The morphology, texture and structure orientation of polyethylene formed via work hardening and electron irradiation

• Autorzy: Duda P. , Cybo J. , Maszybrocka J. , Cwajna J. , Barylski A.

Warianty tytułu

PL

Morfologia, tekstura i orientacja struktury polietylenu kształtowanego przez zgniot i napromieniowanie elektronami

• Konferencja: STERMAT 2008 : VIII International Conference on Stereology and Image Analysis in Materials Sciences (VIII ; 02-06.09.2008 ; Zakopane, Polska)
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents a new method for shaping the structure and properties of polyethylene intended for endoprostheses' cups. The method consists in applying plastic strain to a semi-finished product of a cup (Chirulen) and its irradiation with an electron beam. As a result of a small, permanent deformation, performed in an area distant from the consolidation area and a high polymer orientation, a small degree of lamellar structure orientation and of crystalline phase texture were obtained. However, the deformation fulfilled its role as an effective initiator of changes in the UHMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethylene) morphology. The share of low and high-molecular fractions changed in the samples produced. Electron irradiation provides the material's strengthening due to the structural changes, mainly polyethylene cross-linking. It caused a significant reduction of the low-molecular fraction's weight and polydispersity as well as an increased degree of UHMWPE's crystallinity by several percent. Also, an increase occurred within the degree of the structure's macroparticle spatial arrangement, which measures the absorption of a crystallinity band within the FT-IR spectrum (Fourier Transform Infrared Spectroscopy). The most advantageous morphological changes occurred during simultaneous utilization of both formation factors. The authors' studies quoted in the paper have demonstrated that in those cases, polyethylene's resistance to wear and permanent deformation increased several times during the tribological process of the polymer-metal system. This should ensure a significant increase in the operational durability in the material intended for endoprostheses' cups.

PL

Artykuł prezentuje metodę kształtowania budowy i właściwości polietylenu przeznaczonego na panewki endoprotez. Metoda polega na zastosowaniu odkształcenia plastycznego półproduktu panewek (Chirulenu) oraz jego napromieniowaniu wiązką elektronów. W wyniku niewielkiej deformacji trwałej, przeprowadzonej w zakresie odległym od obszaru umocnienia i dużej orientacji polimeru, uzyskano nieznaczny stopień orientacji struktury lamelarnej i tekstury fazy krystalicznej. Odkształcenie spełniło jednak rolę efektywnego inicjatora zmian morfologii UHMWPE. W wytworzonych próbkach zmienił się udział frakcji nisko- i wysokomolekularnej. Napromieniowanie elektronami wzmocniło zmiany budowy na skutek usieciowania polietylenu. Zmniejszyło istotnie ciężar cząsteczkowy i polidyspersyjność frakcji niskomolekularnej oraz zwiększyło o kilka punktów procentowych stopień krystaliczności UHMWPE. Podwyższeniu uległ także stopień przestrzennego uporządkowania makrocząsteczek struktury, którego miarąjest absorpcja pasma krystaliczności w widmie FT-IR. Najkorzystniejsze zmiany morfologicznie wystąpiły podczas łącznego stosowania obu czynników kształtujących. Cytowane w artykule badania autorów wykazały, że w tych przypadkach zwiększyła się kilkukrotnie odporność polietylenu na zużycie i trwałą deformację podczas procesu tribologicznego systemu polimer-metal. Powinno to zapewnić znaczny wzrost trwałości eksploatacyjnej materiału przeznaczonego na panewki endoprotez.

Słowa kluczowe

PL

budowa i właściwości polietylenu; panewki endoprotez; napromieniowanie elektronami; odkształcenia plastyczne; UHMWPE

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2008
• Tom: Vol. 29, nr 4
• Strony: 198--203
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Duda P.

autor

Cybo J.

autor

Maszybrocka J.

autor

Cwajna J.

autor

Barylski A.

• Faculty of Computer Science and Materials Science, Silesian University,

Bibliografia

• [1] Pruski K, Górecki A, Jabłoński T: Tactics of coping with hip joint acetabular cups’ revision operations. Ortopedia Traumatologia Rehabilitacja 3 (2001) 15-20.
• [2] Czerwiński E, Pawelec A, Marchewczyk J.: Problems of hip joint realloplasty in Poland and worldwide. http://www.medsport.pl/ortopedia/ archiwum/archiwum.htm.
• [3] Kusz D: Application of a densitometric examination for an evaluation of hip joint endoprosthesoplasty with a computer simulation of stress distribution in the periprosthesis tissue. Medical University of Silesia, Katowice (1998).
• [4] Joint publication (ed. Kruczyński J.): The decade of bones and joint 2000-2010. Agencja Wydawnicza ”Medsportpress”, Kraków (2000).
• [5] Greer K. W., Hamiltton J. W.: Polyethylene wear in orthopedics, J&JP, Inc (1994).
• [6] Edidin A. A., Rimnac C. M., Kurtz S. M.: Mechanical behavior, wear surface morphology and clinical performance of UHMWPE acetabular components after 10 years of implantation, Wear 250 (2001) 152-158.
• [7] Duda P., Czaja K., Cybo J., et al: Properties of the endoprosthesis acetabular cups’ material as a function of structural parameters of Chirulen subjected to deformation and sterilization, Annales Academiae Medicae Silesiensis 32 (2001) 62-69.
• [8] Cybo J., Czaja K., Duda P., et al: Evaluation of Chirulen biopolimer properties based on the changes in the molecular and supermolecular structure, induced by plastic deformation and radiative sterilization, Chir. Narz. Ruchu i Ortop. Pol. 67 (2002) 301-307.
• [9] Duda P., Cybo J., Maszybrocka J.: Functional properties of the polymermetal friction couple. Proc. Conf. Plastics in machine design, Kraków (2003) 137-140.
• [10] Duda P.: Modelling of functional properties of polyethylene designet for acetabular cups. PhD thesis, University of Silesia, Katowice (2005).
• [11] Maszybrocka J.: Micromechanical properties and effects of operation in friction couple of polyethylene formed by means of initial deformation and irradiation with electrons. PhD thesis, University of Silesia, Katowice (2005).
• [12] Maszybrocka J., Cybo J., Frąckowiak J.: Change of micromechanical properties of polyethylene induced by a tribological process in polymer/metal system, Mater Sci Forum 513 (2006) 75-84.
• [13] Cybo J., Maszybrocka J., Cwajna J.: Application of a stereometric structural analysis for an evaluation of surface and for a forecast of the wear of endoprothesis acetabular cups, Mater Charact 56 (2006) 363-372.
• [14] Maszybrocka J., Cybo J., Duda P., Cwajna J.: The effect of forming the polyethylene structure of endoprosthesis cups on morphological changes in the upper layer during friction, Inżynieria Materiałowa (in print 2008).
• [15] Bartczak Z., Cohen R. E., Argon A. S.: Evaluation of the crystalline texture of high-density polyethylene during uniaxial compression, Macromolecules 25 (1992) 5705-5718.