Polietileno de ultra alto peso molecular

El polietileno de ultra alto peso molecular es un subconjunto del polietileno termoplástico. También conocido como polietileno de alto módulo, tiene cadenas extremadamente largas, con una masa molecular generalmente entre 3,5 y 7,5 millones de uma. La cadena más larga sirve para transferir la carga de manera más efectiva a la columna vertebral del polímero al fortalecer las interacciones intermoleculares. Esto da como resultado un material muy resistente, con la mayor resistencia al impacto de cualquier termoplástico fabricado actualmente.

UHMWPE es inodoro, insípido y no tóxico. Incorpora todas las características del polietileno de alta densidad (HDPE) con la característica añadida de ser resistente a ácidos y álcalis concentrados, así como a numerosos disolventes orgánicos. Es altamente resistente a los productos químicos corrosivos, excepto a los ácidos oxidantes; tiene una absorción de humedad extremadamente baja y un coeficiente de fricción muy bajo; es autolubricante (ver lubricación límite); y es altamente resistente a la abrasión, siendo en algunas formas 15 veces más resistente a la abrasión que el acero al carbono. Su coeficiente de fricción es significativamente más bajo que el del nailon y el acetal y es comparable al del politetrafluoroetileno (PTFE, teflón), pero el UHMWPE tiene mejor resistencia a la abrasión que el PTFE.

Desarrollo

La polimerización de UHMWPE fue comercializada en la década de 1950 por Ruhrchemie AG, que ha cambiado de nombre a lo largo de los años. Actualmente, Ticona, Braskem, DSM, Teijin (Endumax), Celanese y Mitsui producen materiales en polvo de UHMWPE, que pueden moldearse directamente en la forma final de un producto. El UHMWPE procesado está disponible comercialmente como fibras o en forma consolidada, como láminas o varillas. Debido a su resistencia al desgaste y al impacto, el UHMWPE continúa encontrando cada vez más aplicaciones industriales, incluidos los sectores automotriz y de embotellado. Desde la década de 1960, el UHMWPE también ha sido el material elegido para la artroplastia total de articulaciones en implantes ortopédicos y de columna.

Las fibras UHMWPE con la marca Dyneema, comercializadas a fines de la década de 1970 por la empresa química holandesa DSM, y Spectra, comercializadas por Honeywell (entonces AlliedSignal) se utilizan ampliamente en protección balística, aplicaciones de defensa y, cada vez más, en dispositivos médicos, navegación, equipos de senderismo, escalada., y muchas otras industrias.

Estructura y propiedades

UHMWPE es un tipo de poliolefina. Está formado por cadenas extremadamente largas de polietileno, que se alinean todas en la misma dirección. Deriva su fuerza en gran medida de la longitud de cada molécula individual (cadena). Las fuerzas de Van der Waals entre las moléculas son relativamente débiles para cada átomo de superposición entre las moléculas, pero debido a que las moléculas son muy largas, pueden existir grandes superposiciones, lo que se suma a la capacidad de transportar fuerzas de corte más grandes de una molécula a otra. Cada cadena es atraída por las demás con tantas fuerzas de van der Waals que la fuerza intermolecular total es alta. De esta forma, las grandes cargas de tracción no están tan limitadas por la debilidad comparativa de cada fuerza de van der Waals localizada.

Cuando se forman en fibras, las cadenas poliméricas pueden alcanzar una orientación paralela superior al 95 % y un nivel de cristalinidad del 39 % al 75 %. Por el contrario, Kevlar deriva su fuerza de la fuerte unión entre moléculas relativamente cortas.

El enlace débil entre las moléculas de olefina permite que las excitaciones térmicas locales interrumpan el orden cristalino de una cadena dada pieza por pieza, dándole una resistencia al calor mucho más pobre que otras fibras de alta resistencia. Su punto de fusión es de alrededor de 130 a 136 °C (266 a 277 °F) y, según DSM, no es recomendable utilizar fibras UHMWPE a temperaturas superiores a 80 a 100 °C (176 a 212 °F) durante períodos prolongados. de tiempo. Se vuelve quebradizo a temperaturas inferiores a -150 ° C (-240 ° F).

La estructura simple de la molécula también da lugar a propiedades químicas y superficiales que son raras en los polímeros de alto rendimiento. Por ejemplo, los grupos polares en la mayoría de los polímeros se unen fácilmente al agua. Debido a que las olefinas no tienen tales grupos, el UHMWPE no absorbe agua fácilmente ni se humedece fácilmente, lo que dificulta la unión con otros polímeros. Por las mismas razones, la piel no interactúa fuertemente con ella, lo que hace que la superficie de la fibra UHMWPE se sienta resbaladiza. De manera similar, los polímeros aromáticos a menudo son susceptibles a los solventes aromáticos debido a las interacciones de apilamiento aromático, un efecto al que los polímeros alifáticos como el UHMWPE son inmunes. Dado que el UHMWPE no contiene grupos químicos (como ésteres, amidas o grupos hidroxílicos) que sean susceptibles al ataque de agentes agresivos, es muy resistente al agua, la humedad, la mayoría de los productos químicos, la radiación UV,

Bajo carga de tracción, el UHMWPE se deformará continuamente mientras esté presente la tensión, un efecto llamado fluencia.

Cuando se recoce el UHMWPE, el material se calienta entre 135 °C y 138 °C en un horno o en un baño líquido de aceite de silicona o glicerina. Luego, el material se enfría a una velocidad de 5 °C/ha 65 °C o menos. Finalmente, el material se envuelve en una manta aislante durante 24 horas para que alcance la temperatura ambiente.

Producción

El polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE) se sintetiza a partir de su monómero etileno, que se une para formar el producto base de polietileno. Estas moléculas son varios órdenes de magnitud más largas que las del polietileno de alta densidad (HDPE) conocido debido a un proceso de síntesis basado en catalizadores de metaloceno, lo que da como resultado que las moléculas de UHMWPE tengan típicamente de 100 000 a 250 000 unidades de monómero por molécula cada una en comparación con las 700 a 1800 monómeros del HDPE..

El UHMWPE se procesa de diversas formas mediante moldeo por compresión, extrusión ram, hilado en gel y sinterización. Varias empresas europeas comenzaron a moldear por compresión UHMWPE a principios de la década de 1960. El hilado en gel llegó mucho más tarde y estaba destinado a diferentes aplicaciones.

En el hilado en gel, se extruye un gel de UHMWPE calentado con precisión a través de una hilera. El extruido se aspira al aire y luego se enfría en un baño de agua. El resultado final es una fibra con un alto grado de orientación molecular y, por lo tanto, una resistencia a la tracción excepcional. El hilado de gel depende del aislamiento de moléculas de cadena individuales en el solvente para que los enredos intermoleculares sean mínimos. Los enredos dificultan la orientación de la cadena y reducen la resistencia del producto final.

Aplicaciones

Fibra

Dyneema y Spectra son marcas de geles ligeros de hebras orientadas de alta resistencia hilados a través de una hilera. Tienen un límite elástico de hasta 2,4 GPa (2,4 kN/mm o 350 000 psi) y una densidad tan baja como de 0,97 g/cm (para Dyneema SK75). Los aceros de alta resistencia tienen límites elásticos comparables, y los aceros con bajo contenido de carbono tienen límites elásticos mucho más bajos (alrededor de 0,5 GPa). Dado que el acero tiene una gravedad específica de aproximadamente 7,8, estos materiales tienen una relación resistencia-peso ocho veces mayor que la de los aceros de alta resistencia. La relación resistencia-peso del UHMWPE es aproximadamente un 40 % más alta que la de la aramida. Albert Pennings descubrió las altas cualidades del filamento UHMWPE en 1968, pero DSM puso a disposición productos comercialmente viables en 1990 y Southern Ropes poco después.

Los derivados del hilo UHMWPE se utilizan en placas compuestas en armaduras, en particular, armaduras personales y, en ocasiones, como armaduras para vehículos. Las aplicaciones civiles que contienen fibras UHMWPE son guantes resistentes a cortes, cuerdas de arco, equipos de escalada, cabrestantes de automóviles, sedal, líneas de lanza para arpones, velas de alto rendimiento, líneas de suspensión en paracaídas deportivos y parapentes, aparejos en yates, cometas y líneas de cometas. para deportes de cometas.

Para las armaduras personales, las fibras, en general, se alinean y se unen en láminas, que luego se superponen en varios ángulos para dar al material compuesto resultante resistencia en todas las direcciones. Se dice que las adiciones recientemente desarrolladas a la armadura corporal Interceptor de las Fuerzas Armadas de EE. UU., diseñadas para ofrecer protección para brazos y piernas, utilizan una forma de tela UHMWPE. Una multitud de telas tejidas UHMWPE están disponibles en el mercado y se utilizan como revestimientos para zapatos, ropa para esgrima, chalecos resistentes a las puñaladas y como revestimientos compuestos para vehículos.

El uso de cable UHMWPE para cabrestantes de automóviles ofrece varias ventajas sobre el cable de acero más común. La razón clave para cambiar a la cuerda UHMWPE es la mejora de la seguridad. La menor masa del cable UHMWPE, junto con un alargamiento significativamente menor a la rotura, transporta mucha menos energía que el acero o el nailon, lo que hace que casi no se produzca un retroceso brusco. El cable UHMWPE no desarrolla torceduras que puedan causar puntos débiles, y cualquier área deshilachada que pueda desarrollarse a lo largo de la superficie del cable no puede perforar la piel como lo hacen los hilos de alambre rotos. El cable UHMWPE es menos denso que el agua, lo que facilita la recuperación de agua ya que el cable de recuperación es más fácil de ubicar que el alambre. Los colores brillantes disponibles también ayudan con la visibilidad en caso de que la cuerda se sumerja o se ensucie. Otra ventaja en aplicaciones automotrices es el peso reducido de la cuerda UHMWPE sobre los cables de acero. Un cable UHMWPE típico de 11 mm de 30 metros puede pesar alrededor de 2 kg, el cable de acero equivalente pesaría alrededor de 13 kg. Un inconveniente notable del cable UHMWPE es su susceptibilidad al daño por rayos UV, por lo que muchos usuarios colocarán cubiertas de cabrestante para proteger el cable cuando no esté en uso. También es vulnerable al daño por calor debido al contacto con componentes calientes.

Las fibras hiladas de UHMWPE se destacan como sedal de pesca, ya que se estiran menos, son más resistentes a la abrasión y son más delgadas que el sedal de monofilamento equivalente.

En la escalada, las cuerdas y las correas hechas de combinaciones de UHMWPE e hilo de nailon han ganado popularidad por su bajo peso y volumen. Presentan una elasticidad muy baja en comparación con sus contrapartes de nailon, lo que se traduce en una dureza baja. La lubricidad muy alta de la fibra provoca una mala capacidad de retención de nudos, y se usa principalmente en 'eslingas' precosidas (bucles de cincha); por lo general, no se recomienda depender de nudos para unir secciones de UHMWPE y, si es necesario, se recomienda utilice el nudo de pescador triple en lugar del nudo de pescador doble tradicional.

Los cabos y cables de los barcos hechos de fibra (gravedad específica 0,97) flotan en el agua de mar. Los "cables Spectra", como se les llama en la comunidad de remolcadores, se usan comúnmente para cables frontales como una alternativa más ligera a los cables de acero.

Se utiliza en esquís y tablas de snowboard, a menudo en combinación con fibra de carbono, reforzando el material compuesto de fibra de vidrio, añadiendo rigidez y mejorando sus características de flexión. El UHMWPE se usa a menudo como capa base, que entra en contacto con la nieve e incluye abrasivos para absorber y retener la cera.

También se utiliza en aplicaciones de elevación, para la fabricación de eslingas de elevación de bajo peso y servicio pesado. Debido a su extrema resistencia a la abrasión, también se utiliza como excelente protección de esquinas para eslingas de elevación sintéticas.

Los cabos de alto rendimiento (como los backstays) para vela y paravelismo están hechos de UHMWPE, debido a su bajo estiramiento, alta resistencia y bajo peso. De manera similar, el UHMWPE se usa a menudo para deslizadores de lanzamiento desde el suelo con cabrestantes, ya que, en comparación con el cable de acero, su mayor resistencia a la abrasión da como resultado un menor desgaste cuando se desplaza por el suelo y hacia el cabrestante, lo que aumenta el tiempo entre fallas. El menor peso en los cables de una milla de largo utilizados también da como resultado mayores lanzamientos del cabrestante.

El UHMWPE se utilizó para la conexión espacial de 30 kilómetros en el Satélite de Jóvenes Ingenieros Rusos/ESA el 2 de septiembre de 2007.

Dyneema Composite Fabric (DCF) es un material laminado que consta de una rejilla de hilos Dyneema intercalados entre dos finas membranas de poliéster transparente. Este material es muy resistente para su peso y se desarrolló originalmente para su uso en velas de yates de carreras con el nombre de 'Fibra Cuben'. Más recientemente, ha encontrado nuevas aplicaciones, sobre todo en la fabricación de equipos ligeros y ultraligeros para acampar y mochileros, como tiendas de campaña y mochilas.

En el tiro con arco, el UHMWPE se usa ampliamente como material para cuerdas de arco debido a su baja fluencia y estiramiento en comparación con, por ejemplo, Dacron (PET). Además de las fibras UHMWPE puras, la mayoría de los fabricantes utilizan mezclas para reducir aún más la fluencia y el estiramiento del material. En estas mezclas, las fibras de UHMWPE se combinan, por ejemplo, con Vectran.

En el paracaidismo, el UHMWPE es uno de los materiales más comunes utilizados para las líneas de suspensión, reemplazando en gran medida al Dacron utilizado anteriormente, siendo más ligero y menos voluminoso.El UHMWPE tiene una fuerza y ​​una resistencia al desgaste excelentes, pero no es dimensionalmente estable (es decir, se encoge) cuando se expone al calor, lo que conduce a una contracción gradual y desigual de las diferentes líneas, ya que están sujetas a diferentes cantidades de fricción durante el despliegue de la cubierta, lo que requiere el reemplazo periódico de las líneas.. También es casi completamente inelástico, lo que puede exacerbar el choque de apertura. Por esa razón, las líneas Dacron se siguen utilizando en los sistemas de estudiantes y en tándem, donde el volumen agregado es menos preocupante que la posibilidad de una apertura perjudicial. A su vez, en los paracaídas de alto rendimiento utilizados para swooping, el UHMWPE se reemplaza con Vectran y HMA (aramida de alto módulo), que son aún más delgados y dimensionalmente estables, pero presentan un mayor desgaste y requieren un mantenimiento mucho más frecuente para evitar fallas catastróficas.

Médico

UHMWPE tiene un historial clínico como biomaterial para uso en cadera, rodilla y (desde la década de 1980), para implantes de columna. Un depósito en línea de información y artículos de revisión relacionados con UHMWPE de grado médico, conocido como UHMWPE Lexicon, se inició en línea en 2000.

Históricamente, los componentes de reemplazo de articulaciones se han fabricado con resinas "GUR". Estos materiales en polvo son producidos por Ticona, generalmente convertidos en semiformas por compañías como Quadrant y Orthoplastics, y luego mecanizados en componentes de implantes y esterilizados por fabricantes de dispositivos.

El UHMWPE fue utilizado clínicamente por primera vez en 1962 por Sir John Charnley y surgió como el material de soporte dominante para los reemplazos totales de cadera y rodilla en la década de 1970. A lo largo de su historia, hubo intentos fallidos de modificar el UHMWPE para mejorar su desempeño clínico hasta el desarrollo del UHMWPE altamente entrecruzado a fines de la década de 1990.

Un intento fallido de modificar el UHMWPE fue mezclar el polvo con fibras de carbono. Este UHMWPE reforzado fue lanzado clínicamente como "Poly Two" por Zimmer en la década de 1970. Las fibras de carbono tenían poca compatibilidad con la matriz de UHMWPE y su rendimiento clínico era inferior al UHMWPE virgen.

Un segundo intento de modificar el UHMWPE fue por recristalización a alta presión. Este UHMWPE recristalizado fue lanzado clínicamente como "Hylamer" por DePuy a fines de la década de 1980. Cuando se irradiaba con rayos gamma en el aire, este material mostraba susceptibilidad a la oxidación, lo que resultaba en un rendimiento clínico inferior en relación con el UHMWPE virgen. Hoy en día, la mala historia clínica de Hylamer se atribuye en gran medida a su método de esterilización, y ha resurgido el interés por estudiar este material (al menos entre ciertos círculos de investigación). Hylamer cayó en desgracia en los Estados Unidos a fines de la década de 1990 con el desarrollo de materiales UHMWPE altamente entrecruzados; sin embargo, continúan apareciendo en la literatura informes clínicos negativos de Europa sobre Hylamer.

Los materiales UHMWPE altamente entrecruzados se introdujeron clínicamente en 1998 y se han convertido rápidamente en el estándar de atención para los reemplazos totales de cadera, al menos en los Estados Unidos. Estos nuevos materiales se entrecruzan con radiación gamma o haz de electrones (50–105 kGy) y luego se procesan térmicamente para mejorar su resistencia a la oxidación. Los datos clínicos de cinco años, de varios centros, ahora están disponibles y demuestran su superioridad en relación con el UHMWPE convencional para el reemplazo total de cadera (ver artroplastia). Todavía se están realizando estudios clínicos para investigar el rendimiento del UHMWPE altamente reticulado para el reemplazo de rodilla.

En 2007, los fabricantes comenzaron a incorporar antioxidantes en UHMWPE para superficies de apoyo de artroplastia de cadera y rodilla. La vitamina E (a-tocoferol) es el antioxidante más común utilizado en UHMWPE reticulado por radiación para aplicaciones médicas. El antioxidante ayuda a extinguir los radicales libres que se introducen durante el proceso de irradiación, impartiendo una mejor resistencia a la oxidación al UHMWPE sin necesidad de tratamiento térmico. Varias compañías han estado vendiendo tecnologías de reemplazo de articulaciones estabilizadas con antioxidantes desde 2007, utilizando tanto vitamina E sintética como antioxidantes a base de fenol impedido.

Otro avance médico importante para UHMWPE en la última década ha sido el aumento en el uso de fibras para suturas. DSM produce fibras de grado médico para aplicaciones quirúrgicas con el nombre comercial "Dyneema Purity".

Fabricación

El UHMWPE se usa en la fabricación de ventanas y puertas de PVC (vinilo), ya que puede soportar el calor requerido para ablandar los materiales a base de PVC y se usa como relleno de forma/cámara para los diversos perfiles de forma de PVC para que esos materiales ser 'doblado' o moldeado alrededor de una plantilla.

El UHMWPE también se utiliza en la fabricación de sellos y cojinetes hidráulicos. Es más adecuado para tareas mecánicas medias en agua, hidráulica de aceite, neumática y aplicaciones sin lubricación. Tiene una buena resistencia a la abrasión pero se adapta mejor a las superficies de contacto blandas.

Cable de alambre

El cable de protección catódica con aislamiento de fluoropolímero/HMWPE generalmente se fabrica con aislamiento doble. Cuenta con una capa primaria de un fluoropolímero como ECTFE que es químicamente resistente al cloro, al ácido sulfúrico y al ácido clorhídrico. A continuación de la capa principal se encuentra una capa de aislamiento de HMWPE, que brinda resistencia a la flexión y permite un abuso considerable durante la instalación. El revestimiento de HMWPE también proporciona protección mecánica.

Infraestructura marina

El UHMWPE se utiliza en estructuras marinas para el amarre de barcos y estructuras flotantes en general. El UHMWPE forma la superficie de contacto entre la estructura flotante y la fija. La madera también se usó y se usa para esta aplicación. El UHMWPE se elige como revestimiento de sistemas de defensa para estructuras de atraque debido a las siguientes características:

• Resistencia al desgaste: mejor entre los plásticos, mejor que el acero
• Resistencia al impacto: mejor entre los plásticos, similar al acero
• Baja fricción (condiciones húmedas y secas): material autolubricante