超高分子量ポリエチレン

DyneemaとSpectraは、紡糸口金を通して紡糸された軽量高強度配向ストランドゲルのブランドです。これらは、最大2.4 GPa（350,000 psi）の降伏強度と、最小0.97 g/cm ³ （0.56 oz/cu in）（Dyneema SK75の場合）の密度を有しています。 ^{[ 16 ]}高強度鋼は同等の降伏強度を持ち、低炭素鋼ははるかに低い降伏強度（約0.5 GPa（73,000 psi））を有しています。鋼の比重は約7.8であるため、これらの材料の強度対重量比は高強度鋼の8倍になります。UHMWPEの強度対重量比は、アラミドよりも約40%高くなっています。 UHMWPEフィラメントの優れた特性は1968年にアルバート・ペニングスによって発見されたが、商業的に実用可能な製品は1990年にDSMによって、その後すぐにサザンロープスによって提供された。^{[ 17 ]}       

UHMWPEヤーンの誘導体は、装甲の複合板、特に個人用装甲や、場合によっては車両装甲に使用されます。UHMWPE繊維を含む民生用途としては、耐切創手袋、耐引裂性パンティストッキング、弓弦、登山用具、自動車用ウインチ、釣り糸、水中銃用スピアライン、高性能帆、スポーツパラシュートやパラグライダーのサスペンションライン、ヨットの索具、凧、カイトスポーツ用カイトラインなどがあります。

個人用防弾チョッキの場合、一般的に繊維は整列され、シート状に接着され、さまざまな角度で積層されて、結果として得られる複合材料が全方向に強度を持つようになります。^{[ 18 ] [ 19 ]}米軍のインターセプターボディーアーマーに最近追加された、腕と脚を保護するように設計されたものは、UHMWPE生地の一種を使用していると言われています。^{[ 20 ]}市場には多数のUHMWPE織布があり、靴のライナー、パンティストッキング、フェンシングウェア、耐刺しベスト、車両の複合ライナーとして使用されています。^{[ 21 ] [ 22 ]}

自動車用ウインチにUHMWPEロープを使用すると、より一般的なスチールワイヤーロープに比べていくつかの利点があります。UHMWPEロープに変更する主な理由は、安全性の向上です。UHMWPEロープは質量が小さく、破断時の伸びが著しく低いため、スチールやナイロンよりもはるかに少ないエネルギーしか伝達せず、ほとんど跳ね返りがありません。UHMWPEロープは弱点となるキンクが発生しず、ロープの表面にほつれた部分があっても、切れたスチールワイヤーのように皮膚を突き刺すことはありません。UHMWPEロープは水よりも密度が低いため、回収ケーブルがワイヤーロープよりも見つけやすく、水中での回収が容易になります。また、ロープが水没したり汚れたりした場合でも、明るい色が用意されているため視認性が向上します。自動車用途におけるもう1つの利点は、UHMWPEロープがスチールケーブルよりも軽量であることです。一般的な11 mm (0.43インチ)の UHMWPE ロープ（長さ 30 m (98フィート)）の重量は約2 kg (4.4ポンド)ですが、同等の鋼線ロープは約13 kg (29ポンド)になります。UHMWPE ロープの顕著な欠点の 1 つは紫外線による損傷を受けやすいことです。そのため、多くのユーザーは使用していないときにケーブルを保護するためにウインチカバーを取り付けます。また、高温の部品との接触による熱損傷にも弱いです。        

紡績された超高分子量ポリエチレン繊維は、伸縮性が低く、耐摩耗性に優れ、同等のモノフィラメントラインよりも細いため、釣り糸として優れています。

登山では、UHMWPEとナイロン糸の組み合わせで作られたコードやウェビングが、軽量かつかさばらないことから人気を集めています。ナイロン製のものに比べて弾力性が非常に低く、靭性も低いです。繊維の潤滑性が非常に高いため、結び目がほどけにくく、主に縫製済みの「スリング」（ウェビングのループ）に使用されます。UHMWPEのセクションを結び合わせるのに結び目を使うことは一般的に推奨されておらず、必要な場合は、従来のダブルフィッシャーマンズノットではなく、トリプルフィッシャーマンズノットを使用することが推奨されています。^{[ 23 ] [ 24 ]}

比重0.97の繊維で作られた船舶の係留索やケーブルは海水に浮く。曳航船業界では「スペクトラワイヤー」と呼ばれ、鋼線よりも軽量な代替品として、フェイスワイヤーとしてよく使われている。 ^{[ 25 ]}

スキーやスノーボードに使用され、多くの場合カーボンファイバーと組み合わせて、グラスファイバー複合材を強化し、剛性を高め、柔軟性を向上させます。UHMWPEは、雪と接触するベース層としてよく使用され、ワックスを吸収・保持するための研磨剤が含まれています。

また、軽量および高耐久性の吊り上げスリングの製造など、吊り上げ用途にも使用されます。極めて高い耐摩耗性を持つため、合成繊維製吊り上げスリングのコーナー保護材としても最適です。

セーリングやパラセーリング用の高性能ライン（バックステイなど）は、伸びが少なく、強度が高く、軽量であるため、UHMWPEで作られています。^{[ 26 ]}同様に、UHMWPEは、地上からグライダーをウインチで発進させる際にもよく使用されます。スチールケーブルと比較して、UHMWPEの優れた耐摩耗性により、地面に沿ってウインチに巻き込まれる際の摩耗が少なくなり、故障の間隔が長くなります。使用される1マイルの長さのケーブルの重量が軽いため、ウインチの発進距離も長くなります。

UHMWPEは、2007年9月に打ち上げられたESA/ロシア若手技術者衛星2号の、長さ30km （19マイル）、厚さ0.6mm （0.024インチ）の宇宙テザーに使用された。^{[ 27 ]}    

ダイニーマ複合繊維（DCF）は、2枚の薄い透明ポリエステル膜の間にダイニーマ糸の格子状構造を挟み込んだ積層素材です。この素材は重量に対して非常に強度が高く、元々は「キューベンファイバー」という名称でヨットレースの帆材として開発されました。近年では、テント、バックパック、クマ対策用食料袋など、軽量・超軽量のキャンプ用品やバックパッキング用品の製造など、新たな用途が見出されています。

アーチェリーでは、UHMWPEは、例えばダクロン（PET）と比較してクリープや伸びが少ないため、弓弦の素材として広く使用されています。純粋なUHMWPE繊維に加えて、ほとんどのメーカーは、素材のクリープや伸びをさらに低減するためにブレンドを使用しています。これらのブレンドでは、UHMWPE繊維は、例えばベクトランとブレンドされます。

スカイダイビングでは、UHMWPEはサスペンションラインに最もよく使われる素材の一つであり、以前使われていたダクロンに取って代わり、軽量でかさばらないため広く普及しています。UHMWPEは優れた強度と耐摩耗性を備えていますが、熱にさらされると寸法安定性（つまり収縮）が悪く、キャノピー展開時の摩擦の度合いが異なるため、ラインごとに徐々に不均一に収縮し、定期的なライン交換が必要となります。また、UHMWPEはほとんど伸縮性がないため、開傘時の衝撃を増幅させる可能性があります。そのため、ダクロンラインは、学生用や一部のタンデムシステムでは引き続き使用されています。これらのシステムでは、かさばりがそれほど問題ではなく、開傘時の衝撃による怪我のリスクの方が大きいためです。一方、スウープなどの高性能パラシュートでは、UHMWPEはベクトランやHMA（高弾性アラミド）に置き換えられています。これらはさらに薄く、寸法安定性にも優れていますが、摩耗が大きく、致命的な故障を防ぐためにはより頻繁なメンテナンスが必要です。 UHMWPEは、自動作動装置と併用する場合、予備パラシュートの閉鎖ループにも使用されます。この場合、極めて低い摩擦係数が、カッター作動時の適切な動作にとって非常に重要となります。

UHMWPEは、股関節、膝関節、そして（1980年代以降は）脊椎インプラントに使用される生体材料として臨床的に使用されてきた歴史があります。 ^{[ 1 ]}医療グレードのUHMWPEに関連する情報とレビュー記事のオンラインリポジトリであるUHMWPE Lexiconは、2000年にオンラインで開始されました。^{[ 28 ]}

関節置換コンポーネントは、従来「GUR」樹脂から作られてきました。これらの粉末材料はTicona社によって製造され、通常はQuadrant社やOrthoplastics社などの企業によって半成形品に加工され、その後、デバイスメーカーによってインプラントコンポーネントに機械加工され、滅菌されます。^{[ 1 ] [ 29 ]}

UHMWPEは1962年にジョン・チャーンリー卿によって初めて臨床で使用され、1970年代には人工股関節および人工膝関節置換術における主要なベアリング材料として登場しました。^{[ 28 ]}その歴史を通じて、1990年代後半に高架橋UHMWPEが開発されるまで、UHMWPEの臨床性能を向上させるための改良の試みが成功しませんでした。^{[ 1 ]}

UHMWPEを改質する試みの1つとして、粉末に炭素繊維を混合する方法があったが、これは成功しなかった。この強化UHMWPEは、1970年代にZimmer社から「Poly Two」として臨床的に発売された。炭素繊維はUHMWPEマトリックスとの適合性が低く、その臨床性能は未処理のUHMWPEよりも劣っていた。^{[ 1 ]}

UHMWPE を改質する 2 番目の試みは、高圧再結晶化によるものでした。この再結晶化された UHMWPE は、1980 年代後半に DePuy 社から「Hylamer」として臨床的に発売されました。^{[ 1 ]}空気中でガンマ線照射すると、この材料は酸化されやすく、未処理の UHMWPE に比べて臨床性能が劣っていました。今日、Hylamer の臨床上の評判の悪さは、主にその滅菌方法に起因すると考えられており、この材料の研究に対する関心が再び高まっています (少なくとも一部の研究者の間では)。^{[ 28 ]} Hylamer は、1990 年代後半に高度に架橋された UHMWPE 材料の開発により米国では人気がなくなりましたが、ヨーロッパからの Hylamer に関する否定的な臨床報告は文献に引き続き現れています。

高架橋UHMWPE材料は1998年に臨床導入され、少なくとも米国では、人工股関節全置換術の標準治療として急速に普及しました。これらの新しい材料は、ガンマ線または電子線照射（ 50～105 kGy （5.0～10.5 Mrad ））で架橋され、その後、耐酸化性を向上させるために熱処理されます。^{[ 1 ]}いくつかの施設からの5年間の臨床データが入手可能で、人工股関節全置換術における従来のUHMWPEに対する優位性が実証されています。高架橋UHMWPEの人工膝関節置換術における性能を調査する臨床研究が現在も進行中です。^{[ 28 ]}  

2007年、製造業者は股関節および膝関節の人工関節ベアリング面用のUHMWPEに抗酸化剤を組み込み始めました。^{[ 1 ]}ビタミンE（α-トコフェロール）は、医療用途の放射線架橋UHMWPEで使用される最も一般的な抗酸化剤です。抗酸化剤は、照射プロセス中に導入されるフリーラジカルを消去するのに役立ち、熱処理を必要とせずにUHMWPEの酸化耐性を向上させます。^{[ 30 ]}いくつかの企業は、2007年以来、合成ビタミンEとヒンダードフェノールベースの抗酸化剤の両方を使用して、抗酸化剤で安定化された人工関節技術を販売しています。^{[ 31 ]}

過去 10 年間における UHMWPE のもう 1 つの重要な医療上の進歩は、縫合糸用の繊維の使用の増加です。外科用途向けの医療グレードの繊維は、DSM が「Dyneema Purity」という商標名で製造しています。^{[ 32 ]}

UHMWPEは、 PVC （ポリ塩化ビニル）製の窓やドアの製造に使用されます。これは、PVCベースの材料を軟化させるのに必要な熱に耐えることができ、様々なPVC形状プロファイルの成形用充填材として使用され、これらの材料を型に沿って曲げたり成形したりできるようにするためです。

UHMWPEは、油圧シールやベアリングの製造にも使用されます。水、油、空気圧、および無潤滑用途における中程度の機械的負荷に最適です。耐摩耗性に優れていますが、柔らかい相手面との接触により適しています。

フッ素ポリマー/HMWPE絶縁カソード防食ケーブルは、通常、二重絶縁構造になっています。第一層は、塩素、硫酸、塩酸に対して耐薬品性のあるエチレンクロロトリフルオロエチレン（ECTFE）などのフッ素ポリマーです。第一層の後には、柔軟性と強度を備え、設置時にかなりの衝撃に耐えられるHMWPE絶縁層があります。HMWPE被覆は機械的保護も提供します。^{[ 33 ]}

UHMWPEは、湿潤状態と乾燥状態の両方において優れた耐摩耗性、耐衝撃性、低摩擦性を持つため、係留構造物のフェンダーシステムの面材として海洋構造物で使用されています。 ^{[ 34 ]}