پلی اتیلن با وزن مولکولی بالا UHMWPE: معرفی، ویژگیها، فرآیند تولید، کاربرد، مزایا و … را در این مقاله مورد بررسی قرار میدهیم
پلیاتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا (UHMWPE) به عنوان یکی از پیشرفتهترین پلیمرهای مهندسی، توجه گستردهای را در جوامع علمی و صنعتی به خود جلب کرده است. این ماده منحصر به فرد با داشتن وزن مولکولی در محدوده 3.5 تا 7.5 میلیون گرم بر مول، ساختار مولکولی خطی و درجه بلورینگی بالا (حدود 50-85%)، مجموعهای بینظیر از خواص فیزیکی-مکانیکی را ارائه میدهد که آن را از سایر پلیمرهای مهندسی متمایز میسازد.
از دیدگاه ترمودینامیکی و رئولوژیکی، UHMWPE رفتار غیرنیوتنی شدیدی از خود نشان میدهد که ناشی از درهمتنیدگی زنجیرهای پلیمری (chain entanglements) و ویسکوزیته مذاب بسیار بالا (در حدود 10^8 پویز) میباشد. این ویژگیها منجر به چالشهای قابل توجهی در فرآیندپذیری این ماده شده و نیازمند روشهای خاص پردازش مانند پرس گرم (hot compression molding) یا اکستروژن حالت جامد (ram extrusion) میباشد.
پلیاتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا (Ultra-High Molecular Weight Polyethylene, UHMWPE) یک ترموپلاستیک نیمهبلورین با ساختار خطی است که وزن مولکولی آن معمولاً در محدوده 3.5 تا 10 میلیون گرم بر مول (g/mol) قرار دارد. این وزن مولکولی بسیار بالا (حدود 100 برابر بیشتر از پلیاتیلن معمولی HDPE) منجر به خواص مکانیکی و تریبولوژیکی استثنایی میشود که آن را به یکی از پلیمرهای مهندسی پرکاربرد تبدیل کرده است.
ساختار شیمیایی: تکرار واحدهای اتیلن ([-CH₂-CH₂-]n) با درجه شاخهای شدن بسیار کم (کمتر از 1 شاخه در هر 1000 اتم کربن).
• درجه بلورینگی: 45-85% (بسته به روش پردازش و شرایط سرد کردن)
• چگالی: 0.93-0.94 g/cm³ (پایینتر از HDPE به دلیل وجود نقایص بلوری)
• دمای ذوب (Tm): 130-145°C
• دمای انتقال شیشهای (Tg): حدود -120°C
پلیاتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا (UHMWPE) دارای وزن مولکولی در محدوده 3.5 تا 10 میلیون گرم بر مول است که این ویژگی، عامل اصلی خواص مکانیکی استثنایی آن محسوب میشود. چگالی این ماده بین 0.93 تا 0.94 گرم بر سانتیمتر مکعب قرار دارد که کمی پایینتر از پلیاتیلن با چگالی بالا (HDPE) است. این پلیمر از مدول یانگ 0.5 تا 1.5 گیگاپاسکال و استحکام کششی 30 تا 40 مگاپاسکال برخوردار است که آن را برای کاربردهای ساختاری مناسب میسازد. یکی از چشمگیرترین ویژگیهای UHMWPE، ازدیاد طول تا شکست در محدوده 200 تا 400 درصد و استحکام ضربه بالای 100 کیلوژول بر متر مربع است که نشاندهنده چقرمگی فوقالعاده این ماده میباشد.
UHMWPE دارای ضریب اصطکاک بسیار پایینی در محدوده 0.1 تا 0.2 است که حتی از تفلون نیز پایینتر میباشد. این ویژگی همراه با نرخ سایش بسیار کم در حدود 10 به توان منفی 7 میلیمتر مکعب بر نیوتن-متر، مقاومت سایشی این ماده را تا 100 برابر بیشتر از فولاد کربنی افزایش داده است. چنین خصوصیاتی باعث شده تا UHMWPE در کاربردهای سایشی از عمر خدمتی بسیار طولانی برخوردار باشد.
این پلیمر مقاومت شیمیایی بسیار خوبی در برابر اسیدها، بازها و حلالهای آلی از خود نشان میدهد. با این حال، در برابر اکسیداسیون حساس است و در مواجهه طولانیمدت با پرتوهای فرابنفش نیاز به پایدارکننده دارد. از نظر پایداری حرارتی، UHMWPE میتواند به صورت پیوسته در دمای 80 تا 100 درجه سانتیگراد مورد استفاده قرار گیرد، اما در دمای بالای 150 درجه سانتیگراد شروع به تخریب میکند.
دمای ذوب UHMWPE بین 130 تا 145 درجه سانتیگراد متغیر است که به درجه بلورینگی آن بستگی دارد. دمای انتقال شیشهای این ماده حدود منفی 120 درجه سانتیگراد است که انعطافپذیری آن را در دماهای بسیار پایین تضمین میکند. هدایت حرارتی UHMWPE در محدوده 0.4 تا 0.5 وات بر متر-کلوین قرار دارد که نسبتاً پایین است و در برخی کاربردهای حرارتی نیاز به تقویت دارد.
از نظر الکتریکی، UHMWPE با ثابت دیالکتریک 2.3 در فرکانس 1 کیلوهرتز و استحکام دیالکتریک 50 کیلوولت بر میلیمتر، عایق الکتریکی بسیار خوبی محسوب میشود. این ویژگیها آن را برای کاربردهای الکتریکی مناسب ساخته است.
فرآیند تولید UHMWPE با پلیمریزاسیون کاتالیستی گاز اتیلن آغاز میشود. این فرآیند از روشهای خاصی استفاده میکند تا به وزن مولکولی بسیار بالا دست یابد:
A. کاتالیستهای مورد استفاده:
• کاتالیستهای زیگلر-ناتا (TiCl₄/Al(C₂H₅)₃)
• کاتالیستهای متالوسن (پیشرفتهتر با کنترل بهتر ساختار)
B. شرایط واکنش:
• دمای پایین (60-80°C)
• فشار نسبتاً کم (4-8 اتمسفر)
• محیط واکنش بدون حلال (پلیمریزاسیون سوسپانسیونی)
این شرایط ملایم به زنجیرهای پلیمری اجازه میدهد تا **به صورت خطی و با طول بسیار زیاد** رشد کنند.
به دلیل ویسکوزیته مذاب بسیار بالا، UHMWPE را نمیتوان با روشهای معمول پلیمرها پردازش کرد. روشهای اصلی شکلدهی عبارتند از:
A. پرس گرم (Compression Molding)
1. مراحل فرآیند:
• پودر UHMWPE در قالب فلزی ریخته میشود
• تحت فشار (5-15 مگاپاسکال) و دمای (200-230°C) قرار میگیرد
• زمان نگهداری: 30-60 دقیقه به ازای هر میلیمتر ضخامت
• سرد کردن کنترلشده تحت فشار
2. ویژگیهای محصول نهایی:
• چگالی یکنواخت
• جهتگیری مولکولی تصادفی
• استحکام مکانیکی خوب در همه جهات
B. اکستروژن حالت جامد (Ram Extrusion)
1. شرایط فرآیند:
• دمای پردازش: 120-150°C (زیر نقطه ذوب)
• فشار بالا (تا 100 مگاپاسکال)
• نرخ برش پایین
2. مزایا:
• تولید پروفیلهای بلند و پیوسته
• جهتگیری مولکولی در جهت اکستروژن
• بهبود خواص مکانیکی در جهت طولی
C. قالبگیری چرخشی (Rotational Molding)
• برای تولید قطعات توخالی بزرگ مانند مخازن
• دمای پردازش: حدود 200°C
• زمان چرخش: چند ساعت
A. تابش گاما برای پیوند عرضی
1. اهداف:
• بهبود مقاومت سایشی
• کاهش تخریب اکسیداتیو
• افزایش پایداری حرارتی
2. شرایط:
• دوز تابش: 25-100 کیلوگری
• در محیط بیهوا یا تحت گاز نیتروژن
B. عملیات حرارتی (Annealing)
• دمای عملیات: 120-140°C
• زمان: چند ساعت
1. نتایج:
• کاهش تنشهای داخلی
• افزایش درجه بلورینگی
• بهبود پایداری ابعادی
A. آزمونهای رایج:
• تعیین وزن مولکولی (ویسکومتری)
• آنالیز DSC برای بررسی رفتار حرارتی
• آزمونهای سایش (Pin-on-Disk, ASTM F732)
• تستهای مکانیکی (کشش، ضربه، خزش)
B. پارامترهای کنترل فرآیند:
• توزیع وزن مولکولی
• درجه بلورینگی (با XRD یا DSC)
• خلوص شیمیایی (وجود کاتالیست باقیمانده)
کاربردهای تخصصی پلیاتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا (UHMWPE)
A. کاسه مفصل هیپ و زانو:
• جایگزینی برای فلزات در سطوح مفصلی به دلیل سایش کم (کاهش ذرات ساینده تا 90% نسبت به فلز-فلز)
• ضریب اصطکاک 0.05 – 0.1 (مشابه غضروف طبیعی)
• عمر مفید بیش از 15 سال در بدن
B. دیسکهای بین مهرهای مصنوعی:
• مدول الاستیسیته نزدیک به دیسک طبیعی (0.5 – 1.5 GPa)
• جذب ضربه و جلوگیری از آسیب به مهرهها
C. سایر کاربردها:
• نخهای جرگاهی با استحکام بالا
• پروتزهای استخوانی
A. جلیقههای ضدگلوله:
• جذب انرژی ضربه تا 300 ژول بر گرم (ترکیب با آرامید)
• کاهش وزن تا 40% نسبت به صفحات فلزی
B. محافظهای خودرو و هواپیما:
• مقاومت در برابر ترکش و انفجار
• پوشش مخازن سوخت نظامی
A. کابلها و طنابهای زیرآبی:
• مقاومت در برابر آب شور و موجودات دریایی
• استحکام کششی 2 – 3 برابر فولاد با وزن کمتر
B. یاتاقانهای کشتی:
• عملکرد بدون روانکننده در آب دریا
• کاهش اصطکاک تا 70% نسبت به برنز
A. لولهها و پوششهای مقاوم به خوردگی:
• تحمل اسیدها و بازهای قوی (pH 1-14)
• کاهش رسوبگیری در خطوط انتقال نفت
B. شیرآلات و اتصالات:
• عمر مفید 10 برابر فولاد ضدزنگ در محیطهای خورنده
A. تسمههای نقاله مواد غذایی:
• تایید FDA برای تماس مستقیم با غذا
• جلوگیری از آلودگی میکروبی
B. پوشش مخازن شیر و آبمیوه:
• مقاومت در برابر شستشوی اسیدی
A. پوششهای مقاوم به سایش:
• طول عمر 5 – 8 برابر فولاد در معادن زغالسنگ
• کاهش هزینههای تعمیر و نگهداری
B. صفحات جداکننده مواد معدنی:
• مقاومت در برابر سایش ذرات سخت
A. نانوکامپوزیتهای UHMWPE:
• افزودن نانولولههای کربنی برای هدایت حرارتی
• استفاده در باتریهای لیتیومی
B. چاپ سهبعدی ایمپلنتهای سفارشی:
• فناوری SLS (Selective Laser Sintering)
• کاهش مصرف انرژی تا 30% در سیستمهای مکانیکی
• عدم نیاز به روانکار در بسیاری از کاربردها
• کاهش هزینههای تعمیر و نگهداری به دلیل عمر طولانی
• رشد سالانه 8.5% در بازار پزشکی (2023 – 2025)
• سهم 35% از بازار پلیمرهای مهندسی در صنایع دفاعی
• ارزش بازار 2.5 میلیارد دلاری تا سال 2025
• بهبود پایداری حرارتی برای کاربردهای دمابالا
• توسعه روشهای بازیافت برای پایداری محیطی
• کاهش هزینه تولید با فناوریهای جدید
این کاربردهای گسترده نشاندهنده اهمیت استراتژیک UHMWPE در صنایع پیشرفته است. ترکیب **خواص مکانیکی منحصر به فرد، مقاومت شیمیایی و سایشی عالی**، این ماده را به گزینهای ایدهآل برای چالشبرانگیزترین شرایط کاری تبدیل کرده است.
مزایای کلیدی پلیاتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا (UHMWPE)
A. استحکام ضربه فوقالعاده:
مقاومت در برابر ضربه تا 10 برابر بیشتر از فولاد کربنی (حدود 100 kJ/m²) بدون شکست
B. چقرمگی بالا:
ازدیاد طول تا شکست 300 – 500% حتی در دمای پایین (-40°C)
C. مقاومت خستگی عالی:
تحمل سیکلهای بارگذاری مکرر بدون ایجاد ترک
• ضریب اصطکاک بسیار پایین (0.05-0.2):
پایینتر از تفلون در شرایط خشک
• مقاومت سایشی استثنایی:
عمر سایشی 100 برابر فولاد در کاربردهای مانند غلتکهای صنعتی
• خاصیت خودروانکاری:
عملکرد عالی بدون نیاز به روانکار در محیطهای خشک
• مقاومت شیمیایی عالی:
مقاوم در برابر اسیدهای غلیظ، بازها و حلالهای آلی (pH 1-14)
• پایداری در محیطهای خورنده:
عملکرد ممتاز در معرض آب دریا، مواد شیمیایی و UV
• زیستسازگاری:
تایید شده برای کاربردهای پزشکی (ISO 10993, FDA Class VI)
• وزن سبک (0.93 – 0.94 g/cm³):
حدود 7 برابر سبکتر از فولاد با استحکام قابل مقایسه
• جذب ارتعاش و صدا:
کاهش 40-50% ارتعاشات در مقایسه با فلزات
• عایق الکتریکی:
مقاومت دیالکتریک بالا (50 kV/mm)
• کاهش هزینههای تعمیر و نگهداری:
افزایش 3 – 5 برابری عمر تجهیزات در کاربردهای سایشی
• صرفهجویی انرژی:
کاهش 25 – 30% مصرف انرژی در سیستمهای مکانیکی
• سهولت پردازش ثانویه:
امکان ماشینکاری آسان با ابزار استاندارد
• مقاومت در برابر رشد میکروبی:
ایدهآل برای صنایع غذایی و پزشکی
• عدم نیاز به روانکارهای شیمیایی:
کاهش آلودگی محیط زیست
• قابلیت بازیافت:
امکان استفاده مجدد در برخی کاربردهای غیرحساس
• پزشکی: کاهش تولید ذرات ساینده در ایمپلنتها
• صنایع غذایی: جلوگیری از آلودگی متقاطع
• معادن: کاهش توقف خط تولید به دلیل سایش
• نانوکامپوزیتها: افزایش هدایت حرارتی تا 300%
• پیوند عرضی: بهبود مقاومت حرارتی تا 120°C
• آلیاژسازی: ترکیب با پلیمرهای دیگر برای کاربردهای خاص
این مزایای منحصر به فرد باعث شدهاند UHMWPE به عنوان مادهای استراتژیک در صنایع پیشرفته شناخته شود. ترکیب خواص مکانیکی، شیمیایی و تریبولوژیکی استثنایی، این پلیمر را به گزینهای بینظیر برای چالشبرانگیزترین شرایط کاری تبدیل کرده است.
معایب و محدودیتهای پلیاتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا (UHMWPE)
دمای کارکرد محدود:
• حداکثر دمای کارکرد پیوسته: 80-100°C
• تخریب حرارتی از 150°C آغاز میشود
• تغییر شکل ابعادی در دمای بالا
پایداری اکسیداتیو ضعیف:
• حساسیت به تخریب اکسیداتیو در مواجهه طولانی با اکسیژن
• نیاز به افزودنیهای آنتیاکسیدان
ویسکوزیته مذاب بسیار بالا:
• عدم امکان استفاده از روشهای معمول تزریق پلاستیک
• نیاز به تجهیزات ویژه (پرس گرم، اکستروژن حالت جامد)
سرعت تولید پایین:
• زمانبر بودن فرآیند پرس گرم (30-60 دقیقه به ازای هر میلیمتر ضخامت)
• محدودیت در تولید انبوه
مقاومت خزشی (Creep) نسبتاً پایین:
• تغییر شکل تدریجی تحت بارهای طولانیمدت
• محدودیت در کاربردهای تحت بار دائم
مدول الاستیسیته پایینتر از فلزات**:
• حدود 1 GPa در مقایسه با 200 GPa فولاد
• محدودیت در کاربردهای ساختاری با سفتی بالا
حساسیت به اشعه UV:
• تخریب در مواجهه طولانی با نور خورشید
• نیاز به پایدارکنندههای UV
حلالیت در برخی هیدروکربنها**:
• تورم در تماس با روغنها و حلالهای آلی خاص
هزینه تولید بالا:
• قیمت 3 – 5 برابر پلیاتیلن معمولی (HDPE)
هزینه بالای ماشینآلات فرآوری ویژه
محدودیت در بازیافت:
• چالش در بازیافت مکانیکی به دلیل ویسکوزیته بالا
• کاهش خواص در چرخههای بازیافت متعدد
چسبندگی ضعیف:
• مشکل در چسبندگی به سایر مواد
• نیاز به روشهای خاص سطحآمایی
محدودیت در جوشکاری:
• نیاز به تکنیکهای ویژه جوشکاری حرارتی
پیوند عرضی تابشی:
• بهبود مقاومت حرارتی تا 30%
• افزایش مقاومت خزشی
نانوکامپوزیتها:
• افزودن نانولولههای کربنی برای بهبود هدایت حرارتی
• استفاده از نانوذرات برای افزایش مدول
آلیاژسازی:
• ترکیب با پلیمرهای دیگر برای بهبود فرآیندپذیری
• محیطهای با دمای بسیار بالا
• کاربردهای تحت بار دائم و استاتیک
• موارد نیازمند سفتی بسیار بالا
• کاربردهای نیازمند هدایت حرارتی
این محدودیتها باعث میشوند انتخاب UHMWPE نیازمند ارزیابی دقیق شرایط کاری باشد. با این حال، با پیشرفتهای اخیر در زمینه نانوکامپوزیتها و روشهای اصلاح سطح، بسیاری از این معایب در حال کاهش هستند.
طول زنجیرههای مولکولی فوقالعاده بلور (3-10 میلیون g/mol) باعث جذب انرژی ضربه میشود. این ویژگی از طریق درهمتنیدگی مولکولی زیاد و تغییر شکل پلاستیک گسترده محقق میشود. تشکیل نواحی جریان یافته نیز به جذب انرژی کمک میکند. این ترکیب ویژگیها، UHMWPE را برای کاربردهای ضربهپذیر مناسب میسازد.
ساختار بلوری متراکم و ضریب اصطکاک بسیار پایین (0.05-0.1) از عوامل کلیدی هستند. توانایی تشکیل لایه انتقالی روی سطح مقابل نیز نقش مهمی دارد. این ترکیب منحصر به فرد، سایش را تا حد قابل توجهی کاهش میدهد و عمر قطعات را افزایش میدهد.
مشکلات اصلی شامل ویسکوزیته مذاب بسیار بالا و عدم جریان در حالت مذاب است. این ویژگیها نیاز به فشار و دمای کنترلشده دقیقی ایجاد میکنند. در نتیجه، روشهای پردازش معمول پلیمرها برای UHMWPE قابل استفاده نیستند.
تابش گاما یا پرتوهای پرانرژی شبکه سهبعدی بین زنجیرهها ایجاد میکند. این فرآیند مقاومت سایشی را تا چند برابر افزایش میدهد. همچنین پایداری حرارتی و مقاومت در برابر تغییر شکل تحت بار را بهبود میبخشد. این اصلاحات منجر به افزایش عمر مفید محصولات میشود.
پلی اتیلن با وزن مولکولی بالا UHMWPE دارای وزن مولکولی سنگین و زنجیرهای طولانی میباشد. ساختار آن از مونومرهای زیادی تشکیل شده است. این پلی اتیلن استحکام بسیار بالایی دارد و در برابر خوردگی و سایش مقاومتر میباشد. پلی اتیلنهای دارای وزن مولکولی بالا بدون بو و سموم خاصی هستند. در صنایع مختلف کاربرد بالایی دارند.
این پلی اتیلنها در تولید الیاف، لوله و روکش کابلها استفاده میشوند. تولید آنها به روشهای مختلفی انجام میگیرد. در ساخت پلی اتیلن با وزن مولکولی بالا UHMWPE از کاتالیزگرهای متالوسن استفاده میشود. این پلی اتیلنها بعلت داشتن ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی خاص در صنایع مختلف بسیار کاربردی میباشند و مزایای بالایی دارند.
همچنین شما میتوانید برای مشاوره و اطلاع انواع اکریلو نیتریل بوتادین استایرن ABS همچنین اطلاع از مراحل صادرات انواع گرید های پلیمری صادراتی، قیمت های بروز مواد Virgin پتروشیمی، انواع گرانول Recycle و انواع کامپاند های پلیمری پایه PE، PP، ABS، PVC، PS و همچنین انواع گرید های قیر بصورت فله، بشکه، جامبو و … از طریق Whatsapp با ما در ارتباط باشید.
بازرگانی ایرتاز عرضه کننده و تولید کننده انواع مواد اولیه، گرانول پلی اتلین، انواع پلی پروپیلن ، PEWAX ، ABS ، PVC ، تولید کننده کامپاندهای پایه PE ، PP ، PVC ، ABS، انواع پلی استایرن مستربچ و انواع گرانول لوله های باکیفیت و قیمت مناسب به بازارهای داخلی و خارجی می باشد. جهت خرید این محصولات و مشاوره می توانید با کارشناسان ما در مرکز فروش تماس بگیرید.
09104417319
عنوان گرید | پتروشیمی | دیتاشیت |
---|---|---|
LLD 209 Amir | امیر کبیر | 📥 |
LLD 209 KJ Amir | امیر کبیر | 📥 |
0205AA Amirkabir | امیر کبیر | 📥 |
0410KJ Tabriz | تبریز | - |
0220AA Tabriz | تبریز | 📥 |
0410AA Tabriz | تبریز | - |
0220KJ Tabriz | تبریز | 📥 |
LL 0209KJ tabriz | تبریز | 📥 |
LLD 209 Tabriz | تبریز | 📥 |
LL 235F6 jam | جم | 📥 |
18XF 5N | جم | - |
32604 UV | جم | - |
LLD 22501 jam | جم | - |
22501KJ | جم | 📥 |
(پودر) 235F6 | جم | - |
LLD 209 Arak | شازند | 📥 |
0410AA shazand | شازند | - |
0209KJ shazand | شازند | 📥 |
(پودر) LLD 209 arak | شازند | - |
20075AA shazand | شازند | 📥 |
LLD 18B04 Lorestan | لرستان | 📥 |
(پودر) 22B03 Lorestan | لرستان | - |
22B02KJ Loresatan | لرستان | - |
lorestan(پودر) 22B01 | لرستان | - |
22B02 Loresatan | لرستان | 📥 |
22B01 Lorestan | لرستان | - |
22B03 Lorestan | لرستان | - |
Lorestan(پودر) 22B02 | لرستان | - |
LLD 22402 Lorestan | لرستان | 📥 |
LLD 22b02 Mahabad | مهاباد | 📥 |
LLD 22b01 Mahabad | مهاباد | 📥 |
LLD 22B03 Mahabad | مهاباد | 📥 |
20 Bf5 Mahabad | مهاباد | - |
22 Bf7 Mahabad | مهاباد | - |
18B01 mahabad | مهاباد | 📥 |
LL 22B01 KJ mahabad | مهاباد | - |
LL 22B02 KJ Mahabad | مهاباد | - |
mahabad(پودر) 22B02 | مهاباد | 📥 |
mahabad(پودر) 22B01 | مهاباد | 📥 |
20BF5 (پودر) | مهاباد | - |
22b03(پودر) | مهاباد | - |
LL 20BF5 | مهاباد | 📥 |
Pretty section of content. I just stumbled upon your website and in accession capital to assert that
I get actually enjoyed account your blog posts. Anyway
I’ll be subscribing to your augment and even I achievement you
access consistently quickly.
Here is my homepage; how to get more followers on instagram, wwd.com,