Problemas de inspeção do material polimérico de polietileno UHMWPE

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Este tópico foi editado pela última vez por liaifeng em 28/07/2018, às 07:54. O UHMWPE (polietileno de peso molecular ultra-alto) é um plástico termoplástico de desempenho excepcional, cujas moléculas possuem estrutura linear. Seu peso molecular pode chegar a mais de 1,5 milhão. Baixa densidade, com excelente resistência ao desgaste, auto-lubrificação, resistência a impactos, resistência à corrosão, entre outras características. O elevado peso molecular do UHMWPE (o peso molecular do HDPE costuma ser de apenas 20 a 300 mil) confere a ele excelentes propriedades de uso. Além disso, trata-se de um plástico termoplástico de preço acessível e com desempenho excepcional. Ele reúne quase todas as vantagens dos plásticos em geral, possuindo propriedades como resistência ao desgaste, resistência aos impactos, autolubrificação, resistência à corrosão, capacidade de absorver energia de impacto, resistência a baixas temperaturas, ser higiênico e não tóxico, além de não aderir facilmente a superfícies e não absorver água. Sua densidade também é baixa. Na verdade, atualmente ainda não existe um material polimérico que possua tantas propriedades excelentes ao mesmo tempo. Resistência ao desgaste: A resistência ao desgaste do UHMWPE é a melhor entre os plásticos, superando até mesmo alguns metais. Em comparação com outros plásticos de engenharia, o índice de desgaste causado por areia no UHMWPE é apenas 1/5 do do PA66, e 1/10 do do HEPE e PVC ； Em comparação com metais, é 1/7 do aço carbono e 1/27 da latão. Sua alta resistência ao desgaste é tal que é difícil avaliar seu nível de resistência por meio dos métodos tradicionais de teste de desgaste de plásticos. Por isso, foi desenvolvido um dispositivo especial para testar a resistência ao desgaste causado pela areia. A resistência ao desgaste do UHMWPE é diretamente proporcional ao seu peso molecular; quanto maior o peso molecular, melhor é a sua resistência ao desgaste. Resistência ao impacto: A resistência ao impacto do UHMWPE está entre as mais altas de todos os plásticos técnicos. Sua resistência ao impacto é aproximadamente o dobro da do PC, 5 vezes maior que a do ABS, e mais de 10 vezes maior que a do POM e PBTP. Sua resistência ao impacto é tão alta que métodos de teste de impacto convencionais têm dificuldade em causar sua ruptura. Sua resistência ao impacto aumenta à medida que o peso molecular aumenta, atingindo seu valor máximo quando o peso molecular é de 1,5 milhão. Em seguida, ela começa a diminuir à medida que o peso molecular continua a aumentar. Vale ressaltar que ele também mantém uma excelente resistência ao impacto em nitrogênio líquido (-195°C); essa é uma característica que outros plásticos não possuem. Além disso, sua dureza na superfície é maior após impactos repetidos. O UHMWPE autolubrificante possui um fator de atrito extremamente baixo (0,05 a 0,11), portanto, sua capacidade de autolubrificação é excelente. A Tabela 1 mostra a comparação do fator de atrito entre o UHMWPE e outros plásticos de engenharia. Como pode ser visto na Tabela 1, o fator de atrito dinâmico do UHMWPE, em condições de lubrificação com água, é metade do valor observado para o PA66 e o POM. Em condições sem lubrificação, seu valor é apenas ligeiramente inferior ao do PTFE, que é o plástico com maior capacidade de autolubrificação ； Quando funciona por deslizamento ou rotação, sua lubrificação é ainda melhor do que a do aço e do latão após a aplicação de lubrificante. Portanto, no campo da tribologia, o UHMWPE é considerado um material de fricção com relação custo/desempenho muito ideal. Coeficiente de atrito – Nome: Lubrificação por auto-lubrificação, lubrificação com óleo aquoso. 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. Tabela 1: Comparação dos coeficientes de atrito entre UHMWPE e outros plásticos técnicos. Resistência a produtos químicos: O UHMWPE possui excelente resistência a produtos químicos. Com exceção de ácidos fortemente oxidantes, ele consegue resistir a vários meios corrosivos (ácidos, bases, sais) e meios orgânicos (com exceção dos solventes aromáticos), em determinadas temperaturas e concentrações. Após ser imerso por 30 dias em 80 solventes orgânicos, a 20°C e 80°C, não foram observados nenhum fenômeno anormal na sua superfície, e as outras propriedades físicas também quase não sofreram alterações. O UHMWPE possui excelente capacidade de absorção de energia de impacto; seu valor de absorção de energia de impacto é o mais alto entre todos os plásticos. Por isso, ele oferece ótimo desempenho na redução de ruídos, com um excelente efeito de atenuação sonora. Resistência a baixas temperaturas: O UHMWPE possui excelente resistência a baixas temperaturas; ainda mantém sua ductilidade à temperatura do hélio líquido (-169°C). Por isso, pode ser utilizado como componente resistente a baixas temperaturas na indústria nuclear. É higiênico e não tóxico: o UHMWPE é higiênico e não tóxico, atendendo plenamente aos padrões da Associação Japonesa de Higiene. Além disso, foi reconhecido pela Administração de Alimentos e Medicamentos dos EUA e pelo Departamento de Agricultura dos EUA, podendo ser utilizado em contato com alimentos e medicamentos. A capacidade de adsorção da superfície do UHMWPE antiaderente é muito baixa; sua capacidade antiaderente fica atrás apenas do PTFE, que é o material plástico com melhor propriedade antiaderente. Por esse motivo, a superfície dos produtos feitos com esse material dificilmente adere a outros materiais. Baixa capacidade de absorção de água: a taxa de absorção de água do UHMWPE é muito baixa ； Geralmente é menor que 0,01%, sendo apenas 1% do PA66; portanto, normalmente não é necessário realizar nenhum tratamento de secagem antes do processamento por moldagem. Densidade A Tabela 2 mostra a comparação da densidade do UHMWPE com outras plásticos de engenharia. Conforme pode ser visto na Tabela 2, a densidade do UHMWPE é menor do que a de todos os outros plásticos industriais. Geralmente, ela é 56% menor do que a do PTFE, 33% menor do que a do POM e 30% menor do que a do PBTP. Por isso, os produtos feitos com este material são muito leves. Nome, Densidade relativa: A densidade do UHMWPE é menor em % em comparação com outros plásticos. 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. Tabela 2: Comparação da densidade do UHMWPE com outros plásticos de engenharia. Resistência à tração: Devido às características estruturais do UHMWPE, que o permitem se orientar na direção da tração, ele possui uma resistência à tração excepcionalmente alta. Assim, é possível produzir fibras com módulo elástico e resistência extremamente altos por meio do processo de spinning em gel. A resistência à tração dessas fibras pode chegar a 3–3,5 GPa, enquanto o módulo elástico pode atingir 100–125 GPa ； A resistência específica das fibras é a mais alta entre todas as fibras já comercializadas. É 4 vezes maior que a das fibras de carbono, 10 vezes maior que a dos fios de aço e 50% maior que a das fibras de aramida. Outras propriedades: o UHMWPE também possui excelentes propriedades de isolamento elétrico. Além disso, tem maior resistência à fissuração causada por estresses ambientais em comparação com o HDPE. Também apresenta melhor resistência à fadiga e à radiação r, em relação ao HDPE. Método de produção: O polietileno de peso molecular extremamente alto pode ser produzido utilizando o método utilizado para a fabricação do polietileno de alta densidade comum, porém, as condições de processo são ajustadas para controlar o peso molecular. Os métodos de produção incluem o método Ziegler, o método Solvay e o método por solução. Método de Ziegler: O método de Ziegler é, na verdade, um método de polimerização a baixa pressão. Ele utiliza titânio tetraóxido e alquilalumínios, como g-alumínio etílico ou dietilalumínio gasificado, como catalisadores. O heptano ou a gasolina são usados como solventes, e a polimerização ocorre em condições de pressão normal, entre 60 e 90°C. Os dispositivos de reação geralmente utilizam reatores tipo tanque ou reatores em formato de torre vertical. Ao utilizar um reator em formato de torre, deve-se instalar hélices de agitação em múltiplos níveis na parte inferior da torre. O processo de produção pelo método Ziegler é o seguinte: primeiro, o catalisador, suspenso em um solvente, é misturado com o etileno como matéria-prima e levado ao dispositivo de reação para a polimerização. Trata-se de uma reação exotérmica, portanto é necessário resfriar o sistema até a temperatura de reação adequada. Em seguida, os produtos resultantes da polimerização são colocados em um tanque de decomposição do catalisador, onde se adiciona metanol para que o catalisador seja decomposto. Por fim, após filtragem e secagem, obtém-se o produto UHMWPE, com um peso molecular médio de 1 milhão a 5 milhões. Método Solvay: O método Solvay é um novo processo de produção que combina o reator circular utilizado no método Phillips com um catalisador eficiente de Ziegler, cujo Portador são compostos contendo magnésio. O método Solvay utiliza titânio tetracloreto como catalisador, e compostos de alquila de alumínio como agentes ativadores. Como suporte para o catalisador, são frequentemente utilizados MgCl2 ou MgClOH, que foram submetidos a processo de queima para adquirir poros de grande tamanho. A característica deste método é a adsorção do catalisador em um suporte com grande área de superfície, o que permite que a estrutura cristalina se desenvolva. Dessa forma, a maioria dos átomos de metais de transição atua como centros ativos para a polimerização. A eficiência do catalisador pode chegar a 50-600 kg de 4Tio. A reação de polimerização ocorre em um tubo de reação de circuito fechado, com um revestimento externo de água fria. Dentro do tubo, há um agitador turbinal de alta velocidade que ajuda a combinar o catalisador com o etileno e o copolímero utilizado para ajustar a densidade. Temperatura de reação: 80-90°C; pressão parcial de etileno: 1,0 OMPa; tempo de reação: 2-3 horas. O xarope gerado é submetido a filtração por centrifugação; o resíduo resultante é tratado com vapor para remover os solventes remanescentes. Em seguida, é realizado o secamento por meio de fluxo de ar, o que permite obter UHMWPE com um peso molecular médio de 1,5 milhão a 6 milhões. No método em solução, o CrO₃ é utilizado como catalisador e o Al₂O₃-SiO₂ como suporte. O hidrocarboneto C6 é empregado como solvente. A reação de polimerização ocorre a uma temperatura entre 170 e 180 °C, acima do ponto de fusão do polímero; a pressão é mantida na faixa de 1,96 a 2,94 MPa. Em seguida, utilizando etileno e uma pequena quantidade de hexeno como monômeros, tanto o etileno quanto o polietileno são dissolvidos no solvente, formando um sistema de reação homogêneo. Após a conclusão da polimerização, o etileno é removido por flash vaporização; posteriormente, o polímero é separado por centrifugação, concentrado e resfriado para ser obtido. Com este método, é possível produzir UHMWPE com um peso molecular médio superior a 1 milhão. Edição de aplicações: Atualmente, o UHMWPE é amplamente utilizado em setores como têxteis, papelaria, embalagens, transporte, indústria química, mineração, petróleo, construção civil, eletrônica, alimentos, saúde e esportes. Além disso, começa a ser utilizado também em armas convencionais, navios e automóveis. No futuro, também será expandido para áreas como a aeronáutica e a energia atômica. Aplicações que exigem resistência ao desgaste e aos impactos: 1.1. Máquinas têxteis. As máquinas têxteis são o primeiro campo em que o UHMWPE foi utilizado. Já em 1958, algumas empresas começaram a usar o UHMWPE para fabricar peças para máquinas têxteis. Por exemplo, foram utilizados componentes feitos de UHMWPE no lugar dos componentes feitos de couro de búfalo, que são os materiais mais resistentes atualmente. Esses componentes conseguem suportar vibrações e impactos de 40 a 180 vezes por minuto, e sua vida útil é de 5 a 6 vezes maior do que a dos componentes feitos de couro de búfalo. Atualmente, no exterior, há em média cerca de 30 peças feitas de UHMWPE por teia, como, por exemplo, dispositivos para inserir os fios, hastes de acionamento, engrenagens, conectores, barras de limpeza, blocos de amortecimento, buchas para eixos e vigas oscilantes – peças resistentes a impactos e desgaste. 1.2. Máquinas de papel – As máquinas de papel são o segundo setor industrial em que o UHMWPE é utilizado. Por volta de 1960, tiras anti-desgaste feitas de UHMWPE foram instaladas pela primeira vez no sistema de transporte de uma serra para madeira. Essas tiras protegeram eficazmente a placa de base e as correntes; após 5 anos de uso, praticamente não houve desgaste algum. Estima-se que a vida útil das barras de proteção contra desgaste seja mais do que o dobro da vida útil da corrente. Materiais resistentes ao desgaste como UHMWPE, aço inoxidável, madeira de bordo, poliuretano fundido e plásticos fenólicos laminados são utilizados como revestimentos para as tampas dos tanques de absorção de água. No entanto, o que é importante é que as tampas feitas de UHMWPE exercem menos resistência sobre a malha de aço inoxidável presente nos tanques, o que permite prolongar a vida útil dessa malha, que é um material caro. Hoje, a quantidade de UHMWPE necessária para a indústria papelera representa 10% do total. O UHMWPE é utilizado na fabricação de componentes como escovas de limpeza em máquinas de papel, tampas de tanques de água, peças de compactação e conexões ； Além disso, o UHMWPE também pode ser usado para fabricar componentes como eixos de vedação, roldanas de desvio, raspadores, filtros, etc., para máquinas de papel. 1.3, Máquinas de embalagem: A alta resistência ao desgaste, o baixo coeficiente de atrito e a propriedade antiaderente do UHMWPE fazem com que ele seja mais adequado para uso em máquinas de embalagem em comparação com alguns metais e outros plásticos. Ele pode substituir o bronze fosfado e os plásticos fluorados. Substituir os plásticos fluorados modificados por UHMWPE na fabricação de guias, suportes para deslizadores de dispositivos de transporte e placas de fixação não só **reduz os custos de investimento em equipamentos**, mas também aumenta a vida útil em 10 a 50 vezes. Após a substituição do plástico termoendurecível laminado utilizado anteriormente pelo UHMWPE no mecanismo de cronometragem de uma linha de produção de detergentes líquidos, os problemas de desgaste fácil, riscos nas garrafas e amolecimento do material foram resolvidos. Isso reduziu os custos com peças de reposição. Os parafusos de cronometragem feitos de UHMWPE também são utilizados como componentes padrão em muitas linhas de envase. Uma grande cervejaria ocidental fabricou, com UHMWPE, uma esteira transportadora para garrafas no formato de fita, com 1,6 km de comprimento. Essa esteira é várias vezes mais durável do que as esteiras feitas de bronze fosfoso. Em uma linha de montagem de automóveis no exterior, engrenagens acionadas por correntes fazem com que os carros se movam sobre a plataforma de transporte de chapas de aço. Devido à fricção entre a corrente e as chapas de aço, a corrente se danifica com facilidade. A utilização de placas de UHMWPE no lugar das placas de aço reduz o desgaste** e, ao mesmo tempo, diminui o consumo de energia. 1.4, Máquinas em geral: Devido à excelente resistência ao desgaste e ao impacto do UHMWPE, ele é amplamente utilizado na indústria de fabricação de máquinas. Com ele, é possível produzir diversos componentes mecânicos, como engrenagens, catracas, hélices, rolos, polias, rolamentos, buchas, mangas de eixo, arruelas, juntas de vedação, acoplamentos elásticos e parafusos. Aplicações que se baseiam na autolubrificação e na propriedade antiaderente: 2.1. Armazenamento e transporte de materiais. O UHMWPE pode ser utilizado para fabricar revestimentos para funis, silos e canais de transporte de materiais em forma de pó, como carvão, cimento, cal, pó mineral, sal e grãos. Devido à sua excelente autolubrificação e propriedade antiaderente, esses materiais em pó não aderem aos equipamentos de armazenamento e transporte, garantindo assim um transporte estável. No passado, os funis utilizados para transportar carvão, pó mineral, grãos e outros materiais eram revestidos com aço inoxidável. Atualmente, é utilizado um revestimento de UHMWPE. Com o uso a longo prazo, isso reduz o fenômeno de geração de calor. Os funis usados pela Baosteel para transportar minério são revestidos com UHMWPE, o que aumenta sua vida útil em 10 a 50 vezes em comparação com os materiais metálicos utilizados anteriormente. O uso de UHMWPE para revestir os funis facilita a instalação e reduz os custos. Por isso, os funis utilizados nas grandes usinas elétricas para transportar carvão também são revestidos com UHMWPE. Os canais de transporte de carvão nas minas são feitos de UHMWPE, o que permite reduzir o ângulo de inclinação e, assim, aumentar a quantidade de carvão extraído. Consegue transportar 400 mil toneladas de carvão sem a necessidade de substituir o canal de transporte; sua vida útil é duas vezes maior em comparação com os canais feitos de liga de magnésio. O UHMWPE é utilizado em tubulações para o transporte de materiais sólidos, como areia em fluxo. Em comparação com tubos de aço, sua vida útil aumenta 18 vezes, e seu custo cai para 1/25. Em relação aos tubos de nylon, sua vida útil aumenta 3 vezes, e seu custo cai para 1/8. Durante o transporte, a resistência interna do tubo é 25% menor que a dos tubos de metal, **aumentando a eficiência do transporte. Em aspectos como os revestimentos das ranhuras, das caçambas e dos vagões de minério, ao se usar materiais metálicos tradicionais, em condições climáticas frias e úmidas, a carga acaba congelando no metal. Já com o uso de UHMWPE, isso não acontece, o que **reduz o tempo de descarregamento**. Após revestir o funil de descarregamento dos navios de carga a granel com uma camada de placa UHMWPE, o tempo médio de descarregamento foi reduzido de 16 a 20 horas para 8 horas. 2.2 Máquinas agrícolas e de construção O UHMWPE possui excelente auto-lubrificação; a terra desliza facilmente em sua superfície sem aderir. Além disso, sua resistência ao impacto e ao desgaste são boas, tornando-o adequado para a fabricação de peças para máquinas agrícolas e de construção. Como as placas deslizantes das colhedoras de grãos, as placas de revestimento dos arados, as lâminas dos equipamentos utilizados para remover terra, o revestimento interno das pá dos escavadeiras e o revestimento interno dos caminhões basculantes, esses elementos podem aumentar significativamente a eficiência do trabalho e reduzir o consumo de energia. 2.3 Artigos esportivos: Graças à propriedade autolubrificante, à resistência ao desgaste e à resistência ao frio do UHMWPE, ele pode ser utilizado em bases de patins e pranchas de esqui. Na Europa e nos EUA, o UHMWPE é amplamente utilizado na fabricação desses produtos ； As pistas de esqui são revestidas com UHMWPE (com espessura de 20 mm), permitindo que a velocidade dos skates atinja até 110 km/h. Os patins de UHMWPE fabricados pela empresa japonesa Mitsui Petrochemical foram colocados à disposição do público em 1975, na província de Kagoshima. Seu custo era 1/4 do custo dos patins convencionais. Em aplicações onde são importantes a resistência à corrosão e a não absorção de água, o UHMWPE possui excelente estabilidade química e não absorve água. Pode ser utilizado como material para revestir equipamentos de armazenamento de soluções, bem como em grandes recipientes de embalagem, como boias, tanques de coleta de água, tanques de gasolina, recipientes para pesticidas, e também em recipientes utilizados em equipamentos solares. Esta também é uma das áreas em que o UHMWPE tem as aplicações mais amplas atualmente. Os recipientes de UHMWPE possuem excelente resistência ao impacto por queda. Se o recipiente for preenchido com 20 kg de água e cair de grande altura sobre uma placa de ferro com espessura de 10 mm, o recipiente feito de polietileno comum se destrói a uma altura de apenas 9 metros, enquanto o recipiente feito de UHMWPE consegue resistir a quedas de até 15 metros ou mais. Aplicações onde a higiene e a atoxicidade são fundamentais 4.1. Indústria de alimentos e bebidas O UHMWPE possui as características de atoxicidade, resistência à água e não aderência exigidas pela indústria alimentícia. Material designado para uso em contato direto com alimentos. Pode ser utilizado em linhas de transporte para cerveja, bebidas refrescantes, temperos, etc. Ao transportar itens, evita-se o quebramento de garrafas e outros objetos, reduz-se o ruído, diminui-se o desgaste das esteiras transportadoras, parafusos transportadores, etc., e também se reduz o consumo de energia elétrica. Além disso, pode ser utilizado na fabricação de peças para equipamentos de produção de carne, leite, doces, compotas e produtos de panificação. 4.2 – Em termos médicos, o UHMWPE possui uma excelente inertidade fisiológica e adaptabilidade fisiológica. Foi aprovado pela Administração de Alimentos e Medicamentos dos EUA, bem como pelo Departamento de Agricultura, podendo ser utilizado em áreas onde há contato com o corpo humano, como válvulas cardíacas, peças para cirurgias ortopédicas, articulações artificiais e implantes contraceptivos. É, portanto, um material polimérico ideal para uso médico. Articulações de quadril e joelho artificiais, compostas por um acetábulo feito de UHMWPE e um fêmur metálico, apresentam maior resistência ao desgaste e segurança em comparação com o PTFE. Atualmente, centenas de milhares de pessoas em todo o mundo já passaram por essa substituição de articulações artificiais. Aplicações em outras áreas de desempenho 5.1. Aplicações em baixas temperaturas: O UHMWPE possui excelentes propriedades de resistência a baixas temperaturas, podendo ser utilizado em diversos equipamentos de refrigeração. Além disso, pode ser usado como componente resistente a baixas temperaturas na indústria nuclear. Na área da supercondutividade em baixas temperaturas, é um material isolante bastante adequado. O UHMWPE possui um excelente efeito de blindagem contra radiação, portanto pode ser utilizado como placa de blindagem em usinas nucleares. 5.2, Aplicações em termos de isolamento elétrico: O UHMWPE possui boas propriedades de isolamento elétrico, especialmente por ter um valor baixo do tangente do ângulo de perda dielétrica. Pode ser utilizado na fabricação de tanques de galvanização, rolos, além de isoladores e suportes isolantes que operam em faixas de alta e ultra-alta frequência. Também é usado em tubulações para cabos, disjuntores, terminais de cabos e outros dispositivos elétricos. Desvantagens: Em comparação com outros plásticos de engenharia, o UHMWPE possui menor resistência térmica, rigidez e dureza. No entanto, essas características podem ser melhoradas por meio de métodos como “preenchimento” e “reticulação” ； Em termos de resistência ao calor, o ponto de fusão do UHMWPE (136 °C) é praticamente o mesmo do polietileno comum; contudo, devido ao seu alto peso molecular e à alta viscosidade na fase fundida, seu processamento é difícil. A questão é: como se avaliam as propriedades e o peso molecular do polietileno de alto peso molecular? Quais são os padrões de avaliação?