Трубы из сшитого полиэтилена VALTEC PEX-EVOH

• Техподдержка
• Статьи
• Архив
• Трубы из сшитого полиэтилена VALTEC PEX-EVOH

На сегодняшний день в российском строительстве растет доля низкотемпературных систем отопления. Современные котлы и отопительные приборы способны полноценно отапливать помещения с температурой теплоносителя до 80 °С. К тому же в последнее время широкое распространение получили системы напольного отопления. Температура и давление теплоносителя в данных системах позволяют использовать более простые и дешевые материалы. Именно поэтому на российском рынке сейчас существует большой спрос на трубопроводы из сшитого полиэтилена. Данный вид трубопроводов сочетает в себе надежность при использовании в низкотемпературных системах отопления, простоту монтажа и низкую стоимость.

Трубопровод из сшитого полиэтилена, или, как его называют, PEX-труба, представляет собой практически монолитную конструкцию, основным материалом которой является молекулярно-сшитый полиэтилен.

Обычный полиэтилен состоит из длинных углеводородных молекул, которые никак не связаны друг с другом и не пригоден для использования в качестве основного материала трубопроводов систем отопления из-за низкой термостойкости. Молекулярно-сшитый полиэтилен имеет поперечные связи между цепочками углеводородных молекул, и потому данный материал имеет более высокую прочность и жесткость и что самое главное – более высокую стойкость к температурным воздействиям.

Если говорить о металлополимерных трубопроводах, то под этим термином на сегодняшний день принимаются достаточно обширный класс полимерных трубопроводов, основное отличие которых от обычных трубопроводов заключается в наличии армирующей прослойки из металлической, как правило алюминиевой, фольги между внутренним и наружным слоем полимера. При этом в качестве материала внутреннего и наружного слоев может использоватьсятот же самый материал, что и в PEX-трубах, а именно сшитый полиэтилен. Так же могут использоваться и другие материалы – полиэтилен (PE, PE-HD), полиэтилен повышенной температурной стойкости (PE-RT), полипропилен (PP-R) и т.

д.

В то время как характеристики металлополимерных труб зачастую зависят от свойств используемых материалов и качества клеевого слоя, характеристики PEX-труб, как правило, зависят от степени сшивки полиэтилена, толщины стенки трубопровода и способа нанесения кислородонепроницаемых слоев.

Сшивка полиэтилена определяет прочностные и термические характеристики трубопровода. В первую очередь сшивка позволяет добиться долговременной стойкости к высокой температуре и давлению (увеличивает предел логарифмически-пропорциональной релаксации). Сшивка полиэтилена может происходить различными способами и с различной степенью. Различают три основных промышленных способа сшивки полиэтилена: 

• пероксидный метод (PEX-a) является химическим методом сшивки полиэтилена и заключается в сшивке органическими пероксидами и гидропероксидами. Трубопровод, получаемый при данном методе, имеет степень сшивки около 75 %;
• силановый метод (PEX-b) также является химическим. При сшивке данным способом используются органосиланиды. Минимальный коэффициент сшивки данным методом ограничен 65 %;
• радиационная сшивка (PEX-c) производится при помощи потока заряженных частиц. Коэффициент сшивки составляет около 60 %.

Трубопроводы VALTEC PEX-EVOH проходят полый технологический цикл сшивки силановым методом (PEX-b) на современном оборудовании, за счет чего обеспечивается равномерная сшивка полиэтилена состепенью сшивки 68–70 %.

Метод сшивки трубопроводов практически не влияет на физические свойства готового трубопровода. На свойства трубопровода в основном влияет степень сшивки. При увеличении степени сшивки возрастает прочность, термостойкость, стойкость к агрессивным средам и ультрафиолетовым лучам. Однако вместе с увеличением степени сшивки увеличивается хрупкость и уменьшается гибкость полученного трубопровода. Если довести степень сшивки полиэтилена до 100 %, то по своим свойствам он будет подобен стеклу.

Так же сшивка полиэтилена дает полученному трубопроводу «эффект памяти формы». Его суть заключается в том, что предварительно деформированный трубопровод после прогрева восстанавливает свою исходную форму. Это свойство проявляется из-за того, что при изгибе и деформации молекулярно-связанные участки сжимаются или растягиваются. После прогрева в местах деформации возникают внутренние напряжения, за счет которыхвосстанавливается изначальная форма (рис. 1).

Излом и восстановление формы после прогрева до 100 °С трубы VALTEC PEX-EVOH (способ сшивки – PEX-b)     

Излом и восстановление формы после прогрева до 100 °С трубы из PEX-a с антидиффузионным слоем

Излом и восстановление формы после прогрева до 100 °С трубы из PEX-с без антидиффузионного слоя (неокрашенный сшитый полиэтилен при высокой температуре становится прозрачным)

Рис. 1. Восстановление формы трубопроводов после деформации

На рис. 1 показано восстановление трубопроводов с различными способами сшивки после залома. При всех способах сшивки трубопроводы восстановили свою первоначальную форму. На трубопроводах, покрытых антидиффузионным слоем, послевосстановления образовались складки. В этих местах антидиффузионный слой отслоился от слоя PEX. Данный дефект практически не влияет на характеристики трубопровода, так как основную несущую способность трубопровода определяет слой PEX, который полностью восстановился. Незначительное отслоение антидиффузионного слоя несущественно увеличивает кислородопроницаемость трубопровода. Трубопровод без антидиффузионного слоя после прогрева становится прозрачным. Данный эффект присущ любому неокрашенному сшитому полиэтилену.

Эффект памяти формы очень полезен при монтаже. Если во время монтажа трубопровода образуется излом, сдавливание или иная деформация, то она легко устраняется прогреванием трубопровода до температуры 100–120 °С. К тому же, при выполнении соединения PEX-трубопровода с фитингом также возникают деформации в бороздках штуцера (рис. 2). При подаче теплоносителя и прогреве трубопровода в этих местах возникают восстанавливающие усилия. За счет данных усилий трубопровод плотнее облегает штуцер, что повышает надежность соединения.

Рис. 2. Соединение PEX-трубы VALTEC с пресс-фитингом

Рис. 3. Изгиб PEX-трубы диаметром 20 мм на радиус 100 мм

Выбор диапазона степени сшивки полиэтилена 68–70 % для трубопроводов VALTEC PEX-EVOH обусловлен оптимальным соотношениемпрочностных характеристик трубопровода и его гибкости. Например, PЕХ-трубу VALTEC можно вручную при комнатной температуре согнуть на радиус, равный пяти диаметрам трубы (рис. 3), а при использовании трубогиба или кондуктора – на радиус, равный трем диаметрам. Трубопровод со сшивкой более 70 % будет иметь радиус изгиба вручную не менее семи диаметров. Большего изгиба трубопровода при такой степени сшивки можно добиться только при использовании строительного фена.

Следует отметить, что PEX-трубопроводы являются достаточно упругими и плохо поддаются изгибанию. После «холодного» изгиба отрезок трубы будет принимать первоначальную форму.

Однако если предварительно прогреть трубопровод и дать ему остыть в фиксированном положении, то он сохранит это положение. При повторном прогреве трубопровода отрезок вернется в исходное состояние за счет эффекта памяти формы.

Эффект памяти формы не следует путать с упругой деформацией. В первом случае исходная форма принимается только после прогрева, а во втором сразу же после снятия деформирующих усилий и только в пределах упругой деформации (без изломов).

Трубопроводы PEX-EVOH фирмы VALEC допустимо замоноличивать в строительные конструкции как с кожухом, так и без кожуха. При замоноличивании PEX-EVOH труб в кожухе есть возможность замены небольших участков трубопроводов без вскрытия пола.

Толщина стенки трубопровода напрямую влияет на максимальное давление теплоносителя, которое может выдержать трубопровод. Трубы VALTEC PEX-EVOH изготавливаются с такой же толщиной стенки, как и у металлополимерных трубопроводов – 16 х 2,0, 20 х 2,0 мм. Это позволяет использовать для монтажа трубопровода стандартные пресс-фитинги, выпускающиесядля металлополимерных трубопроводов.

Недостатком материала PEX является то, что он кислородопроницаем. Вода в трубопроводах без защиты от кислорода через определенное время насыщается кислородом, что может привести к коррозии элементов системы. Для уменьшения кислородопроницаемости PEX используется тонкий слой из поливинилэтилена (EVOH). Основной слой PEX и слой EVOH соединяются между собой клеем. Стоит отметить, что слой EVOH не предотвращаетполностью эмиссию кислорода, а лишь уменьшает кислородопроницаемость до значения 0,05–0,1 г/ м³ · сут., что допустимо для систем отопления.

В трубе VALTEC PEX-EVOH антидиффузионный слой выполнен снаружи, т.е. труба имеет трехслойную конструкцию: PEX-клей-EVOH.На рынке также встречаются пятислойные (PEX-клей-EVOH-клей-PEX) трубы

(рис. 4).

Рис. 4. Конструкция пяти- и трехслойных PEX-труб с антидиффузионным слоем

Такая конструкция разработана для того, чтобы исключить возможность повреждения слоя EVOH. Однако испытания показали, что трехслойная труба (с нанесенным слоем EVOH снаружи) более надежна, чем пятислойная. Повышенная прочность трехслойной трубы обусловлена тем, что слой PEX является монолитным по всему сечению трубы, в отличие от пятислойной, в которой рабочий слой PEX прерывается слоем EVOH и клеем, из-за чего прерываются внутренние поперечные межмолекулярные связи полиэтилена. Также при данной конструкции возможно расслоение трубы при перегреве ее строительным феном во время изгиба.

Мнение о том, что наружный слой EVOH в трехслойной конструкции подвержен истиранию, ошибочно. Твердость слоя EVOH значительно выше, чем у слоя PEX, поэтому при правильной транспортировке повреждение наружного слоя маловероятно.

Трубопроводы из сшитого полиэтилена рекомендуется использовать при устройстве низкотемпературных систем отопления. Использование PEX-трубопроводов для систем высокотемпературного отопления не запрещается. Но тут следует отметить, что при этом допустимое максимальное давление трубопровода будет намного ниже паспортного. К тому же расчетный срок службы трубопровода в такой системе сократится.

Производители трубопроводов в основном устанавливают максимальную рабочую температуру и давление из расчета срока службы трубопровода – 50 лет. При замоноличивании и скрытой прокладке замену данных трубопроводов можно производить совместно с капитальным ремонтомздания или помещения. Более частая замена замоноличенных трубопроводов повлечет большие финансовые затраты на переделку конструкций здания.

Но температура теплоносителя во время эксплуатации системы различна. Летом и в переходный период температура теплоносителя ниже расчетной. Для оценки применимости трубопроводов к определенному температурному режиму в условиях меняющейся температуры теплоносителянормативами определены классы эксплуатации. Данные классы показывают доли влияния различных температур от всего пятидесяти летнего срока эксплуатации.

На рис. 5 представлен график, показывающий продолжительность влияния различных температур на трубопровод при четвертомклассе эксплуатации (низкотемпературное радиаторное отопление)

Рис. 5

Поэтому при определении типа трубопровода следует руководствоваться допустимым классом эксплуатации данного трубопровода, указанном в паспорте трубы. Трубопроводы из PEX, представленные на российском рынке, подходят для классов эксплуатации 1, 2, 3, 4 и ХВ.

Таким образом, благодаря своей надежности и низкой стоимости трубопроводы из сшитого полиэтилена стали все чаще и чаще применятьсяпри устройстве низкотемпературных систем отопления и систем водоснабжения.

Более подробную информацию по монтажу и применению трубопроводов VALTEC PEX-EVOH можно найти в разделе «Техническая документация».

Автор: Д.В. Жигалов

 

Уважаемые читатели! С момента публикации этой статьи в ассортименте нашей компании, практике применения оборудования, нормативных документах могли произойти изменения. Предлагаемая вам информация полезна, однако носит исключительно ознакомительный характер.

Распечатать статью:
Трубы из сшитого полиэтилена VALTEC PEX-EVOH

© Правообладатель ООО «Веста Регионы», 2010
Все авторские права защищены. При копировании статьи ссылка на правообладателя и/или на сайт www.valtec.ru обязательна.

особенности, производство и сшивка, применение 2023

Сшитый полиэтилен (или ПЕх (PEx), где х – не буква, а обозначение сшивки) – это полимер с модифицированной структурой молекулярных связей, основой которого является полимеризированный под высоким либо низким давлением этилен. Является наиболее плотным среди других полиэтиленовых материалов и имеет более высокие технические показатели. Используется для изготовления наиболее прочных полимерных изделий, выдерживающих различные нагрузки механического, химического либо геофизического происхождения. Кроме того, многие изделия являются устойчивыми к высоким температурам, что позволяет использовать его в соответствующих условиях.

Основные свойства

Свойства сшитого полиэтилена исходят из возможностей его полимерной основы и особенностей молекулярного строения.

Строение

Обычный полиэтилен состоит из крупных молекул с множеством свободных ответвлений, свободно «плавающих» в пространстве. Именно поэтому при множестве положительных свойств он все же является довольно мягким материалом, имеющим сравнительно низкую температуру плавления. Создатели сшитого полиэтилена смогли ликвидировать этот недостаток, укрепив структуру материала при сохранении его положительных характеристик.

Сшитый полиэтилен имеет широкоячеистую сетчатую структуру молекулярных связей. Она образована путем появления в молекулярной структуре полимера наряду с продольными соединениями еще и поперечных в виде цепочек из атомов водорода, объединяющих молекулы в трехмерную сетку. Отдельные нити полиэтилена, получаемые реакцией полимеризации, здесь крепко связаны между собой. Такая «ткань» имеет гораздо большую молекулярную плотность и больший удельный вес, а также намного прочнее «волокнистого» собрата как в механическом, так и в физико-химическом смысле.

Технические характеристики

Кроме высокой плотности и прочности, сшитый полиэтилен обладает рядом оригинальных свойств, благодаря которым полиэтиленовые изделия внедрились практически во все области деятельности современного человека. Сшивка молекул дала ему:

• Главное – повышение температуры плавления. Модифицированный полимер размягчается при повышении температур более 150-ти 0C, плавится при 200 0C и горит при 400 0C с разложением на воду и углекислый газ.
• Со сшивкой увеличилась жесткость и прочность на разрыв с одновременным уменьшением величины удлинения на разрыв.
• Этот материал не меняет свойств при резком изменении окружающих условий, чем сходен даже с такими прочными металлами, как сталь.
• Стойкость его к химическим реагентам и биологическим разрушителям очень велика,
• По сравнению с простым полиэтиленом сшитый обладает более высокой гидро-и пароизоляцией,
• Появилась возможность «памяти формы», при которой полимер поменял свойство пластичности на эластичность.

ИНТЕРЕСНО! Если разогретый предмет из сшитого полиэтилена каким-либо образом деформировать и остудить в деформированном состоянии, то он какое-то время будет сохранять новую форму. Но при последующем разогревании он будет стремиться восстановить равновесное состояние межмолекулярных связей, возвращая себе первоначальную форму.

Недостатки

Существенными недостатками сшитого полиэтилена являются следующие свойства:

• Как и для других полимеров этилена, он начинает медленно разрушаться под действием солнечных лучей,
• Отрицательное действие кислорода при проникновении его в структуру материала.

Оба недостатка устранимы с помощью покрытия изделий защитными оболочками из других материалов либо нанесением слоя краски.

Производители

Одним из самых заметных на сегодня производителей труб из сшитого полиэтилена является бренд STOUT. Вся продукция производится на современном оборудовании в Европе на тех же заводах, где заказывают свой товар бренды премиум-сегмента.

Трубы STOUT существенно дешевле, но не уступают по качеству более дорогим: покупателю нет смысла переплачивать за громкое имя бренда. Клиент платит за качество и надежность, получая все это в полной мере. Изделия адаптированы для условий эксплуатации в нашей стране, монтаж легок и не занимает много времени.

Производство

Технологии сшивки

Сшивка полиэтилена проводится химическим либо физическим способом по одной из следующих технологий:

1. Химическим пероксидным методом (PEx a) получают очень качественные, но достаточно дорогие изделия. В качестве реактива здесь используется перекись водорода. Процесс идет при температуре около 200 0C. Сшивка получается наиболее равномерной, так как количество сшитых молекул в общем количестве составит до 85%.
2. Химическим силановым методом (PEx b) получают сшитый полиэтилен в присутствии силана, катализаторов и воды. Этот метод самый распространенный, хотя процент сшивания здесь составляет всего 65-70%.
3. Физическим радиационным (PEx c). Эта сшивка проводится путем прогонки полиэтиленовой массы через ускоритель электронов, где проходит воздействие на нее рентгеновского либо гамма-излучения. При этом вступают в реакцию свободные атомы, но не углерода с водородом, а одноименные между собой, образуя новые связи. Степень сшивки получается примерно 60%.
4. Химическим азотным (PEx d), с помощью радикалов азота, получают качество сшивки до 70%. Этот метод используется редко, так как требует достаточного времени и определенных условий протекания реакции.

Сравнение свойств по типу сшивки

Сшитый полиэтилен, прошедший любую из названных технологий сшивки, получает упорядоченную сетчатую структуру, сходную по свойствам с кристаллической решеткой твердых веществ. Однако в каждом случае полученный материал имеет свои небольшие отличия:

• Как уже отмечено, наиболее равномерная сшивка пероксидная, хотя и менее продуктивная, и более дорогая,
• Пероксидный способ неприменим к изготовлению многослойных труб,
• Наиболее быстро получается готовая продукция при силановом способе,
• Самый простой процесс и дешевое сырьё используются в радиационном способе,
• Силановый способ дает наиболее плотный, но и наименее гибкий материал.

ВНИМАНИЕ! Не всегда большой процент сшивки является определяющим показателем для выбора технологии. Например, изготовление термоусаживаемых трубок обычно ведется именно радиационным методом, так как в этом случае процент сшивки вполне достаточен, а производительность и экономичность способа выигрывают перед другими.

Область применения

Сшитый полиэтилен обладает универсальными свойствами как прочности, так и стойкости к различным разрушающим явлениям, включая высокую температуру. Именно поэтому область его применения охватывает все места, где требуются именно такие свойства:

• Для изготовления напорных труб для холодного либо горячего водоснабжения,
• В производстве элементов систем отопления,
• Для изоляции кабелей высокого напряжения,
• При создании специальных стройматериалов и как элемент изделий конструкционного назначения.

Сшитый полиэтилен | Скелетно-мышечный ключ

ОСНОВНЫЕ НАУКИ

В этом разделе рассматриваются основные научные концепции, лежащие в основе разработки современных сшитых полиэтиленов. Раздел начинается с обсуждения молекулярной массы, кристалличности, сшивания и окисления in vivo. В этом разделе мы также обсудим отжиг и переплавку после облучения, а также плюсы и минусы обоих подходов. Читатели, знакомые с фундаментальными научными аспектами полиэтилена, могут перейти к следующему разделу, в котором обобщаются клинические характеристики сшитых материалов.

Химическая структура и молекулярная масса

Полиэтилен представляет собой полимер этилена, состоящий из углеродной основной цепи с боковыми атомами водорода. Химически это простейшая из полимерных молекул, но по мере увеличения длины полимерной цепи увеличивается и сложность материала. Когда молекулярная масса полимера достигает примерно 40 000 дальтон (полиэтилен низкой плотности), материал становится мягким и пластичным и используется для таких изделий, как, например, мешки для мусора. СВМПЭ, используется в ортопедии тазобедренного и коленного суставов с 19 лет.62, имеет молекулярную массу от 2 до 6 миллионов дальтон. Благодаря своей молекулярной массе СВМПЭ обладает желаемыми свойствами износостойкости и ударопрочности, а также пластичностью и ударной вязкостью. Эти свойства делают СВМПЭ очень подходящим материалом для подшипников.

В исторической литературе по эндопротезированию была некоторая путаница, большая часть которой написана Чарнли, в которой то, что сейчас считается UHMWPE, исторически упоминалось как полиэтилен высокой плотности (HDPE) или 9полиэтилен 0013. Сегодня полиэтилен высокой плотности относится к материалу с молекулярной массой от 100 до 250 000 дальтон и подходит для молочников, а не искусственных суставов. В симуляторе тазобедренного сустава скорость износа полиэтилена высокой плотности в четыре раза выше, чем у сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Поэтому ясно, что то, что мы сегодня считаем современным ПЭВП, никогда не использовалось в клинической практике.

Мы не будем больше останавливаться на номенклатуре или истории СВМПЭ на протяжении четырех десятилетий его непрерывного клинического применения, поскольку эти темы рассматриваются в предыдущей монографии, а также обсуждаются в Интернете. Для целей этой главы нас интересует в первую очередь современный СВМПЭ, который для удобства мы будем продолжать называть просто 9.полиэтилен 0013.

Кристалличность

Кристалличность является важным свойством всех полиэтиленов, включая сшитый полиэтилен. Молекулярные цепи в полиэтилене имеют естественную тенденцию (обусловленную термодинамикой) предпочтительно сворачиваться против самих себя, когда это возможно, чему препятствует значительное скучивание и тепловое столкновение, создаваемое соседними молекулами. Области полимера со свернутыми цепями обозначаются как кристаллитов. Отдельные кристаллиты в полиэтилене микроскопичны и обычно могут быть визуализированы только после окрашивания с использованием электронного микроскопа, как показано на рис. 61-1 . Невооруженным глазом кристаллические области преломляют видимый свет, придавая полиэтилену белый вид. В просвечивающем электронном микроскопе (см. , рис. 61-1A ) кристаллические области выглядят как толстые белые линии, тогда как области со случайно ориентированными полимерными цепями, называемые аморфными областями, кажутся темно-серыми.

РИСУНОК 61-1

Полиэтиленовая микроструктура. A, Просвечивающая электронная микрофотография, показывающая кристаллическую фазу полимера (в виде толстых белых линий) в аморфной фазе (серая матрица). B, Схема микрофотографии, иллюстрирующая трехмерную сеть полимерных кристаллов, обозначенную как ламелей, , с удаленным аморфным материалом. C, Крупный план кристаллической ламели полиэтилена. Молекулярные цепи ориентированы перпендикулярно плоскости ламели и могут соединяться с соседними ламелями. Эти соединительные полимерные цепи обозначаются как молекулы связи.

В полиэтилене кристаллиты имеют особую «пластинчатую» форму. Если бы мы растворили аморфные области, кристаллические ламели в полиэтилене выглядели бы как скрученные, соединенные между собой листы, как концептуально показано на рис. 61-1B . Крупный план пластинки кристалла показан на рис. 61-1C . Молекулярные цепи ориентированы перпендикулярно плоскости ламели и могут соединяться с соседними ламелями. Эти соединительные полимерные цепи (не показаны) обозначаются как молекулы связи. В частности, считается, что связующие молекулы, или переплетения, вносят большой вклад в присущую полиэтилену износостойкость.

Кристалличность является важным структурным свойством полиэтилена, поскольку размер, ориентация и связность (через связующие молекулы ламелей) играют важную роль в механическом поведении материала. Кристаллы более жесткие, чем аморфные области; поэтому модуль упругости и предел текучести полиэтилена будут увеличиваться в прямой зависимости от количества присутствующих кристаллов. Как мы увидим, многие этапы обработки клинического полиэтилена разработаны специально для оптимизации кристаллической структуры и, таким образом, для настройки свойств материала.

Полиэтилен обычно имеет содержание кристаллов около 50%. При повышении температуры сыпучего материала выше его температуры плавления, около 137 °C, молекулярные цепи получают слишком много тепловой энергии, чтобы оставаться свернутыми, и поэтому ламели растворяются и «плавятся». В расплавленном состоянии молекулярная масса полиэтилена достаточно высока, чтобы он оставался вязким, хотя и полупрозрачным, твердым телом. Размер и количество кристаллов в полиэтилене при комнатной температуре и, следовательно, объемные свойства материала зависят как от скорости охлаждения, так и от величины давления, прикладываемого в процессе охлаждения. Таким образом, в промышленном масштабе содержание кристаллов и механические свойства полиэтиленовых стержней и листов могут быть адаптированы путем термической обработки. Различные производители полиэтилена используют запатентованные комбинации давления, температуры и времени для оптимизации своей продукции.

Таким образом, термическая обработка изменяет базовую организацию молекулярных цепей в полиэтилене, изменяя размер и форму кристаллов. Однако нагревание и охлаждение, даже под давлением, не предназначены для изменения химической структуры полимера, поскольку ковалентные связи в материале не разрушаются и не создаются. Напротив, как обсуждается в следующих двух разделах, химический состав полиэтилена может быть безвозвратно изменен за счет сшивания (полезно), а также за счет разложения (вредно).

Сшивка

Сшивка, основа всех современных полных тазобедренных подшипников из полиэтилена, является сложным вопросом и основой для многих запатентованных материалов. Проще говоря, химическая структура полиэтилена коренным образом изменяется за счет сшивки, которая сама по себе определяется как соединение двух независимых молекул полимера ковалентной химической связью. Сшивка полиэтилена может быть достигнута с помощью пероксидной химии, силановой химии или высокоэнергетического излучения. Из них производители ортопедических устройств коммерциализировали только радиационное сшивание.

Механизм радиационной сшивки схематично показан на Рис. 61-2 . Первый этап включает облучение молекулы полиэтилена (см. , рис. 61-2A ). Затем облучение производит водородный радикал, оставляя так называемый «свободный» радикал на молекуле полиэтилена (см. , рис. 61-2B ). На самом деле радикал в полимерной цепи имеет крайне ограниченную подвижность и тормозится соседней молекулой. Его правильнее было бы назвать «макрорадикалом». Для образования поперечных связей на соседних молекулах полиэтилена должны присутствовать макрорадикалы, а молекулы должны быть подвижными (см.0030 Рис. 61-2C ). Когда соседние радикалы реагируют, между двумя молекулами полиэтилена образуется ковалентная связь или поперечная связь (см. , рис. 61-2D ).

РИСУНОК 61-2

Процесс радиационной сшивки полиэтилена. A, Первый этап включает облучение молекулы полиэтилена. B, Далее, облучение производит водородный радикал, оставляя свободный радикал на молекуле полиэтилена. C, Сшивание требует наличия свободных радикалов на соседних молекулах полиэтилена. D, Соседние радикалы реагируют с образованием ковалентной связи или поперечной связи между двумя молекулами полиэтилена.

Степень сшивания полиэтилена пропорциональна поглощенной дозе радиации. Исторически сложилось так, что полиэтиленовые подшипники стерилизовали гамма-излучением в дозе от 25 до 40 кГр. Эта доза привела к образованию некоторых поперечных связей. Насыщение сшивания было достигнуто только при поглощенной дозе приблизительно 100 кГр. Сегодня сшитые полиэтилены обрабатывают суммарной дозой от 50 до 105 кГр в зависимости от производителя. В целом, увеличение дозы обеспечивает пропорциональное улучшение износостойкости, что количественно определяется с помощью симулятора бедра, при этом преимущества, наблюдаемые при дозах выше 100 кГр, уменьшаются. Точные причины, по которым сшивание улучшает износостойкость, до сих пор полностью не выяснены, но считается, что они в основном связаны с улучшенной устойчивостью к одноосной ориентации, которая сопровождает сшивание. Доминирующий механизм износа полиэтилена в бедрах включает преимущественную ориентацию, за которой следует образование мусора в результате поперечного сдвига. Поскольку сшивание затрудняет предпочтительную ориентацию материала, обычный механизм износа при замене тазобедренного сустава нарушается.

Одним из вариантов, который должен сделать разработчик имплантата, является метод перекрестного связывания (например, гамма-излучение по сравнению с излучением электронного луча). Если облучение должно проводиться с использованием облучения электронным пучком, разработчик должен учитывать дополнительный фактор температуры облучения, поскольку скорость рассеивания энергии увеличивает температуру выше температуры плавления. Из пяти основных производителей ортопедических изделий, которые в настоящее время производят имплантаты из сшитого полиэтилена, один выбрал облучение электронным пучком, тогда как остальные четыре используют сшивку гамма-излучением.

Хотя устойчивость к многоосной деформации желательна для износостойкости в области тазобедренного сустава, сшивание снижает пластичность и сопротивление полиэтилена одноосному растяжению. Сопротивление полиэтилена усталости и разрушению также снижается с увеличением дозы. Поэтому доза сшитого материала выбирается с учетом не только износостойкости, но и влияния, которое эта доза окажет на другие желательные механические свойства, такие как пластичность и сопротивление разрушению. Поскольку сшивание улучшает одни свойства за счет других, разработчики ортопедических имплантатов должны сбалансировать сшивание с желанием сохранить механические свойства и/или устойчивость к окислению.

Термическая обработка: отжиг и переплав

При производстве СВМПЭ с высокой степенью сшивки материал подвергается стадии термической обработки для снижения уровня свободных радикалов за счет дальнейших реакций сшивания. При более высоких температурах молекулы полимера обладают повышенной подвижностью, что увеличивает вероятность реакции свободных радикалов соседних цепей и образования поперечных связей. Чтобы термическая обработка была эффективной для удаления всех свободных радикалов, она должна проводиться выше температуры плавления материала 150°C. Нагрев выше температуры плавления разрушает кристаллические области материала, таким образом превращая свободные радикалы, кристаллы, доступные для сшивки. Недостатком плавления является уменьшение размера кристаллов полимера и уменьшение механических свойств (например, текучести материала и предела прочности), которое происходит, когда материал возвращается к комнатной температуре.

Компромиссным решением является нагрев материала до температуры от 130°C до 135°C, чуть ниже температуры плавления. Это решение сохраняет первоначальную кристаллическую структуру, сохраняет механические свойства и делает доступным для сшивания больше свободных радикалов, чем было бы доступно без термической обработки. Некоторые свободные радикалы сохраняются в доменах кристалла, но их количество существенно снижается при повышенной температуре. Когда термическая обработка проводится при температуре ниже перехода расплава в 135°С, она обозначается как отжиг, и выше перехода расплава, это называется переплавкой .

Таким образом, термическая обработка является завершающим этапом настройки сшитого полиэтилена, но это не случайная запоздалая мысль. Выбор термической обработки оказывает существенное влияние на кристалличность и механические свойства сшитого полиэтилена. Это также может влиять на устойчивость материала к окислению in vivo. Хотя достоинства отжига и повторного плавления обсуждаются в литературе, в конечном итоге общая клиническая эффективность материалов из сшитого полиэтилена является окончательным арбитром успеха.

Свойства сшитого полиэтилена сверхвысокой молекулярной массы

. 2001 февраль; 22 (4): 371-401.

doi: 10.1016/s0142-9612(00)00195-2.

Г Льюис ¹

принадлежность

• ¹ Факультет машиностроения, Мемфисский университет, Теннесси, 38152-3180, США. [email protected]

• PMID: 11205441
• DOI: 10.1016/s0142-9612(00)00195-2

Г Льюис. Биоматериалы. 2001 Февраль

. 2001 февраль; 22 (4): 371-401.

дои: 10.1016/s0142-9612(00)00195-2.

Автор

Г Льюис ¹

принадлежность

• ¹ Факультет машиностроения, Университет Мемфиса, Теннесси 38152-3180, США. [email protected]

• PMID: 11205441
• DOI: 10.1016/s0142-9612(00)00195-2

Абстрактный

Существенное снижение скорости образования частиц износа на поверхностях несущих компонентов ортопедических имплантатов из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) in vivo считается одной из самых сложных задач в современной эндопротезировании. В свете этого большое внимание исследователей было уделено множеству эндогенных и экзогенных факторов, которые, как предполагается, влияют на скорость износа, одним из таких факторов является сам полимер. В последние годы возродился интерес к сшиванию полимера как способу улучшения его свойств, которые считаются важными для его использования для изготовления компонентов подшипников. К таким свойствам относятся износостойкость, усталостная долговечность и скорость распространения усталостных трещин. Хотя существует большой объем литературы по теме влияния сшивания на свойства СВМПЭ, критических оценок этой литературы опубликовано не было. Это одна из целей настоящей статьи, которая подчеркивает три аспекта. Во-первых, это компромисс между улучшением износостойкости и ухудшением других механических и физических свойств. Вторым аспектом является представление метода оценки оптимального значения переменной процесса сшивания (например, дозы радиационно-индуцированного сшивания), который учитывает этот компромисс. Третий аспект представляет собой описание ряда недостаточно изученных и неизученных областей исследований в области сшитого СВМПЭ, таких как роль исходной смолы в свойствах сшитого полимера и оценка in vitro скорости износа сшитого большеберцового материала. вставки и другие компоненты подшипников, которые в естественных условиях подвергаются почти однонаправленному движению.

Похожие статьи

• Исследование усталостной прочности химически и радиационно сшитого сверхвысокомолекулярного полиэтилена медицинского назначения.

  Бейкер Д.А., Гастингс Р.С., Прюитт Л. Бейкер Д.А. и соавт. J Biomed Mater Res. 1999 г., 15 сентября; 46 (4): 573–81. doi: 10.1002/(sici)1097-4636(19990915)46:43.0.co;2-a. J Biomed Mater Res. 1999. PMID: 10398019

• Влияние молекулярной массы, сшивки и шероховатости поверхности на продукцию ФНО-альфа макрофагами в ответ на частицы полиэтилена сверхвысокой молекулярной массы.

  Ингрэм Дж. Х., Стоун М., Фишер Дж., Ингам Э. Ингрэм Дж. Х. и соавт. Биоматериалы. 2004 авг; 25 (17): 3511-22. doi: 10.1016/j.biomaterials.2003.10.054. Биоматериалы. 2004. PMID: 15020125

• Унифицированная модель износа высокосшитых полиэтиленов сверхвысокой молекулярной массы (СВМПЭ).

  Муратоглу О.К., Брэгдон Ч.Р., О’Коннор Д.О., Джасти М., Харрис У.Х., Гул Р., МакГарри Ф. Муратоглу ОК, и др. Биоматериалы. 1999 авг; 20 (16): 1463-70. doi: 10.1016/s0142-9612(99)00039-3. Биоматериалы. 1999. PMID: 10458559

• Достижения в области обработки, стерилизации и сшивания полиэтилена сверхвысокой молекулярной массы для тотального эндопротезирования суставов.

  Курц С. М., Муратоглу О.К., Эванс М., Эдидин А.А. Курц С.М. и соавт. Биоматериалы. 1999 сен; 20 (18): 1659-88. doi: 10.1016/s0142-9612(99)00053-8. Биоматериалы. 1999. PMID: 10503968 Обзор.

• Влияние обработки, стерилизации и сшивания на механизмы усталостного разрушения СВМПЭ и усталостного износа при эндопротезировании суставов.

  Ансари Ф., Райс, доктор медицинских наук, Прюитт Л. Ансари Ф. и др. J Mech Behav Biomed Mater. 2016 Январь; 53: 329-340. doi: 10.1016/j.jmbbm.2015.08.026. Epub 2015 29 августа. J Mech Behav Biomed Mater. 2016. PMID: 26386167 Обзор.

Посмотреть все похожие статьи

Цитируется

• Анализ релаксации напряжений в объемном и пористом полиэтилене сверхвысокой молекулярной массы (СВМПЭ).

  Статник Е.С., Салимон А.И., Горшкова Ю.Е., Каладзинская Н.С., Маркова Л.В., Корсунский А.М. Статник Е.С. и соавт. Полимеры (Базель). 2022 8 декабря; 14 (24): 5374. doi: 10.3390/polym14245374. Полимеры (Базель). 2022. PMID: 36559742 Бесплатная статья ЧВК.

• Последние достижения в области гибридных нанокомпозитных полимерных покрытий СВМПЭ/СВМПЭ/СВМПЭ для трибологических применений: всесторонний обзор.

  Абдул Самад М. Абдул Самад М. Полимеры (Базель). 2021 18 февраля; 13 (4): 608. doi: 10.3390/polym13040608. Полимеры (Базель). 2021. PMID: 33670577 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.

• Влияние температуры облучения на окислительные и сетчатые свойства СВМПЭ, стабилизированного рентгенологически сшитым витамином Е, для эндопротезирования тазобедренного сустава.

  Муллиез М.А., Шиллинг С., Групп ТМ. Муллиез М.А. и соавт. Биомед Рез Инт. 2020 23 марта; 2020:2568428. дои: 10.1155/2020/2568428. Электронная коллекция 2020. Биомед Рез Инт. 2020. PMID: 32280683 Бесплатная статья ЧВК.

• Полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы (СВМПЭ) как многообещающий полимерный материал для биомедицинских применений: краткий обзор.

  Хуссейн М., Накви Р.А., Аббас Н., Хан С.М., Наваз С., Хуссейн А., Захра Н., Халид М.В. Хуссейн М. и др. Полимеры (Базель). 2020 4 февраля; 12 (2): 323. doi: 10.3390/polym12020323. Полимеры (Базель). 2020. PMID: 32033140 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.

• Сверхвысокомолекулярный полиэтилен: влияние химических, физических и механических свойств на поведение при износе.