящее время волокон: она в 4 раза выше, чем у углеродных волокон, в 10 раз выше, чем у стальных проволок, и на 50% выше, чем у арамидных волокон. Другие характеристики: UHMWPE обладает отличными электрическими изоляционными свойствами, лучшей, чем у HDPE, стойкостью к разрывам под действием факторов окружающей среды, а также более высокой усталостной прочностью и способностью к сопротивлению воздействию рентгеновских лучей по сравнению с HDPE. Метод производства: У полиэтилена с очень высокой молекулярной массой можно добиться желаемой молекулярной массы путем использования методов производства обычного полиэтилена высокой плотности с изменением условий технологического процесса. Существуют методы производства: метод Циглера, метод Сольве и растворный метод. Метод Циглера. Метод Циглера — это метод полимеризации при низком давлении. В качестве катализаторов используются титана тетраоксид и алкилалюминии – г-этилалюминий или диэтилалюминий; в качестве растворителя – гептан или бензин. Полимеризация происходит при температуре 60–90°C и при нормальном давлении. В качестве реакторов обычно используются реакторы типа котла или вертикальные трубчатые реакторы. При использовании реактора в форме башни на дне башни должны быть установлены многорядные мешалки-винты. Технология производства по методу Циглера заключается в следующем: сначала катализатор, взвешенный в растворителе, и этилен подаются в реактор для полимеризации. Полимеризация является экзотермической реакцией, поэтому необходимо охлаждать смесь до заданной температуры реакции; затем продукты полимеризации помещают в емкость для разложения катализатора, добавляют метанол для его разложения; в конце путем фильтрации и сушки получают продукт UHMWPE со средней молекулярной массой от 1 до 5 миллионов. Метод Сольве — это новый способ производства, сочетающий кольцевой реактор, используемый в методе Филиппа, с высокоэффективным катализатором Циглера, основанным на соединениях магния. Метод Сольве использует титан(IV) четыреххлорид в качестве катализатора, а также соединения алкилалюминия в качестве активаторов; в качестве носителя катализатора часто применяется MgCl2 или MgClOH, обработанные путем обжига для получения пор с большим диаметром. Особенностью этого метода является адсорбция катализатора на носителе с большой площадью поверхности, что позволяет кристаллической структуре раскрыться. В результате большинство атомов переходных металлов выступают в роли активных центров для полимеризации. Эффективность катализатора может достигать 50–600 кг/4Tio. Полимеризация происходит в замкнутой реакционной трубе, снаружи которой расположен кожух с холодной водой; внутри находится высокоскоростной турбинный мешалка, обеспечивающий комплексообразование катализатора и его смешивание с подаваемым этиленом и сополимеризующимся мономером для регулирования плотности. Температура реакции 80–90 °C, парциальное давление этилена – 1,0 МПа, время реакции – 2–3 ч. Полученную суспензию подвергают центрифугированию для фильтрации; осадок затем обрабатывают паром с целью удаления остаточных растворителей, после чего его сушат с помощью потока воздуха. Таким образом можно получить UHMWPE с средней молекулярной массой от 1,5 до 6 миллионов. При растворном методе в качестве катализатора используется CrO₃, а в качестве носителя — Al₂O₃-SiO₂. В качестве растворителя применяется углеводород C6. Полимеризация происходит при температуре на 170–180 °C выше температуры плавления полимера; давление поддерживается в пределах 1,96–2,94 МПа. В качестве исходных веществ для полимеризации используются этилен и небольшое количество сополимерного мономера – гексена. В процессе полимеризации как этилен, так и полиэтилен растворяются в растворителе, образуя однородную реакционную среду. После завершения полимеризации этилен удаляется путем быстрого испарения; затем происходит центрифугирование, концентрирование и охлаждение для получения полимера. Данным методом можно получить UHMWPE со средней молекулярной массой более 1 миллиона. Редактирование приложений. В настоящее время UHMWPE находит широкое применение в таких отраслях, как текстильная промышленность, производство бумаги, упаковка, транспорт, химическая промышленность, горнодобывающая промышленность, нефтегазовая промышленность, строительство, электротехника, пищевая промышленность, медицина и спорт. Кроме того, этот материал начинает использоваться в производстве обычного вооружения, судов и автомобилей. В будущем это будет расширено на такие сферы, как космонавтика и атомная энергетика. Применение, где важны износостойкость и устойчивость к ударам: 1.1. Текстильное оборудование. Текстильное оборудование является одной из первых областей применения UHMWPE. Ещё в 1958 году несколько компаний начали использовать UHMWPE для производства деталей текстильного оборудования. Например, вместо материалов с высокой прочностью использовался UHMWPE для изготовления элементов, подвергаемых постоянным вибрационным нагрузкам со скоростью 40–180 раз в минуту. Срок службы таких элементов может быть в 5–6 раз больше, чем у элементов, изготовленных из кожи буйвола. В настоящее время за рубежом на каждом ткацком станке используется в среднем около 30 деталей из УМХПЭ, таких как ударопрочные и износостойкие элементы: челночные устройства, отталкиватели челнока, шестерни, соединительные элементы, скребки для очистки, амортизационные блоки, втулки для стержней, качающиеся задние рамы и т. д. 1.2. Оборудование для производства бумаги. Оборудование для производства бумаги является второй промышленной сферой, в которой используется UHMWPE. Примерно в 1960 году в конвейерном узле одного из станков для обработки древесины впервые были установлены противоизносные элементы из UHMWPE. Они эффективно защищали основную платформу и цепи; при использовании в течение 5 лет износ таких элементов практически не наблюдался. По оценкам, срок службы противоизносных полос в два раза превышает срок службы цепи. В качестве материалов для изготовления крышек резервуаров используются UHMWPE, нержавеющая сталь, кленовое дерево, литой полиуретан и ламинированный фенолоформальдегидный пластик. Однако важно то, что крышки из UHMWPE оказывают меньшее сопротивление на нержавеющую сетку, расположенную на резервуаре, по сравнению с другими материалами. Это позволяет увеличить срок службы дорогостоящей нержавеющей сетки. Сегодня доля UHMWPE, необходимого в целлюлозно-бумажной промышленности, составляет 10% от общего объема потребления. UHMWPE используется для изготовления щеток на бумагопрессах, крышек резервуаров для воды, элементов, обеспечивающих компактизацию материала, а также соединительных элементов ； Кроме того, UHMWPE может использоваться для изготовления таких деталей бумажных машин, как уплотнительные валы, направляющие колеса, скребки, фильтры и т. д. 1.3. Благодаря высокой износостойкости, низкому коэффициенту трения и отсутствию свойств липкости, UHMWPE является более подходящим материалом для использования в оборудовании для упаковки по сравнению с некоторыми металлами и другими пластмассами. Его можно использовать в качестве замены фосфористой бронзе и фторопластам. Замена модифицированных фторопластов на UHMWPE для изготовления направляющих, оснований скольжения транспортирующих устройств, фиксирующих пластин и т. д. не только **снижает затраты на оборудование, но и увеличивает срок его службы в 10–50 раз». После замены традиционного ламинированного термоотверждаемого пластика на UHMWPE в устройствах для производства жидких моющих средств были решены проблемы износа, появления царапин на бутылках и их ослабления. Это позволило снизить расходы на запасные части. Шпиндели с использованием материала UHMWPE также уже используются в качестве стандартных компонентов на многих линиях по упаковке бутылок. Один крупный западный пивоваренный завод изготовил из UHMWPE ленточный конвейер для бутылок длиной около 1,6 км; он в несколько раз более долговечен, чем конвейеры, сделанные из фосфористой бронзы. На линии сборки автомобилей за рубежом звездочки, приводимые в движение цепью, заставляют тележки перемещаться по платформе для транспортировки стальных листов. Из-за трения между цепью и стальными листами цепь очень быстро изнашивается. Использование листового материала из UHMWPE вместо стальных листов позволяет **снизить** износ, а также уменьшить энергопотребление. 1.4. Общее машиностроение. Благодаря отличной износостойкости и ударопрочности UHMWPE широко применяется в машиностроительной промышленности для изготовления различных механических деталей: зубчатых колес, кулачков, рабочих колес, роликов, шкивов, подшипников, втулок, валиков, шайб, уплотнительных прокладок, эластичных муфт, винтов и т. д. Применение, основанное на свойствах самосмазки и нелипкости 2.1. Хранение и транспортировка материалов. УХМВПЭ может использоваться для изготовления облицовок бункеров, контейнеров и путей транспортировки для порошкообразных материалов, таких как уголь, цемент, известь, шлак, соль, злаки. Благодаря высоким свойствам самосмазки и нелипкости этого материала, порошкообразные материалы не прилипают к элементам оборудования, что обеспечивает стабильную транспортировку. Ранее бункеры для угля, шлака, зерна и т. п. использовались с нержавеющей стальной облицовкой при транспортировке в упаковке; в настоящее время вместо неё применяется облицовка из UHMWPE. Благодаря этому при длительном использовании снижается выделение тепла. В бункерах для транспортировки руды компании Baosteel используется облицовка из UHMWPE, что позволяет увеличить срок службы по сравнению с использованием металлических материалов в 10–50 раз. Использование UHMWPE в качестве облицовки бункеров упрощает монтаж и снижает затраты; поэтому в крупных электростанциях для транспортировки угля также применяется облицовка из UHMWPE. Наклонные трубопроводы для угля на шахтах изготавливаются из UHMWPE, что позволяет снизить угол наклона и тем самым повысить объем добычи. Может транспортировать 400 тыс. т угля без необходимости замены транспортирующих каналов; срок его службы в два раза дольше, чем у каналов, покрытых магниевым сплавом. UHMWPE используется в трубопроводах для транспортировки твердых материалов, таких как песок, причем срок службы таких труб увеличивается в 18 раз по сравнению с стальными трубами, а их стоимость снижается в 25 раз. По сравнению с нейлоновыми трубами срок службы UHMWPE-труб увеличивается в 3 раза, а стоимость — в 8 раз. При транспортировке сопротивление в трубе на 25% меньше, чем в металлической трубе, **что повышает эффективность транспортировки. При использовании традиционных металлических материалов для изготовления внутренней облицовки желобов, ковшей и вагонов для руды в холодную и влажную погоду материалы примерзают к металлу. При использовании же UHMWPE этого не происходит, что **сокращает время разгрузки**. После укладки слоя плит UHMWPE на внутреннюю поверхность выгрузочного желоба навалочного судна среднее время выгрузки сократилось с прежних 16–20 часов до 8 часов. 2.2 Сельскохозяйственная и строительная техника. УМВПЭ обладает отличными свойствами самосмазки: грязь легко скользит по его поверхности без возникновения прилипания. Кроме того, он хорошо сопротивляется ударам и износу, поэтому подходит для изготовления деталей сельскохозяйственной и строительной техники. Такие элементы, как скользящие плиты комбайнов, внутренние покрытия плугов, скребки устройств для уборки земли, внутренние покрытия ковшей экскаваторов, внутренние покрытия кузовов самосвалов и т. д., могут значительно повысить эффективность работы и снизить расход энергии. 2.3 Канцелярские принадлежности Благодаря самосмазывающимся свойствам, стойкости к износу и холоду UHMWPE его можно использовать в качестве основы для коньков и лыжных досок; в Европе и Америке в основном используется именно UHMWPE для производства таких изделий ； Лыжные трассы покрыты материалом UHMWPE (толщина слоя — 20 мм); максимальная скорость скиданья может достигать 110 км/ч. Каток из материала UHMWPE, произведенный японской компанией Mitsui Petrochemical, был открыт для публики в 1975 году в префектуре Кагосима. Стоимость его строительства составила 1/4 от стоимости обычного катка. УМВПЭ обладает отличной химической стабильностью и непроницаемостью к воде, что делает его подходящим материалом для использования в устройствах для хранения различных растворов. Его также можно применять в качестве материала для изготовления крупных тарных емкостей – поплавков, резервуаров для сбора воды, баков для бензина, контейнеров для пестицидов, а также в устройствах для сбора воды в солнечных энергетических установках. Это также одна из областей, где в настоящее время наиболее широко применяется UHMWPE. Контейнеры из UHMWPE обладают высокой прочностью на удар при падении. Если наполнить контейнер водой весом 20 кг и сбросить его с большой высоты на стальную пластину толщиной 10 мм, то обычный полиэтиленовый контейнер разрушится на высоте всего 9 м, тогда как контейнер из UHMWPE может выдержать падение с высоты более 15 м. Применение, основанное на санитарной безвредности 4.1. Пищевая и напиточная промышленность: UHMWPE обладает теми свойствами, которые необходимы в пищевой промышленности — безвредностью, водостойкостью и отсутствием склонности к прилипанию. Указаны как материалы, которые могут использоваться в прямом контакте с пищей. Может использоваться на линиях транспортировки пива, освежающих напитков, приправ и т. д. При транспортировке этот материал предотвращает повреждение бутылок и другой тары, снижает уровень шума, уменьшает износ конвейеров, транспортирующих винтов и прочего оборудования. Кроме того, он способствует экономии электроэнергии. Его также можно использовать для производства деталей к оборудованию для переработки мяса, молока, а также для производства конфет, варенья и хлебобулочных изделий. 4.2. В медицинской сфере UHMWPE обладает выдающейся физиологической инертностью и способностью к адаптации к условиям организма. Его одобрили Управление по санитарному надзору за пищевыми продуктами и лекарственными средствами США, а также Министерство сельского хозяйства. Поэтому его можно использовать в областях, где он контактирует с человеческим телом, например, в качестве материала для сердечных клапанов, элементов для ортопедических операций, искусственных суставов и протезов. Это идеальный полимер для медицинских целей. Искусственные тазобедренные суставы, состоящие из луночки, изготовленной из UHMWPE, и металлической фемуры, обладают более высокой стойкостью к износу и безопасностью по сравнению с PTFE. В настоящее время по всему миру сотни тысяч людей перенесли замену суставов на такие протезы. Применение в других областях 5.1. Применение при низких температурах УХМВПЭ обладает отличными свойствами стойкости к низким температурам; его можно использовать в различных холодильных устройствах, а также в качестве компонентов, устойчивых к низким температурам, в ядерной промышленности. В области низкотемпературной сверхпроводимости он является идеальным изоляционным материалом. UHMWPE обладает отличными свойствами защиты от излучения, поэтому может использоваться в качестве экранов в атомных электростанциях. 5.2. Применение в качестве электроизолятора. UHMWPE обладает хорошими электроизоляционными свойствами; в частности, у него низкое значение тангента угла диэлектрических потерь. Его можно использовать для изготовления емкостей для покрытия металлов электролитом, роликов, а также изоляторов, изоляционных кронштейнов, кабельных труб, выключателей, кабельных разъемов и других электрических устройств, работающих в высокочастотном и сверхвысокочастотном диапазонах. Недостатки. По сравнению с другими инженерными пластиками, UHMWPE обладает более низкой теплостойкостью, жесткостью и твердостью. Однако эти характеристики можно улучшить с помощью таких методов, как «наполнение» и «сшивание» ； С точки зрения термостойкости температура плавления UHMWPE (136°C) примерно соответствует температуре плавления обычного полиэтилена, однако из-за высокой молекулярной массы у него высокая вязкость в растопленном состоянии, что затрудняет его обработку. Возникает вопрос: как проверять характеристики и молекулярную массу полимерного полиэтилена, и каковы стандарты такой проверки?