پلی اتیلن بسیار سنگین یا UHMWPE چیست و چه ویژگی هایی دارد؟
پلی اتیلن بسیار سنگین که با نامهای UHMWPE,UHMW نیز شناخته میشود، یکی از زیر مجموعه های نوعی ترموپلاستیک با نام پلی اتیلن است. پلیمر مدول بالا نیز به این ماده گفته میشود که دارای زنجیره ای بسیار بلند است و جرم مولکولی آن نیز بین 3.5 تا 7.5 amu میباشد. زنجیره های بلند تر با تقویت واکنش های بین مولکولی، به انتقال موثرتر بار به پیکره اصلی پلیمر کمک میکنند. در نهایت ماده ای بسیار محکم و قوی بوجود می آید که استحکام بسیار بالایی در برابر ضربه دارد و این مقدار در مقایسه با سایر انواع ترموپلاستیکها از همه بیشتر است.
پلی اتیلن بسیار سنگین یا UHMWPE بی بو، بی مزه و غیر سمی میباشد. همچنین این ماده تمام خواص پلی اتیلنهای سنگین وزن را دارا می باشد و علاوه بر آن به خوبی می تواند در برابر اسیدهای غلیظ و مواد قلیایی و چندین حلال ارگانیک مقاومت کند. همچنین پلی اتیلن بسیار سنگین یا UHMWPE در برابر عاملهای خورنده مانند مواد شیمیایی خورنده نیز مقاومت زیادی دارد به جز اسیدهای اکسید کننده. این نوع پلیمر به مقدار خیلی کمی رطوبت را جذب میکند، ضریب اصطکاک پایینی نیز دارد و در برابر سایش هم بسیار مقاوم است (در مواردی این مقدار 15 برابر بیشتر از فولادهای کربنی است). ضریب اصطکاک UHMWPE خیلی پایین تر از نایلون و استال میباشد و میتوان آن را با ضریب اصطکاک پلی تترافلوئورواتیلن مقایسه کرد ولی مقاومت سایشی UHMWPE خیلی بیشتر از پلی تترافلوئورواتیلن است.
توسعه ی پلی اتیلن بسیار سنگین یا UHMWPE
بسپارش پلی اتیلن بسیار سنگین یا UHMWPE در دهه 50 و توسط کمپانی Ruhrchemie تجاری سازی شد (نام این کمپانی در طی سالها تغییر کرده است). امروزه انواع پودری این ماده ساخته می شوند که قابلیت تبدیل مستقیم به اشکال نهایی قالب گیری شده را دارند.
نوع فراوری شده ی پلی اتیلن بسیار سنگین یا UHMWPE به صورت فیبر یا جامد موجود می باشد مانند ورق و میله. از آنجایی که پلیمر یاد شده در برابر ضربه و خرابی استحکام خوبی دارد، مصارف صنعتی روز افزونی پیدا کرده است مانند صنعت خودروسازی و بطری سازی. از دهه 60، از UHMWPE در جراحی های مفصل سازی و پیوند های ستون فقرات و حوزه ی ارتوپدی استفاده شده است.
فیبر های ساخته شده از پلیمر یاد شده که توسط کمپانی شیمیایی هلندی تولید شدند، به طور گسترده ای به منظور حفاظت بالستیک، محصولات دفاعی و دستگاه های پزشکی مورد استفاده قرار می گیرند.
پلی اتیلن بسیار سنگین یا UHMWPE چه خواص و ساختاری دارد؟
پلی اتیلن بسیار سنگین یا UHMWPE نوعی پلی الفین است که از زنجیره های بسیار بزرگ پلی اتیلن تشکیل شده است که همگی در یک جهت قرار گرفته اند. در واقع این پلیمر استحکام خود را از طول هر یک از مولکولهای این زنجیره میگیرد. از آنجایی که مولکولها بسیار بلند می باشد، این امکان وجود دارد که هم پوشانی زیادی نیز بین آنها وجود داشته باشد. حالت یاد شده باعث میشود تا نیروی برشی قابل حمل توسط هر مولکول به مولکول دیگری افزایش یابد.
زمانی که پلی اتیلن بسیار سنگین به فوم تبدیل می شود، ممکن است زنجیره پلیمری آرایش موازی پیدا کند و میزان حالت بلورین نیز از 39 درصد به 75 درصد خواهد رسید. کولار بر خلاف این ماده؛ استحکام خود را از پیوند بین مولکولهای نسبتا کوتاه بدست می آورد.
پیوندهای ضعیف بین مولکولهای الفینی به تحریکات گرمایی محلی اجازه میدهد تا ترتیب کریستالین یک زنجیره را یکی یکی از بین ببرند و باعث شوند تا ماده مقاومت گرمایی خیلی پایین تری نسبت به سایر فیبر های مستحکم داشته باشد. نقطه ذوب پلی اتیلن بسیار سنگین بین 130 تا 136 درجه سانتی گراد یا 266 تا 277 درجه فارنهایت میباشد و استفاده از فیبر های این ماده در دماهای بالاتر از 80 تا 100 درجه سانتی گراد یا 76 تا 212 درجه فارنهایت و برای مدتی طولانی توصیه نمیشود. این پلیمر در دمای پایین تر از منفی 150 درجه سانتی گراد یا منفی 240 درجه فارنهایت حالتی شکننده پیدا میکند.
علاوه بر آن، ساختار ساده مولکول باعث بهبود خواص سطحی و شیمیایی این ماده میشود که به ندرت در پلیمر های کاربردی دیده میشود. به عنوان مثال گروه قطبی موجود در اکثر پلیمرها به سادگی با آب پیوند برقرار میکند ولی از آنجایی که الفین ها از چنین پیوندی برخوردار نیستند، پلی اتیلن بسیار سنگین نیز به راحتی آب را به خود جذب نمیکند و به سادگی هم مرطوب نمیشود. خواص یاد شده پیوند این ماده را با سایر پلیمرها دشوار می سازند و زمانی که این ماده در تماس مستقیم با پوست قرار می گیرد، حالتی لغزان و لیز دارد.
پلیمر های آروماتیک نیز به همین روش در برابر حلال های آروماتیک اسیب پذیر میباشند. از آنجایی که پلی اتیلن بسیار سنگین عاری از گروه های شیمیایی میباشد (مانند استرها، آمیدها، گروه های هیدروکسیلیک) که در مقابل عامل های مهاجم آسیب پذیر می باشد، این ماده مقاومت خیلی بالایی در برابر آب، رطوبت، اکثر مواد شیمیایی، پرتوهای فرابنفش و موجود زنده ی خیلی کوچک دارد.
پلی اتیلن بسیار سنگین در برابر فشار های سنگین طولانی مدت نیز به صورت مداوم تغییر شکل میدهد که به این حالت خزش نیز می گویند.
به منظور افزایش دوام این ماده، ابتدا آن را در معرض دمایی بین 135 تا 138 درجه سانتی گراد در یک کوره یا مایع روغن سیلیکون یا گلیسیرین قرار میدهند و سپس ان را تا حوزه دمایی بین 5 تا 65 درجه سانتی گراد سرد میکنند. در نهایت ماده یاد شده به مدت یک روز در یک محفظه ی عایق قرار داده میشود تا هم دمای اتاق شود.
پلی اتیلن بسیار سنگین چگونه تولید میشود؟
پلی اتیلن بسیار سنگین یا UHMWPE ار ترکیب مونومرهای اتیلن بدست می آید که به منظور ایجاد شکل پایه و اصلی پلی اتیلن به یکدیگر متصل شده اند. این مولکولها در مقابل پلی اتیلنهای سنگین وزن، طول خیلی بیشتری دارند که ناشی از فرآوری با استفاده از کاتالیزورهای متالوسن میباشد که در نهایت باعث میشوند تا در هر واحد از این ماده 100 تا 250 هزار مونومر وجود داشته باشند. این مقدار برای پلی اتیلن سنگین وزن بین 100 تا 1800 مونومر است.
پلی اتیلن بسیار سنگین با استفاده از قالب گیری فشاری، روزن رانی، ژل ریسی و زینترینگ فراوری میشود . تعدادی از کمپانی های اروپایی در دهه 60 قالب گیری فشاری این ماده را آغاز کردند و ژل ریسی هم خیلی دیرتر و به منظور تولید محصولات مختلف به کار برده شد.
در روش ژل ریسی، ژل های پلی اتیلن های بسیار سنگین که به میزان مشخصی در معرض حرارت قرار گرفته اند، از طریق یک تارریس روزن رانی می شوند. سپس در معرض هوا قرار میگیرند و در نهایت نیز در حمام آب خنک میشوند. فیبر بدست امده آرایش مولکولی ویژه ای داشته بنابراین استحکام کششی بالایی نیز دارد. ژل ریسی به جداسازی مولکولهای زنجیره در حلال وابسته میباشد، به شرط آنکه در هم تنیدگی بین مولکولی حداقل باشد. این در هم تنیدگی ها نظم مولکولی را دشوارتر می سازند و استحکام محصول نهایی را نیز کاهش میدهند.
پلی اتیلن بسیار سنگین یا UHMWPE چه مصارفی دارد؟
· حوزه پزشکی: این ماده در حوزه مواد زیستی نیز تاریخچه ای دارد و از دهه 80 برای پیوند زانو، باسن و ستون فقرات به کار برده شده است. مخزن اطلاعاتی و مقالات مطرح شده در حوزه پلی اتیلن بسیار سنگین پزشکی به صورت آنلاین و در سال 2000 آغاز به کار کرد و واژه نامه پلی اتیلن بسیار سنگین پزشکی نام گرفت. در گذشته قطعات جایگزینی مفاصل از رزین های Gur ساخته می شدند. این مواد پودری توسط Ticona تولید شده و به فرم های نیمه ساخت یافته ای تبدیل می شوند و پس از آن نیز در قطعات پیوندی قرار گرفته و توسط تولید کنندگان تجهیزات استریلیزه می شدند. پلی اتیلن بسیار سنگین اولین بار در سال 1962 و توسط John Charnley استفاده شد و در دهه ی 70 نیز مشخص شد که ماده یاد شده میتواند جایگزینی مناسب برای پیوندهای زانو و باسن باشد. پس از آن نیز تلاش های بسیاری صورت گرفت تا ویژگی های این ماده در حوزه پزشکی بهبود پیدا کنند و در اواخر دهه 90، نوعی از پلی اتیلن بسیار سنگین توسعه داده شد که دارای پیوند های عرضی زیادی میباشد. اولین تلاش های صورت گرفته در جهت تغییر این ماده، ترکیب پودر با فیبر های کربنی بود ولی این فیبر ها سازگاری کمی با ساختار پلیمر یاد شده داشتند و عملکرد آنها در حوزه پزشکی در مقایسه با نوع اصلی این پلیمر ضعیف تر بود.تلاش دوم نیز بلورین سازی مجدد این پلیمر با استفاده از فشار بالا بود که توسط DePuy در اواخر دهه 80 انجام گرفت. زمانی که گاما در هوا منتشر می شد، ماده در معرض اکسایش قرار می گرفت و در نهایت همانند مورد قبلی عملکرد ضعیف تری نسبت به نوع اصلی پلیمر یاد شده پیدا میکرد.
· حوزه تولیدی: از این نوع پلی اتیلن در تولید در و پنجره های PVC استفاده می شود زیرا میتواند گرمای لازم برای نرم سازی این مواد را به خوبی تحمل نماید
سیم و کابل: کابلهای حفاظتی کاتودیک که از ترکیب پلی اتیلن بسیار سنگین یا UHMWPE و یک فلوئوروپلیمر ساخته شده اند، معمولا با عایق دو لایه ای ساخته میشوند. در این کابلها در لایه اول یک فلوئوروپلیمر مانند ECTFE قرار میگیرد که مقاومت شیمیایی مطلوبی در برابر کلرین، سولفوریک اسید و هیدروکلریک اسید دارد و لایه بعدی نیز از UHMWPE ساخته میشود تا استحکام زیادی را ایجاد نماید.
