Сверхполиэтилен

Кризис — хорошее время, чтобы избавиться от старого производства на устаревшем оборудовании и при наличии средств поставить совершенно новое оборудование под новейший технологический процесс. В химии полимеров перспективные возможности открывает применение наночастиц, которые способны придать хорошо известному материалу качественно другие свойства. Одну из интересных технологий получения нанокомпозитов на основе широко распространенных полимеров создали отечественные химики, выполняя работы по федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2012 годы».

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) отличается от обычного тем, что в его молекуле сотни тысяч звеньев, а молекулярная масса составляет несколько миллионов. Благодаря этому сверхвысокомолекулярный полиэтилен обладает совсем другими свойствами, нежели обычный, и оказывается хорошим конструкционным материалом, способным заменить сталь, бронзу, а также гораздо более дорогостоящие полимеры — полиамид или фторопласт. В зависимости от области применения и способов переработки СВМПЭ нужны различные марки порошков этого полимера, отличающихся молекулярной массой, размером частиц и надмолекулярной структурой.

Сейчас в России есть два опытных производства СВМПЭ, в Томске ив Казани, с общим объемом продукции около 500 тонн. Однако считается, что потребность в этом полимере исчисляется десятками тысяч тонн, и тот, кто первым освоит выпуск изделий из него, окажется в сильном выигрыше. Благодаря сочетанию химической стойкости, высокой прочности, стойкости к истиранию и способности выдерживать температуру от –200°С до +65°С он нашел применение во многих отраслях промышленности. В машиностроении из СВМПЭ изготовляют разнообразные тяжелонагруженые втулки и зубчатые колеса, в химической промышленности — детали насосов, кранов, клапанов, уплотнений, облицовки реакторов. Пластины из СВМПЭ пригодятся горнообогатительной промышленности: ими можно облицовывать кузова самосвалов и вагонов, транспортные желоба загрузочных бункеров. Среди возможных изделий из этого полимера: броня боевых машин, эндопротезы, покрытия для лыж и сноубордов, искусственный лед для летних катков... Еще более привлекательными свойствами обладают композиты на основе СВМПЭ.

Отечественную технологию изготовления нанокомпозитов из СВМПЭ предложили ученые из красноярского Института химии и химической технологии СО РАН. Ее характерные черты — применение механической активации полимерных гранул и введение в состав полимера специально синтезированных наночастиц металлов или керамики. При этом красноярские ученые создали несколько способов получения наночастиц. Частицы металлов, а также оксида и нитрида титана размером 5–10 нм они синтезировали в электрической дуге низкого вакуума. Частицы оксида вольфрама диаметром 10—100 нм — в высокочастотной плазме. Из золы, которая попадает в трубы тепловых электростанций, им удалось выделить стеклянные микросферы и разделить их на фракции. Все эти наполнители затем применили для получения разных марок нанокомпозитов из СВМПЭ.

Чем длиннее молекула полимера, тем более вязким становится его расплав, поэтому равномерно распределить наночастицы по всему объему пластика — задача непростая. Ее удалось решить методом механического синтеза, когда гранулы полимера и наночастицы совместно размалывают в высокоскоростной мельнице. При таком помоле наночастицы порой объединяются в агрегаты. Чтобы этого избежать, в мельницу надо было добавлять поверхностно-активные вещества.

В конце концов были получены гранулы полиэтилена с добавками наночастиц, из них спрессовали десять партий пластин, которые затем испытали в различных изделиях. Результаты оказались весьма неплохими. Например, замена пластин из фторопласта на пластины модифицированного СВМПЭ увеличила ресурс работы насосов, перекачивающих шлам на химическом производстве, в десять раз. В целом изностойкость СВМПЭ с наночастицами выросла в 100–150 раз, модуль упругости, то есть степень жесткости материала, увеличился более чем в три раза, а стойкость к радиационному воздействию — в 1,6—1,8 раза.

Если будет налажено производство нанокомпозитов из СВМПЭ, то они смогут заменить металлоконструкции во многих областях техники, за счет чего получится немалый экономический эффект.

Кандидат физико-математических наук
С.М. Комаров