Полимерные материалы на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена: структура и свойства

Представлены результаты исследования свойств и структуры сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) в зависимости от марок и молекулярной массы. Проведено сравнение марок СВМПЭ 510 и 517, синтезированных в Институте катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, и GUR марок 4022, 4130 и 4150 фирмы «Celanese» (Германия и Китай). Порошки перерабатывались по технологии горячего прессования в вулканизационном прессе в соответствии с ГОСТ 16337-77 с получением образцов для исследований. Изучение структуры полимеров проведено методами рентгеноструктурного анализа и сканирующей электронной микроскопии. Результаты исследования морфологии порошков свидетельствуют, что порошки СВМПЭ состоят из кластеров более мелких субчастиц, связанных между собой фибриллами полимера. В то же время надмолекулярная структура СВМПЭ характеризуется формированием сферолитов, размеры которых уменьшаются с увеличением молекулярной массы. Рентгенограммы СВМПЭ показывают, что с увеличением молекулярной массы формируется более дефектная структура. Данное явление подтверждается методом дифференциально-сканирующей калориметрии. Выявлено уменьшение значений энтальпии плавления и степени кристалличности с увеличением молекулярной массы. Установлено, что значения степени кристалличности и плотности у СВМПЭ марки 517 российского производства сопоставимы с иностранными марками. При этом по физико-механическим и трибологическим параметрам данная марка не уступает иностранным аналогам: зарегистрированы повышение прочности при растяжении, которое достигает 45 МПа, и низкое значение скорости массового изнашивания, равное 0,07 мг/ч.

1. Kurdi A., Chang L. Recent advances in high performance polymers-tribological aspects. Lubricants. 2018; 7(1): 2. DOI: 10.3390/lubricants7010002.

2. Склифос В.О., Рыжко А.А., Щеглов Д.П. Наночастицы для полимерных композиционных материалов в строительстве. Перспективы науки. 2021;5: 123–125.

3. Шерстюков Б.Г. Климатические условия Арктики и новые подходы к прогнозу изменения климата. Арктика и Север. 2016;24:39–67.

4. Selyutin G.E., Gavrilov Y.U., Voskresenskaya E.N., Zakharov V.A., Nikitin V.E., Poluboyarov V.A. Composite materials based on ultra-high molecular polyethylene: properties, application prospects. Chemistry for sustainable development. 2010;18(3):301–314.

5. Abdul Samad M. Recent Advances in UHMWPE/UHMWPE nanocomposite/UHMWPE hybrid nanocomposite polymer coatings for tribological applications: a comprehensive review. Polymers. 2021;13(4): 608. https://doi.org/10.3390/polym13040608.

6. Chen X., Wang X., Feng Y., Qu J., Yu D., Cao C., Chen X. Enhancing chain mobility of ultrahigh molecular weight polyethylene by regulating residence time under a consecutive elongational flow for improved processability. Polymers. 2021;13(13):2192. DOI: 10.3390/polym13132192.

7. Андреева И.Н., Веселовская Е.В., Наливайко Е.И., Печенкин А.Д., Бухгалтер В.И., Поляков А.В. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности. Л.: Химия; 1982. 80 с.

8. Галибеев С.С., Хайруллин Р.З., Архиреев В.П. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен. Тенденции и перспективы. Вестник Казанского технологического университета. 2008;2:50–55.

9. Peacock A.J. Handbook of polyethylene: structures: properties, and applications. CRCpress; 2000. 544 p.

10. Охлопкова А.А., Охлопкова Т.А., Борисова Р.В. Управление процессами структурообразования в полимерных композиционных материалах на основе СВМПЭ. Наука и образование. 2015;2(78):85–90.

11. Kossack W., Seidlitz A., Thurn-Albrecht T., Kremer F. Molecular order in cold drawn, strain-recrystallized poly(ε-caprolactone). Macromolecules. 2017;50(3): 1056–1065. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.6b02714.

12. Hu X.P., Hsieh Y.L. Crystallite sizes and lattice distortions of gel-spun ultra-high molecular weight polyethylene fibers. Polymer journal. 1998; 30(10): 771–774. DOI: 10.1295/polymj.30.771.

13. Joo Y.L., Han O.H., Lee H.K., Song J.K. Characterization of ultra high molecular weight polyethyelene nascent reactor powders by X-ray diffraction and solid state NMR. Polymer. 2000;41(4):1355–1368. https://doi.org/10.1016/S0032-3861(99)00272-4.

14. Zamfirova G., Perena J.M., Benavente R., Pé- rez E., Cerrada M.L., Nedkov E. Mechanical properties of ultra-high molecular weight polyethylene obtained with different cocatalyst systems. Polymer journal. 2002; 34(3):125–131. https://doi.org/10.1295/polymj.34.125.

15. Федоров Л.Ю., Карпов И.В., Ушаков А.В., Лепешев А.А., Иваненко А.А. Структурное состояние сверхвысокомолекулярного полиэтилена при одностадийном осаждении наночастиц из плазмы дугового разряда. Письма в ЖТФ. 2017;43(21):24–32. https://doi.org/10.21883/PJTF.2017.21.45158.16747.

16. Аулов В.А., Кучкина И.О. Проявление моноклинной фазы в ИК-спектрах сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2009;51(8):1440–1443.

17. Bracco P., Bellare A., Bistolfi A., Affatato S. Ultrahigh molecular weight polyethylene: influence of the chemical, physical and mechanical properties on the wear behavior. A review. Materials. 2017;10(7):791. https://doi.org/10.3390/ma10070791.

18. Ней З.Л. Технологические и эксплуатационные свойства наномодифицированного полиэтилена: дис.… канд. тех. наук.: 05.17.06 Москва: 2017. 163 с.

19. Galitsyn V., Gribanov S., Kakiage M., Uehara H., Khizhnyak S., Pakhomov P., Moeller E., Nikitin V., Zakharov V., Tshmel A. Straight-chain segment length distributions in UHMWPE reactor powders of different morphological types. International Journal of Polymer Analysis and Characterization. 2007; 12(3):221–230. https://doi.org/10.1080/10236660701245264.

20. Vadivel H.S., Bek M., Šebenik U., Perše L.S., Kádár R., Emami N., Kalin M. Do the particle size, molecular weight, and processing of UHMWPE affect its thermomechanical and tribological performance? Journal of Materials Research and Technology. 2021;12:1728–1737. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.03.087.

21. Лебедев Д.В., Иванькова Е.М., Марихин В.А., Мясникова Л.П., Seydewitz V. Строение поверхности насцентных частиц реакторных порошков сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Физика твердого тела. 2009;51(8):1645.

22. Khalil Y., Hopkinson N., Kowalski A., Fairclough J.P.A. Characterisation of UHMWPE polymer powder for laser sintering. Materials. 2019;12(21):3496. https://doi.org/10.3390/ma12213496.

23. Michler G.H., Seydewitz V., Buschnakowski M., Myasnikowa L.P., Ivan’Kova E.M., Marikhin V.A., Boiko Y.M., Goerlitz S. Correlation among powder morphology, compactability, and mechanical properties of consolidated nascent UHMWPE. Journal of applied polymer science. 2010;118(2):866–875. https://doi.org/10.1002/app.32346.

24. Rimell J.T., Marquis P.M. Selective laser sintering of ultra-high molecular weight polyethylene for clinical applications. Journal of Biomedical Materials Research. 2000;53(4):414–420. https://doi.org/10.1002/1097-4636(2000)53:4<414::AID-JBM16>3.0.CO;2-M.

25. Охлопкова Т.А., Борисова Р.В., Охлопкова А.А., Дьяконов А.А., Васильев А.П., Миронова С.Н. Микроскопические исследования деформации растяжения сферолитных структур в полимерных композиционных материалах. Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. 2015;3(47):75–87.

26. Галицын В.П. Физико-химические свойства и строение реакторных порошков, гелей и ориентированных волокон из сверхвысокомолекулярного полиэтилена: дис.… д-ра хим. наук: 02.00.04 Тверь: 2012. 339 c.

27. Liu Y.X., Chen E.Q. Polymer crystallization of ultrathin films on solid substrates. Coordination Chemistry Reviews. 2010;254(9-10):1011–1037. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2010.02.017.

28. Dingler C., Dirnberger K., Ludwigs S. Semiconducting polymer spherulites-From fundamentals to polymer electronics. Macromolecular Rapid Communications. 2019; 40(1): 1800601. https://doi.org/10.1002/marc.201800601.

29. Cook J.T.E., Klein P.G., Ward I.M., Brain A.A., Farrar D.F., Rose J. The morphology of nascent and moulded ultra-high molecular weight polyethylene. Insights from solid-state NMR, nitric acid etching, GPC and DSC. Polymer. 2000;41(24):8615–8623. https://doi.org/10.1016/S0032-3861(00)00254-8.

30. Жорник В.И., Ковалева С.А., Григорьева Т.Ф., Киселева Т.Ю., Белоцерковкский М.А., Таран И.И., Валькович И.В., Витязь П.А., Ляхов Н.З. Формирование структуры высоконаполненных композитов на основе СВМПЭ в условиях интенсивной механической активации для получения радиационно-защитных материалов. Механика машин, механизмов и материалов. 2019;4:70–78.

31. Bergström J.S., Kurtz S.M., Rimnac C.M., Edidin A.A. Constitutive modeling of ultra-high molecular weight polyethylene under large-deformation and cyclic loading conditions. Biomaterials. 2002;23(11):2329–2343. https://doi.org/10.1016/S0142-9612(01)00367-2.

32. Sobieraj M.C., Rimnac C.M. Ultra high molecular weight polyethylene: mechanics, morphology, and clinical behavior. Journal of the mechanical behavior of biomedical materials. 2009;2(5):433–443. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2008.12.006.

33. Galeski A., Bartczak Z., Vozniak A., Pawlak A., Walkenhorst R. Morphology and plastic yielding of ultrahigh molecular weight polyethylene. Macromolecules. 2020;53(14):6063-6077. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.9b02154.

34. Danilova S.N., Yarusova S.B., Kulchin Y.N., Zhevtun I.G., Buravlev I.Y., Okhlopkova A.A., Gordienko P.S., Subbotin E.P. UHMWPE/CaSiO3 nanocomposite: mechanical and tribological properties. Polymers. 2021;13(4):570. https://doi.org/10.3390/polym13040570.

35. Way J.L., Atkinson J.R., Nutting J. The effect ofspherulite size on the fracture morphology of polypropylene. Journal of Materials Science. 1974;9(2):293–299. https://doi.org/10.1007/BF00550954.