Российские ученые разработали легкий и прочный слоистый материал 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.

Один из самых перспективных полимеров для создания композитов — 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 кристалличности 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.