Mercado de fibras de UHMWPE, aplicaciones y desarrollo tecnológico

1. Tamaño del mercado y áreas de consumo de UHMWPE

2. Principales productores de UHMWPE

3. Tendencias de desarrollo y sugerencias para la industria de la fibra UHMWPE

3.1 Desarrollar procesos de producción más respetuosos con el medio ambiente
El proceso húmedo existente de hilado-súper estiramiento de gel de fibra UHMWPE utiliza una gran cantidad de solvente y extractante durante la producción. Se requieren de 10 a 15 toneladas de solvente para producir 1 tonelada de producto y, posteriormente, se requieren de 30 a 45 toneladas de extractante para desplazar el solvente. Por consideraciones ambientales y de costos, es necesario implementar simultáneamente un sistema de reciclaje de solventes y extractantes para mejorar la eficiencia de utilización del material y reducir las emisiones contaminantes. Según los datos revelados en informes de evaluación de impacto ambiental de varios proyectos de fibra de UHMWPE, el consumo real de extractante para producir 1 tonelada de producto de fibra de UHMWPE es de aproximadamente 0,031 a 0,264 toneladas, y el consumo de aceite blanco es de aproximadamente 0,06 a 0,232 toneladas. Por el contrario, el proceso seco no requiere extractante y el consumo del disolvente decahidronaftaleno es de aproximadamente 0,04-0,075 toneladas. El diclorometano y el tetracloroetileno, extractantes comúnmente utilizados en la tecnología de procesos húmedos, son contaminantes tóxicos, peligrosos y fuertemente controlados. Ambos están incluidos en la "Lista de sustancias químicas controladas prioritarias (primer lote)", la "Lista de contaminantes del aire tóxicos y peligrosos (2018)" y la "Lista de contaminantes del agua tóxicos y peligrosos (primer lote)". Con políticas de gestión ambiental y de seguridad cada vez más estrictas en mi país, la tecnología de proceso húmedo necesita urgentemente encontrar alternativas a los extractantes que sean menos tóxicos, menos dañinos o incluso no tóxicos. En los últimos dos años, los investigadores han propuesto nuevos extractantes basados ​​en líquidos iónicos para eliminar el aceite blanco solvente de la producción de fibras de polietileno de peso molecular ultraalto.



3.2 Desarrollo de variedades de fibra UHMWPE modificadas
Aunque las fibras de UHMWPE exhiben excelentes propiedades mecánicas, adolecen de deficiencias en cuanto a resistencia al calor, resistencia a la fluencia y resistencia a la oxidación. Además, debido a la baja energía superficial y la falta de grupos polares, las fibras de UHMWPE tienen malas propiedades de procesamiento superficial, que se manifiestan principalmente en una mala adhesión entre la fibra y la matriz de resina, una unión interfacial insuficiente y susceptibilidad a la rotura y desunión interfacial bajo tensión, lo que lleva a una reducción de las propiedades mecánicas del material compuesto. Por lo tanto, los tratamientos de modificación específicos para las fibras de UHMWPE son de gran importancia para ampliar aún más su rango de aplicaciones y promover la mejora de los productos, y se han convertido en uno de los temas candentes en la investigación de la industria. Para la modificación de la resistencia al calor y la resistencia a la fluencia, el método común es mezclar partículas inorgánicas o agentes de acoplamiento en la materia prima de UHMWPE, lo que mejora tanto la resistencia al calor como la resistencia a la fluencia y al mismo tiempo mejora las propiedades mecánicas de la fibra. Para abordar la insuficiente adhesión superficial de las fibras de UHMWPE, los métodos de modificación comunes incluyen la modificación con plasma, el tratamiento de oxidación, la reticulación por radiación ultravioleta y la reticulación con reactivos químicos. El objetivo es introducir grupos activos o aumentar la rugosidad de la superficie de la fibra.

3.2.1 Fibras UHMWPE teñidas en solución
Debido a sus excelentes propiedades, las fibras UHMWPE se utilizan ampliamente en campos importantes como la tecnología de defensa nacional, la ingeniería militar, la industria aeroespacial y la protección médica. Sin embargo, debido a que las cadenas macromoleculares de las fibras de UHMWPE carecen de grupos funcionales distintos de los enlaces covalentes carbono-hidrógeno, es difícil que las moléculas de tinte generales se unan a ellas para teñir. La no polaridad y la regularidad de sus moléculas dificultan la penetración de las moléculas de tinte, lo que dificulta el teñido de fibras. Por lo tanto, sus productos tienen opciones de color limitadas, lo que restringe sus áreas de aplicación. Para resolver el problema del teñido difícil de fibras de alto rendimiento, se han propuesto tecnología de teñido en solución, teñido con portador, teñido con disolventes no acuosos y teñido por modificación de la superficie de la fibra. Entre estas, las fibras teñidas en solución se refieren a fibras coloreadas obtenidas agregando colorantes a la solución de hilatura o fundiéndolas y luego hilando; también se les conoce como fibras sin teñir o fibras teñidas antes del hilado. En comparación con las técnicas de teñido tradicionales, la tecnología de teñido en solución ofrece ventajas como ahorro de energía y protección del medio ambiente, alta solidez del color, flujo de proceso simplificado y bajo costo de producción, lo que la convierte en el método de teñido más utilizado para fibras de UHMWPE. Aunque algunas empresas nacionales han logrado una producción a gran escala de fibras UHMWPE teñidas en solución, todavía enfrentan problemas como propiedades mecánicas reducidas, producción inestable y dificultades en la combinación de colores. Por lo tanto, las fibras UHMWPE teñidas en solución aún requieren investigación y desarrollo más profundos.

3.2.2 Resistencia a la fluencia de las fibras UHMWPE
Las fibras de UHMWPE tienen poca resistencia a la fluencia; es decir, bajo una determinada temperatura y una fuerza externa constante, la tensión de las fibras de UHMWPE aumenta gradualmente con el tiempo. Debido a esta característica, la estabilidad dimensional y morfológica de las fibras de UHMWPE es pobre, lo que afecta en gran medida su aplicación en materiales compuestos, cuerdas y otros campos. Actualmente, la falla por fluencia es un problema urgente que debe resolverse en la aplicación de cables de fibra de UHMWPE.

Las propiedades de fluencia de las fibras de UHMWPE están estrechamente relacionadas con su estructura molecular. Generalmente, las propiedades de fluencia de las fibras están relacionadas con el tamaño de las cadenas macromoleculares, la presencia de grupos polares en las macromoléculas y la presencia de interacciones polares entre moléculas. Debido a la estructura molecular simple del UHMWPE y la ausencia de enlaces de hidrógeno entre las moléculas, así como al hecho de que las fuerzas de van der Waals son solo fuerzas de dispersión, sus fuerzas intermoleculares son relativamente débiles, lo que lo hace propenso al deslizamiento y la fluencia intermolecular.

En la investigación sobre fibras de UHMWPE resistentes a la fluencia, se han explorado varios métodos para mejorar su rendimiento, siendo la introducción de grupos reticulantes el más estudiado. Los investigadores reticularon fibras compuestas de UHMWPE/CNT mediante radiación ultravioleta en un reactor fotoquímico. Cuando el tiempo de radiación ultravioleta fue de 8 minutos y la fracción de masa de la solución de reticulación fue del 20 %, su resistencia a la fluencia fue mejor, con una reducción de la fluencia del 19,68 % en comparación con las fibras no reticuladas. Además, los investigadores han utilizado peróxido de benzoilo (BPO) y viniltrimetoxisilano (VTMS) como iniciadores y modificadores de injerto, respectivamente, durante el proceso de extracción de fibras de gel de UHMWPE para realizar la modificación de la reticulación del silano. Las fibras de UHMWPE modificadas preparadas mostraron una resistencia a la fluencia significativamente mejorada. Esto se debe a que la introducción de agentes de acoplamiento de silano puede formar una estructura de red reticulada dentro de la fibra, restringiendo así el deslizamiento entre cadenas moleculares.

Otros estudios relacionados han introducido uno o más monómeros de butadieno, estireno, acrilato de metilo e isocianurato de trialilo para inducir reacciones de autopolimerización o reticulación, formando una estructura de red polimérica semiinterpenetrante con las cadenas moleculares de polietileno. Esto aumenta la densidad de entrelazamiento dentro de la fibra de polietileno, reduce el deslizamiento de las cadenas moleculares de polietileno y, por lo tanto, mejora la resistencia a la fluencia de las fibras de UHMWPE.

3.2.3 Fibras UHMWPE resistentes a altas temperaturas
Actualmente, los principales métodos para mejorar las propiedades retardantes de llama de las fibras de UHMWPE incluyen la copolimerización, la mezcla y el injerto. Por ejemplo, algunos investigadores añadieron nanopartículas de hidróxido de magnesio modificado con ácido oleico al UHMWPE, lo que dio como resultado fibras nanocompuestas de UHMWPE producidas mediante hilado en gel seco, que mostraron una inflamabilidad reducida y aumentaron la temperatura de descomposición inicial en 30 °C. Otros utilizaron microesferas de carbono recubiertas de hidróxido de magnesio como retardante de llama, con titanato de tetrabutilo y fosfito de trifenilo como activadores, para preparar fibras de UHMWPE retardantes de llama mediante un método de horneado en almohadilla, logrando un índice límite de oxígeno del 23,8%, un 36% más que las fibras de UHMWPE puras. Además, se formuló un sistema de suspensión retardante de llama de nitrógeno y fósforo combinando cianurato de melamina con dietilfosfonato de aluminio, y se produjeron fibras de polietileno de peso molecular ultraalto (PE-UHMW) retardantes de llama sin halógenos utilizando un método de hilado combinado, logrando un índice de oxígeno límite del 27,5% y demostrando un cierto efecto retardante de llama. Sin embargo, al aumentar el contenido de retardantes de llama, las propiedades mecánicas de las fibras disminuyeron en cierta medida. Estos estudios indican que la resistencia al calor de las fibras UHMWPE se puede mejorar mediante varios métodos, pero se necesita más investigación para superar otras limitaciones de rendimiento.


3.2.4 Fibras UHMWPE de alta resistencia
Actualmente, la resistencia a la tracción de los productos de fibra UHMWPE de alta gama alcanza más de 40 cN/dtex, pero esto es sólo alrededor del 8% de la resistencia teórica. Por ello, los investigadores están explorando activamente varios métodos de modificación para mejorar las propiedades mecánicas de las fibras. Los estudios han demostrado que las fibras de UHMWPE con una fracción de masa del 5% de nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWNT) tienen una resistencia a la tracción de 4,3 GPa, que es un 18,8% y un 15,4% mayor que las fibras de UHMWPE puras, respectivamente. Esto se debe principalmente a que, en relaciones de estiramiento altas, los MWNT se alinean a lo largo de la dirección de estiramiento. Esta orientación induce una fuerte transferencia de carga interfacial bajo deformaciones grandes y pequeñas, mejorando así la rigidez y la resistencia a la tracción de la fibra compuesta. Además, durante la etapa de extracción de la fibra en gel, el módulo mecánico de las fibras de UHMWPE con la adición de 1% de nanosílice (SiO2) aumentó aproximadamente un 10%, presumiblemente porque las partículas de nano-SiO2 actúan como puntos de entrecruzamiento dentro de la fibra. Los investigadores descubrieron que las fibras de UHMWPE preparadas con un 20% de aceite de oliva como disolvente mixto presentaban un desenredado de la cadena molecular significativamente mayor y una mayor retención del peso molecular. En comparación con las fibras de UHMWPE preparadas usando decahidronaftaleno solo, estas fibras mostraron aumentos en la resistencia a la tracción (33,85 cN/dtex) y en el módulo de tracción (1673,27 cN/dtex), lo que representa aumentos del 24,0 % y 32,3 %, respectivamente. Además, se mejoraron significativamente el punto de fusión, la cristalinidad y la orientación de las fibras de UHMWPE.

3.3 Reducir continuamente el consumo de energía del producto
La producción de fibra UHMWPE requiere importantes recursos energéticos, como electricidad y vapor. Además, la maquinaria y el equipo son de gran escala, lo que genera altos costos de depreciación. Los costos de energía y fabricación pueden representar aproximadamente el 50% del costo total. Los fabricantes existentes presentan diferencias significativas en el consumo unitario de energía y electricidad debido a variaciones en procesos específicos y niveles tecnológicos. Los nuevos proyectos en los últimos tres años han visto un consumo de electricidad que oscila entre 0,72 y 3,6 millones de kWh/tonelada de fibra, un consumo de vapor de 8 a 24,6 toneladas/tonelada de fibra y un consumo total de energía de 1,66 a 5,66 toneladas de equivalente de carbón estándar/tonelada de fibra.

En los últimos años, China ha promovido activa y constantemente su estrategia de "carbono dual", aumentando continuamente las medidas de conservación de energía y reducción de carbono. La industria también mejora continuamente sus procesos y tecnologías. La reducción del consumo de energía y los costos de producción es una tendencia de desarrollo a largo plazo para la tecnología de producción de fibra UHMWPE. Las empresas que dominen procesos y equipos avanzados poseerán una ventaja de costos líder en la feroz competencia del mercado en el futuro.