Ultra Yüksek Molekül Ağırlıklı Polietilen
UHMWPE, yoğunluğu 0.930–0.935 g/cm3 arasında değişen 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 yerleştiği veya paketlendiğidir, polimer çok serttir ve termoplastik malzemeler arasında en yüksek darbe direncine sahiptir. Uzun zincirler moleküller arasıi etkileşimi kuvvetlendirerek yükün polimer iskeletine daha etkin bir şekilde transferine olanak verir. Bu hal, herhangi bir yüksek darbe dirençli termoplastiğe kıyasla daha dayanıklı ve sert bir yapı oluşmasını sağlar.
UHMWPE çok uzun zincirli polietilendir. Üretimde, genellikle metallosene katalizörler kullanılır.
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 yerleşirler ve kristallik seviyesi >%85’e ulaşır; bu durumda kısmen kısa moleküller arasında da kuvvetli bağlar meydana gelir. Olefin molekülleri arasındaki zayıf bağlanmalar yerel ısıl uyarmalara neden olarak bir zincirdeki kristalin düzenlenmeyi bozar, ısıl kararlılığı zayıflatır.
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 yağlayıcı 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 çeliğine kıyasla ise 15 kat daha yüksektir.
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 içermediğinden suya, neme, pek çok kimyasal maddeye, UV ışınlarına ve mikro organizmaya karşı dayanıklıdır. UHMWPE gerilme yükü altında tutulduğunda, yükün uygulanma süresi boyunca krep (creep) etkisi nedeniyle deforme olur. Örneğin, oriyente edilmiş bir UHMWPE fiber 2.4 GPa gibi yüksek bir yüke dayanabilir; bu özelliği ile yüksek kuvvetli çeliklerle kıyaslanabilir seviyededir, düşük karbonlu çeliklerde bu değer ancak 0.5 GPa dolayındadır.
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.
Medikal Alanında Polietilen Kullanımı
UHMWPE 40 yılı aşkın bir süredir tıpta çeşitli amaçlarla, örneğin kalça kemiği ve bel kemiği implant uygulamalarda kullanılmaktadır. UHMWPE üzerindeki ilk klinik çalışmalar, 1962 yılında Sir John Charnley tarafından başlatılmış, 1970’li yıllarda yapay kalça ve diz uygulamaları üzerinde çalışılmıştır. Karşılaşılan bazı zorluklar ve sıkıntıların giderilmesi klinik performansın sağlanabilmesi ancak 1990’lı yılların sonlarında yüksek derecede çapraz bağlı UHMWPE üretiminin gerçekleştirilmesiyle aşılabilmiştir. Aynı malzemeden yapılan fiberlerin klinik uygulamalarına 1998 yılında başlamıştır.
UHMWPE’nin yapay bağlantı parçalarına uygulanmasında karşılaşılan önemli bir sıkıntı aşınma sorunları olmuştur; malzemelerin kayma yüzeyleri arasında oluşan aşınma tanecikleri (< 1 mikro çapında) zamanla bağlantı parçasında kayıplara neden olacağını göstermiştir. Bu durum, karşılıklı yüzeylerin sürtünmeyi azaltacak ince bir polimer film tabakasıyla kaplanmasıyla, veya aşınmaya dayanıklı özellikler içeren yüksek çapraz bağı UHMWPW ile giderilebilmiştir.
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 bağlantı parçalarına uygulanmasında karşılaşılan önemli bir sıkıntı aşınma sorunları olmuştur; malzemelerin kayma yüzeyleri arasında oluşan aşınma tanecikleri (< 1 mikro çapında) zamanla bağlantı parçasında kayıplara neden olacağını göstermiştir. Bu durum, karşılıklı yüzeylerin sürtünmeyi azaltacak ince bir polimer film tabakasıyla kaplanmasıyla, veya aşınmaya dayanıklı özellikler içeren yüksek çapraz bağı UHMWPW ile giderilebilmiştir.
Yüksek performanslı implantların elde edilmesi için UHMWPE’nin bazı özelliklerinin geliştirilmesi gerekir:
Yüksek sıcaklık (250 0C) ve yüksek basınç (2800 atm.) uygulayarak degradasyona (bozunma) uğramadan kristalinitesinin %80’nin üzerine çıkarılması
Vakumda veya inert bir gaz içinde düşük dozda gama ışını ile malzemede çapraz bağlanmaların oluşturulması
Sonra, oksijensiz bir ortamda bekletilmesi; veya, vakumda veya inert bir gaz içinde ergime noktasının altında bir sıcaklıkta bekletilmesi, yani soğutulması
Parçalanmasını (kraking) önlemek amacıyla uygun bir miktarda e vitamini ilave edilmesi.
Yüksek sıcaklık (250 0C) ve yüksek basınç (2800 atm.) uygulayarak degradasyona (bozunma) uğramadan kristalinitesinin %80’nin üzerine çıkarılması
Vakumda veya inert bir gaz içinde düşük dozda gama ışını ile malzemede çapraz bağlanmaların oluşturulması
Sonra, oksijensiz bir ortamda bekletilmesi; veya, vakumda veya inert bir gaz içinde ergime noktasının altında bir sıcaklıkta bekletilmesi, yani soğutulması
Parçalanmasını (kraking) önlemek amacıyla uygun bir miktarda e vitamini ilave edilmesi.
