Nhựa Polyetylen Phân tử lượng Siêu cao (Ultra-high-molecular-weight polyethylene - UHMWPE, UHMW) là dạng nhựa nhiệt dẻo polyethylene, module cao, chuỗi rất dài với khối lượng nguyên tử từ 3.5 đến 7.5 triệu amu. Chuỗi dài nên chuyển lực tốt hơn đến mạch polymer xương sống, tăng cường tương tác giữa các phân tử. Kết quả là vật liệu rất cứng, khả năng chịu lực va đập tốt nhất trong các loại nhựa nhiệt dẻo chế tạo hiện nay.
UHMWPE không mùi, không vị và không độc hại. Nó có đầy đủ đặc tính của polyethylene mặt độ cao (HDPE) kèm theo khả năng kháng lại axit và kiềm đậm đặc, cũng như các dung môi hữu cơ. Nó có khả năng chống hoá chất ăn mòn ngoại trừ oxidizing axít, hút ẩm cực thấp và ma sát thấp, tự bôi trơn self-lubricating, chống mài mòn cao hơn 15 lần thép các bon. Hệ số ma sát thấp hơn nylon và acetal, tương đương polytetrafluoroethylene (PTFE, Teflon) nhưng có khả năng chịu mài mòn tốt hơn.
Quá trình phát triển
Sự trung hợp UHMWPE đã được thực hiện bởi Ruhrchemie AG từ những năm 50. Ngày nay bộtn nguyên liệu UHMWPE dùng đúc sản phẩm được sản xuất bởi Ticona, Braskem, DSM, Teijin (Endumax), Celanese, và Mitsui. UHMWPE qua xử lý có trên thị trường dưới dạng sợi hoặc vật liệu tổng hợp. Do khả năng chống mài mòn và va đập, UHMWPE là vật liệu cho ứng dụng ngày càng tăng trong công nghiệp như ô tô và đóng chai. Từ năm 60, UHMWPE là vật liệu để tạo hình khớp toàn phần trong cấy ghép chỉnh hình và cột sống.
Cấu trúc và Tính chất
UHMWPE là một loại polyolefin. Nó được hình thành từ chuỗi rất dài polyethylene, sắp xếp theo một hướng. Liên kết Van der Waals giữa các phân tử tương đối yếu so với nguyên tử chồng lấn trong phân tử, nhưng do phân tử dài, sự chồng lấn lớn, làm tăng khả năng chịu lực cắt giữa phân tử và phân tử. Mỗi chuỗi liên kết với các chuỗi khác bằng rất nhiều liên kết Van der Waals nên toàn bộ độ bền liên kết phân tử cao, làm tăng độ bền kéo.
Cấu trúc phân tử UHMWPE
Khi dưới dạng sợi, chuỗi polyme đạt định hướng song song lớn hơn 95% và mức độ kết tinh từ 39% đến 75%. Ngược lại, Klevar có độ bền do liên kết mạnh giữa các phân tử ngắn liên quan.
Liên kết yếu giữa các phân tử cũng cho phép nguồn nhiệt cục bộ phá vỡ trật tự tinh thể chuỗi, khiến vật liệu có khả năng chịu nhiệt kém hơn các loại sợi có độ bền khác. Điểm nóng chảy từ 130 đến 136 °C, nhưng theo DSM, không nên sử dụng sợi UHMWPE ở nhiệt độ vượt quá 80 đến 100 °C trong thời gian dài. Vật liệu trở nên giòn dưới −150 °C.
Cấu trúc đơn giản phân tử cũng làm tăng cao tính chất bề mặt và tính chất hoá học hiếm có ở các polymer hiệu suất cao. Ví dụ, nhóm phân cực trong polymer thường kết hợp với nước. Vì không có nhóm phân cực nên UHMWPE không hấp thụ nước, không bị ướt, nên rất khó liên kết với các polymer khác. Cũng vì nguyên nhân này nên lớp bề mặt UHMWPE không liên kết mạnh với vật liệu khác, khiến sợi UHMWPE có bề mặt trơn trượt. Các polymer thơm thường nhạy cảm với dung môi thơm do tương tác xếp chồng thơm. Vì UHMWPE không chứa nhóm hoá học ( như este, amit hoặc nhóm hydroxylic) dễ bị tấn công từ các chất xâm thực, nên nó đề kháng cao với nước, dung môi, hầu hết chất hoá học, bức xạ UV, vi sinh vật.
Khi có lực kéo, UHMWPE biến dạng liên tục khi còn tác động lực kéo, hiệu ứng được gọi là độ rão.
Ứng dụng
Thiết bị chế biến thực phẩm
Xử lý nước
Dòng băng tải
Mang dải
Vòng bi
Bánh răng
Pít tông
Van
Thiết bị hàng hải
Sợi
Dyneema và Spectra là hai thương hiệu sợi nhẹ chịu lực cao. Chúng có giới hạn chảy cao 2.4 GPa (2.4 kN/mm2) và mật độ thấp 0.97 g/cm3 (với Dyneema SK75). Giới hạn chảy này tương đương thép chịu lực cao, nhiều hơn nhiều thép các bon thấp. Nếu thép có trọng lượng riêng khoảng 7.8 thì vật liệu này có tỷ lệ độ bền trên trọng lượng gấp 8 lần thép chịu lực cao. Tỷ lệ độ bền trên trọng lượng của sợi Dyneema cao hơn 40% so với sợi aramid.
UHMWPE sợi thường được dùng làm tấm composite trong áo giáp, áo giáp cá nhân, đôi khi áo giáp cho xe. Ứng dụng dân dụng gồm có găng tay chống cắt, dây cung, thiết bị leo núi, ô tô, dây câu, thuyền buồm tốc độ cao, dây dù thể thao và dù lượn, diều ...
Với áo giáp cá nhân, sợi được sắp xếp thành tấm, xếp ở các góc khác nhau để vật liệu tổng hợp chịu lực được mọi hướng. Với áo giáp bảo vệ trong quân đội Mỹ, để bảo vệ phần cánh tay và chân, người ta sử dụng sợi Spectra hoặc Dyneema.
Cáp Dyneema/Spectra dùng làm dây kéo ô tô do có nhiều ưu điểm hơn so với cáp thép do an toàn hơn. Do trọng lượng nhẹ, độ dãn dài khi kéo đứt ít hơn đáng kể, tạo ra ít năng lượng hơn cáp thép hoặc nylon nên dây tời không bị văng lại. Cáp Dyneema không bị gấp khúc tạo các điểm dễ đứt, ngoài ra là cáp tời nhiều sợi chứ không phải một sợi, nên các vết sờn theo chiều dài cáp không gây hư hỏng như như các cáp truyền thống. Cáp Dyneema không thấm nước nên dễ làm khô nước hơn cáp truyền thống. Một ưu điểm khác khi sử dụng cho ô tô của cáp Dyneema là trọng lượng nhẹ hơn cáp truyền thống. Sợi cáp Dyneema đường kính 11 mm dài 30m chỉ nặng 2kg, tương đương sợi cáp thép nặng 13 kg. Nhược điểm của cáp là dễ hư hại bởi tia UV, nên khi sử dụng phải lắp vỏ chống UV bảo vệ.
Trong thể thao leo núi dây và vải dùng kết hợp sợi UHMWPE và nylon được dùng phổ biến do trọng lượng nhẹ.
Với tàu biển, sợi UHMWPE dùng làm cáp treo hoặc cáp kéo dùng dưới nước do độ bền và trọng lượng nhẹ hơn dây thép.
Trong môn thể thao trượt tuyết, UHMWPE dùng kết hợp với sợi các bon, gia cố vật liệu composite, bổ sung độ chịu mài mòn và đặc tính uốn dẻo của ván trượt.
Y Tế
UHMWPE được sử dụng làm vật liệu sinh học cho hông, đầu gối và cấy ghép cột sống. Thông tin vật liệu y tế này với thương hiệu UHMWPE Lexicon được công bố từ năm 2000. Trước đây các bộ phận thay thế khợp được làm từ "GUR". Hãng Ticona sản xuất dạng bột này, sau đó các công ty Quadrant và Orthoplastics chết tạo dưới dạng bán thành phẩm, sau đó các nhà sản xuất thiết bị chế tạo thành các bộ phận và khử trùng hoàn chỉnh. UHMWPE lần đầu được sử dụng trong lâm sàng bởi Sir John Charnley và nổi lên như vật liệu chủ đạo cho thay thế hông và đầu gối những năm 1970. Sau đó các nỗ lực cải thiện khả năng lâm sàng UHMWPE đều thất bại cho đến khi phát triển highly cross-linked UHMWPE vào năm 1990.
Nỗ lực không thành công đầu tiên thay đổi UHMWPE là trộn bột với sợi các bon. Sợi gia cường UHMWPE này được hãng Zimmer sản xuất năm 1970 với thương hiệu "Poly Two". Sợi các bon tương thích kém với lưới liên kết UHMWPE, hiệu suất lâm sàng cũng kém hơn UHMWPE nguyên gốc.
Nỗ lực thay đổi thứ hai UHMWPE là kết tinh lại áp suất cao. Hãng DePuy đưa ra UHMWPE kết tinh lại với thương hiệu "Hylamer" vào năm 1980. Khi chịu tác động tia gama, vật liệu dễ bị oxy hoá dẫn đến hiệu suất lâm sàng kém hơn UHMWPE nguyên gốc. Hylamer không được sử dụng ở Hoa Kỳ từ năm 1990 sau khi phát triển cross-linked UHMWPE nhưng những báo cáo hậu quả của nó vẫn có từ châu Âu.
Vật liệu Highly cross-linked UHMWPE được giới thiệu lâm sàng năm 1998 và được coi là vật liệu chuẩn cho thay thế khớp háng. Vật liệu mới được liên kết chéo dùng bức xạ gama hoặc electron (50–105 kGy) và sau đó xử lý nhiệt để tăng khả năng chống ô xy hoá. Dữ liệu lâm sàng 5 năm đã cho thấy tính ưu việt của vật liệu so với UHMWPE thông thường trong viêcj thay thế khớp háng. Các đánh giá vẫn đang tiếp tục về khả năng cross-linked UHMWPE cho việc thay thế khớp đầu gối.
2007, các nhà sản xuất đưa chất chống oxi hoá vào UHMWPE dùng cho bề mặt đỡ khớp háng và đầu gối. Vitamin E (a-tocopherol) là chất chống oxy hoá được sử dụng nhiều nhất cho liên kết chéo chiếu xạ UHMWPE (radiation-cross-linked UHMWPE) dùng cho ứng dụng y tế. Chất chống oxy hoá giúp triệt tiêu các gốc tự do sinh ra trong quá trình chiếu xạ giúp cải thiện UHMWPE mà không cần gia cố nhiệt. Rất nhiều công ty đã sản xuất khớp thay thế chống ôxy hoá sử dụng ổn định, sử dụng cả vitamin E và phenol làm chất chống oxy hoá.
UHMWPE còn dùng làm chỉ khâu y tế do hãng DSM sản xuất với thương hiệu "Dyneema Purity".
Chế tạo
UHMWPE dùng sản xuất cửa ra vào, cửa sổ PVC dùng tăng cường bộ bền cho vật liệu. UHMWPE còn làm vòng bi, phốt làm kín cho động cơ thuỷ lực. Vật liệu thích hợp cho chế tạo vật liệu cơ khí cao cấp dùng trong nước, dầu, khí nén và các ứng dụng không bôi trơn do có khả năng chống mài mòn tốt.
Dây và cáp
Cáp điện thường được bọc với hai lớp Fluoropolymer / HMWPE. Lớp sơ cấp fluoropolymer bảo vệ cáp khỏi hoá chất như clo, axit sulfuric và axit clohydric. Tiếp theo là lớp bọc HMWPE tăng cường đáng kể độ chịu lực độ bền trong quá trình lắp đặt.
Hàng hải
UHMWPE dùng trong công trình hảng hải để neo tàu và làm cấu trúc nổi. UHMWPE dùng làm bề mặt cấu trúc nổi cũng như cố định do:
Chống mài mòn: tốt nhất trong các loại nhựa, tốt hơn thép.
Chông va đập: tốt nhất trong các loại nhựa, tốt như thép.
Ma sát thấp (trong cả điều kiện khô và ướt): vật liệu có khả năng tự bôi trơn.