Cуперволокна СВМПЭ

Волокно из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ, англ. Ultra-high molecular weight polyethylene – UHMWPE) относится наряду с углеродными и арамидными к группе так называемых “суперволокон”.

Мировой рынок СВМПЭ динамично развивается. С 2018–2020 гг. рынок СВМПЭ рос со среднегодовыми темпами ~14% и достиг 280 тыс. т или 1,9 млрд долл. в 2020 г. По прогнозам ResearchInChina, спрос на СВМПЭ и композиционные материалы на его основе в изделиях технического назначения увеличится более чем в 2,5 раза относительно показателя 2020 г., и достигнет 670 тыс. т. к 2026 г.

Повышенный интерес к СВМПЭ волокнам объясняется их уникальными свойствами, такими как высокие удельные упруго – прочностные показатели, высокая энергоемкость, т.е. способностью к поглощению и рассеиванию высокоскоростного динамического удара, устойчивость к истиранию и изгибам, невосприимчивость к действию влаги, низких температур и солнечной радиации, химическая инертность, а также прозрачность в широком диапазоне электромагнитного излучения.

Образец костного имплантата из СВМПЭ (Фото: НИТУ «МИСиС»)

Такое исключительное сочетание свойств представляет возможность создания особых классов легких композитов для элементов высокотехнологичной техники, к которым предъявляются требования не только достаточной конструкционной прочности, но и высоких электрофизических показателей, а также стойкости к высокоскоростным нагрузкам.

СВМПЭ волокна и композиционные материалы на его основе

За рубежом композиционные материалы различного назначения на основе СВМПЭ волокон применяются уже давно, причем рост объемов производства поддерживается за счет государства и рассматривается как одно из условий обеспечения национальной безопасности.

Однако СВМПЭ волокна не лишены недостатков. Низкая поверхностная энергия и отсутствие ненасыщенных химических связей у СВМПЭ – волокон являются основными причинами их слабой адгезии практически ко всем термореактивным матрицам. Разрушение образцов КМ на основе исходных СВМПЭ – волокон обычно происходит по границе раздела волокно – полимерная матрица.

Низкая поверхностная энергия и отсутствие ненасыщенных химических связей у СВМПЭ волокон являются основными причинами их слабой адгезии практически ко всем термореактивным матрицам

Поэтому важными задачами при создании композитов на основе СВМПЭ волокон являются разработка методов активации поверхности тканей из СВМПЭ волокна для достижения оптимального адгезионного взаимодействия на границе раздела полимер – волокно.

В настоящее время известно о нескольких способах активации поверхности. Один из самых известных - плазменная обработка поверхности волокнистых материалов. Однако, эффект от плазменной обработки длится весьма короткое время, что делает такой способ малопривлекательным.

Обработка поверхности волокна УФ излучением высокой интенсивности

Ученые кафедры наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов СПГУПТД исследуют влияние ультрафиолетового излучения (УФ-излучения) на активацию поверхности сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Предварительные эксперименты показали, что обработка СВМПЭ волокон УФ-излучением с длиной волны 123,6 нм приводит к образованию межмолекулярных сшивок и окислению поверхностного слоя с образованием кислородсодержащих полярных групп. Кроме данного способа, ученые рассматривают применение комбинированного метода, который включает в себя УФ обработку и модификацию поверхности химическими реагентами.