Polyéthylène à très haut poids moléculaire

Le polyéthylène à poids moléculaire ultra élevé ( UHMWPE , UHMW ) est un sous-ensemble du polyéthylène thermoplastique . Également connu sous le nom de polyéthylène à haut module ( HMPE ), il possède des chaînes extrêmement longues, avec une masse moléculaire généralement comprise entre 3,5 et 7,5 millions d’ amu . ^[1] La chaîne plus longue sert à transférer plus efficacement la charge au squelette du polymère en renforçant les interactions intermoléculaires. Il en résulte un matériau très résistant , avec la résistance aux chocs la plus élevée de tous les thermoplastiques actuellement fabriqués. ^[2]

UHMWPE est inodore, insipide et non toxique. ^[3] Il incarne toutes les caractéristiques du polyéthylène haute densité (PEHD) avec les traits supplémentaires d’être résistant aux acides concentrés et aux alcalis , ainsi qu’à de nombreux solvants organiques. ^[4] Il est hautement résistant aux produits chimiques corrosifs à l’exception des acides oxydants ; a une absorption d’humidité extrêmement faible et un très faible coefficient de frottement ; est autolubrifiant (voir Lubrification limite ); et est très résistant à l’ abrasion , sous certaines formes étant 15 fois plus résistant à l’abrasion que l’acier au carbone. Son coefficient de frottement est nettement inférieur à celui du nylon et de l’ acétal et est comparable à celui du polytétrafluoroéthylène (PTFE, Téflon), mais l’UHMWPE a une meilleure résistance à l’abrasion que le PTFE. ^{[5] [6]}

Développement

La polymérisation de l’UHMWPE a été commercialisée dans les années 1950 par Ruhrchemie AG, ^{[1] [7]} qui a changé de nom au fil des ans. Aujourd’hui, les matériaux en poudre UHMWPE, qui peuvent être directement moulés dans la forme finale d’un produit, sont produits par Ticona , Braskem , DSM , Teijin (Endumax), Celanese et Mitsui .. L’UHMWPE traité est disponible dans le commerce sous forme de fibres ou sous forme consolidée, comme des feuilles ou des tiges. En raison de sa résistance à l’usure et aux chocs, l’UHMWPE continue de trouver des applications industrielles croissantes, notamment dans les secteurs de l’automobile et de l’embouteillage. Depuis les années 1960, l’UHMWPE est également le matériau de choix pour l’ arthroplastie totale des articulations dans les implants orthopédiques et rachidiens . ^[1]

Les fibres UHMWPE de marque Dyneema, commercialisées à la fin des années 1970 par la société chimique néerlandaise DSM , sont largement utilisées dans la protection balistique, les applications de défense et de plus en plus dans les dispositifs médicaux, la voile, l’équipement de randonnée, l’escalade et de nombreuses autres industries.

Structure et propriétés

Structure de UHMWPE, avec n supérieur à 100 000

UHMWPE est un type de polyoléfine . Il est composé de chaînes de polyéthylène extrêmement longues, qui s’alignent toutes dans la même direction. Il tire sa force en grande partie de la longueur de chaque molécule individuelle (chaîne). Les Forces de Van der Waals entre les molécules sont relativement faibles pour chaque atome de chevauchement entre les molécules, mais comme les molécules sont très longues, de grands chevauchements peuvent exister, ajoutant à la capacité de transporter des forces de cisaillement plus importantes d’une molécule à l’autre. Chaque chaîne est attirée vers les autres avec tellement de Forces de Van der Waals que l’ensemble de la force intermoléculaire est élevé. De cette manière, les grandes charges de traction ne sont pas autant limitées par la faiblesse relative de chaque force de van der Waals localisée.

Lorsqu’elles sont formées en fibres, les chaînes polymères peuvent atteindre une orientation parallèle supérieure à 95 % et un niveau de cristallinité de 39 % à 75 %. En revanche, le Kevlar tire sa force d’une forte liaison entre des molécules relativement courtes.

La liaison faible entre les molécules d’oléfine permet aux excitations thermiques locales de perturber l’ordre cristallin d’une chaîne donnée pièce par pièce, lui donnant une résistance à la chaleur beaucoup plus faible que d’autres fibres à haute résistance. Son point de fusion est d’environ 130 à 136 ° C (266 à 277 ° F), ^[8] et, selon DSM, il est déconseillé d’utiliser des fibres UHMWPE à des températures supérieures à 80 à 100 ° C (176 à 212 ° F) pendant de longues périodes. Il devient cassant à des températures inférieures à -150 ° C (-240 ° F). ^[9]

La structure simple de la molécule donne également des propriétés de surface et chimiques rares dans les polymères hautes performances. Par exemple, les groupes polaires de la plupart des polymères se lient facilement à l’eau. Parce que les oléfines n’ont pas de tels groupes, l’UHMWPE n’absorbe pas facilement l’eau, ni ne se mouille facilement, ce qui rend difficile sa liaison à d’autres polymères. Pour les mêmes raisons, la peau n’interagit pas fortement avec elle, ce qui rend la surface de la fibre UHMWPE glissante. De la même manière, les polymères aromatiques sont souvent sensibles aux solvants aromatiques en raison des interactions d’empilement aromatiques , un effet auquel les polymères aliphatiques comme l’UHMWPE sont immunisés. Étant donné que l’UHMWPE ne contient pas de groupes chimiques (tels que des esters, amides ou groupes hydroxyliques ) qui sont susceptibles d’être attaqués par des agents agressifs, il est très résistant à l’eau, à l’humidité, à la plupart des produits chimiques, aux rayons UV et aux micro-organismes.

Sous une charge de traction, l’UHMWPE se déformera continuellement tant que la contrainte sera présente, un effet appelé fluage .

Lorsque l’UHMWPE est recuit , le matériau est chauffé entre 135 °C et 138 °C dans un four ou un bain liquide d’ huile de silicone ou de Glycérine . Le matériau est ensuite refroidi à une vitesse de 5 °C/h à 65 °C ou moins. Enfin, le matériau est enveloppé dans une couverture isolante pendant 24 heures pour le ramener à température ambiante. ^[dix]

Production

Le polyéthylène à poids moléculaire ultra élevé (UHMWPE) est synthétisé à partir de son monomère éthylène , qui est lié pour former le produit de base en polyéthylène. Ces molécules sont plus longues de plusieurs Ordres de grandeur que celles du polyéthylène haute densité (HDPE) familier en raison d’un processus de synthèse basé sur des catalyseurs métallocènes , ce qui donne des molécules d’UHMWPE ayant généralement 100 000 à 250 000 unités Monomères par molécule chacune par rapport aux 700 à 1 800 Monomères du HDPE. .

L’ UHMWPE est traité de différentes manières par Moulage par compression , extrusion à piston , filage de gel et frittage . Plusieurs entreprises européennes ont commencé le Moulage par compression UHMWPE au début des années 1960. Le gel-spinning est arrivé bien plus tard et était destiné à différentes applications.

Dans la filature de gel, un gel d’UHMWPE chauffé avec précision est extrudé à travers une filière . L’extrudat est aspiré à l’air puis refroidi au bain-marie. Le résultat final est une fibre avec un haut degré d’orientation moléculaire, et donc une résistance à la traction exceptionnelle . Le filage de gel dépend de l’isolement des molécules de chaîne individuelles dans le solvant afin que les enchevêtrements intermoléculaires soient minimes. Les enchevêtrements rendent l’orientation de la chaîne plus difficile et réduisent la résistance du produit final. ^[11]

Applications

Fibre

LIROS Dyneema creux

Dyneema et Spectra sont des marques de gels légers à brins orientés à haute résistance filés à travers une filière . Ils ont des limites d’ élasticité aussi élevées que 2,4 GPa (2,4 kN/mm ² ou 350 000 psi ) et une densité aussi faible que 0,97 g/cm ³ (pour Dyneema SK75). ^[12] Les aciers à haute résistance ont des limites d’élasticité comparables et les aciers à faible teneur en carbone ont des limites d’élasticité beaucoup plus faibles (environ 0,5 GPa). Étant donné que l’acier a une densité d’environ 7,8, ces matériaux ont un rapport résistance/poids huit fois supérieur à celui des aciers à haute résistance. Les rapports résistance-poids pour UHMWPE sont environ 40% plus élevés que pouraramide . Les hautes qualités du filament UHMWPE ont été découvertes par Albert Pennings en 1968, mais des produits commercialement viables ont été mis à disposition par DSM en 1990. ^[13]

L’UHMWPE est utilisé dans les plaques composites des armures , en particulier les armures personnelles et parfois comme armures de véhicules . Les applications civiles contenant des fibres UHMWPE sont les gants résistants aux coupures, les cordes d’arc , l’ équipement d’escalade , le treuil automobile , la ligne de pêche , les lignes de lance pour arbalètes , les voiles haute performance , les lignes de suspension sur les parachutes de sport et les parapentes , le gréement dans la plaisance , les cerfs-volants et les lignes de cerf-volant. pour les sports de cerfs-volants.

Pour les armures personnelles, les fibres sont, en général, alignées et collées en feuilles, qui sont ensuite superposées à différents angles pour donner au matériau composite résultant une résistance dans toutes les directions. ^{[14] [15]} On dit que des ajouts récemment développés au gilet pare- balles Interceptor de l’armée américaine , conçus pour offrir une protection des bras et des jambes, utilisent une forme de tissu UHMWPE. ^[16] Le tissu UHMWPE offre une résistance à la perforation aux vêtements de protection dans le sport de l’ escrime .

L’utilisation du câble UHMWPE pour le treuillage automobile offre plusieurs avantages par rapport au fil d’acier plus courant. La principale raison du passage à la corde UHMWPE est l’amélioration de la sécurité. La masse inférieure de la corde UHMWPE, associée à un allongement à la rupture nettement inférieur, transporte beaucoup moins d’énergie que l’acier ou le nylon, ce qui entraîne presque aucun retour en arrière. La corde UHMWPE ne développe pas de plis qui peuvent causer des points faibles, et toutes les zones effilochées qui peuvent se développer le long de la surface de la corde ne peuvent pas percer la peau comme le peuvent les brins de fil cassés. La corde UHMWPE est moins dense que l’eau, ce qui facilite la récupération de l’eau car le câble de récupération est plus facile à localiser que le fil. Les couleurs vives disponibles facilitent également la visibilité si la corde est submergée ou sale. Un autre avantage dans les applications automobiles est le poids réduit du câble UHMWPE par rapport aux câbles en acier. Un câble UHMWPE typique de 11 mm de 30 mètres peut peser environ 2 kg, le câble en acier équivalent pèserait environ 13 kg. Un inconvénient notable de la corde UHMWPE est sa sensibilité aux dommages causés par les UV, de sorte que de nombreux utilisateurs installeront des housses de treuil afin de protéger le câble lorsqu’il n’est pas utilisé. Il est également vulnérable aux dommages causés par la chaleur du contact avec des composants chauds.

Les fibres filées UHMWPE sont excellentes comme ligne de pêche, car elles sont moins extensibles, sont plus résistantes à l’ abrasion et sont plus fines que la ligne monofilament équivalente .

En escalade , les cordes et les sangles composées de combinaisons de fils UHMWPE et de nylon ont gagné en popularité en raison de leur faible poids et de leur encombrement. Ils présentent une très faible élasticité par rapport à leurs homologues en nylon, ce qui se traduit par une faible ténacité . Le pouvoir lubrifiant très élevé de la fibre entraîne une mauvaise capacité de maintien des nœuds, et elle est principalement utilisée dans les «élingues» pré-cousues (boucles de sangle) – il n’est généralement pas recommandé de se fier aux nœuds pour joindre les sections d’UHMWPE, et si nécessaire, il est recommandé de utilisez le nœud de pêcheur triple plutôt que le nœud de pêcheur double traditionnel . ^{[17] [18]}

Les aussières et les câbles des navires fabriqués à partir de la fibre (poids spécifique de 0,97) flottent sur l’eau de mer. Les “fils Spectra”, comme on les appelle dans la communauté des bateaux de remorquage, sont couramment utilisés pour les fils de face ^{[ clarification nécessaire ]} comme alternative plus légère aux fils d’acier.

Il est utilisé dans les skis et les snowboards, souvent en combinaison avec de la fibre de carbone , renforçant le matériau composite en fibre de verre , ajoutant de la rigidité et améliorant ses caractéristiques de flexion ^{[ clarification nécessaire ]} . L’UHMWPE est souvent utilisé comme couche de base, qui entre en contact avec la neige, et comprend des abrasifs pour absorber et retenir la cire. ^{[ clarification nécessaire ]}

Il est également utilisé dans les applications de levage, pour la fabrication d’élingues de levage légères et résistantes. En raison de son extrême résistance à l’abrasion, il est également utilisé ^{[ clarification nécessaire ]} comme excellente protection d’angle pour les élingues de levage synthétiques.

Les lignes hautes performances (comme les galhaubans ) pour la voile et le parachute ascensionnel sont fabriquées en UHMWPE, en raison de leur faible allongement, de leur haute résistance et de leur faible poids. ^[19] De même, l’UHMWPE est souvent utilisé pour les planeurs à treuil à partir du sol, car, par rapport au câble en acier, sa résistance supérieure à l’abrasion entraîne moins d’usure lors de la course sur le sol et dans le treuil, ce qui augmente le temps entre les pannes. Le poids inférieur des câbles d’un kilomètre de long utilisés entraîne également des lancements de treuil plus élevés.

L’UHMWPE a été utilisé pour l’attache spatiale de 30 kilomètres dans le satellite ESA/Russian Young Engineers 2 de septembre 2007. ^{[ citation nécessaire ]}

Le tissu composite Dyneema (DCF) est un matériau laminé constitué d’une grille de fils Dyneema pris en sandwich entre deux fines membranes transparentes en polyester. Ce matériau est très solide pour son poids et a été développé à l’origine pour être utilisé dans les voiles de yacht de course sous le nom de “Cuben Fiber”. Plus récemment, il a trouvé de nouvelles applications, notamment dans la fabrication d’équipements de camping et de randonnée légers et ultralégers tels que des tentes et des sacs à dos.

En tir à l’arc, l’UHMWPE est largement utilisé comme matériau pour les cordes d’arc en raison de son faible fluage et de son étirement par rapport, par exemple, au Dacron (PET). ^{[ citation nécessaire ]} Outre les fibres UHMWPE pures, la plupart des fabricants utilisent des mélanges pour réduire davantage le fluage et l’étirement du matériau. Dans ces mélanges, les fibres UHMWPE sont mélangées avec, par exemple, du Vectran .

En parachutisme , l’UHMWPE est l’un des matériaux les plus couramment utilisés pour les suspentes, supplantant largement le Dacron utilisé précédemment , étant plus léger et moins encombrant. ^{[ citation nécessaire ]}L’UHMWPE a une excellente résistance et résistance à l’usure, mais n’est pas dimensionnellement stable (c’est-à-dire qu’il rétrécit) lorsqu’il est exposé à la chaleur, ce qui entraîne un rétrécissement progressif et inégal des différentes lignes car elles sont soumises à des frictions différentes lors du déploiement de la canopée, ce qui nécessite un remplacement périodique de la ligne. . Il est également presque totalement inélastique, ce qui peut aggraver le choc d’ouverture. Pour cette raison, les lignes en Dacron continuent d’être utilisées dans les systèmes d’étudiants et certains systèmes en tandem, où l’encombrement supplémentaire est moins préoccupant que le potentiel d’une ouverture préjudiciable. À leur tour, dans les parachutes hautes performances utilisés pour le swooping, UHMWPE est remplacé par du Vectran et du HMA (aramide à haut module), qui sont encore plus minces et dimensionnellement stables, mais présentent une usure plus importante et nécessitent un entretien beaucoup plus fréquent pour éviter une défaillance catastrophique. Les UHMWPE sont également utilisés pour les boucles de fermeture du parachute de secours lorsqu’ils sont utilisés avec des dispositifs d’activation automatique , où leur coefficient de frottement extrêmement faible est essentiel pour un bon fonctionnement en cas d’activation du couteau.

Médical

L’UHMWPE a une histoire clinique en tant que biomatériau utilisé dans la hanche, le genou et (depuis les années 1980) pour les implants de la colonne vertébrale. ^[1] Un référentiel en ligne d’informations et d’articles de synthèse liés à l’UHMWPE de qualité médicale, connu sous le nom de lexique UHMWPE, a été lancé en ligne en 2000. ^[20]

Les composants de remplacement articulaire ont historiquement été fabriqués à partir de résines “GUR”. Ces matériaux en poudre sont produits par Ticona, généralement convertis en semi-formes par des sociétés telles que Quadrant et Orthoplastics, ^[1] , puis usinés en composants d’implant et stérilisés par les fabricants d’appareils. ^[21]

L’UHMWPE a été utilisé pour la première fois en clinique en 1962 par Sir John Charnley et est devenu le matériau de support dominant pour les arthroplasties totales de la hanche et du genou dans les années 1970. ^[20] Tout au long de son histoire, il y a eu des tentatives infructueuses de modifier l’UHMWPE pour améliorer ses performances cliniques jusqu’au développement de l’UHMWPE hautement réticulé à la fin des années 1990. ^[1]

Une tentative infructueuse de modifier l’UHMWPE consistait à mélanger la poudre avec des fibres de carbone. Cet UHMWPE renforcé a été publié cliniquement sous le nom de “Poly Two” par Zimmer dans les années 1970. ^[1] Les fibres de carbone avaient une mauvaise compatibilité avec la matrice UHMWPE et ses performances cliniques étaient inférieures à l’UHMWPE vierge. ^[1]

Une deuxième tentative de modification de l’UHMWPE a été par recristallisation à haute pression. Cet UHMWPE recristallisé a été commercialisé sous le nom de “Hylamer” par DePuy à la fin des années 1980. ^[1] Lorsqu’il était irradié aux rayons gamma dans l’air, ce matériau présentait une sensibilité à l’oxydation, entraînant des performances cliniques inférieures par rapport à l’UHMWPE vierge. Aujourd’hui, la mauvaise histoire clinique de l’Hylamer est largement attribuée à sa méthode de stérilisation, et il y a eu un regain d’intérêt pour l’étude de ce matériau (au moins dans certains cercles de recherche). ^[20] Hylamer est tombé en disgrâce aux États-Unis à la fin des années 1990 avec le développement de matériaux UHMWPE hautement réticulés, mais des rapports cliniques négatifs en provenance d’Europe sur Hylamer continuent de faire surface dans la littérature.

Les matériaux UHMWPE hautement réticulés ont été introduits cliniquement en 1998 et sont rapidement devenus la norme de soins pour les arthroplasties totales de la hanche , du moins aux États-Unis. ^[1] Ces nouveaux matériaux sont réticulés avec un rayonnement gamma ou par faisceau d’électrons (50-105 kGy) puis traités thermiquement pour améliorer leur résistance à l’oxydation. ^[1] Des données cliniques à cinq ans, provenant de plusieurs centres, sont maintenant disponibles démontrant leur supériorité par rapport à l’UHMWPE conventionnel pour le remplacement total de la hanche (voir arthroplastie ). ^[20] Des études cliniques sont toujours en cours pour étudier les performances de l’UHMWPE hautement réticulé pour le remplacement du genou. ^[20]

En 2007, les fabricants ont commencé à incorporer des antioxydants dans l’UHMWPE pour les surfaces portantes des arthroplasties de la hanche et du genou. ^[1] La vitamine E (a-tocophérol) est l’antioxydant le plus couramment utilisé dans l’UHMWPE réticulé par rayonnement pour des applications médicales. L’antioxydant aide à éteindre les radicaux libres qui sont introduits pendant le processus d’irradiation, conférant une meilleure résistance à l’oxydation à l’UHMWPE sans nécessiter de traitement thermique. ^[22] Plusieurs entreprises vendent depuis 2007 des technologies de remplacement articulaire stabilisées par des antioxydants, utilisant à la fois de la vitamine E synthétique et des antioxydants à base de phénol encombré. ^[23]

Une autre avancée médicale importante pour l’UHMWPE au cours de la dernière décennie a été l’augmentation de l’utilisation des fibres pour les sutures . Les fibres de qualité médicale pour les applications chirurgicales sont produites par DSM sous le nom commercial « Dyneema Purity ». ^[24]

Fabrication

L’UHMWPE est utilisé dans la fabrication de fenêtres et de portes en PVC (vinyle), car il peut supporter la chaleur nécessaire pour ramollir les matériaux à base de PVC et est utilisé comme remplisseur de coffrage/chambre pour les différents profilés de forme en PVC afin que ces matériaux être «plié» ou façonné autour d’un gabarit.

L’UHMWPE est également utilisé dans la fabrication de joints hydrauliques et de roulements. Il est le mieux adapté aux tâches mécaniques moyennes dans l’eau, l’huile hydraulique, la pneumatique et les applications non lubrifiées. Il a une bonne résistance à l’abrasion mais est mieux adapté aux surfaces de contact souples.

Fil/câble

Le câble de protection cathodique à isolation fluoropolymère / HMWPE est généralement fabriqué avec une double isolation. Il comporte une couche primaire d’un fluoropolymère tel que l’ECTFE qui est chimiquement résistant au chlore, à l’acide sulfurique et à l’acide chlorhydrique. À la suite de la couche primaire se trouve une couche isolante HMWPE, qui offre une résistance flexible et permet des abus considérables lors de l’installation. La gaine HMWPE offre également une protection mécanique. ^[25]

Infrastructures maritimes

L’UHMWPE est utilisé dans les structures marines pour l’amarrage des navires et des structures flottantes en général. L’UHMWPE forme la surface de contact entre la structure flottante et la structure fixe. Le bois était et est également utilisé pour cette application. L’UHMWPE est choisi comme revêtement des systèmes de défense pour les structures d’accostage en raison des caractéristiques suivantes : ^[26]

• Résistance à l’usure : meilleure parmi les plastiques, meilleure que l’acier
• Résistance aux chocs : meilleure parmi les plastiques, similaire à l’acier
• Faible frottement (conditions humides et sèches) : matériau autolubrifiant

Voir également

• Polyéthylène basse densité (LDPE)
• Polyéthylène moyenne densité (MDPE)
• Kevlar
• Twaron
• Tissu composite Dyneema

Références

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Lectures complémentaires

• Southern et al., Les propriétés du polyéthylène cristallisé sous les effets d’orientation et de pression d’un viscosimètre capillaire à pression, Journal of Applied Polymer Science vol. 14, p. 2305–2317 (1970).
• Kanamoto, On Ultra-High Tensile by Drawing Monocristal Mats of High Molecular Weight Polyethylene, Polymer Journal vol. 15, n° 4, pages 327 à 329 (1983).

Liens externes

• Brevet américain 5342567 Procédé de production de fibres de polyéthylène à haute ténacité et haut module, délivré le 1994-08-30
• Machine à filer les gels polymères Christine A. Odero, MIT, 1994
• Demande de brevet 20070148452 Fibre de polyéthylène haute résistance, 2007-06-28
• Techniques analytiques pour caractériser les effets des rayonnements sur l’UHMWPE
• Implants orthopédiques de nouvelle génération utilisant UHMWPE
• VE-UHMWPE hautement réticulé pour les arthroplasties de la hanche et du genou
• Caractéristiques UHMWPE, méthodes de traitement, applications
• Polyéthylène UHMWPE HDPE LDPE LLDPE – Quelles sont les différences ?