Specifikace materiálu : Dyneema

Popis materiálu

Velmi vysoce molekulární PE UHMWPE také známý jako vysoce modulární PE (HMPE) nebo vysoce výkonný PE (HPPE), je termoplastický. Má extrémně dlouhý řetězec, s molekulární hmotností v milionech, obvykle mezi 2 až 6 miliony. Dlouhý řetězec slouží k přenosu nákladu více efektivně na polymerový nosný řetězec zesilováním mezimolekulárních interakcí. Výsledkem je materiál s největší odolností proti nárazu ze všech termoplastů současné výroby. Je vysoce odolný proti korozivním chemikáliím kromě oxidizačních kyselin. Má extrémně nízkou absorbci vlhkosti, zároveň velmi nízký koeficient tření, je samokluzný, a je velice odolný proti tření (15x odolnější proti tření než uhlíková ocel). Jeho koeficient tření je podstatně nižší než nylonu či acetalu, a aje srovnatelný s koeficientem u Teflonu, ale UHMWPE jej má větší. Dyneema je bez chutí a bez zápachu a je netoxická.
Polymerizace UHMWPE bylo komercionalizováno v roce 1950 firmou Ruhrchemie AG, která v průběhu let měnila jména. Dnešní UHMWPE práškový materiál je vyráběn firmou Ticona. UHMWPE je dostupná komerčně buď v pevné formě jako listy nebo pruty, také jako vlákna. UHMWPE prášek může být také přímo modelována do finálního tvaru výrobku. Díky odolnosti proti nárazu, UHMWPE stále dále nachází nové průmyslové aplikace včetně automobilového průmyslu a v obalovém sektoru ku příkladu.
Od roku 1960 byl UHMWPE materiálem pro totální endoprotézy v oboru ortopedických a páteřních implantátů. UHMWPE bylo koncem 1970 let komercionalizováno Holandskou firmou DSM a dále rozšířeno v balistické ochraně, ochranných aplikacích, a stále více v lékařských zařízeních.

Technický popis vlastností

UHMWPE je typ polyolefínu a ikdyž jsou mezimolekulární Van der Waalsovy síly velmi slabé, způsobují značnou pevnost díky délce každé jednotlivé molekuly. Je složen z extrémně dlouhých řetězců polyetylenu, která na sebe přiléhají ve stejném směru. Každý řetězec je spojen s ostatními mnoha Van der Waalsovými silami, díky nímž řetězce dokáží vydržet vysoké zatížení. Při procesu zvláknění, polymerové řetězce mohou získat míru paralelity větší než 95% a míru krystalinity až 85%. Oproti tomu kevlar získává svou sílu ze silných vazeb mezi relativně krátkými molekulami Slabé vazby mezi olefíny umožňují lokální termální excitaci, která způsobí porušení orientaci krystalů kus po kuse, čímž UHMWPE získává daleko nižší tepelnou odolnost než jiné vysokopevnostní vláka.
Bod tání je mezi 144 až 152 °C a podle firmy DSM se nedoporučuje používat UHMWPE vlákno při teplotách přesahujících 80 - 100 °C dlouhodobě. Stává se křehkým při teplotách pod 150 °C.
Jednoduchá struktura molekuly je původcem povrchových a chemických vlastností, které se objevují zřídka u vysokopevnostních polymerů. Například polární skupiny ve většině polymerů snadno vážou vodu. Protože olefíny nemají takovéto skupiny, UHMWPE neabsorbuje vodu tak snadno, ani se snadno nesmočí, což znesnadňuje navázání na jiné polymery. Z téhož důvodu ani kůže neinteraguje s UHMWPE, který se tím jeví velmi kluzký. Podobným způsobem, aromatické polymery jsou často citlivé na aromatické rozpouštědla díky aromatickým vrstveným interakcím. Jelikož Dyneema neobsahuje chemické skupiny (jako estery, amidy nebo hydroxylové skupiny) které jsou citlivé na působení agresivních látek, je velice odolná proti vodě, vlhkosti, většině chemikálií, UV radiaci a mikroorganismům. Pod statickým zatížením se UHMWPE průběžně deformuje dokud působí síla, efekt zvaný "creep".

Tavení

K tavení UHMWPE by měl být materiál zahřán na 135 až 138 °C v peci nebo v kapalné lázni se silikonovým olejem nebo glycerinem. Materiál musí být schlazen rychlostí 5°C/hodinu na přinejmenším 65°C. Nakonec by měl být materiál zabalen krycí látkou na 24 hodin přičemž se zchladí na pokojovou teplotu.

Výroba

UHMWPE je syntetizován z monomerů etylenu, které jsou spojovány dohromady za vzniku ultra-vysoce-molekulárně-těžkého polyetylenu (neboli UHMWPE). Jsou to molekuly polyetylenu, které jsou vysoce orientovanější a delší než klasický vysoce-hustotní polyetylen (HDPE) díky procesu syntézy na základě metalocenní katalýzy. Obecně HDPE molekuly mají mezi 700 a 1800 monomerními jednotkami, zatímco molekuly UHMWPE mají 100 000 až 250 000 monomerů každá.
UHMWPE se vyrábí 4mi hlavními metodami:

• kompresní tavení
• tlaková extruze
• gelové spřádání
• slinutí

Hlavní výrobci každého z těchto proceů výroby UHMWPE:

• kompresní tavení (Quadrant, PPD, Hutchinson, NorthAmerican)
• tlaková extruze (Quadrant, [Garland Manufacturing], Artek)
• gelové spřádání - šňůry a brnění (Dyneema)
• slinutí - lékařské aplikace (Quadrant, Solus, Perplas)

Vlákna dyneemy jsou vyráběny na základě patentu firmy DSM z roku 1979 metodou zvanou gelové spřádání. Přesně zahřívaný gel UHMWPE je zpracováván extruderem na spřádacím zařízení. Extrudát je vytahován vzduchem a následně ochlazován ve vodní lázni. Výsledkem je příze s vysokým stupněm molekulární orientace a díky tomu mimořádnéá pevnost v tahu. Gelové spřádání závisí na izolaci jednotlivých řetězcových molekul v rozpouštědle, takže mezimolekulární spleťi jsou minimální. Spleť molekul znemožňuje orientaci řetězců a snižuje pevnost finálního produktu.

Obchodní jména

Dyneema je registrovaná obchodní značka Královské DSM N.V. (Holandsko). Dyneema byla vynalezena firmou DSM v roce 1979. Od roku 1990 byla komerčně vyráběna v továrně v Heerlenu, Holandsko. Na dálném východě má DSM obchodní smlouvu s Toyobo Co. na komerční výrobu v Japonsku. V USA má DSM výrobní areál v Greenville, Severní Karolíně. Je to největší továrna na výrobu UHMWPE ve Spojených státech
Honywell vyvinul výrobek identický chemickou strukturou, který se prodává pod názvem Spectra. Ačkoli výrobní detaily jsou poněkud odlišné, výsledné materiály jsou porovnatelné svými vlastnostmi. Mezi ostatní obchodní názvy pro UHMWPE materiály patří TIVAR od firmy Quadrant EPP Inc. a Polystone-M od firmy Röchling Engineering Plastics. Garland Manufacturing vyrábí UHMW různými způsoby extruze a se svým vlastním technickým vybavením pod značkou GARDUR.

Nejčastější aplikace dyneemy

Dyneema a Spectra jsou gelově spřádány na spřádacím zařízení za vzniku orientovaných syntetických vláken UHMWPE, které vykazují pevnosti až 2,4 GPa a hustotu pouze 0,97 Kg/l (pro Dynnemu SK75). Vysokopevnostní oceli vykazují srovnatelné pevnosti v tahu a nízkouhlíkové uceli mají podstatně nižší pevnosti v tahu (okolo 0,5 GPa). Jelikož má ocel hustotu přibližně 7,8 kg/l jsou poměrné hustoty pro Dyneemu 10 až 100 krát vyšší. Poměr pevnost ku hmotnosti je pro Dyneemu o 40% vyšší než pro Aramid.

Vlákna UHMWPE se používají na výrobu

• neprůstřelných vest
• struny luků
• horolezecké vybavení
• rybářské šňůry
• harpunové šňůry
• lodní lana
• brzdné lana sportovního parašutismu
• jachetní lanoví
• šňůry na draky
• šňůry na sportovní "kiteing"

Spectra se také používá na high-end lano pro vodní lyžování. Pro aplikace brnění se vlákna spojí do vrstev, které jsou skládány v různých úhlech za vzniku kompozitů s různými pevnostmi ve všech směrech.
Nedávno vyvinuté přídavné US Military brnění, navržené k ochraně rukou a nohou, je vyrobeno z kompozitu Spektry a Dyneemy. Stáčené UHMWPE vlákna jsou vynikající rybářské šňůry, mají menší průtažnost a větší odolnost proti otěru, jsou tenší než tradiční monofilamentní vlasce. V horolezeckých lanech a tkaných popruzích je kombinace UHMWPE a nylonu velmi populární pro svou nízkou hmotnost a tuhost. I přes nylonovou složku tohoto kompozitu, vykazují velmi nízkou elasticitu, což je činí nevhodnými pro dynamické namáhání. Také nízká elasticita má vliv na tuhost. Vysoká kluzkost příze vede ke slabé pevnosti v uzlu, což vede k doporučení použití trojitého rybářského uzlu než tradičního dvojitého rybářského uzlu, kde docházelo k prokluzu a rozvázání. Díky své nízké hustotě, lodní lana a kabely mohou být vyrobeny z UHMWPE a plavat na hladině. Také se používá v lyžích a snowboardech, často v kombinaci s uhlíkovými vlákny, posílenými kompozitními materiály z skelných vláken, které zvyšují tuhost a vylepšují charakteristiky průtažnosti.
UHMWPE je často používán jako základní vrstva, která je v kontaktu se sněhem, je lehce zdrsněna aby k ní dobře přilnula vrstva vosku. The UHMWPE is often used as the base layer, which contacts the snow, and is structured with abrasives to absorb and retain wax. Z Dyneemy se také vyrábějí šňůry na plachtění a plachatřské sporty jako je vodní lyžování s padákem. Dyneema je velmi preferovaným materiálem pro výrobu sportovních draků ze dvou hlavních důvodů:

• Nízká průtažnost znamená že kontrolní pohyby padáku či draku jsou přenášeny rychle
• Nízké tření umožňuje padáku zůstat kontrolovatelný i po 10 zákrutech za sebou

Dyneema byla použita na 30 kilometrů dlouhý úvazek v ESA/Ruském Dyneema was used for the 30-kilometre space tether v satelitu ESA/Russian Young Engineers' Satellite 2 v srpnu roku 2007. Díky extrémně nízkému koeficientu tření se Dyneema také používá na skluzavky na dětských hřištích.

Chemická struktura Dyneemy