Физико-механические свойства.

Свойства СВМПЭ, являющегося кристаллическим полиме­ром, при температуре ниже температуры плавления существенно зависят от молекулярной и надмолекулярной структуры.

СВМПЭ из всех разработанных марок ПЭНД имеет самую высокую прочность, ударостойкость и к растрескиванию [44, с. 16]. Ценной особенностью СВМПЭ является способность сохранять высокие прочностные характеристики в широком ин­тервале температур. Это можно объяснить [45] тем, что при кристаллизации полиэтилена из расплава все элементы над­молекулярной структуры оказываются в той или иной мере связанными между собой «проходными» макромолекулами. Кроме того, в полимере всегда имеется некоторое количество физических узлов (зацепление молекул). Как правило, первые и вторые образуются в основном за счет длинных макромоле­кул, содержащихся в полимере. Проходные молекулы исходного кристаллического полимера и физические узлы сохраняются и при вытяжке полиэтилена, связывая отдельные участки элемен­тов надмолекулярной структуры и определяя их прочность. По мере увеличения длины макромолекул и доли высокомоле­кулярных фракций полимера содержание таких проходных мо­лекул и физических узлов возрастает, а следовательно, увели­чивается и количество связываемых ими элементов надмолеку­лярной структуры. Это, в свою очередь, приводит к увеличению прочности, ударостойкости и к растрескиванию СВМПЭ.

При низких температурах подвижность макромолекул сни­жается, и возрастает роль межмолекулярных сил в увеличении указанных выше показателей тем в большей степени, чем боль­ше длина макромолекул. Однако с ростом длины макромоле­кул затрудняется кристаллизация, при этом степень кристаллич­ности полиэтилена и размеры кристаллитов уменьшаются [46]. Этим объясняется более низкое значение плотности СВМПЭ по сравнению со стандартным ПЭНД. Так, в случае использо­вания металлорганических катализаторов СВМПЭ с молеку­лярной массой 1000000 и 4000000 имеет плотность 938 и 933 кг/м3 соответственно, тогда как стандартный ПЭНД — 949—954 кг/м3, а в случае применения катализаторов, нанесен­ных на носитель, плотность СВМПЭ (мол. масса примерно 2 000 000) составляет 940 кг/м8, а стандартного ПЭНД — 962 кг/м3 [47].

СВМПЭ имеет вы­сокие значения таких показателей, как температура падения прочности, разрушающее напряжение при растяжении, ударная вязкость. Особое внимание стоит обратить на исключительно высокую стойкость к растрескиванию СВМПЭ, образцы кото­рого при выдержке в такой поверхностно-активной среде, как 20%-ный водный раствор эмульгатора ОП-7, при темпера­туре 50 °С в течение 1000 ч и более не растрескивается.

СВМПЭ обладает высокой стойкостью к удару и практиче­ски не разрушается до —100°С. При определении по ГОСТ 4647—69 ударной вязкости для образцов с надрезом СВМПЭ (мол. масса 2000000) и ПЭНД (мол. масса 500000) не наблюдалось разрушения образцов СВМПЭ в интервале тем­ператур от +20 до —70 °С, в то время как для ПЭНД получены следующие значения:

При более низких температурах, вплоть до —180 °С, хотя и происходит разрушение испытуемого образца СВМПЭ, сохра­няется сравнительно высокое значение ударной вязкости. В за­висимости от условий испытания ударная вязкость, естественно, будет изменяться. Наиболее жестким условием испытания яв­ляется нанесение на образец острого надреза (под углом 15°). Однако и в этом случае значения ударной вязкости высоки и находятся в пределах 11—110 кДж/м2 при температурах от —200до+120°С [42].

Ударостойкость возрастает с увеличением молекулярной массы СВМПЭ. При исследовании этой зависимости показано, что рост ударной вязкости наблюдается для СВМПЭ вплоть до молекулярной массы 5000000—6000000.

Предел текучести, твердость и модуль упругости при ком­натной температуре находятся в соответствии с плотностью СВМПЭ и несколько ниже, чем у стандартного ПЭНД.

Разрушающее напряжение при растяжении СВМПЭ во всем исследованном интервале температур значительно выше, чем у стандартного ПЭНД. Определение «истинной проч­ности», т. е. рассчитанной на сечение в момент разрыва образца, показало, что для СВМПЭ оно не изменяется с повы­шением температуры и составляет 28,5 МПа при температуре от 60 до 100°С [45]. У стандартного ПЭНД наблюдается па­дение «истинной прочности» с повышением температуры, и при 100 °С она составляет 15,7 МПа.

При отрицательных температурах у СВМПЭ относительное удлинение при разрыве значительно выше, чем у стандартного ПЭНД. Он как бы является более гибким полиме­ром, а, следовательно, и более морозостойким. При положитель­ной температуре картина изменяется, СВМПЭ становится менее гибким.

Известно, что ПЭНД может иметь максимум на кривых за­висимости удлинения при разрыве от температуры. Положение этого максимума по оси температур зависит от содержания высокомолекулярных фракций [45]. Возрастание доли таких фракций и их молекулярной массы приводит к смещению мак­симума в сторону более высоких температур. ПЭНД с молеку­лярной массой 190000 имеет максимум при 70—90 °С, ПЭНД с молекулярной массой 260000 имеет, по-видимому, максимум при температуре, близкой к 100°С, а СВМПЭ при еще более высокой температуре. Это явление существенно расширяет интервал рабочих температур СВМПЭ.

СВМПЭ имеет хорошие антифрикционные свойства, близкие к свойствам фторопласта-42 и полиамида П-68, широко приме­няемых в качестве антифрикционных материалов. Коэффициент трения СВМПЭ также равен коэффициенту трения фторопласта и полиамида.

Износостойкость СВМПЭ вдвое превышает износостойкость остальных марок ПЭНД. При введении в него твердых смазок, нанример графита, в количестве примерно 0,5% износостой­кость увеличивается в 2 раза и приближается к износостойкости стали (36,4 мин/мм3).

Химические свойства.

Химическая стойкость полиэтилена определяется структурой полимерной цепи и, главным образом, молекулярной массой. Высокая химическая стойкость СВМПЭ наряду с другими свой­ствами позволяет широко применять его для изготовления раз­личных изделий, контактирующих с химическими реагентами. Он инертен к действию многих химических реагентов. СВМПЭ исключительно стоек к действию щелочей любой концентрации и водных растворов нейтральных, кислых и основных солей. СВМПЭ обладает стойкостью также и к некоторым кислотам. Так, на СВМПЭ не действуют органические кислоты, в том числе муравьиная и уксусная и даже концентрированная со­ляная и плавиковая кислоты. Серная кислота до 80%-ной кон­центрации при комнатной температуре не оказывает действия на СВМПЭ. При увеличении концентрации серной кислоты и длительности контакта наблюдается интенсивное пожелтение изделий.

Однако СВМПЭ, так же как и стандартный ПЭНД, изме­няет свои свойства и даже разрушается под действием окисли­телей. Азотная кислота, даже при довольно низкой концентра­ции, разрушает СВМПЭ. Окисление и разрушение значительно усиливаются с повышением температуры эксплуатации из­делий.

Жидкий и газообразный хлор и фтор разрушают СВМПЭ, а бром и иод поглощаются им и диффундируют сквозь полимер. Разбавленные растворы хлора и различные отбеливающие ве­щества слабо действуют на СВМПЭ.

ПЭНД не растворяется в органических растворителях при комнатной температуре, однако некоторые растворители вызы­вают более или менее сильное его набухание. Склонность к на­буханию при этом у СВМПЭ значительно ниже, чем у ПЭНД. По мере повышения температуры степень набухания увеличи­вается. ПЭНД при температуре выше 80 °С, а СВМПЭ выше 120—140 °С растворяются во многих органических растворите­лях, особенно в алифатических и ароматических углеводородах и их галогенпроизводных. Растворимость СВМПЭ существенно зависит от природы растворителя, длительности его воздействия на полимер, толщины изделия и температуры.

СВМПЭ обладает низкой газо- и паропроницаемостью. Про­ницаемость зависит не только от структуры полиэтилена, но и от размера молекул газа и их сродства к полимеру, а также от толщины изделия, температуры и градиента концентрации. Про­ницаемость СВМПЭ наименьшая для сильнополярных веществ и наибольшая для углеводородов, поэтому СВМПЭ выгодно отличается от других полимеров малой проницаемостью для воды и водяных паров. Относительная влажность в интервале 0-90% не влияет на константу проницаемости. Константа про­ницаемости для воды лишь слегка отличается от константы проницаемости для водяных паров [44]. В связи с этим изделия из СВМПЭ пригодны для использования не только во влажном воздухе, но и при непосредственном контакте с водой.

Электрические свойства.

Полиэтилен является полимером, превосходящим по экс­плуатационным свойствам многие известные диэлектрики. Этим и объясняется широкое применение его в электротехнической промышленности.

Электрические свойства СВМПЭ аналогичны свойствам ПЭНД. Диэлектрическая проницаемость СВМПЭ, как и у других неполярных полимеров, примерно равна квадрату показателя преломления. При температуре 18—23 °С она составляет 2,3. С повышением температуры и соответственно со снижением плотности полимера наблюдается уменьшение диэлектрической проницаемости: при 130°С е=2,2, а при 140°С е = 2,1. В ин­тервале частот 10²—10⁸ Гц диэлектрическая проницаемость практически не изменяется, лишь при частотах 10⁸—10¹⁰ Гц она уменьшается на 4-5% по сравнению со значениями, полу­ченными при более низких частотах [3, с. 34; 44, с. 23].

Старение и стабилизация.

Свойства СВМПЭ, как и других типов полиэтилена, изме­няются со временем — происходит старение полимера. В про­цессе переработки, эксплуатации и хранения изделий СВМПЭ подвергается воздействию многочисленных факторов, таких, как тепло, свет, влага, кислород воздуха, агрессивные химиче­ские среды, механические нагрузки и др. Под действием ука­занных факторов полимеры претерпевают структурные измене­ния. В основном протекают процессы двух типов: деструкция и сшивание. Структурные изменения приводят к потере «полез­ных» свойств. Например, снижается прочность полимера, появ­ляется хрупкость, повышаются тангенс угла диэлектрических потерь и диэлектрическая проницаемость.

СВМПЭ содержит меньшее количество ненасыщенных свя­зей, чем стандартный ПЭНД, поэтому в меньшей степени под­вергается термоокислительному и радиационному старению. Этим и объясняется его более высокая термо- и светостабильность.

Для повышения стойкости СВМПЭ к старению в условиях переработки, хранения и эксплуатации, т. е. для продления по­лезного времени жизни, в него вводят стабилизаторы. Обычно стабилизаторы добавляют к СВМПЭ в процессе его перера­ботки.

В качестве антиокислителей СВМПЭ применяют фенолы, ароматические амины, сернистые соединения. Количество ан­тиокислителей определяется их совместимостью с полимером, а также действием, оказываемым ими на физико-химические свойства полиэтилена. Обычно это десятые доли процента.

В качестве светостабилизаторов используют производные бензофенона, пространственно затрудненные амины и техниче­ский углерод (сажу). Светостабилизаторы первых двух типов применяют в незначительных количествах (десятые доли про­цента), а сажу в количестве нескольких процентов.

Переработка СВМПЭ.