El polietileno de peso molecular ultraalto ( UHMWPE , UHMW ) es un subconjunto del polietileno termoplástico . También conocido como polietileno de alto módulo ( HMPE ), tiene cadenas extremadamente largas, con una masa molecular normalmente entre 3,5 y 7,5 millones de uma . [1] La cadena más larga sirve para transferir la carga de manera más efectiva a la columna vertebral del polímero fortaleciendo las interacciones intermoleculares. Esto da como resultado un material muy resistente , con la mayor resistencia al impacto de cualquier termoplástico fabricado actualmente. [2]
UHMWPE es inodoro, insípido y no tóxico. [3] Incorpora todas las características del polietileno de alta densidad (HDPE) con las características añadidas de ser resistente a ácidos y álcalis concentrados , así como a numerosos disolventes orgánicos. [4] Es altamente resistente a productos químicos corrosivos, excepto 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 menor 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. [5] [6]
La polimerización de UHMWPE fue comercializada en la década de 1950 por Ruhrchemie AG, [1] [7] , que ha cambiado de nombre a lo largo de los años. Hoy en día, los materiales en polvo UHMWPE, que pueden moldearse directamente para darle la forma final de un producto, son producidos por Ticona , Braskem , Teijin (Endumax), Celanese y Mitsui . 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 sigue encontrando cada vez más aplicaciones industriales, incluidos los sectores de la automoción y el embotellado. Desde la década de 1960, el UHMWPE también ha sido el material elegido para la artroplastia articular total en implantes ortopédicos y de columna . [1]
Las fibras UHMWPE con la marca Dyneema, comercializada a finales de los años 1970 por la empresa química holandesa DSM , y como Spectra, comercializada por Honeywell (entonces AlliedSignal), se utilizan ampliamente en protección balística, aplicaciones de defensa y, cada vez más, en dispositivos médicos, equipos de navegación y senderismo. , escalada y muchas otras industrias.
UHMWPE es un tipo de poliolefina . Está formado por cadenas de polietileno extremadamente largas, todas alineadas en la misma dirección. Su fuerza deriva 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 aumenta la capacidad de transportar mayores fuerzas de corte 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 manera, las grandes cargas de tracción no están tan limitadas por la debilidad comparativa de cada fuerza de van der Waals localizada.
Cuando se forman fibras, las cadenas de polímero pueden alcanzar una orientación paralela superior al 95% y un nivel de cristalinidad del 39% al 75%. Por el contrario, Kevlar obtiene su fuerza de fuertes enlaces entre moléculas relativamente cortas.
El enlace débil entre las moléculas de olefina permite que las excitaciones térmicas locales alteren el orden cristalino de una cadena dada pieza por pieza, dándole una resistencia al calor mucho peor que otras fibras de alta resistencia. Su punto de fusión ronda los 130 a 136 °C (266 a 277 °F), [8] y, según DSM, no es aconsejable utilizar fibras UHMWPE a temperaturas superiores a 80 a 100 °C (176 a 212 °F) durante largos períodos de tiempo. Se vuelve quebradizo a temperaturas inferiores a -150 °C (-240 °F). [9]
La estructura simple de la molécula también da lugar a propiedades superficiales y químicas que son raras en los polímeros de alto rendimiento. Por ejemplo, los grupos polares de 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 moja fácilmente, lo que dificulta su unión a 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 disolventes 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 hidróxidos ) que sean susceptibles al ataque de agentes agresivos, es muy resistente al agua, la humedad, la mayoría de los productos químicos, la radiación ultravioleta y los microorganismos.
Bajo carga de tracción, el UHMWPE se deformará continuamente mientras la tensión esté presente, un efecto llamado fluencia .
Cuando se recoce el UHMWPE , el material se calienta entre 135 °C (275 °F) y 138 °C (280 °F) 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/h (2,5 °F/ks) a 65 °C (149 °F) o menos. Finalmente, el material se envuelve en una manta aislante durante 24 horas para que alcance la temperatura ambiente. [10]
El polietileno de peso molecular ultraalto (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 conocido polietileno de alta densidad (HDPE) debido a un proceso de síntesis basado en catalizadores de metaloceno , lo que da como resultado que las moléculas de UHMWPE tengan típicamente entre 100.000 y 250.000 unidades de monómero por molécula cada una, en comparación con las 700 a 1.800 monómeros del HDPE. .
El UHMWPE se procesa de diversas formas mediante moldeo por compresión , extrusión por ariete , hilatura en gel y sinterización . Varias empresas europeas comenzaron a moldear por compresión UHMWPE a principios de los años 1960. El hilado en gel llegó mucho más tarde y estaba destinado a diferentes aplicaciones.
In gel spinning a precisely heated gel (of a low concentration of UHMWPE in an oil) is extruded through a spinneret. The extrudate is drawn through the air, the oil extracted with a solvent which does not affect the UHMWPE, and then dried removing the solvent. The end-result is a fiber with a high degree of molecular orientation, and therefore exceptional tensile strength. Gel spinning depends on isolating individual chain molecules in the solvent so that intermolecular entanglements are minimal. Entanglements make chain orientation more difficult, and lower the strength of the final product.[11]
Dyneema and Spectra are brands of lightweight high-strength oriented-strand gels spun through a spinneret. They have yield strengths as high as 2.4 GPa (350,000 psi) and density as low as 0.97 g/cm (0.087 oz/in) (for Dyneema SK75).[12] High-strength steels have comparable yield strengths, and low-carbon steels have yield strengths much lower (around 0.5 GPa (73,000 psi)). Since steel has a specific gravity of roughly 7.8, these materials have a strength-to-weight ratios eight times that of high-strength steels. Strength-to-weight ratios for UHMWPE are about 40% higher than for aramid. The high qualities of UHMWPE filament were discovered by Albert Pennings in 1968, but commercially viable products were made available by DSM in 1990 and Southern Ropes soon after.[13]
Derivatives of UHMWPE yarn are used in composite plates in armor, in particular, personal armor and on occasion as vehicle armor. Civil applications containing UHMWPE fibers are cut-resistant gloves, tear-resistant hosiery, bow strings, climbing equipment, automotive winching, fishing line, spear lines for spearguns, high-performance sails, suspension lines on sport parachutes and paragliders, rigging in yachting, kites, and kite lines for kites sports.
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. [14] [15] Se dice que las adiciones desarrolladas recientemente al chaleco antibalas Interceptor del ejército estadounidense , diseñadas para ofrecer protección para brazos y piernas, utilizan una forma de tejido UHMWPE. [16] Hay una multitud de tejidos UHMWPE disponibles en el mercado y se utilizan como forros para zapatos, pantimedias , [17] ropa de esgrima, chalecos resistentes a puñaladas y forros compuestos para vehículos. [18]
El uso de cable UHMWPE para cabrestantes automotrices ofrece varias ventajas sobre el cable de acero más común. La razón clave para cambiar a una cuerda de UHMWPE es la mejora de la seguridad. La menor masa de la cuerda UHMWPE, junto con un alargamiento de rotura significativamente menor, transporta mucha menos energía que el acero o el nailon, lo que casi no produce retroceso. La cuerda de UHMWPE no desarrolla torceduras que puedan causar puntos débiles, y cualquier área deshilachada que pueda desarrollarse a lo largo de la superficie de la cuerda no puede perforar la piel como lo hacen los hilos de alambre rotos. La cuerda de UHMWPE es menos densa que el agua, lo que facilita la recuperación de agua ya que el cable de recuperación es más fácil de localizar 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 del cable UHMWPE sobre los cables de acero. Un cable típico de UHMWPE de 11 mm (0,43 pulgadas) de 30 m (98 pies) puede pesar alrededor de 2 kg (4,4 libras), el cable de acero equivalente pesaría alrededor de 13 kg (29 libras). Un inconveniente notable del cable UHMWPE es su susceptibilidad al daño de los rayos UV, por lo que muchos usuarios colocan cubiertas de cabrestante para proteger el cable cuando no está en uso. También es vulnerable al daño por calor debido al contacto con componentes calientes.
Las fibras hiladas de UHMWPE destacan como hilo de pescar, ya que tienen menos elasticidad, son más resistentes a la abrasión y son más delgadas que el hilo de monofilamento equivalente .
En la escalada , las cuerdas y 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 homólogos de nailon, lo que se traduce en una baja tenacidad . La muy alta lubricidad de la fibra provoca una mala capacidad de retención de nudos y se utiliza principalmente en 'eslingas' (bucles de cinta) precosidas; generalmente no se recomienda depender de nudos para unir secciones de UHMWPE y, si es necesario, se recomienda Utilice el nudo pescador triple en lugar del tradicional nudo pescador doble . [19] [20]
Los cabos y cables de los barcos fabricados con fibra (gravedad específica de 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 [ se necesita aclaración ] como una alternativa más liviana 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. [ se necesita aclaración ] 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. [ se necesita aclaración ]
También se utiliza en aplicaciones de elevación, para la fabricación de eslingas de elevación de bajo peso y de alta resistencia. Debido a su extrema resistencia a la abrasión, también se utiliza [ se necesita aclaración ] como excelente protección de las esquinas para eslingas de elevación sintéticas.
Las líneas de alto rendimiento (como los backstays ) para vela y paravelismo están hechas de UHMWPE, debido a su baja elasticidad, alta resistencia y bajo peso. [21] De manera similar, el UHMWPE se usa a menudo para lanzar planeadores con cabrestante desde el suelo, ya que, en comparación con el cable de acero, su resistencia superior a la abrasión da como resultado un menor desgaste cuando corre por el suelo y dentro del cabrestante, lo que aumenta el tiempo entre fallas. El menor peso de los cables de una milla de largo utilizados también da como resultado mayores lanzamientos del cabrestante.
UHMWPE se utilizó para la correa espacial de 30 km (19 millas) de largo y 0,6 mm (0,024 pulgadas) de espesor en el Satélite 2 de Jóvenes Ingenieros Rusos/ESA el 2 de septiembre de 2007. [22]
Dyneema Composite Fabric (DCF) es un material laminado que consta de una rejilla de hilos de Dyneema intercalados entre dos finas membranas transparentes de poliéster. Este material es muy resistente para su peso y se desarrolló originalmente para su uso en velas de yates de regata con el nombre de 'Cuben Fiber'. 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 tiro con arco, el UHMWPE se utiliza ampliamente como material para cuerdas de arco debido a su baja fluencia y estiramiento en comparación con, por ejemplo, Dacron (PET). [ cita necesaria ] Además de las fibras puras de UHMWPE, 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 mezclan, por ejemplo, con Vectran .
En 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 liviano y menos voluminoso. [ cita necesaria ] UHMWPE tiene una excelente resistencia y resistencia al desgaste, pero no es dimensionalmente estable (es decir, se encoge) cuando se expone al calor, lo que conduce a una contracción gradual y desigual de diferentes líneas, ya que están sujetas a diferentes cantidades de fricción durante el despliegue de la cubierta. lo que requiere el reemplazo periódico de la línea. También es casi completamente inelástico, lo que puede exacerbar el shock de apertura. Por esa razón, las líneas de Dacron continúan utilizándose en sistemas de estudiantes y en algunos sistemas tándem, donde el volumen añadido es menos preocupante que la posibilidad de una apertura perjudicial. A su vez, en los paracaídas de alto rendimiento utilizados para lanzarse en picado , el UHMWPE se reemplaza por Vectran y HMA (aramida de alto módulo), que son aún más delgados y dimensionalmente estables, pero exhiben un mayor desgaste y requieren un mantenimiento mucho más frecuente para evitar fallas catastróficas. El UHMWPE también se utiliza para los bucles de cierre del paracaídas de reserva cuando se utiliza con dispositivos de activación automática , donde su coeficiente de fricción extremadamente bajo es fundamental para un funcionamiento adecuado en caso de activación del cortador.
El UHMWPE tiene un historial clínico como biomaterial para uso en cadera, rodilla y (desde la década de 1980) para implantes de columna. [1] En 2000 se inició en línea un repositorio en línea de información y artículos de revisión relacionados con el UHMWPE de grado médico, conocido como UHMWPE Lexicon. [23]
Históricamente, los componentes de reemplazo de articulaciones se han fabricado con resinas "GUR". Estos materiales en polvo son producidos por Ticona, normalmente convertidos en semiformas por empresas como Quadrant y Orthoplastics, [1] y luego mecanizados en componentes de implantes y esterilizados por los fabricantes de dispositivos. [24]
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. [23] A lo largo de su historia, hubo intentos fallidos de modificar el UHMWPE para mejorar su rendimiento clínico hasta el desarrollo del UHMWPE altamente reticulado a finales de los años 1990. [1]
Un intento fallido de modificar el UHMWPE fue mezclando el polvo con fibras de carbono. Este UHMWPE reforzado fue lanzado clínicamente como "Poly Two" por Zimmer en la década de 1970. [1] Las fibras de carbono tenían poca compatibilidad con la matriz de UHMWPE y su rendimiento clínico era inferior al del UHMWPE virgen. [1]
Un segundo intento de modificar el UHMWPE fue mediante recristalización a alta presión. Este UHMWPE recristalizado fue comercializado clínicamente como "Hylamer" por DePuy a finales de los años 1980. [1] Cuando se irradia con rayos gamma en el aire, este material mostró susceptibilidad a la oxidación, lo que resultó 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 habido un resurgimiento del interés en estudiar este material (al menos entre ciertos círculos de investigación). [23] Hylamer cayó en desgracia en los Estados Unidos a finales de la década de 1990 con el desarrollo de materiales UHMWPE altamente reticulados; sin embargo, siguen apareciendo en la literatura informes clínicos negativos de Europa sobre Hylamer.
Los materiales de UHMWPE altamente reticulados se introdujeron clínicamente en 1998 y rápidamente se han convertido en el estándar de atención para los reemplazos totales de cadera , al menos en los Estados Unidos. [1] Estos nuevos materiales se reticulan con radiación gamma o de haz de electrones (50-105 kGy) y luego se procesan térmicamente para mejorar su resistencia a la oxidación. [1] Ahora se encuentran disponibles datos clínicos de cinco años, de varios centros, que demuestran su superioridad en relación con el UHMWPE convencional para el reemplazo total de cadera (ver artroplastia ). [23] Todavía se están realizando estudios clínicos para investigar el rendimiento del UHMWPE altamente reticulado para el reemplazo de rodilla. [23]
En 2007, los fabricantes comenzaron a incorporar antioxidantes en el UHMWPE para las superficies de apoyo de artroplastias de cadera y rodilla. [1] La vitamina E (a-tocoferol) es el antioxidante más común utilizado en el UHMWPE reticulado por radiación para aplicaciones médicas. El antioxidante ayuda a apagar los radicales libres que se introducen durante el proceso de irradiación, impartiendo una resistencia a la oxidación mejorada al UHMWPE sin necesidad de tratamiento térmico. [25] Varias empresas 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. [26]
Otro avance médico importante para el UHMWPE en la última década ha sido el aumento del uso de fibras para suturas . DSM produce fibras de grado médico para aplicaciones quirúrgicas con el nombre comercial "Dyneema Purity". [27]
El UHMWPE se utiliza en la fabricación de ventanas y puertas de PVC (vinilo), ya que puede soportar el calor necesario para ablandar los materiales a base de PVC y se utiliza como relleno de forma/cámara para los distintos 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 cojinetes y sellos hidráulicos. Es más adecuado para tareas mecánicas medias en agua, hidráulica de aceite, neumática y aplicaciones sin lubricar. Tiene una buena resistencia a la abrasión pero se adapta mejor a superficies de contacto suaves.
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, el ácido sulfúrico y el ácido clorhídrico . Después de la capa primaria hay una capa aislante de HMWPE, que proporciona resistencia flexible y permite un abuso considerable durante la instalación. El revestimiento de HMWPE también proporciona protección mecánica. [28]
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 utilizó y se utiliza para esta aplicación. Se elige UHMWPE como revestimiento de sistemas de defensas para estructuras de atraque debido a las siguientes características: [29]