Polietileno de ultra alto peso molecular de alta densidad

El polietileno de peso molecular ultraalto ( UHMWPE , en inglés  Ultra-high molecular weight polietileno , UHMW PE ) es un polímero termoplástico, un material estructural apto para operar en condiciones extremas de operación.

Sinónimos:

• polietileno de alto módulo (HM PE);
• polietileno de alto rendimiento (HP PE).

La masa ultraalta de moléculas determina las propiedades únicas del UHMWPE, que son diferentes de otros tipos de polietileno.

Historial de creación

UHMWPE se utilizó por primera vez en la industria en la década de 1950 por Ruhrchemie AG . En la década de 1960, A. J. Pennings, en colaboración con la empresa DSM (Holanda), sintetizó estructuras de fibra de muy alta resistencia a partir de UHMWPE. En la década de 1970, los científicos de DSM lograron crear fibras basadas en los descubrimientos de Pennings [1] . En el mundo, el UHMWPE es sintetizado por Ticona, Braskem, DSM, Teijin (Endumax), Celanese y Mitsui.

Edificio

La molécula de UHMWPE consta de largas cadenas lineales de polietileno con un peso molecular de 1,5 a 11,5 millones de au. e. m. , el grado de polimerización del monómero - etileno es más de 100 mil [2] con enlaces intermoleculares relativamente débiles (10-20 kJ / mol) (en contraste, por ejemplo, de Kevlar , con sus moléculas relativamente cortas y fuerte intermolecular cautiverio). El nivel de paralelismo en la orientación de las moléculas lineales puede superar el 95% y el grado de cristalinidad alcanza el 85%.

Propiedades

Debido a la estructura de las moléculas, el UHMWPE es una sustancia termoplástica con un punto de fusión relativamente bajo (135–190 °C), por lo que no se recomienda el uso de productos fabricados con él a temperaturas superiores a 80–100 °C. Cuando se calienta por encima del punto de fusión, el UHMWPE no pasa a un estado viscoso, sino a uno altamente plástico [3] . La superficie de los productos UHMWPE es suave al tacto.

El UHMWPE tiene una absorción de agua muy baja para los compuestos de polímeros orgánicos , en el rango de 0,01 a 0,05 % [4] [5] , lo que se debe a la ausencia de grupos polares (éster, amida, grupos hidroxilo) en las moléculas de UHMWPE. Por lo tanto, las propiedades del UHMWPE no cambian cuando se exponen al agua (en comparación, en Kevlar, la resistencia en húmedo se reduce a la mitad debido a la violación de los débiles enlaces de hidrógeno de los grupos amida; cuando se seca, la resistencia no se restaura por completo) . El UHMWPE también es resistente a la mayoría de los ácidos y álcalis , radiación ultravioleta y gamma [6] y microorganismos [4] [5] [7] .

La densidad específica del UHMWPE puro es de aproximadamente 0,93–0,94 g/cm³ con aditivos de 0,95 g/cm³ [4] . La relación entre la resistencia a la tracción y la masa del UHMWPE es un 40 % mayor que la de los compuestos de aramida como el Kevlar [8] . En presencia de una carga de tracción estática a largo plazo, el UHMWPE se deforma siempre que exista tensión mecánica (una propiedad llamada "fluencia").

El UHMWPE tiene un módulo de flexión suficientemente alto de alrededor de 1 GPa y una tensión destructiva de tracción o flexión de 20–40 MPa (~4 kgf/mm²) [5] [7] [4] , por lo que rinde al máximo en términos de tensiones de rotura. aceros de alta pureza con bajo contenido de carbono de alta aleación en 50-100 veces, y por el módulo de elasticidad - 200 veces (por ejemplo, acero para herramientas 4Kh5MFS después del procesamiento termomecánico a baja temperatura o ausformación tiene una tensión de fractura σ b de aproximadamente 250 kgf / mm² y el límite elástico σ 0,2 es 180-230 kgf/mm²) [9] . Sin embargo, debido a la baja densidad, que es de 8 a 8,5 veces menor que la de los aceros, y la alta resistencia a la fatiga (resistencia), los productos fabricados con UHMWPE pueden competir en términos de resistencia/peso con productos fabricados con aceros estructurales de baja resistencia y incluso superarlos.

Las principales propiedades del UHMWPE que determinan su uso son una muy alta resistencia al desgaste, un bajo coeficiente de fricción y una alta tenacidad a la fractura (confiabilidad a baja temperatura). Entonces, en términos de resistencia al desgaste del UHMWPE a temperaturas de operación aceptables y algunos abrasivos, supera a los teflones e incluso a los aceros al carbono [10] . El coeficiente de fricción del UHMWPE (sobre acero) es de aproximadamente 0,1 [11] . Coeficiente de resistencia al impacto - 170 kJ / m² (con muesca - hasta 80 kJ / m²), temperaturas de funcionamiento - desde -150 ° C o incluso -260 ° C [5] (según otras fuentes - desde -80 ° C) a +80 -90 °С [12] [6] .

Tecnología de producción

La síntesis de UHMWPE se lleva a cabo utilizando catalizadores de metaloceno a partir del monómero etileno , mientras que el número de monómeros en una molécula es varios órdenes de magnitud mayor que el del polietileno de alta densidad . Para la síntesis de UHMWPE se utilizan instalaciones de baja presión .

El polvo de UHMWPE reciclado se comercializa como fibras o en forma consolidada como láminas, películas, perfiles o varillas.

Los productos de UHMWPE se obtienen mediante los siguientes métodos de procesamiento:

• presionando ;
• prensado continuo de perfiles o extrusión
• formadores de gel (gel-spinning);
• extrusión de émbolo.

Es con la ayuda de la formación de gel que se obtienen las fibras más fuertes de las marcas Dyneema y Spectra para cables , eslingas , son ampliamente utilizadas en protección balística, aplicaciones de defensa y, cada vez más, en dispositivos médicos.

Producción en Rusia

En Rusia, hay varias plantas para la síntesis de polvos UHMWPE:

• Tomskneftekhim , capacidad de diseño 1000 toneladas/año;
• " Kazanorgsintez ", capacidad de diseño 1000 toneladas/año [13] .

Aplicación

• En asuntos militares: la creación de chalecos antibalas a base de fibras UHMWPE (chalecos balísticos, chalecos antibalas) de varias clases de protección, cascos . En la fabricación de tejido a partir de fibras, se aplica UHMWPE en diferentes ángulos (tejido multiaxial a partir de capas de chapa unidireccional), lo que aumenta la resistencia del paquete multicapa.
• En ingeniería mecánica (máquinas de papel): el coeficiente de fricción de los productos y la resistencia al desgaste del UHMWPE se acercan a los de los fluoroplásticos, a un costo mucho menor. Las piezas de UHMWPE se utilizan para sellos en sistemas hidráulicos y neumáticos y en unidades de fricción seca.
• En ingeniería eléctrica: aisladores, aislamiento de cables.
• En transporte, construcción naval: los paneles de UHMWPE están revestidos con existencias de astilleros. Los cabos y cables se utilizan para dispositivos de remolque, amarre y anclaje en barcos : al mismo tiempo, la fuerza y ​​la resistencia al desgaste de dichos cabos por unidad de masa es mayor que la de algunos grados de acero, sus propiedades no cambian cuando están húmedos, tales cables no se hunden en el agua y no necesitan lubricación. Son especialmente conocidos los cables fabricados con fibras UHMWPE "Dyneema" ("DSM", Países Bajos ) y "Spectra" ("Honeywell", EE.UU. ).
• En el deporte: protección antipinchazos en esgrima, líneas de paracaídas, sedal para pescar, cuerdas de escalada para alpinismo , en la fabricación de esquís y tablas de snowboard (en combinación con fibra de carbono , aumentando la resistencia y flexibilidad), hielo sintético (recubrimiento para deportes de hielo : hockey, curling).
• En medicina, para crear endoprótesis articulares (cadera, rodilla, vértebras). Aquí se utiliza principalmente UHMWPE reticulado.
• Compuesto a base de UHMWPE (gránulos de UHMWPE): diseñado para su uso en máquinas de moldeo por inyección como polímero base o aditivo que aumenta la resistencia al desgaste, la resistencia al agrietamiento, la tenacidad a la fractura, la fiabilidad a baja temperatura y la resistencia química. Formas de producción de gránulos de UHMWPE: láminas, placas, placas, película, tubería, funda para productos de cable, perfil.
• tubería de UHMWPE. Se trata de sistemas de tuberías resistentes al desgaste para operaciones específicas de movimiento de materiales abrasivos: minerales, carbón, piensos, residuos; tuberías en planta de residuos, suspensiones, pastas de flujos de proceso.
• Los tejidos UHMWPE también se utilizan para la producción de guantes de seguridad en deportes, medicina, industria (guantes resistentes a cortes, guantes resistentes al desgaste) [14] .

Véase también

• Polietileno

Notas

1. ↑ "Dyneema, Spectra y otras cuerdas 'mágicas'..." Archivado el 3 de febrero de 2016 en Wayback Machine .
2. ↑ Kurtz SM El manual de UHMWPE: polietileno de ultra alto peso molecular en el reemplazo total de articulaciones. - Ámsterdam: Academic Press, 2004. - 379 p. - ISBN 1417537221 , 9781417537228, 9780124298514, 0124298516.
3. ↑ Andreeva I. N., Veselovskaya E. V., Nalivaiko E. I. Polietileno de ultra alto peso molecular de alta densidad. - L. : Química, 1982. - 80 p.
4. ↑ 1 2 3 4 Plásticos San Petersburgo. Polietileno de ultra alto peso molecular PE 1000 (PE-UHMW) (enlace no disponible) . Consultado el 23 de mayo de 2016. Archivado desde el original el 30 de mayo de 2016. (indefinido) 
5. ↑ 1 2 3 4 Polietileno de alto peso molecular y sus tipos . Consultado el 23 de mayo de 2016. Archivado desde el original el 3 de junio de 2016. (indefinido)
6. ↑ 1 2 Polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE): material para condiciones de funcionamiento extremas . Consultado el 23 de mayo de 2016. Archivado desde el original el 29 de junio de 2016. (indefinido)
7. ↑ 1 2 Polietileno . Consultado el 23 de mayo de 2016. Archivado desde el original el 21 de mayo de 2016. (indefinido)
8. ↑ Materiales y productos a base de UHMWPE . Consultado el 23 de mayo de 2016. Archivado desde el original el 29 de junio de 2016. (indefinido)
9. ↑ Ivanova V. S., Gorodienko L. K., Geminov V. N. et al.. El papel de las dislocaciones en el endurecimiento y destrucción de metales / Ivanova V. S. - Nauka, 1965. - 180 p. - 4500 copias.
10. ↑ Polietileno UHMWPE de ultra alto peso molecular (alto peso molecular) . propolyetileno.ru. Consultado el 23 de mayo de 2016. Archivado desde el original el 24 de mayo de 2016. (indefinido)
11. ↑ Polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE): material para condiciones extremas . Consultado el 23 de mayo de 2016. Archivado desde el original el 4 de junio de 2016. (indefinido)
12. ↑ Polietileno de alto peso molecular y sus tipos . Consultado el 23 de mayo de 2016. Archivado desde el original el 3 de junio de 2016. (indefinido)
13. ↑ Polietileno ultraalto: un mercado que espera recicladores . Consultado el 24 de enero de 2016. Archivado desde el original el 5 de febrero de 2016. (indefinido)
14. ↑ Erlich E. Comparación de guantes de "correa" hechos de Kevlar y Dyneem . Archivado el 18 de junio de 2021 en Wayback Machine .