Новый композит из сверхвысокомолекулярного полиэтилена

Это композиционный материал, в котором матрица и армирующие элементы (наполнитель) представлены одним и тем же полимером. Каждый слой обладает собственными свойствами, и, варьируя их параметры, можно придать материалу самые разнообразные характеристики. Так, низкий коэффициент трения позволит использовать его в машиностроении, а высокая совместимость с живыми тканями — в изготовлении протезов. Работа опубликована в журнале Materials. Исследования поддержаны Президентской программой исследовательских проектов Российского научного фонда.

Схема получения материала

Микростуктура материала

Одной из самых актуальных областей современного материаловедения становится разработка различных композиционных материалов. Они, как правило, состоят из двух компонентов: пластичной основы — матрицы и наносимого на нее жесткого и прочного наполнителя. В качестве матрицы часто используются различные полимеры, таким способом можно достичь хороших функциональных характеристик и низкой плотности. По этим параметрам композитные материалы превосходят даже металлы.

Один из самых перспективных полимеров — сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ). Он состоит из очень длинных молекул, в 10–20 раз превышающих по длине цепочки обычного полиэтилена. В волокнах СВМПЭ молекулы преимущественно ориентированы вдоль оси волокна, а степень кристалличность достигает 98%. Благодаря таким свойствам волокна обладают рекордными значениями прочности, низким коэффициентом трения, высокой устойчивостью к изменениям температуры и воздействиям химических реагентов. Однако применение волокон из этого материала в чистом виде на сегодняшний день ограничено, он используется преимущественно для изготовления канатов, веревок и рыболовных сетей. Поэтому создание объемных материалов из СВМПЭ волокон — актуальная научно-техническая проблема, требующая разработки новых методов и подходов.

Решая эту задачу, российские ученые разработали композиционный материал, в котором матрица и армирующие элементы (наполнитель) представлены одним и тем же полимером, такие материалы называются самоармированными композиционными. Высокая совместимость компонентов способствует их идеальному взаимодействию; кроме того, благодаря однородности композита значительно упрощается его вторичная переработка. Для создания объемного материала ученые предложили чередовать слои самоармированного композиционного материала и изотропного (неориентированного) СВМПЭ.

«Его свойства можно контролировать и изменять в зависимости от условий получения. Варьируя соотношение между толщинами слоев, их количеством и расположением, можно добиваться требуемых характеристик материалов в зависимости от цели. Благодаря низкому коэффициенту трения они могут быть использованы в различных узлах трения: роликах, подшипниках, насосах, приводах и многих других механизмах. Это позволит сохранить себестоимость изделий и обеспечить длительный и бесперебойный срок службы, значительно повысив износостойкость деталей», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Дилюс Чуков, кандидат технических наук и сотрудник НИЦ «Композиционных материалов», Национального исследовательского технологического университета «МИСиС».

Кроме того, для СВМПЭ характерна высокая совместимость с живыми тканями, поэтому он востребован в протезировании тазобедренного и коленного суставов. Внутренние протезы должны обладать низким трением и эффективной амортизацией, чего можно будет добиться изменением параметров в слоях нового материала. Это позволит создавать комфортные условия использования и обеспечит длительную работу искусственных суставов, снизив вероятность дополнительных операций, связанных с заменой износившихся частей протеза.

В работе также принимали участие сотрудники Сколтеха.