Problemas en la inspección del material de polietileno de alto peso molecular UHMWPE

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Este mensaje fue editado por última vez por liaifeng el 28-7-2018 a las 07:54. El UHMWPE (polietileno de muy alto peso molecular) es un plástico termoplástico de excelentes propiedades, cuyas moléculas tienen una estructura lineal. Su peso molecular puede superar los 1,5 millones. Tiene baja densidad y excelentes propiedades como resistencia al desgaste, autolubricación, resistencia al impacto y resistencia a la corrosión, entre otras. La extremadamente alta masa molecular del UHMWPE (la masa molecular del HDPE suele ser de solo 20.000 a 300.000) le confiere unas excelentes propiedades de uso. Se trata de un termoplástico de ingeniería con un precio moderado y buen rendimiento; reúne prácticamente todas las ventajas de los distintos plásticos. Posee propiedades integrales incomparables respecto al polietileno común y otros termoplásticos de ingeniería, como una resistencia al desgaste y al impacto excepcional, autolubricación, resistencia a la corrosión, capacidad para absorber energía de impacto, resistencia a bajas temperaturas, inocuidad e higiene, baja tendencia a adherirse a superficies, escasa absorción de agua y baja densidad. De hecho, actualmente no existe ningún material polimérico que cuente con tantas propiedades excelentes al mismo tiempo. Resistencia al desgaste: La resistencia al desgaste del UHMWPE es la más alta entre los plásticos, superando incluso a algunos metales. En comparación con otros plásticos de ingeniería, el índice de desgaste por abrasión del UHMWPE es solo 1/5 del PA66 y 1/10 del HEPE y el PVC ； En comparación con los metales, es 1/7 del acero al carbono y 1/27 del bronce. Esta resistencia al desgaste es tan alta que resulta difícil medirla mediante los métodos habituales de prueba de desgaste para plásticos; por ello, se diseñó un dispositivo especial para probar el desgaste en mortero. La resistencia al desgaste del UHMWPE es directamente proporcional al peso molecular; cuanto mayor es el peso molecular, mejor es su resistencia al desgaste. Resistencia al impacto: La resistencia al impacto del UHMWPE está entre las más altas de todos los plásticos ingenieriles. Su resistencia al impacto es aproximadamente el doble que la del PC resistente al impacto, 5 veces mayor que la del ABS, y más de 10 veces mayor que la del POM y del PBTP. Su resistencia al impacto es tan alta que resulta difícil hacerla fracturar mediante los métodos habituales de prueba de impacto. Su resistencia al impacto aumenta a medida que aumenta el peso molecular, alcanzando un valor máximo cuando el peso molecular es de 1,5 millones; posteriormente, disminuye gradualmente a medida que sigue aumentando el peso molecular. Cabe señalar que también mantiene una excelente resistencia al impacto en nitrógeno líquido (-195 °C), una característica que no poseen otros plásticos. Además, su dureza superficial es mayor bajo impactos repetidos. El UHMWPE autolubricante tiene un factor de fricción extremadamente bajo (0,05–0,11), por lo que su capacidad de autolubricación es excelente. La Tabla 1 muestra una comparación del coeficiente de fricción del UHMWPE con otros plásticos de ingeniería. Como se puede observar en la Tabla 1, el coeficiente de fricción dinámica del UHMWPE es la mitad del de el PA66 y el POM bajo condiciones de lubricación con agua; además, sin lubricación, ocupa el segundo lugar después del politetrafluoroetileno (PTFE), que es el plástico con mejor autolubricación ； Cuando funciona mediante deslizamiento o rotación, su lubricidad es incluso mejor que la del acero y el latón lubricados. Por lo tanto, en el campo de la tribología, el UHMWPE es considerado un material de fricción con una relación costo/rendimiento muy favorable. Coeficiente de fricción | Nombre | Autolubricación | Lubricación con agua | Lubricación con aceite
UHMWPE | 0,10–0,22 | 0,05–0,10 | 0,05–0,08
PTFE | 0,04–0,25 | 0,04–0,08 | 0,04–0,05
PA66 | 0,15–0,40 | 0,14–0,19 | 0,06–0,11
POM | 0,15–0,35 | 0,10–0,20 | 0,05–0,10

Tabla 1: Comparación del coeficiente de fricción del UHMWPE con otros plásticos de ingeniería

Resistencia química
El UHMWPE presenta una excelente resistencia química; salvo en el caso de ácidos fuertemente oxidantes, puede resistir diversos medios corrosivos (ácidos, bases, sales) y medios orgánicos (excepto disolventes aromáticos) dentro de ciertos rangos de temperatura y concentración. Fue sumergido durante 30 días en 80 solventes orgánicos a 20°C y 80°C; no se observaron anomalías en su superficie, y sus demás propiedades físicas también permanecieron prácticamente sin cambios. El UHMWPE tiene una excelente capacidad para absorber energía de impacto; su valor de absorción de energía de impacto es el más alto entre todos los plásticos. Por lo tanto, ofrece un buen rendimiento en la atenuación del ruido, logrando así un excelente efecto de reducción del sonido. Resistencia a bajas temperaturas: El UHMWPE posee una excelente resistencia a bajas temperaturas; mantiene su ductilidad incluso a la temperatura del helio líquido (-169 °C), por lo que puede utilizarse como componente resistente a bajas temperaturas en la industria nuclear. Higiénico y atóxico: El UHMWPE es higiénico y atóxico, cumple plenamente con los estándares de la Asociación Japonesa de Higiene, y ha sido reconocido por la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos y por el Departamento de Agricultura de ese mismo país. Por lo tanto, puede utilizarse en contacto con alimentos y medicamentos. La superficie de UHMWPE antiadherente tiene una capacidad de adsorción muy baja. Su capacidad para resistir la adhesión es solo inferior a la del PTFE, que es el material más antiadherente entre los plásticos. Por lo tanto, la superficie de estos productos no se adhiere fácilmente a otros materiales. Baja absorción de agua: el UHMWPE tiene un índice de absorción de agua muy bajo ； Por lo general, es menor al 0,01%, solo el 1% del PA66; por eso, generalmente no es necesario someterlo a un proceso de secado antes del procesamiento por moldeo. Densidad: La Tabla 2 muestra una comparación de la densidad del UHMWPE con la de otros plásticos de ingeniería. Según la Tabla 2, la densidad del UHMWPE es más baja que la de todos los demás plásticos de ingeniería. En general, es un 56% más baja que la del PTFE, un 33% más baja que la del POM y un 30% más baja que la del PBTP. Por lo tanto, los productos fabricados con este material son muy ligeros. Nombre, Densidad relativa: La densidad del UHMWPE es menor que la de otros plásticos ingenieriles, en porcentaje. PTFE: 2.12; 56. POM: 1.41; 33. PBTP: 1.31; 30. PC: 1.20; 22. PA: 1.02–1.14; 8–18. UHMWPE: 0.94. Tabla 2: Comparación de la densidad del UHMWPE con la de otros plásticos ingenieriles. Resistencia a la tracción: Gracias a las características estructurales del UHMWPE que lo hacen adecuado para ser estirado, este material posee una resistencia a la tracción excepcionalmente alta. Por lo tanto, es posible obtener fibras con un módulo elástico y una resistencia muy altos mediante el método de spinning en gel. La resistencia a la tracción puede llegar hasta 3–3.5 GPa, mientras que el módulo elástico puede alcanzar los 100–125 GPa ； La resistencia específica de estas fibras es la más alta entre todas las fibras que se han comercializado hasta el momento. Es 4 veces mayor que la de las fibras de carbono, 10 veces mayor que la del acero y 50% mayor que la de las fibras de aramida. Otras propiedades: El UHMWPE también cuenta con excelentes propiedades aislantes eléctricas. Además, presenta una mayor resistencia a la grieta por estrés ambiental en comparación con el HDPE. También tiene una mejor resistencia al cansancio y a los rayos gamma que el HDPE. Edición del método de producción: El polietileno de muy alto peso molecular puede obtenerse mediante el método utilizado para producir el polietileno de alta densidad, pero se controla su peso molecular modificando las condiciones del proceso. Los métodos de producción son el método Ziegler, el método Solvay y el método por solución. Método de Ziegler: El método de Ziegler es un método de polimerización a baja presión. Utiliza dióxido de titanio y alquilaluminios como catalizadores; el etilaluminio o dietilaluminio se emplean como tales. El heptano o la gasolina sirven como solventes. La polimerización se lleva a cabo a temperaturas de 60-90 °C y a presión atmosférica. Los dispositivos de reacción suelen utilizar reactores de tipo tanque o reactores verticales en forma de torre. Al utilizar un reactor en forma de torre, se deben instalar hélices de agitación multicapa en la parte inferior de la torre. El proceso de producción por el método Ziegler es el siguiente: primero, se introduce en el reactor de reacción el catalizador, suspendido en un disolvente, junto con el etileno como materia prima, para que se produzca la polimerización. Esta reacción es exotérmica, por lo que es necesario enfriarla hasta alcanzar la temperatura de reacción adecuada. Luego, los productos resultantes de la polimerización se colocan en un tanque donde se descompone el catalizador, añadiéndose metanol a dicho tanque. Finalmente, mediante filtrado y secado, se obtiene el producto UHMWPE, cuyo peso molecular promedio está entre 1 millón y 5 millones. El método Solvay es un nuevo método de producción que combina el reactor circular utilizado en el método Phillips con un catalizador eficiente de Ziegler, cuyo portador son compuestos que contienen magnesio. El método Solvay utiliza cloruro de titanio como catalizador, y compuestos de alquiloaluminio como agentes activadores. Como soporte para el catalizador, se suele utilizar MgCl2 o MgClOH, que han sido sometidos a un proceso de calcinación para obtener poros de gran tamaño. La característica de este método es que el catalizador se adsorbe en un soporte con una gran superficie específica, lo que permite que la estructura cristalina se despliegue. De esta manera, la mayoría de los átomos de metales de transición actúan como centros activos para la polimerización. La eficiencia del catalizador puede llegar a ser de 50-600 kg de 4Tio. La reacción de polimerización se lleva a cabo en un tubo de reacción de circuito cerrado, con un revestimiento externo de agua fría. En su interior hay un agitador turbinal de alta velocidad que permite la formación de complejos catalíticos, los cuales se mezclan con el etileno suministrado y con el copolímero utilizado para regular la densidad. La temperatura de reacción es de 80-90 °C, la presión parcial de etileno es de 1,0 OMPa, y el tiempo de reacción es de 2-3 horas. La solución resultante se somete a filtración por centrifugado; el precipitado obtenido se trata con vapor para eliminar los solventes residuales. Posteriormente, se seca mediante aire, lo que permite obtener UHMWPE con un peso molecular promedio de 1,5 a 6 millones. Método de solución: En este método, se utiliza CrO3 como catalizador y Al₂O₃-SiO₂ como soporte. El disolvente empleado es el hexano C6. La reacción de polimerización se lleva a cabo a una temperatura de 170-180°C, por encima del punto de fusión del polímero. La presión se mantiene en un rango de 1,96-2,94 MPa. Como materiales de partida se utilizan etileno y una pequeña cantidad de copolímero, hexeno. Durante la reacción de polimerización, tanto el etileno como el polietileno se disuelven en el disolvente, formando así un sistema homogéneo. Una vez finalizada la reacción, el etileno se elimina mediante destilación flash. Luego, el polímero se separa por centrifugación, se concentra y se enfría para su posterior extracción. Con este método se puede obtener UHMWPE con un peso molecular promedio superior a 1 millón. Edición de aplicaciones: Actualmente, el UHMWPE se utiliza ampliamente en sectores como la textil, la papelera, el empaquetado, el transporte, la impresión, la química, la minería, el petróleo, la construcción, la electricidad, la alimentación, la medicina y el deporte. Además, está comenzando a utilizarse también en áreas como las armas convencionales, los barcos y los automóviles. En el futuro, también se ampliará a áreas como la astronáutica y la energía atómica. Aplicaciones donde son importantes la resistencia al desgaste y a los impactos: 1.1. Maquinaria textil. La maquinaria textil es el primer área en la que se ha utilizado el UHMWPE. Ya en 1958, algunas empresas comenzaron a utilizar este material para fabricar piezas de maquinaria textil. Por ejemplo, se utilizó UHMWPE en lugar de los componentes hechos de cuero de buey, que son los materiales más resistentes, para fabricar las partes de las máquinas textiles. Estas piezas pueden soportar vibraciones e impactos a una frecuencia de 40–180 veces por minuto; su vida útil es de 5 a 6 veces mayor que la de los componentes hechos de cuero de buey. Actualmente, en el extranjero se utilizan en promedio unas 30 piezas de UHMWPE por tejer, como lanzadores de lanzas, barras para el movimiento de las lanzas, engranajes, conectores, barras para la limpieza de los hilos, bloques amortiguadores, manguitos para ejes y vigas oscilantes, entre otras piezas resistentes al impacto y al desgaste. 1.2. Maquinaria para la fabricación de papel. La maquinaria para la fabricación de papel es el segundo sector industrial en el que se utiliza UHMWPE. Alrededor del año 1960, se instalaron por primera vez tiras antifricción hechas de UHMWPE en los sistemas de transporte de las máquinas utilizadas para cortar madera. Estas tiras protegieron eficazmente las placas base y las cadenas; con un uso de 5 años, prácticamente no había desgaste alguno. Se estima que la vida útil de las barras antifricción es más del doble que la de la cadena. Materiales resistentes al desgaste como el UHMWPE, el acero inoxidable, el arce, el poliuretano fundido y los plásticos fenólicos laminados se utilizan como cubiertas para los tanques de absorción de agua. Pero lo importante es que las cubiertas hechas de UHMWPE generan menos resistencia sobre la malla de acero inoxidable que existen en los tanques, lo cual permite prolongar la vida útil de esta costosa malla de acero inoxidable. Hoy en día, la cantidad de UHMWPE necesaria para la industria papelera representa el 10% del total. Se utiliza UHMWPE para fabricar elementos como las escobillas de los rodillos de impresión, las tapas de los tanques de absorción, las piezas de compactación y las conexiones en las máquinas de papel ； Además, el UHMWPE también se puede utilizar para fabricar componentes como ejes de sellado, ruedas guía, rasquetas y filtros en maquinaria de papelera. 1.3 Máquinas de envasado: La alta resistencia al desgaste, el bajo coeficiente de fricción y la falta de adherencia del UHMWPE lo hacen más adecuado para su uso en máquinas de envasado que ciertos metales y otros plásticos. Por lo tanto, puede sustituir al bronce fosfórico y a los plásticos fluorados. El uso de UHMWPE en lugar de plásticos fluorados modificados para fabricar guías, soportes deslizantes y placas fijas en dispositivos de transporte no solo **reduce los costos de inversión en equipos**, sino que también puede prolongar su vida útil entre 10 y 50 veces. En una instalación de línea de producción de detergente líquido, el reemplazo del plástico termoestable laminado original por UHMWPE en el piñón cronómetro resolvió los problemas anteriores de botellas propensas al desgaste, a los rayones y al ablandamiento. **Esto redujo los costos de piezas de repuesto; además, los tornillos cronómetros fabricados con UHMWPE ya se utilizan como componentes estándar en muchas líneas de embotellado.** Una gran cervecería occidental fabricó, con UHMWPE, una cinta transportadora de botellas de unos 1,6 km de longitud; esta es varias veces más duradera que las cintas transportadoras hechas de bronce fosforoso. En la línea de transporte de una planta de ensamblaje de automóviles en el extranjero, los piñones accionados por cadenas hacen que los carros se muevan sobre una plataforma transportadora de chapas de acero. Debido a la fricción entre la cadena y las chapas, la cadena se daña con facilidad. El uso de placas de UHMWPE en lugar de placas de acero reduce el desgaste** y, al mismo tiempo, disminuye el consumo de energía. 1.4. Maquinaria general: Debido a que el UHMWPE posee una excelente resistencia al desgaste y a los impactos, se utiliza ampliamente en la industria de la maquinaria. Permite fabricar diversas piezas mecánicas como engranajes, levas, rotores, rodillos, poleas, cojinetes, bujes, casquillos, arandelas, juntas, acoplamientos elásticos, tornillos, etc. Aplicaciones basadas en sus propiedades de autolubricación y no adhesividad. 2.1. Almacenamiento y transporte de materiales: El UHMWPE puede utilizarse para fabricar revestimientos para tolvas, silos y canales de descarga, destinados al almacenamiento de materiales en polvo como carbón, cemento, cal, polvo mineral, sal y granos. Gracias a su excelente capacidad de autolubricación y no adhesividad, estos materiales en polvo no se adhieren a los equipos de almacenamiento y transporte, lo que garantiza un transporte estable. Anteriormente, los tolvas para carbón, polvo de mineral, granos, etc., se revestían con acero inoxidable para su transporte en contenedores; ahora se utiliza un revestimiento de UHMWPE. En uso prolongado, este material reduce la generación de calor. Las tolvas que Baoshan Iron & Steel utiliza para transportar mineral cuentan con este revestimiento, lo que incrementa su vida útil entre 10 y 50 veces en comparación con los materiales metálicos empleados anteriormente. El revestimiento de tolvas hecho de UHMWPE facilita la construcción y tiene un bajo costo; por eso, en las grandes centrales eléctricas también se utiliza este revestimiento en las tolvas de alimentación de carbón. Los canales de transporte del carbón en las minas están fabricados con UHMWPE, lo que permite reducir el ángulo de inclinación y, así, aumentar la cantidad de carbón extraído. Permite transportar 400.000 t de carbón sin necesidad de reemplazar los canales de transporte; su vida útil es dos veces mayor que la de los canales revestidos con aleación de magnesio. El UHMWPE se utiliza en tuberías para el transporte de sólidos como la arena fluida. En comparación con las tuberías de acero, su vida útil es 18 veces mayor, y su costo es 1/25 del de estas últimas. En comparación con las tuberías de nailon, su vida útil es 3 veces mayor, y su costo es 1/8 del de estas últimas. Durante el transporte, la resistencia en el interior del tubo es un 25% menor que en los tubos metálicos, **lo que aumenta la eficiencia del transporte**. En cuanto a los revestimientos de los canales de descarga, las palas y los vagones para mineral, al utilizar materiales metálicos tradicionales, en climas fríos y húmedos la materia se congela sobre el metal. En cambio, con UHMWPE esto no ocurre, lo que **reduce el tiempo necesario para descargar la carga**. Tras revestir el embudo de descarga de los buques de carga a granel con una capa de placa de UHMWPE, el tiempo promedio de descarga disminuyó de 16 a 20 horas a 8 horas. 2.2 Maquinaria agrícola y de construcción: El UHMWPE tiene una excelente propiedad de autolubricación; el barro puede deslizarse fácilmente sobre su superficie sin que se produzca adherencia. Además, posee una gran resistencia al impacto y al desgaste, lo que lo hace adecuado para la fabricación de piezas en maquinaria agrícola y de construcción. Como las placas deslizantes de las cosechadoras, las placas interiores de los arados, las rasquillas de las máquinas para retirar tierra, el revestimiento interior de las palas de las excavadoras o el revestimiento interior de los camiones volquete, estas piezas permiten mejorar significativamente la eficiencia en el trabajo y reducir el consumo de energía. 2.3 Artículos de papelería: Gracias a las propiedades autolubricantes, antidesgaste y resistentes al frío del UHMWPE, se puede utilizar en las suelas de los patines y tablas de esquí; en Europa y América se emplea principalmente UHMWPE para su fabricación ； Al recubrir las pistas de esquí con UHMWPE (con un espesor de 20 mm), la velocidad máxima de los esquís puede alcanzar los 110 km/h. La pista de patinaje hecha de UHMWPE, fabricada por la empresa japonesa Mitsui Petrochemical, se abrió al público en la prefectura de Kagoshima en 1975. Su costo fue 1/4 del de una pista de patinaje normal. En aplicaciones donde es importante la resistencia a la corrosión y la falta de absorción de agua, el UHMWPE presenta una excelente estabilidad química y no absorbe agua. Puede utilizarse como material para revestir dispositivos de almacenamiento de soluciones, así como en recipientes de embalaje de gran tamaño, como boyas, tanques de recolección de agua, tanques de gasolina, contenedores para pesticidas, y también en recipientes para el agua residual en equipos solares. Este también es uno de los campos en los que el UHMWPE se utiliza con mayor frecuencia actualmente. Los contenedores de UHMWPE presentan una excelente resistencia al impacto por caída. Si se llena el recipiente con 20 kg de agua y se deja caer desde una gran altura sobre una placa de hierro de 10 mm de espesor, la altura a la que se rompe un recipiente de polietileno común es de solo 9 metros, mientras que en el caso de los recipientes de UHMWPE esa altura puede llegar a ser de más de 15 metros. Aplicaciones centradas en la inocuidad y la falta de toxicidad 4.1. Industria alimentaria y de bebidas: El UHMWPE posee las propiedades de inocuidad, resistencia al agua y falta de adherencia que exige la industria alimentaria. Se han designado como materiales que pueden utilizarse en contacto directo con los alimentos. Puede utilizarse en líneas de transporte para cerveza, bebidas refrescantes, condimentos, etc. Al transportar productos, permite evitar que las botellas y otros objetos se dañen, reduce el ruido, disminuye el desgaste de las cintas transportadoras y los tornillos transportadores, además de reducir la pérdida de energía. También se puede utilizar para fabricar piezas para equipos utilizados en la producción de carne, leche, dulces, frutos secos y pan. 4.2. En el ámbito médico, el UHMWPE posee una excelente inertidad fisiológica y adaptabilidad fisiológica. Ha sido aprobado por la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos y por el Departamento de Agricultura para su uso en aplicaciones médicas donde entra en contacto con el cuerpo humano. Por ejemplo, se utiliza en válvulas cardíacas, piezas ortopédicas, articulaciones artificiales e implantes anticonceptivos. Es, por lo tanto, un material polimérico ideal para usos médicos. Existen articulaciones de cadera y rodilla artificiales compuestas por un acetábulo hecho de UHMWPE y un fémur metálico; su resistencia al desgaste y su seguridad son superiores a las del PTFE. Actualmente, cientos de miles de personas en todo el mundo ya se han sometido a este tipo de reemplazo de articulaciones artificiales. Aplicaciones de otras propiedades 5.1. Aplicaciones en bajas temperaturas: El UHMWPE posee excelentes propiedades de resistencia a bajas temperaturas, por lo que puede utilizarse en diversos equipos de refrigeración. También puede servir como componente resistente a bajas temperaturas en la industria nuclear. En el campo de la superconductividad a bajas temperaturas, es un material aislante muy adecuado. El UHMWPE ofrece una excelente capacidad de protección contra las radiaciones, por lo que puede utilizarse como material de blindaje en las centrales nucleares. 5.2. Aplicaciones en términos de aislamiento eléctrico: El UHMWPE presenta buenas propiedades de aislamiento eléctrico; en particular, su valor del ángulo de pérdida dieléctrica es bajo. Por lo tanto, puede utilizarse para fabricar tanques de galvanoplastia, rodillos, así como aislantes y soportes aislantes que funcionen en frecuencias altas y muy altas. También se puede emplear en tuberías para cables, disyuntores, terminales de cables y otros dispositivos eléctricos. Desventajas: En comparación con otros plásticos de ingeniería, el UHMWPE presenta una menor resistencia al calor, así como menor rigidez y dureza. Sin embargo, estas características se pueden mejorar mediante métodos como el “relleno” y la “reticulación” ； En cuanto a la resistencia al calor, el punto de fusión del UHMWPE (136 °C) es más o menos similar al del polietileno común. Sin embargo, debido a su gran masa molecular y a su alta viscosidad en estado fundido, su procesamiento resulta difícil. Aquí está la pregunta: ¿cómo se pueden evaluar las propiedades y el peso molecular del polietileno de alto peso molecular? ¿Cuáles son los criterios de evaluación?