Ultra yüksek molekül ağırlıklı polietilen (UHMWPE)
- JACOM_CONTENT_CREATED_DATE_ON
- JACOM_CONTENT_WRITTEN_BY
UHMWPE, yoÄŸunluÄŸu 0.930–0.935 g/cm3 arasında deÄŸiÅŸen ve molekül ağırlığı milyonlar (2-6 milyon) seviyesinde olan bir polietilen grubudur. Yüksek molekül ağırlıklarının anlamı polimer zincirlerinin kristal yapı içinde çok sıkı bir biçimde yerleÅŸtiÄŸi veya paketlendiÄŸidir, polimer çok serttir ve termoplastik malzemeler arasında en yüksek darbe direncine sahiptir. Uzun zincirler moleküller arasıi etkileÅŸimi kuvvetlendirerek yükün polimer iskeletine daha etkin bir ÅŸekilde transferine olanak verir. Bu hal, herhangi bir yüksek darbe dirençli termoplastiÄŸe kıyasla daha dayanıklı ve sert bir yapı oluÅŸmasını saÄŸlar.Â
UHMWPE çok uzun zincirli polietilendir. Üretimde, genellikle metallosene katalizörler kullanılır. (Şekil 1)
Moleküller arasındaki Van der Waals kuvvetleri oldukça zayıftır, ancak moleküller çok uzun olduğundan molekülden moleküle büyük kayma (shear) kuvvetli taşınır. Her bir zincir diğerlerine çok miktarda Van der Waals kuvvetiyle bağlandığından tüm molekül arası kuvvet çok yüksek olur.
UHMWPE fiberlerde zincirlerin %95’inden fazlası paralel bir düzenlenmeye yerleÅŸirler ve kristallik seviyesi >%85’e ulaşır; bu durumda kısmen kısa moleküller arasında da kuvvetli baÄŸlar meydana gelir. Olefin molekülleri arasındaki zayıf baÄŸlanmalar yerel ısıl uyarmalara neden olarak bir zincirdeki kristalin düzenlenmeyi bozar, ısıl kararlılığı zayıflatır.Â
UHMWPE kokusuz, tatsız ve zehirli etkisi olmayan bir polimerdir. Oksitleyici asitler dışındaki tüm korozif kimyasal maddelere karşı son derece dirençlidir. Nem absorbsiyonu çok çok düşük (moleküllerde polar gruplar bulunmadığından su absorblamaz, nemlenmez), sürtünme katsayısı çok düşük, kendikendini yaÄŸlayıcı ve aşınmaya karşı son derece dayanıklı bir malzemedir. Sürtünme katsayısı Naylon ve Asetalden biraz daha düşük, Teflonla kıyaslanabilir seviyededir. Aşınmaya direnci Teflondan daha iyi, karbon çeliÄŸine kıyasla ise 15 kat daha yüksektir.Â
UHMWPE’in ticari olarak polimerizasyonu 1950’lerde Ruhrchemie AG tarafından gerçekleştirilmiştir. Daha sonraları çeşitli firmalar tarafından toz, levha, çubuk, ve fiber ürünler pazarlanmaya başlamıştır. Toz UHMWPE aşınma ve darbeye dayanıklı olduğundan doğrudan kalıplanabilir veya şekillendirilebilir.
UHMWPE’nin erime noktası 144-152 0C, kırılganlın sıcaklığı <-150 0C dolayındadır; fiberlerin kullanım sıcaklığının 80-100 0C’nın üstüne çıkmaması önerilir.; fiber yüzeyi kaygandır. Ester, amid, hidroksil gibi gruplar içermediÄŸinden suya, neme, pek çok kimyasal maddeye, UV ışınlarına ve mikro organizmaya karşı dayanıklıdır. UHMWPE gerilme yükü altında tutulduÄŸunda, yükün uygulanma süresi boyunca krep (creep) etkisi nedeniyle deforme olur. ÖrneÄŸin, oriyente edilmiÅŸ bir UHMWPE fiber 2.4 GPa gibi yüksek bir yüke dayanabilir; bu özelliÄŸi ile yüksek kuvvetli çeliklerle kıyaslanabilir seviyededir, düşük karbonlu çeliklerde bu deÄŸer ancak 0.5 GPa dolayındadır. UHMWPE’in endüstrideki uygulama alanları çok çeÅŸitlidir; tipik bazı örnekler aÅŸağıdaki tablo-1’de özetlenmiÅŸtir.Â
UHMWPE imalat endüstrinde de çeşitli amaçlarla kullanımı olan bir mühendislik plastiğidir. Örneğin, PVC pencere ve kapı üretiminde PVC esaslı malzemeyi yumuşatmak için gerekli ısıyı kararlı tutmada ve çeşitli şekillerdeki PVC profiller için şekil/odacığı dolgu maddesi olarak; yataklar ve hidrolik sızdırmazlık malzemesi, su içinde yapılan orta derecelerdeki mekanik işlerde; yağ hidrolikleri, pnömatik ve yağsız uygulamalarda kullanılmaktadır. Aşınmaya dayanıklılığı çok iyidir, fakat yumuşak yüzeyler arasında daha iyi sonuçlar verir. Tel/kablo üretiminde genellikle primer tabakanın üstü, mekanik koruma sağlaması amacıyla UHMWPE izolasyon malzemesiyle kaplanır.
Çapraz BaÄŸlı UHMWPEÂ
Çapraz baÄŸlanma, polietilen moleküllerinin zincirleri arasındaki moleküler baÄŸlardır. Çapraz baÄŸlanmayla malzemede kompleks üçboyutlu bir düzenlenme meydana gelir, polietilen zincirlerin birbirlerinden uzaklaÅŸması veya ayrılması çok zorlaşır, dolayısıyla malzemenin aşınma direnci artar.Â
Çapraz baÄŸlı UHMWPE üzerideki çalışmalar 1990’lı yıllarda baÅŸlamıştır. UHMEPE malzemenin çapraz baÄŸlı hale dönüştürülmesi iki aÅŸamada gerçekleÅŸtirilir; ışınlandırma, ve ışınlandırılmış malzemenin ergitilmesi.Â
Işınlandırma moleküller arasında çapraz baÄŸlar oluÅŸmasını saÄŸlar. Birinci jenerasyon çapraz baÄŸlı UHMWPE (Åžekil-b), normal UHMWPE’nin (Åžekil-a) gama ışınlarıyla (veya elektron demetiyle) ışınlandırılmasıyla üretilmiÅŸ ve yapışmaya, aşınmaya ve yaÅŸlanmaya karşı direncinin arttığı saptanmıştır; ancak, üründe oksitlenmeye neden olabilecek serbest radikaller kaldığı gözlenmiÅŸtir. (Åžekil 2)Â
Ergitme iÅŸlemi, çapraz baÄŸlar oluÅŸumunda tüketilmeyen serbest radikallerin giderilmesi amacıyla uygulanır; ergimiÅŸ malzemede polietilen zincirleri serbestçe hareket ederek, malzeme içinde yeniden düzenlenirken serbest radikaller birbirleriyle birleÅŸerek ilave çapraz baÄŸlar meydana getirirler. ErgitilmiÅŸ malzemenin soÄŸutulmasıyla üretilen ve Ä°kinci jenerasyon çapraz baÄŸlı UHMWPE (Åžekild) olarak adlandırılan ürün, önceki geliÅŸtirilmiÅŸ özelliklerin yanında oksitlenmeye karşı da dayanıklı hale getirilmiÅŸ, mekanik özellikleri,ve kırılmaya dayanıklılığı artırılmıştır.Â
ÖrneklerÂ
UHMWPE borularÂ
UHMWPE borular aşınmaya dayanıklıdır; aşınma deÄŸeri aynı çalışma koÅŸullardaki eÅŸitli çeliklere karşı 2-16 kat daha yüksektir. Hafif ve kuvvetlidirler. GüneÅŸ altında kullanıldığında 50 yıl, yer altında 100 yıl dayanıklıdır.Â
Yüzeyi çok düzgün olduğundan ve kendi kendine yağlama özelliğinden dolayı UHMWPE borular, teflon da dahil, diğer tüm boru hatlarına kıyasla fevkalade anti-scaling (pul pul kabarma) özelliği gösterirler.
Aşınmaya karşı çok dirençli olduÄŸundan yaÅŸam ömrü dolayısıyla bakım ve deÄŸiÅŸtirme masrafları çok azdır. Kimyasal maddelere, korozyona ve deniz suyuna dayanıklıdır. Darbe direnci çok yüksektir. Kokusuzdur, renksizdir ve zehirli deÄŸildir, bakteri üretmez, karbon emisyonu çok düşüktür ve çevreyi kirletmez.Â
UHMWPE borular pek çok endüstri kolunda taşıma, nakliye, temizlik ve atık boruları gibi çok çeşitli amaçlarla kullanılmaktadır; örneğin, elektrik güç fabrikası, gemi endüstrisi, kimya endüstrisi, metallurji endüstrisi, yiyecek endüstrisi, kömür endüstrisi, konstrüksiyon endüstrisi gibi.
UHMWPE levhalarÂ
UHMEPE sert ve sıkı (yoÄŸun) bir termoplastiktir; hafiftir, aşınmaya kimyasal maddelere, korozyona dayanıklıdır, kendikendine yaÄŸlayıcıdır, kolaylıkla iÅŸlenebilir.Â
UHMWPE levhaların sürtünme katsayısı, tüm mühendislik plastiklerine kıyasla çok düşüktür. Fevkalade aşınmaya direnci UHMWPW levhaların kanal ve hoper kaplamada, kızak yapımında ve aşınma blokları olarak kullanılmasına olanak verir.Â
UHMWPE levhalar yiyecek üretim ortamlarında, konveyörler veya üretim hatlarıyla baÄŸlantılı büyük hacimli konteynırlarda kullanılır.Â
Nem çekme özelliÄŸi çok düşük olduÄŸundan UHMWPE levhaların önemli bir kullanım alanı da denizcilik sektörüdür.Â
Düşük sıcaklıklarda işlenebilir özelliği nedeniyle UHMWPE sentetik buz levhaların üretiminde kullanılmaktadır. Sentetik buz üzerinde patenle kayılabilen bir yüksek teknoloji mühendislik polimeridir; yapısal görünümü beyaz bir plastik levhaya benzer. Levhalar dev paneller şeklindedir, düzgün ve dikişsiz, üzerinde güvenli bir kayma sağlayacak şekilde yerleştirilebilir; patenler, gerçek buz üzerinde olduğu kadar rahatlıkla kayar. Levhanın yüzeyine kaydırıcı bir malzeme püskürtülür.
UHMWPE fiberlerÂ
UHMWPE fiberler, yüksek modüllü polietilen (HMPE) veya yüksek performans polietilen (HPPE) fiberler olarak da tanımlanır; 1990’lı yılların başında geliÅŸtirilmiÅŸtir. Bilinen üç yüksek teknoloji ve yüksek performans fiberinden (karbon fiber, aramid fiber ve UHMWPE fiber) biri olan UHMEPE fiberler, molekül ağırlığının, moleküller arası baÄŸlanmaların, oriyantasyon derecesinin ve kristalinitesinin çok yüksek olması nedeniyle bu üç fiberden en kuvvetli olanıdır.Â
UHMWPE fiberler çelikten 15 kat daha güçlüdür; yüksek güç, yüksek sıcaklık kararlılığı, bozulma veya çürümeye karşı yüksek direnç gösterirler. Kullanım alanları arasında savunma sanayi (kurşun geçirmez malzemeler gibi), okyanus ve balıkçılıkla ilgili alanlar, fiziksel alanlar, v.s. sayılabilir.
DiÅŸlilerÂ
UHMWPE diÅŸliler molekül ağırlıkları 3 milyonun üstünde, aşınma indeksi ve sürtünme katsayısı çok düşük malzemelerdir. Aşınmaya karşı direnci fevkalade yüksektir; örneÄŸin, normal çelik alaşımlardan 7 kat, paslanmaz çelikten 27 kat, fenolik reçinelerden 18 kat, naylon 6’dan 6 kat, normal polietilenden 4 kat daha yüksektir. Darbeye dayanıklılık yönünden diÄŸer mühendislik plastikleri içinde en fazla dayanıklı olanıdır.Â
UHMWPE diÅŸlilerin kimyasal kararlılığı çok yüksektir, korozyona uÄŸramaz, yüksek sıcaklıklarda bazı zayıf asitler dışında asitlere karşı dayanıklıdır. Yapısında mumsu kısımlar bulunduÄŸundan kendi kendine yaÄŸlama özelliÄŸi çok iyidir. Sürtünme katsayısı çok düşüktür.Â
UHMWPE diÅŸlilerin düşük çalışma performanslar çok yüksektir, Yüksek darbe direnci ve anti-aşınma özeliÄŸi -269 0C’da bile deÄŸiÅŸmez.; mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda çalışabilen yegane mühendislik plastiÄŸidir. Sürtünme katsayısı çok düşük olduÄŸundan ve polar bir malzeme olmadığından yüzeyi son derece pürüzsüzdür ve fevkalade yapışmama özelliÄŸine sahiptir.Â
UHMWPE zincirlerinde doymamış gruplar yok gibidir, bu özelliÄŸi malzemenin yorulmasının ve çevresel gerilmeyle kırılma direncinin çok yüksek olmasını saÄŸlar. Yer altına kullanılan UHMWPE diÅŸlilerin kullanım süresi 50 yıla kadar çıkar.Â
UHMWPW dişlilerin birim ağırlığı çelik malzemeye kıyasla 1/8 kadardır; bu özelliği yükleme taşıma, indirme ve montaj işlerini çok kolaylaştırır. UHMWPW dişliler enerji ve gürültüyü absorblayabilir statik elektriğe karşı dirençlidir, elektronlara karşı kalkan gibi davranır, suyu itici özelliği gösterir.
Medikal UygulamalarÂ
UHMWPE 40 yılı aÅŸkın bir süredir tıpta çeÅŸitli amaçlarla, örneÄŸin kalça kemiÄŸi ve bel kemiÄŸi implant uygulamalarda kullanılmaktadır. UHMWPE üzerindeki ilk klinik çalışmalar, 1962 yılında Sir John Charnley tarafından baÅŸlatılmış, 1970’li yıllarda yapay kalça ve diz uygulamaları üzerinde çalışılmıştır. Karşılaşılan bazı zorluklar ve sıkıntıların giderilmesi klinik performansın saÄŸlanabilmesi ancak 1990’lı yılların sonlarında yüksek derecede çapraz baÄŸlı UHMWPE üretiminin gerçekleÅŸtirilmesiyle aşılabilmiÅŸtir. Aynı malzemeden yapılan fiberlerin klinik uygulamalarına 1998 yılında baÅŸlamıştır.Â
UHMWPE’nin yapay baÄŸlantı parçalarına uygulanmasında karşılaşılan önemli bir sıkıntı aşınma sorunları olmuÅŸtur; malzemelerin kayma yüzeyleri arasında oluÅŸan aşınma tanecikleri (< 1 mikro çapında) zamanla baÄŸlantı parçasında kayıplara neden olacağını göstermiÅŸtir. Bu durum, karşılıklı yüzeylerin sürtünmeyi azaltacak ince bir polimer film tabakasıyla kaplanmasıyla, veya aşınmaya dayanıklı özellikler içeren yüksek çapraz bağı UHMWPW ile giderilebilmiÅŸtir.Â
UHMWPE termoplastik bir polimer olmasına karşın, genel termoplastiklerin fabrikasyon metotlarıyla işlenemez. UHMWPE kristalin ergime sıcaklığının üstündeki sıcaklıklarda ergitildiğinde kauçuksu bir hal alır, fakat akışkan olmaz. İşlenebilmesi için gerekli sıcaklık kombinasyonu, basınç ve zamanın çok iyi dengelenmesi gerekir. Uygun metotlar ram ekstruzyon, sıkıştırmayla kalıplama ve doğrudan sıkıştırmayla kalıplamadır. Yöntemlerde hedef, UHMWPE taneciklerin tamamıyla sinterleşebilmesi için uygun sıcaklık ve gerekli basıncın uygulanabilmesidir.
UHMWPE’nin yapay baÄŸlantı parçalarına uygulanmasında karşılaşılan önemli bir sıkıntı aşınma sorunları olmuÅŸtur; malzemelerin kayma yüzeyleri arasında oluÅŸan aşınma tanecikleri (< 1 mikro çapında) zamanla baÄŸlantı parçasında kayıplara neden olacağını göstermiÅŸtir. Bu durum, karşılıklı yüzeylerin sürtünmeyi azaltacak ince bir polimer film tabakasıyla kaplanmasıyla, veya aşınmaya dayanıklı özellikler içeren yüksek çapraz bağı UHMWPW ile giderilebilmiÅŸtir.Â
Yüksek performanslı implantların elde edilmesi için UHMWPE’nin bazı özelliklerinin geliştirilmesi gerekir:
Yüksek sıcaklık (250 0C) ve yüksek basınç (2800 atm.) uygulayarak degradasyona (bozunma) uÄŸramadan kristalinitesinin %80’nin üzerine çıkarılmasıÂ
Vakumda veya inert bir gaz içinde düşük dozda gama ışını ile malzemede çapraz baÄŸlanmaların oluÅŸturulmasıÂ
Sonra, oksijensiz bir ortamda bekletilmesi; veya, vakumda veya inert bir gaz içinde ergime noktasının altında bir sıcaklıkta bekletilmesi, yani soÄŸutulmasıÂ
Parçalanmasını (kraking) önlemek amacıyla uygun bir miktarda e vitamini ilave edilmesi. (Şekil 3)