پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا
پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق العاده بالا ( UHMWPE ، UHMW ) زیر مجموعه ای از پلی اتیلن ترموپلاستیک است.همچنین این ماده که به عنوان پلی اتیلن با وزن مولکولی بالا ( HMPE ) شناخته می شود، دارای زنجیره های بسیار طولانی است که جرم مولکولی معمولاً بین 3.5 تا 7.5 میلیون آمو است. زنجیر طولانی تر برای انتقال بار موثرتر به ستون فقرات پلیمری با تقویت برهمکنش های بین مولکولی عمل می کند. این منجر به یک ماده بسیار سخت ، با بالاترین استحکام ضربه نسبت به هر ترموپلاستیک فعلی می شود.
UHMWPE بی بو، بی مزه و غیر سمی است. علاوه بر دارا بودن تمام ویژگی های پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE), دارای ویژگی هایی نظیر مقاوم بودن در برابر اسیدهای غلیظ و قلیاها و همچنین حلال های آلی متعدد نیز هست. همچنین در برابر مواد شیمیایی خورنده به جز اسیدهای اکسید کننده بسیار مقاوم است. این ماده دارای جذب رطوبت بسیار پایین و ضریب اصطکاک بسیار کمی دارد. خود-روان-کننده است (به روانکاری مرزی مراجعه شود) و در برابر سایش بسیار مقاوم است و در برخی از اشکال 15 برابر بیشتر از فولاد کربنی در برابر سایش مقاومت نشان می دهد. ضریب اصطکاک آن به طور قابل توجهی کمتر از نایلون و استال است و با پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE، تفلون) است، اما UHMWPE مقاومت سایشی بهتری نسبت به PTFE دارد.
پلیمریزاسیون UHMWPE در دهه 1950 توسط Ruhrchemie AG که در طول سال ها نام آن تغییر کرده است. امروزه مواد پودری UHMWPE، که ممکن است مستقیماً به شکل نهایی محصول در ایند,از موادی ماننده Ticona ، Braskem ، DSM ، Teijin (Endumax)، Celanese و Mitsuiتولید می شوند . UHMWPE فرآوری شده به صورت تجاری یا به صورت الیاف و یا به صورت تلفیقی مانند ورق یا میله در دسترس می باشد. به دلیل مقاومت در برابر سایش و ضربه، UHMWPE به یافتن کاربردهای صنعتی فزاینده، از جمله بخش خودرو و بطری‌سازی ادامه می‌دهد. از دهه 1960، UHMWPE ماده انتخابی برای آرتروپلاستی کامل مفصل در ایمپلنت های ارتوپدی و ستون فقرات بوده است.
الیاف UHMWPE با نام Dyneema که در اواخر دهه 1970 توسط شرکت شیمیایی هلندی DSM تجاری شد ، به طور گسترده در حفاظت بالستیک، کاربردهای دفاعی و به طور فزاینده ای در تجهیزات پزشکی استفاده می شود.
UHMWPE نوعی پلی اولفین است . این از زنجیره های بسیار طولانی پلی اتیلن تشکیل شده است که همگی در یک جهت قرار دارند. قدرت خود را تا حد زیادی از طول هر مولکول (زنجیره) به دست می آورد. نیروهای واندروالس بین مولکول‌ها برای هر اتم همپوشانی بین مولکول‌ها نسبتاً ضعیف است، اما از آنجایی که این مولکول‌ها بسیار طولانی هستند، همپوشانی‌های بزرگی ممکن است وجود داشته باشد که به توانایی حمل نیروهای برشی بزرگ‌تر از مولکولی به مولکول دیگر افزوده می‌شود. هر زنجیره با نیروهای واندروالسی زیادی به سوی زنجیره های دیگر جذب می شود که باعث میشود کل استحکام بین مولکولی زیاد باشد . به این ترتیب، بارهای کششی بزرگ با ضعف نسبی هر نیروی واندروالسی موضعی محدود نمی شود.
هنگامی که زنجیره های پلیمری به الیاف تبدیل می شوند، می توانند جهت موازی بیش از 95٪ و سطح بلورینگی از 39٪ تا 75٪ به دست آورند. در مقابل، کولار قدرت خود را از پیوند قوی بین مولکول های نسبتا کوتاه می گیرد.
پیوند ضعیف بین مولکول‌های الفین به تحریکات حرارتی موضعی اجازه می‌دهد تا نظم کریستالی یک زنجیره معین را تکه تکه بر هم بزنند و مقاومت حرارتی بسیار ضعیف‌تری نسبت به سایر الیاف با استحکام بالا به آن بدهند. نقطه ذوب آن در حدود ، و طبق DSM، استفاده از الیاف UHMWPE در دماهای بیش از برای مدت زمان طولانی. در دمای زیر شکننده می شود .
ساختار ساده مولکول همچنین باعث ایجاد خواص سطحی و شیمیایی می شود که در پلیمرهای کارایی-بالا نادر است. به عنوان مثال، گروه های قطبی در بیشتر پلیمرها به راحتی به آب متصل می شوند. از آنجایی که الفین ها چنین گروهی ندارند، UHMWPE آب را به راحتی جذب نمی کند و به راحتی خیس نمی شود، که این امر اتصال آن به پلیمرهای دیگر را دشوار می کند. به همین دلایل، پوست به شدت با آن تعامل نمی کند و باعث می شود سطح فیبر UHMWPE لغزنده شود. در شیوه ای مشابه، معطر پلیمرها اغلب به حلال های آروماتیک حساس هستند به دلیل تعاملات انباشته معطر.این یک اثر آلیفاتیک پلیمرها مانند UHMWPE نسبت به ام مصون هستند. از آنجایی که UHMWPE حاوی گروه‌های شیمیایی (مانند استرها ، آمیدها یا گروه‌های هیدروکسیلیک ) نیست که در معرض حمله عوامل تهاجمی هستند، در برابر آب، رطوبت، اکثر مواد شیمیایی، اشعه UV و میکروارگانیسم‌ها بسیار مقاوم است.
تحت بار کششی، تا زمانی که تنش وجود داشته باشد، UHMWPE به طور مداوم تغییر شکل می‌دهد - اثری که "خزش" نامیده می‌شود.
هنگامی که UHMWPE آنیل می شود ، ماده بین 135 گرم می شود درجه سانتی گراد و 138 درجه سانتی گراد در فر یا حمام مایع از روغن سیلیکون یا گلیسیرین . سپس مواد با سرعت 5 سرد می شوند درجه سانتیگراد در ساعت تا 65 درجه سانتی گراد یا کمتر در نهایت، این مواد به مدت 24 ساعت در یک پتوی عایق پیچیده می شود تا به دمای اتاق برسد.
"پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق العاده بالا" (UHMWPE) از مونومر اتیلن سنتزمی شود که برای تشکیل محصول پلی اتیلن پایه به یکدیگر متصل می شود. این مولکول‌ها چندین مرتبه طولانی‌تر از پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) هستند که دلیل آن فرآیند سنتز مبتنی بر کاتالیزورهای متالوسن است ، که در نتیجه مولکول‌های UHMWPE معمولاً دارای 100000 تا 250000 واحد مونومر در هر مولکول، 8000 مونومر در هر مولکول 7000 مونومر در هر مولکول هستند. .
UHMWPE با قالب گیری فشرده سازی ، اکستروژن قوچ، ریسندگی ژل ، و تف جوشی به طور متفاوتی پردازش می شود. چندین شرکت اروپایی در اوایل دهه 1960 قالب گیری فشرده سازی UHMWPE را آغاز کردند. ژل اسپینینگ خیلی دیرتر وارد شد و برای کاربردهای مختلف استفاده می شود.
در روش چرخش ژل، یک ژل دقیقاً گرم شده از UHMWPE از طریق یک اسپینر اکسترود می شود. اکسترود از طریق هوا کشیده می شود و سپس در یک حمام آب,سرد می شود. نتیجه نهایی یک الیاف با درجه بالایی از جهت گیری مولکولی و در نتیجه استحکام کششی را منجرب می شود. چرخش ژل به جداسازی مولکول های زنجیره ای در حلال بستگی دارد به طوری که درهم تنیدگی های بین مولکولی حداقل باشد. درهم تنیدگی، جهت گیری زنجیره را دشوارتر می کند و استحکام محصول نهایی را کاهش می دهد.
Dyneema و Spectra برندهایی از ژل‌های رشته‌ای سبک وزن با استحکام بالا هستند که از طریق یک اسپینر چرخانده می‌شوند. آنها دارای قدرت تسلیم به 2.4 GPa (2.4 KN / میلی متر یا 350000 PSI ) و تراکم به عنوان کم 0.97 گرم / سانتی متر (برای Dyneema SK75). فولادهای با استحکام بالا دارای قدرت تسلیم قابل مقایسه هستند و فولادهای کم کربن دارای قدرت تسلیم بسیار کمتر (حدود 0.5 گیگا پاسکال) هستند. از آنجایی که وزن مخصوص فولاد تقریباً 7.8 است، نسبت استحکام به وزن این مواد هشت برابر فولادهای با استحکام بالا است. نسبت قدرت به وزن برای UHMWPE حدود 40 درصد بیشتر از آرامید است . UHMWPE توسط آلبرت Pennings در سال 1963 اختراع شد، اما توسط DSM در ساخته شده تجاری در دسترس 1990.
UHMWPE در صفحات کامپوزیتی در زره ، به ویژه، زره شخصی و گاهی اوقات نیز به عنوان زره خودرو استفاده می شود . استفاده های کاربردی حاوی الیاف UHMWPE در وسایلی ماننده دستکش مقاوم در برابر برش، تیر و کمان ، تجهیزات کوهنوردی ، خودرو winching ، خط ماهیگیری ، خطوط نیزه برای spearguns ، کارایی بالا بادبان ، خطوط تعلیق در ورزش چتر نجات و پاراگلایدر ، در مسافرت با قایق تفریحی ، بادبادک و غیره می باشد.
برای زره شخصی، الیاف، به طور کلی، تراز و به ورقه‌هایی متصل می‌شوند که سپس در زوایای مختلف لایه‌بندی می‌شوند تا به ماده مرکب حاصل در همه جهات استحکام دهند. گفته می‌شود که زره‌های رهگیر ارتش ایالات متحده که به تازگی برای محافظت از بازوها و پاها طراحی شده‌اند، از نوعی پارچه UHMWPE استفاده می‌کنند. پارچه UHMWPE مقاومت در برابر سوراخ شدن لباس های محافظ در ورزش شمشیربازی را فراهم می کند.
استفاده از طناب UHMWPE برای وینچینگ خودرو مزایای متعددی نسبت به سیم فولادی معمولی دارد. دلیل اصلی تغییر به طناب UHMWPE بهبودو افزایش ایمنی است. جرم کمتر طناب UHMWPE، همراه با ازدیاد قابل توجهیدر طول کمتر در هنگام شکستن، انرژی بسیار کمتری نسبت به فولاد یا نایلون حمل می کند، که منجر به تقریباً عدم عقب نشینی می شود. طناب UHMWPE پیچ خوردگی ایجاد نمی کند که می تواند باعث ایجاد نقاط ضعیف شود، و هر ناحیه ساییده ای که ممکن است در امتداد سطح طناب ایجاد شود نمی تواند مانند رشته های سیم شکسته پوست را سوراخ کند. طناب UHMWPE چگالی کمتری نسبت به آب دارد، و بازیابی آب را آسان‌تر می‌کند، زیرا کابل بازیابی آسان‌تر از سیم است. اگر طناب زیر آب کثیف شود، رنگ‌های روشن موجود به دید بهتر کمک می‌کنند. مزیت دیگر در کاربردهای خودرو، کاهش وزن طناب UHMWPE نسبت به کابل های فولادی است. یک معمولی 11 میلی متر طناب UHMWPE 30 متری می تواند حدود 2 کیلو گرم وزن داشته باشد، سیم طناب فولادی معادل آن حدود 13 کیلو گرم وزن دارد. یکی از ایرادات قابل توجه طناب UHMWPE حساسیت آن به آسیب اشعه ماوراء بنفش است، بنابراین بسیاری از کاربران برای محافظت از کابل در صورت عدم استفاده، روکش های وینچ را نصب می کنند. همچنین در برابر آسیب حرارتی ناشی از تماس با اجزای داغ آسیب پذیر است.
الیاف Spun UHMWPE به عنوان خط ماهیگیری برتری دارند، زیرا کشش کمتری دارند، در برابر سایش مقاوم‌تر هستند و از خط تک رشته‌ای معادل نازک‌تر هستند.
در سنگنوردی ، بند بافته شده از ترکیبات UHMWPE و نخ نایلون به دلیل وزن کم و حجیم محبوبیت پیدا کرده اند. آنها در مقایسه با همتایان نایلونی خود انعطاف پذیری بسیار کمی از خود نشان می دهند که به معنی چقرمگی کم است. روانکاری بسیار بالای این الیاف باعث می شود که توانایی نگهداری گره ضعیفی داشته باشد و بیشتر در "قلاب های" از پیش دوخته شده (حلقه های بافته شده) استفاده می شود - تکیه بر گره ها برای اتصال بخش های UHMWPE به طور کلی توصیه نمی شود و در صورت لزوم توصیه می شود. از گره ماهیگیر سه گانه به جای گره ماهیگیر دوتایی سنتی استفاده کنید.
کالسکه ها و کابل های کشتی ساخته شده از فیبر (0.97 وزن مخصوص) روی آب دریا شناور هستند. سیم‌های طیفی که در جامعه قایق‌های یدک‌کش نامیده می‌شوند معمولاً به عنوان جایگزین سبک تری برای سیم های فولادی استفاده می‌شوند
در اسکی و اسنوبورد استفاده می شود، اغلب در ترکیب با فیبر کربن ، مواد کامپوزیت فایبرگلاس را تقویت می کند، سفتی را اضافه می کند و ویژگی های انعطاف پذیری آن را بهبود می بخشد. . UHMWPE اغلب به عنوان لایه پایه استفاده می شود که با برف تماس می گیرد و شامل مواد ساینده برای جذب و حفظ موم است.
همچنین در کاربردهای بلند کردن، برای تولید تسمه های با وزن کم و سنگین استفاده می شود. به دلیل مقاومت در برابر سایش بسیار از آن نیز استفاده می شود به عنوان یک محافظ عالی گوشه برای تسمه های بالابر مصنوعی.
خطوط با کارایی بالا (مانند پشتی ) برای قایقرانی و پاراسلینگ به دلیل کشش کم، استحکام بالا و وزن کم از UHMWPE ساخته شده اند. به طور مشابه، UHMWPE اغلب برای گلایدرهای پرتاب وینچ از زمین استفاده می شود، زیرا در مقایسه با کابل فولادی، مقاومت سایشی برتر آن باعث سایش کمتر هنگام دویدن در امتداد زمین و داخل وینچ می شود و زمان بین خرابی ها را افزایش می دهد.
UHMWPE برای اتصال فضایی 30 کیلومتری در ESA/ ماهواره مهندسین جوان روسیه در تاریخ سپتامبر 2007 استفاده شد.
پارچه کامپوزیت Dyneema (DCF) یک ماده چند لایه متشکل از شبکه ای از نخ های Dyneema است که بین دو غشای پلی استر شفاف نازک قرار گرفته است. این ماده نسبت به وزن خود بسیار قوی است و در اصل برای استفاده در بادبان های قایق های تفریحی با نام «فیبر کوبن» ساخته شد. اخیراً کاربردهای جدیدی پیدا کرده است، به ویژه در ساخت تجهیزات کمپینگ و کوله پشتی سبک و فوق سبک مانند چادر و کوله پشتی.
در تیراندازی با کمان، UHMWPE به دلیل خزش و کشش کم آن در مقایسه با داکرون (PET) به طور گسترده به عنوان ماده ای برای رشته های کمان استفاده می شود. علاوه بر الیاف خالص UHMWPE، اکثر تولیدکنندگان از مخلوط‌هایی برای کاهش بیشتر خزش و کشش مواد استفاده می‌کنند. در این ترکیبات، الیاف UHMWPE با الیافی همچ.ن ، Vectran ترکیب می شود .
در چتربازی ، UHMWPE یکی از رایج ترین مواد مورد استفاده برای خطوط تعلیق است، که تا حد زیادی جایگزین داکرون که قبلا استفاده شده بود، سبک تر و حجم کمتری است. UHMWPE دارای استحکام و مقاومت در برابر سایش عالی است، اما از نظر ابعادی پایدار نیست (یعنی منقبض می‌شود) زمانی که در معرض گرما قرار می‌گیرد، که منجر به انقباض تدریجی و ناهموار خطوط مختلف می‌شود، زیرا آنها در معرض مقداری اصطکاک در حین استقرار سایبان هستند. نیازمند به تعویض دوره ای خط است و همچنین تقریباً کاملاً غیر کشسان است که می تواند شوک باز شدن را تشدید کند. به همین دلیل، خطوط داکرون همچنان در سیستم‌های دانشجویی و برخی از سیستم‌های مورد استفاده قرار می‌گیرند، جایی که بار اضافه کمتر خطر ساز است. به نوبه خود، در چتر نجات عملکرد-بالا استفاده می شود برای موجد خسارت ، UHMWPE با Vectran و HMA (بالا مدول آرامید)، که حتی نازک تر و ابعادی پایدار، اما لباس نمایشگاه بیشتر و نیاز به تعمیر و نگهداری بسیار بیشتر برای جلوگیری از شکست فاجعه بار جایگزین شده است. UHMWPE همچنین برای حلقه های بسته شدن چتر نجات در صورت استفاده با دستگاه های فعال کننده خودکار استفاده می شود، جایی که ضریب اصطکاک بسیار پایین آنها برای عملکرد مناسب در صورت فعال شدن کاتر حیاتی است.
UHMWPE دارای سابقه بالینی به عنوان بیومتریال برای استفاده در لگن، زانو و (از دهه 1980) برای ایمپلنت ستون فقرات است. منبع آنلاین اطلاعات و بررسی مقالات مربوط به UHMWPE زمینه پزشکی، معروف به عنوان واژه نامه UHMWPE ، در سال 2000 به صورت انلاین شروع به کار کرد
مواد اولیه ساخت مفصل های جایگزین از لحاظ تاریخی از رزین های "GUR" ساخته شده اند. این مواد پودر توسط Ticona تولید، به طور معمول به نیمه اشکال توسط شرکت های مانند Orthoplastic و Orthoplastics تبدیل شده، و سپس به قطعات ایمپلنت تبدیل شده و توسط سازندگان دستگاه استریل می شود UHMWPE برای اولین بار در سال 1962 توسط سر جان چارنلی به صورت بالینی مورد استفاده قرار گرفت و در دهه 1970 به عنوان ماده یاتاقان غالب برای تعویض کامل مفصل ران و زانو ظاهر شد. در طول تاریخچه آن، تلاش های ناموفقی برای اصلاح UHMWPE برای بهبود عملکرد بالینی آن تا زمان توسعه cross-linked برای UHMWPE در اواخر دهه 1990 وجود داشت.
یک تلاش ناموفق برای اصلاح UHMWPE با مخلوط کردن پودر با الیاف کربن بود. این UHMWPE تقویت شده به صورت بالینی به عنوان "Poly Two" توسط Zimmer در دهه 1970 صورت گرفت. الیاف کربن سازگاری ضعیفی با ماتریس UHMWPE داشتند و عملکرد بالینی آن نسبت به UHMWPE خالص پایین تر بود.
تلاش دوم برای اصلاح UHMWPE با تبلور مجدد فشار بالا بود. این UHMWPE دوباره تبلور یافته به صورت بالینی به عنوان "Hylamer" توسط DePuy در اواخر دهه 1980 انجام شد. هنگامی که گاما در هوا تابش می شود، این ماده حساسیت به اکسیداسیون را نشان می دهد، که منجر به عملکرد بالینی پایین تر نسبت به UHMWPE خالص می شود. امروزه، سابقه بالینی ضعیف Hylamer تا حد زیادی به روش استریل‌سازی آن نسبت داده می‌شود و علاقه دوباره به مطالعه این ماده (حداقل در میان محافل تحقیقاتی خاص) افزایش یافته است. Hylamer در اواخر دهه 1990 در ایالات متحده با توسعه مواد UHMWPE highly cross-linked مورد توجه قرار گرفت، با این حال گزارش های بالینی منفی از اروپا در مورد Hylamer همچنان در ادبیات ظاهر می شود.
مواد UHMWPE با پیوند متقابل بالا به صورت بالینی در سال 1998 معرفی شدند و به سرعت به استاندارد مراقبت برای تعویض کامل مفصل ران ، حداقل در ایالات متحده تبدیل شدند. این مواد جدید با تابش پرتوهای گاما یا الکترونی (50-105 کیلوگری) پیوند متقابل دارند و سپس برای بهبود مقاومت در برابر اکسیداسیون آنها به صورت حرارتی پردازش می‌شوند. داده های بالینی پنج ساله، از چندین مرکز، اکنون در دسترس است که برتری آنها را نسبت به UHMWPE معمولی برای تعویض کامل مفصل ران نشان می دهد (به آرتروپلاستی مراجعه کنید). مطالعات بالینی هنوز برای بررسی عملکرد UHMWPE بسیار متقابل برای تعویض زانو در حال انجام است.
در سال 2007، تولیدکنندگان شروع به ترکیب آنتی اکسیدان ها در UHMWPE برای سطوح بلبرینگ آرتروپلاستی لگن و زانو کردند. ویتامین E (a-tocopherol) رایج ترین آنتی اکسیدانی است که در UHMWPE متصل به پرتو برای کاربردهای پزشکی استفاده می شود. این آنتی اکسیدان به خاموش کردن رادیکال های آزاد که در طی فرآیند تابش وارد می شوند کمک می کند و بدون نیاز به عملیات حرارتی مقاومت اکسیداسیونی را به UHMWPE بهبود می بخشد. چندین شرکت از سال 2007 با استفاده از ویتامین E مصنوعی و همچنین آنتی اکسیدان های مبتنی بر فنل مانع، فناوری های جایگزینی مفاصل تثبیت شده با آنتی اکسیدان را می فروشند.
یکی دیگر از پیشرفت های مهم پزشکی برای UHMWPE در دهه گذشته افزایش استفاده از الیاف برای بخیه ها بوده است . الیاف درجه پزشکی برای کاربردهای جراحی توسط DSM با نام تجاری "Dyneema Purity" تولید می شود.
UHMWPE در ساخت درها و پنجره های PVC (وینیل) استفاده می شود، زیرا می تواند گرمای مورد نیاز برای نرم کردن مواد مبتنی بر PVC را تحمل کند و به عنوان پرکننده فرم / محفظه برای پروفیل های مختلف PVC به کار می رود تا آن مواد در اطراف یک قالب "خم" یا شکل داده شود.
UHMWPE همچنین در ساخت آب بند و یاتاقان های هیدرولیک استفاده می شود. برای کارهای مکانیکی متوسط در آب، هیدرولیک روغن، پنوماتیک و کاربردهای بدون روغن مناسب است. مقاومت سایشی خوبی دارد اما فقط برای سطوح جفت نرم مناسب تر است.
کابل حفاظت کاتدی عایق فلوروپلیمر / HMWPE معمولاً با عایق دوگانه ساخته می شود. دارای یک لایه اولیه از یک فلوروپلیمر مانند ECTFE است که از نظر شیمیایی در برابر کلر، اسید سولفوریک و اسید هیدروکلریک مقاوم است. پس از لایه اولیه، یک لایه عایق HMWPE قرار دارد که استحکام قابل انعطافی را فراهم می کند و امکان سوء استفاده قابل توجه در هنگام نصب را فراهم می کند. پوشش HMWPE محافظت مکانیکی را نیز فراهم می کند.
UHMWPE در سازه های دریایی برای پهلوگیری کشتی ها و به طور کلی سازه های شناور استفاده می شود. UHMWPE سطح تماس بین ساختار شناور و ساختار ثابت را تشکیل می دهد. الوار برای این برنامه نیز مورد استفاده قرار می گیرد. UHMWPE به عنوان روکش برای سیستم های گلگیر برای سازه های پهلوگیری به دلیل دارا بودن ویژگی های زیر انتخاب می شود: