Техническая информация

Понимание уникальных свойств синтетических канатов высокой прочности DEELON неразрывно связано с пониманием структуры и свойств волокон сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ — UHMWPE), поскольку именно этот материал лежит в их основе.

На автоматическом оборудовании волокна сплетаются в пряди, которые в зависимости от типа плетения образовывают структуру каната. Как правило, чем прядей больше, тем канат мягче. В многопрядном канате нагрузка распределяется по большему количеству элементов. Это позволяет канату лучше адаптироваться к изгибам и деформациям, что субъективно воспринимается как мягкость. Далее, готовый канат покрываются специальной полиуретановой пропиткой. Она предотвращает разлохмачивание волокон, уменьшает трение и улучшает нагрузочные характеристики. Качество пропитки более чем наполовину обуславливает качество каната в целом.

1. Историческая справка
Промышленная полимеризация СВМПЭ была впервые освоена и коммерциализирована немецкой компанией Ruhrchemie AG в 1950-х годах. Это положило начало промышленному производству материала, который изначально был известен под обозначениями PE-1000 или ПЭ-1000, что подчеркивало его исключительную молекулярную массу. Со временем, по мере роста производства и появления новых марок от различных производителей (таких как DSM, Ticona, Braskem, BASF AG, Mitsui, Honeywell), в международной практике за материалом закрепились названия, отражающие его ключевые свойства: Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE), High Modulus Polyethylene (HMPE) и High Performance Polyethylene (HPPE). В России разработки в этой области велись, в частности, на предприятиях «Полинит» («Казаньоргсинтез») и ФГУП «ВНИИСВ» (Тверь).

2. Определение и структура
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) представляет собой термопластичный полимер этилена с исключительно высокой молекулярной массой, превышающей 3,1 млн г/моль (по стандарту ASTM D4020).

В то время как молекулы стандартного полиэтилена высокой плотности (HDPE) состоят из 700–1800 мономеров, каждая молекула СВМПЭ может содержать более 3 000 000 мономеров. Такие длинные полимерные цепи эффективно передают нагрузку и распределяют ее внутри структуры за счет усиления межмолекулярных взаимодействий. Сам логотип DEELON подчеркивает эту бесконечную взаимосвязанность и структуру.

Для классификации полиэтилена по молекулярной массе можно использовать следующие рекомендации:
HDPE (полиэтилен высокой плотности): 100 000–400 000 МW
HMWHDPE (полиэтилен высокой плотности с высокой молекулярной массой) 500 000–1 999 999 MW
VHMWHDPE (полиэтилен высокой плотности с очень высокой молекулярной массой) 2 000 000–3 100 000 MW
UHMWPE (полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы) > 3 100 000+ МW
Соответственно, исходное волокно UHMWPE для производства синтетических канатов DEELON 103 и DEELON 203 нами называется DEELON 03

Проще всего структуру СВМПЭ можно представить в виде тарелки сваренных спагетти, где длинные нити плотно переплетены. Такое строение объясняет выдающуюся стойкость к истиранию и ударную вязкость материала — «вытянуть» отдельную частицу из этой структуры крайне сложно.

Структура сверхвысокомолекулярного полиэтилена высокой плотности (СВМПЭ UHMWPE) - DEELON

СВМПЭ является одним из видов полиолефина. Он состоит из очень длинных цепей полиэтилена, который выравнены в одном и том же направлении. Прочность вещества в значительной степени зависит от длины каждой отдельной молекулы (цепи). При создании волокон уровень параллельности ориентации полимерных цепей может превышать 95%, а степень кристалличности доходит до 85%.

В отличие от кевлара (пара-арамидное волокно, по свойствам находящееся в одном ряду с нейлоном и зилоном), прочность которого определяется сильными связями между относительно короткими молекулами, в данном случае молекулы длинные, а связи между ними (Ван-дер-ваальсовы силы; силы межмолекулярного взаимодействия с энергией 10 — 20 кДж/моль) слабее, чем у кевлара.

Слабая связь между молекулами олефинов (этиленовый углеводород) позволяет при помощи локального термического возбуждения часть за частью нарушать целостность молекулярных цепей кристаллизующегося полимера. Это свойство делает СВМПЭ гораздо менее теплостойким, чем другие высокопрочные волокна. Его температура плавления составляет от 144 до 152 ° C (291 до 306 ° F), и волокна СВМПЭ не рекомендуется использовать при температурах, превышающих 80 - 100 ° C (176 до 212 ° F) в течение длительного периода времени. Вещество становится хрупким при температуре ниже -150 ° C (-240 ° F).

Простая структура молекулы также приводит к возникновению поверхностных и химических свойств, которые редко встречаются в других высокопроизводительных полимерах. Например, полярные группы в большинстве полимеров легко взаимодействуют с водой. Так как у олефинов нет таких групп, СВМПЭ не впитывает воду столь же легко и не намокает столь же легко, что делает его объединение с другими полимерами довольно трудной задачей. По тем же причинам, человеческая кожа не взаимодействуют с ним с ощутимой силой, что делает поверхность волокна СВМПЭ Deelon скользкой на ощупь.

3. Технология нанесения пропиток на плетеные канаты UHMWPE (12 прядей)
Процесс пропитки витого/плетеного каната (12-strand braided rope) — это не просто поверхностное покрытие, а глубокая пропитка всей структуры. Основная цель — заменить воздух между волокнами полимером, который свяжет их вместе. На промышленном уровне используются два основных метода:

Вакуумно-нагнетательная пропитка (Vacuum Pressure Impregnation, VPI)
Это наиболее эффективный и распространенный метод для получения высококачественных продуктов.

Шаг 1: Сушка. Канат предварительно прогревается для удаления влаги. Влажное волокно будет плохо впитывать пропитку.
Шаг 2: Вакуумирование. Канат помещается в герметичную автоклавную камеру. Из камеры откачивается воздух. Вакуум удаляет воздух из внутренних полостей между волокнами каждой пряди.
Шаг 3: Подача пропитки. При сохранении вакуума в камеру под давлением подается жидкая пропитка. Поскольку внутри каната создано разрежение, пропитка эффективно и глубоко проникает во все микрополости.
Шаг 4: Создание избыточного давления. После заполнения камеры давление часто дополнительно повышают (до нескольких бар). Это обеспечивает максимально глубокое проникновение и насыщение.
Шаг 5: Слив излишков. Избыток пропитки сливается из камеры.
Шаг 6: Предварительная сушка (желатинизация). Канат медленно проворачивается в специальной установке (например, на катушках в туннельной печи) при умеренной температуре (50-70°C). Это позволяет пропитке равномерно распределиться и частично испарить растворитель/воду без образования пузырей.
Шаг 7: Финальное отверждение. Канат проходит через печь с более высокой температурой (обычно 80-120°C, в зависимости от системы) для полного испарения летучих веществ и химического отверждения (для двухкомпонентной пропитки типа 2K PU).

Пропитка прогоном через ванну (Dip-Coating)
Более простой метод, но менее эффективный для глубокой пропитки толстых канатов.

Канат пропускается через ванну с пропиткой.
Затем он проходит через обжимные валки (ниппели), которые отжимают излишки и способствуют вытеснению воздуха и проталкиванию пропитки внутрь.
Далее следует сушка и отверждение в печи.

Для качественной пропитки 12-прядного каната UHMWPE предпочтительна вакуумно-нагнетательная технология (VPI). Этот метод дает значительно лучшее и однородное качество пропитки по всему сечению каната. Метод с ванной может оставить непропитанную сердцевину, что снижает общую прочность и износостойкость. На высокопрочных канатах DEELON применяется пропитка методом VPI.

4. Основные свойства и преимущества
Высокая молекулярная масса обеспечивает СВМПЭ уникальное сочетание высокой ударной вязкости, низкого коэффициента трения и износостойкости, что позволяет ему превосходить углеродистую сталь в 10 раз, что делает его более подходящим для многих применений, где марки с более низкой молекулярной массой не справляются. Ткань из СВМПЭ в пять раз прочнее стали, что делает ее прочнее кевлара. Однако кевлар более термостойкий и может выдерживать более высокие температуры, чем ткань из СВМПЭ.

Исключительная износостойкость: СВМПЭ демонстрирует наивысшую стойкость к абразивному износу и истиранию среди всех пластиков, превосходя по этому параметру углеродистую сталь в 10 раз и более. Это связано с комбинацией высокой молекулярной массы, "возникающие запутывания" (resulting entanglements) и скользкой воскообразной поверхности.
Высокая ударная вязкость: Материал обладает рекордной ударной прочностью среди термопластов, сохраняя эти свойства в широком температурном диапазоне — от -100°C до -180°C.
Низкий коэффициент трения: СВМПЭ является самосмазывающимся материалом. Его коэффициент трения сравним с политетрафторэтиленом (PTFE/тефлон), но при этом он значительно превосходит его по износостойкости.
Стойкость к деформации и растяжению: волокно из СВМПЭ имеет высокий модуль упругости 1100 сН/дтекс или выше, что означает низкую растягиваемость и высокое сопротивление деформациям.
Химическая стойкость: Обладает выдающейся стойкостью к широкому спектру химических реагентов: щелочам любой концентрации, кислым и основным солям, органическим кислотам, а также концентрированной соляной и плавиковой кислотам. Серная кислота концентрацией до 80% при комнатной температуре не оказывает на него воздействия. Однако материал подвержен разрушению под действием сильных окислителей (азотная кислота, жидкий хлор и фтор).
Низкая влагопроницаемость: Волокно из СВМПЭ является гидрофобным, что означает, что оно не впитывает воду или влагу. Это свойство делает его пригодным для наружного применения, где присутствует влажность и при прямом контакте с водой.
Биологическая инертность: Материал не имеет запаха, вкуса, нетоксичен и физиологически инертен, что допускает его стерилизацию и использование в пищевой и медицинской промышленности.
Устойчивость к ультрафиолетовому излучению: волокно из СВМПЭ обладает высокой устойчивостью к ультрафиолетовому излучению (УФ), что означает, что оно не разрушается и не ослабевает даже после длительного воздействия солнечного света.
Низкая теплопроводность: волокно из СВМПЭ имеет низкую теплопроводность, что означает, что оно плохо проводит тепло. Это свойство делает его идеальным для применения в условиях высоких температур до до 130–135°C, где необходима изоляция.
Способность плавать: Плотность СВМПЭ составляет около 0,93–0,94 г/см³, что ниже плотности воды, поэтому изделия из него плавают.
Диэлектрическая пассивность: Не допускают утечки электрических зарядов, то есть с их помощью можно отделить электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпуса, от «земли»). Соответствует нормам ПТЭЭП (Правила Технической Эксплуатации Энергоустановок Потребителей). Очень важная характеристика по сравнению с металлическим тросом!
Хорошая заплетаемость: Возможность изготовление сплесней, огонов с коушами и мягких мочек с минимальными потерями прочности. Дополнительно возможно преднатяжение - как проверка прочности заплетания.

5. Области применения
Уникальное сочетание свойств и относительно низкая стоимость делают СВМПЭ экономически эффективной заменой дорогостоящих материалов. Подробнее сферы применения изложены в специальном разделе на нашем сайте.

Яхтинг: Производство шкотов и фалов для стоячего такелажа и мягких такелажных мочек (soft shackle).
Off-Road: Применяются для комплектации лебедок на джипах и квадрациклах. Мягкие мочки (шаклы) как быстрый, легкий, прочный и безопасный соединительный элемент.
Рыболовство: Для комплектации тралов, сетей и неводов. Ярусные системы, сети для выращивания рыбы и моллюсков, поплавковые и донные канаты.
Строительство: Протяжка кабельных трасс (трос-лидер). Высокопрочные подвесы для кабеля. Оттяжки для мачт и антенн.
Электромонтаж: Как диэлектрический канат, не создающий радиопомех или разделитель токоведущих частей друг от друга.
Промышленность: Производство деталей машин для горнорудной, химической, целлюлозно-бумажной, текстильной отраслей; гидравлические уплотнения и подшипники; внутренние покрытия для шлангов и рукавов, работающих с абразивными и химически агрессивными средами.
Волокна и ткани: Производство высокопрочных волокон, которые используются в баллистической защите (бронежилеты), средствах индивидуальной защиты (устойчивые к порезам перчатки), альпинистском снаряжении (веревки, лямки), тросах и канатах для судостроения и парусного спорта, рыболовной леске, высокопроизводительных парусах.
Медицина: Более 40 лет применяется для изготовления эндопротезов суставов (тазобедренных, коленных), имплантатов для позвоночника, а также хирургических швов.
Прочие области: Производство ограждений для хоккея, лыж и сноубордов, касок, контейнеров и другой продукции, где требуются прочность, износостойкость и легкость.

6. Ограничения
Главным ограничением материала является его сравнительно невысокая температура плавления (144–152°C). Не рекомендуется длительная эксплуатация при температурах выше 80–100°C (кратковременно — до 130–135°C). При температурах ниже -150°C материал становится хрупким. Также СВМПЭ подвержен ползучести (непрерывной деформации под постоянной нагрузкой).

Более подробная техническая информация, спецификации и научные данные доступны в дополнительных источниках, приложенных в файлах внизу на этой странице.

Список файлов