El polietileno de ultra alto peso molecular ( UHMWPE , UHMW ) es un subconjunto del polietileno termoplástico . También conocido como polietileno de alto módulo ( HMPE ), posee cadenas extremadamente largas, con una masa molecular que suele oscilar entre 2 y 6 millones de daltons . [ 1 ] La mayor longitud de la cadena permite transferir la carga de forma más eficaz a la estructura polimérica mediante el fortalecimiento de las interacciones intermoleculares. Esto da como resultado un material muy resistente , con la mayor resistencia al impacto de cualquier termoplástico fabricado actualmente. [ 2 ]
El UHMWPE es inodoro, insípido y no tóxico. [ 3 ] Posee todas las características del polietileno de alta densidad (HDPE), es decir, es resistente a ácidos , álcalis y muchos productos químicos corrosivos, excepto algunos ácidos oxidantes . Tiene una absorción de humedad extremadamente baja y un coeficiente de fricción muy bajo ; es autolubricante (véase lubricación límite ); y es altamente resistente a la abrasión . Su coeficiente de fricción es significativamente menor que el del nailon y el acetal , y comparable al del politetrafluoroetileno (PTFE, teflón), pero el UHMWPE tiene mejor resistencia a la abrasión que el PTFE. [ 4 ] [ 5 ]
Desarrollo
La polimerización del UHMWPE fue comercializada en la década de 1950 por Ruhrchemie AG, que ha cambiado de nombre a lo largo de los años. [ 1 ] Hoy en día, Braskem , Teijin (Endumax), Celanese y Mitsui producen materiales en polvo de UHMWPE que pueden moldearse directamente para obtener la forma final del producto. El UHMWPE procesado está disponible comercialmente como fibras o en forma consolidada, como láminas o varillas. Debido a su resistencia al desgaste y al impacto, el UHMWPE sigue encontrando cada vez más aplicaciones industriales, incluidos los sectores automotriz y de embotellado. Desde la década de 1960, el UHMWPE también ha sido el material de elección para la artroplastia total de articulaciones en implantes ortopédicos y de columna . [ 1 ]
Las fibras de UHMWPE, comercializadas bajo las marcas Dyneema (lanzada a finales de la década de 1970 por la empresa química holandesa DSM ) y Spectra (lanzada por Honeywell, entonces AlliedSignal), se utilizan ampliamente en protección balística, aplicaciones de defensa y, cada vez más, en dispositivos médicos, equipamiento de protección para motociclistas, navegación, senderismo, escalada y muchas otras industrias.
Estructura y propiedades

El UHMWPE es un tipo de polietileno . Está compuesto por cadenas extremadamente largas de polietileno, todas alineadas en la misma dirección. Su resistencia se debe principalmente a la longitud de cada molécula (cadena). Las fuerzas de Van der Waals entre las moléculas son relativamente débiles para cada átomo de solapamiento entre ellas, pero debido a la gran longitud de las moléculas, pueden existir grandes solapamientos, lo que les confiere la capacidad de soportar fuerzas de cizallamiento mayores entre moléculas.
Cuando se forman en fibras, las cadenas de polímero pueden alcanzar una orientación paralela superior al 95 % y un grado de cristalinidad del 39 % al 75 %. En cambio, la aramida debe su resistencia a los fuertes enlaces entre moléculas relativamente cortas.
Su resistencia al calor es menor que la de otras fibras de alta resistencia. Su punto de fusión es de 127,7 °C (261,9 °F) y, según DSM, no es recomendable utilizar fibras de UHMWPE a temperaturas superiores a 90 °C (194 °F) durante períodos prolongados. [ 6 ] [ 7 ] Se vuelve quebradiza a temperaturas inferiores a −150 °C (−238 °F) . [ 8 ]
La estructura simple de la molécula también da lugar a propiedades superficiales y químicas poco comunes en polímeros de alto rendimiento. Por ejemplo, los grupos polares de la mayoría de los polímeros se unen fácilmente al agua. Dado que las olefinas carecen de estos grupos, el UHMWPE no absorbe agua con facilidad ni se humedece fácilmente, lo que dificulta su unión con otros polímeros. Por las mismas razones, la piel no interactúa fuertemente con él, lo que hace que la superficie de la fibra de UHMWPE sea resbaladiza. De manera similar, los polímeros aromáticos suelen ser susceptibles a los disolventes aromáticos debido a las interacciones de apilamiento aromático , un efecto al que los polímeros alifáticos como el UHMWPE son inmunes. Dado que el UHMWPE no contiene grupos químicos (como ésteres , amidas o grupos hidroxilo ) susceptibles al ataque de agentes agresivos, es muy resistente al agua, la humedad, la mayoría de los productos químicos, la radiación UV y los microorganismos. [ 9 ]
Bajo carga de tracción, el UHMWPE se deformará continuamente mientras persista la tensión, un efecto denominado fluencia .
Para el recocido del UHMWPE , el material se calienta a una temperatura de entre 135 y 138 °C (275 y 280 °F) en un horno o en un baño líquido de aceite de silicona o glicerina . A continuación, se enfría a 65 °C (149 °F) a una velocidad de 5 °C/h (9 °F/h) o inferior. Finalmente, se envuelve en una manta aislante durante 24 horas para que alcance la temperatura ambiente.
El UHMWPE se considera un material de módulo relativamente bajo, con valores de resistencia a la tracción y dureza inferiores a los de muchos otros polímeros de alto rendimiento. Los valores típicos de límite elástico a la tracción oscilan entre 19,3 y 23 MPa (2800 y 3340 psi) . [ 10 ] La dureza Shore D es de aproximadamente 60 a 65, ligeramente inferior a la del polietileno de alta densidad (HDPE). A pesar de su menor módulo, las cadenas poliméricas extremadamente largas y el alto peso molecular confieren al UHMWPE una tenacidad y resistencia al impacto excepcionales.
El UHMWPE exhibe la mayor resistencia al impacto de cualquier termoplástico , y en las pruebas Izod estándar con entalla , las muestras a menudo no se rompen (valores > 1070 J/m (240 ft⋅lb/ft) ). Su elongación a la rotura puede alcanzar 250%–450% , y su menor eficiencia de empaquetamiento de cadena da una densidad de aproximadamente 0,93–0,94 g/cm 3 (0,54–0,54 oz/cu in) , un poco menor que la del HDPE.
Producción
El UHMWPE se produce mediante la polimerización del etileno . Se pueden preparar muchos tipos de polietileno, pero la variedad UHMW requiere catalizadores muy activos y altas presiones de etileno. La catálisis se lleva a cabo mediante polimerización por coordinación , que involucra catalizadores metalocénicos ( catalizadores de Kaminsky ) o catalizadores de Ziegler-Natta . [ 9 ]
Las moléculas de UHMWPE resultantes suelen tener entre 100.000 y 250.000 unidades monoméricas por molécula, en comparación con los 700 a 1.800 monómeros del HDPE.
El UHMWPE se procesa mediante diversos métodos: moldeo por compresión , extrusión por pistón , hilado en gel y sinterización . Varias empresas europeas comenzaron a moldear UHMWPE por compresión a principios de la década de 1960. El hilado en gel surgió mucho más tarde y se destinó a aplicaciones diferentes. Los dos principales productores de hilos de UHMWPE mediante hilado en gel son Honeywell y DSM. También existen varios fabricantes chinos de hilo de UHMWPE.
Existen dos métodos principales para el hilado en gel de UHMWPE. En ambos, se crea un gel calentado con precisión. En un método, el gel se elabora a partir de una mezcla de polvo de UHMWPE y aceite. En el otro, el polvo se mezcla con decalina . Ambos métodos utilizan concentraciones muy bajas de UHMWPE en la suspensión (~5%). [ 11 ]
La suspensión se extruye a través de una hilera . El extruido se aspira a través del aire.
En el caso de utilizar decalina, esta se deja evaporar del hilo. En la producción a nivel industrial, la decalina se puede recuperar y reciclar.
Cuando se utiliza aceite para suspender UHMWPE, este se extrae con un disolvente (normalmente hexano o diclorometano , que no afecta al UHMWPE) y luego se seca eliminando el disolvente. De nuevo, a gran escala, estos disolventes peligrosos pueden ser capturados.
Se ha informado que por cada kilogramo de hilo de UHMWPE fabricado, se requieren 20 kg (44 lb) de aceite. Además, la eliminación de este aceite requiere entre 100 y 200 kg (220 y 440 lb) de hexano. [ 12 ]
Tras el proceso de eliminación de decalina o aceite, el hilo parcialmente orientado se transporta a través de hornos calentados para estirarlo. A escala industrial, estos hornos pueden tener más de 200 metros (660 pies) de longitud. [ 12 ] Esto alinea la estructura cristalina del UHMWPE y permite que el hilo alcance resistencias a la tracción muy elevadas.
El resultado final es una fibra con un alto grado de orientación molecular y, por lo tanto, una resistencia a la tracción excepcional . El hilado en gel depende del aislamiento de moléculas de cadena individuales en el disolvente para minimizar los enredos intermoleculares . Los enredos dificultan la orientación de la cadena y disminuyen la resistencia del producto final. [ 13 ]
Recientemente, se ha desarrollado una ruta alternativa para la fabricación de hilo de UHMWPE utilizando dióxido de carbono supercrítico . Esta nueva ruta ha demostrado ser mucho más respetuosa con el medio ambiente que la ruta convencional. En concreto, se ha informado de que el uso de dióxido de carbono como disolvente reduce la huella de carbono de la ruta de fabricación en más del 50 %. [ 14 ] El uso de dióxido de carbono supercrítico como disolvente permite recuperar el aceite mineral del hilo parcialmente orientado y reciclarlo. Además, elimina la necesidad de utilizar hexano, diclorometano o decalina en el proceso de fabricación.
La empresa responsable de este nuevo desarrollo (FET) ganó recientemente un premio TechTextil 2026 a la innovación tecnológica. [ 15 ]
Aplicaciones
Fibra

Dyneema y Spectra son marcas de geles de filamentos orientados ligeros y de alta resistencia hilados a través de una hilera . Tienen resistencias a la fluencia de hasta 2,4 GPa (350 000 psi) y densidades de tan solo 0,97 g/cm³ ( 0,56 oz/pulg³ ) (para Dyneema SK75). [ 16 ] Los aceros de alta resistencia tienen resistencias a la fluencia comparables, y los aceros de bajo carbono tienen resistencias a la fluencia mucho menores (alrededor de 0,5 GPa (73 000 psi) ). Dado que el acero tiene una gravedad específica de aproximadamente 7,8, estos materiales tienen relaciones resistencia-peso ocho veces mayores que las de los aceros de alta resistencia. Las relaciones resistencia-peso para UHMWPE son aproximadamente un 40 % mayores que para la aramida . Las altas cualidades del filamento de UHMWPE fueron descubiertas por Albert Pennings en 1968, pero DSM y Southern Ropes, poco después, pusieron a disposición productos comercialmente viables. [ 17 ]
Los derivados del hilo de UHMWPE se utilizan en placas compuestas para blindaje , en particular, blindaje personal y, ocasionalmente, blindaje para vehículos . Las aplicaciones civiles que contienen fibras de UHMWPE incluyen guantes resistentes a cortes, medias resistentes al desgarro, cuerdas para arcos, equipos de escalada , cabrestantes para automóviles , sedales de pesca, líneas de arpón para fusiles de pesca submarina , velas de alto rendimiento, líneas de suspensión para paracaídas deportivos y parapentes , aparejos para yates, cometas y líneas para deportes de cometa.
Para el blindaje personal, las fibras, en general, se alinean y unen en láminas, que luego se superponen en varios ángulos para dar al material compuesto resultante resistencia en todas las direcciones. [ 18 ] [ 19 ] Se dice que las adiciones desarrolladas recientemente para el blindaje corporal Interceptor del ejército estadounidense , diseñado para ofrecer protección para brazos y piernas, utilizan una forma de tejido UHMWPE. [ 20 ] Hay una multitud de tejidos de UHMWPE disponibles en el mercado y se utilizan como forros para zapatos, medias, ropa de esgrima, chalecos resistentes a puñaladas y revestimientos compuestos para vehículos. [ 21 ] [ 22 ]
El uso de cuerda de UHMWPE para cabrestantes automotrices ofrece varias ventajas sobre el cable de acero, más común . La razón principal para cambiar a cuerda de UHMWPE es la mayor seguridad. Su menor masa, junto con una elongación significativamente menor a la rotura, transporta mucha menos energía que el acero o el nailon, lo que prácticamente elimina el retroceso. La cuerda de UHMWPE no desarrolla torceduras que puedan crear puntos débiles, y cualquier área deshilachada que pueda aparecer en su superficie no puede perforar la piel como lo hacen los hilos de acero rotos. La cuerda de UHMWPE es menos densa que el agua, lo que facilita las recuperaciones acuáticas, ya que el cable de recuperación es más fácil de localizar que el cable de acero. Los colores brillantes disponibles también ayudan a la visibilidad si la cuerda se sumerge o se ensucia. Otra ventaja en aplicaciones automotrices es el menor peso de la cuerda de UHMWPE en comparación con los cables de acero. Una cuerda típica de UHMWPE de 11 mm (0,43 pulg.) y 30 m (98 pies) puede pesar alrededor de 2 kg (4,4 lb) , mientras que un cable de acero equivalente pesaría alrededor de 13 kg (29 lb) . Una desventaja notable de la cuerda de UHMWPE es su susceptibilidad al daño por rayos UV, por lo que muchos usuarios instalan fundas protectoras para el cabrestante con el fin de proteger el cable cuando no está en uso. También es vulnerable al daño por calor debido al contacto con componentes calientes.
Las fibras hiladas de UHMWPE destacan como hilo de pesca, ya que tienen menos elasticidad, son más resistentes a la abrasión y son más finas que el hilo monofilamento equivalente .
En escalada, las cuerdas y cintas hechas de combinaciones de UHMWPE e hilo de nailon han ganado popularidad por su bajo peso y volumen. Presentan una elasticidad muy baja en comparación con sus contrapartes de nailon, lo que se traduce en una baja resistencia. La alta lubricidad de la fibra provoca una mala capacidad de sujeción de nudos, y se utiliza principalmente en «cintas» precosidas (bucles de cinta); generalmente no se recomienda depender de nudos para unir secciones de UHMWPE, y si es necesario, se recomienda usar el nudo de pescador triple en lugar del nudo de pescador doble tradicional . [ 23 ] [ 24 ]
Los cabos y cables de los barcos fabricados con esta fibra (densidad relativa de 0,97) flotan en el agua de mar. Los "cables Spectra", como se les conoce en el sector de los remolcadores, se utilizan habitualmente como cables frontales, siendo una alternativa más ligera a los cables de acero. [ 25 ]
Se utiliza en esquís y tablas de snowboard, a menudo en combinación con fibra de carbono , reforzando el material compuesto de fibra de vidrio , lo que le aporta rigidez y mejora su flexibilidad. El UHMWPE se suele emplear como capa base, la que está en contacto con la nieve, e incluye abrasivos para absorber y retener la cera.
También se utiliza en aplicaciones de elevación, para la fabricación de eslingas de elevación ligeras y de alta resistencia. Gracias a su extrema resistencia a la abrasión, también se emplea como excelente protección de esquinas para eslingas de elevación sintéticas.
Las líneas de alto rendimiento (como los obenques ) para vela y parasailing están hechas de UHMWPE, debido a su baja elasticidad, alta resistencia y bajo peso. [ 26 ] De manera similar, el UHMWPE se usa a menudo para el lanzamiento de planeadores desde tierra, ya que, en comparación con el cable de acero, su resistencia superior a la abrasión resulta en un menor desgaste al deslizarse por el suelo y entrar en el cabrestante, aumentando el tiempo entre fallas. El menor peso de los cables de una milla de largo utilizados también resulta en lanzamientos de cabrestante más altos.
Se utilizó UHMWPE para el cable espacial de 30 km (19 millas) de largo y 0,6 mm (0,024 pulgadas) de espesor en el satélite 2 de la ESA/Rusia para jóvenes ingenieros de septiembre de 2007. [ 27 ]
El tejido compuesto de Dyneema (DCF) es un material laminado que consiste en una cuadrícula de hilos de Dyneema intercalada entre dos finas membranas transparentes de poliéster. Este material es muy resistente para su peso y fue desarrollado originalmente para su uso en velas de yates de competición bajo el nombre de «Fibra Cuben». Más recientemente, ha encontrado nuevas aplicaciones, sobre todo en la fabricación de equipos ligeros y ultraligeros para acampar y hacer senderismo, como tiendas de campaña, mochilas y bolsas de comida a prueba de osos.
En tiro con arco, el UHMWPE se utiliza ampliamente como material para cuerdas de arco debido a su baja deformación y estiramiento en comparación con, por ejemplo, el Dacron (PET). Además de las fibras de UHMWPE puro, la mayoría de los fabricantes utilizan mezclas para reducir aún más la deformación y el estiramiento del material. En estas mezclas, las fibras de UHMWPE se combinan con, por ejemplo, Vectran .
En paracaidismo , el UHMWPE es uno de los materiales más comunes para las líneas de suspensión, sustituyendo en gran medida al Dacron , utilizado anteriormente, por ser más ligero y menos voluminoso. El UHMWPE posee una excelente resistencia y durabilidad, pero no es dimensionalmente estable (es decir, se contrae) al exponerse al calor, lo que provoca una contracción gradual y desigual de las distintas líneas, ya que están sujetas a diferentes niveles de fricción durante el despliegue del paracaídas, lo que requiere su reemplazo periódico. Además, es casi completamente inelástico, lo que puede agravar el impacto de la apertura. Por esta razón, las líneas de Dacron se siguen utilizando en sistemas para estudiantes y algunos sistemas tándem, donde el volumen adicional preocupa menos que el riesgo de una apertura peligrosa. Por otro lado, en los paracaídas de alto rendimiento utilizados para vuelos de descenso , el UHMWPE se sustituye por Vectran y HMA (aramida de alto módulo), que son aún más delgados y dimensionalmente estables, pero presentan mayor desgaste y requieren un mantenimiento mucho más frecuente para evitar fallos catastróficos. Los UHMWPE también se utilizan para los bucles de cierre de los paracaídas de reserva cuando se emplean con dispositivos de activación automática , donde su coeficiente de fricción extremadamente bajo es fundamental para un funcionamiento adecuado en caso de activación del cortador.
Médico
El UHMWPE tiene un historial clínico como biomaterial para su uso en implantes de cadera, rodilla y (desde la década de 1980) para la columna vertebral. [ 1 ] En el año 2000 se creó en línea un repositorio de información y artículos de revisión relacionados con el UHMWPE de grado médico, conocido como el Léxico del UHMWPE. [ 28 ]
Históricamente, los componentes para reemplazo articular se han fabricado con resinas "GUR". Estos materiales en polvo son producidos por Ticona, generalmente transformados en semiformas por empresas como Quadrant y Orthoplastics, y luego mecanizados para obtener componentes de implantes y esterilizados por los fabricantes de dispositivos. [ 1 ] [ 29 ]
El UHMWPE fue utilizado clínicamente por primera vez en 1962 por Sir John Charnley y se convirtió en el material de apoyo dominante para reemplazos totales de cadera y rodilla en la década de 1970. [ 28 ] A lo largo de su historia, hubo intentos fallidos de modificar el UHMWPE para mejorar su rendimiento clínico hasta el desarrollo del UHMWPE altamente reticulado a finales de la década de 1990. [ 1 ]
Un intento fallido de modificar el UHMWPE consistió en mezclar el polvo con fibras de carbono. Este UHMWPE reforzado fue comercializado clínicamente como "Poly Two" por Zimmer en la década de 1970. Las fibras de carbono presentaban una escasa compatibilidad con la matriz de UHMWPE y su rendimiento clínico era inferior al del UHMWPE virgen. [ 1 ]
Un segundo intento de modificar el UHMWPE fue mediante recristalización a alta presión. Este UHMWPE recristalizado fue lanzado clínicamente como "Hylamer" por DePuy a finales de la década de 1980. [ 1 ] Cuando se irradiaba con rayos gamma en el aire, este material exhibía susceptibilidad a la oxidación, lo que resultaba en un rendimiento clínico inferior en comparación con el UHMWPE virgen. Hoy en día, el mal historial clínico de Hylamer se atribuye en gran medida a su método de esterilización, y ha habido un resurgimiento del interés en estudiar este material (al menos en ciertos círculos de investigación). [ 28 ] Hylamer cayó en desuso en los Estados Unidos a finales de la década de 1990 con el desarrollo de materiales UHMWPE altamente reticulados; sin embargo, siguen apareciendo en la literatura informes clínicos negativos de Europa sobre Hylamer.
Los materiales UHMWPE altamente reticulados se introdujeron clínicamente en 1998 y se han convertido rápidamente en el estándar de atención para reemplazos totales de cadera , al menos en los Estados Unidos. Estos nuevos materiales se reticulan con radiación gamma o de haz de electrones ( 50–105 kGy (5,0–10,5 Mrad ) ) y luego se procesan térmicamente para mejorar su resistencia a la oxidación. [ 1 ] Ahora se dispone de datos clínicos de cinco años, de varios centros, que demuestran su superioridad con respecto al UHMWPE convencional para el reemplazo total de cadera. Todavía se están realizando estudios clínicos para investigar el rendimiento del UHMWPE altamente reticulado para el reemplazo de rodilla. [ 28 ]
En 2007, los fabricantes comenzaron a incorporar antioxidantes en el UHMWPE para las superficies de apoyo de artroplastias de cadera y rodilla. [ 1 ] La vitamina E (α-tocoferol) es el antioxidante más común utilizado en el UHMWPE reticulado por radiación para aplicaciones médicas. El antioxidante ayuda a neutralizar los radicales libres que se introducen durante el proceso de irradiación, lo que confiere al UHMWPE una mayor resistencia a la oxidación sin necesidad de tratamiento térmico. [ 30 ] Varias empresas han estado comercializando tecnologías de reemplazo articular estabilizadas con antioxidantes desde 2007, utilizando tanto vitamina E sintética como antioxidantes a base de fenol impedido . [ 31 ]
Otro avance médico importante para el UHMWPE en la última década ha sido el aumento en el uso de fibras para suturas . DSM produce fibras de grado médico para aplicaciones quirúrgicas bajo la marca comercial "Dyneema Purity". [ 32 ]
Fabricación
El UHMWPE se utiliza en la fabricación de ventanas y puertas de PVC , ya que puede soportar el calor necesario para ablandar los materiales a base de PVC y se utiliza como relleno de moldes/cámaras para los distintos perfiles de PVC, de modo que dichos materiales puedan doblarse o moldearse alrededor de una plantilla.
El UHMWPE también se utiliza en la fabricación de sellos y cojinetes hidráulicos. Es ideal para aplicaciones mecánicas de carga media en sistemas hidráulicos de agua y aceite, neumáticas y sin lubricación. Posee buena resistencia a la abrasión, pero se adapta mejor a superficies de contacto blandas.
Alambre y cable
El cable de protección catódica con aislamiento de fluoropolímero/HMWPE se fabrica típicamente con doble aislamiento. Presenta una capa primaria de un fluoropolímero como el etileno-clorotrifluoroetileno (ECTFE), químicamente resistente al cloro, al ácido sulfúrico y al ácido clorhídrico . Debajo de la capa primaria se encuentra una capa de aislamiento de HMWPE, que proporciona resistencia flexible y permite un uso intensivo durante la instalación. La cubierta de HMWPE también proporciona protección mecánica. [ 33 ]
Infraestructura marina
El UHMWPE se utiliza en estructuras marinas como revestimiento de sistemas de defensas para estructuras de atraque debido a su resistencia superior al desgaste, resistencia al impacto y baja fricción tanto en condiciones húmedas como secas. [ 34 ]
Véase también
Referencias
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Lecturas adicionales
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Enlaces externos
- Patente estadounidense 5342567 Proceso para la producción de fibras de polietileno de alta tenacidad y alto módulo, emitida el 30 de agosto de 1994.
- Máquina de hilado de gel polimérico Christine A. Odero, MIT, 1994
- Solicitud de patente 20070148452 Fibra de polietileno de alta resistencia, 28/06/2007
- Técnicas analíticas para caracterizar los efectos de la radiación en UHMWPE. Archivado el 24/04/2014 en Wayback Machine.
- Implantes ortopédicos de última generación que utilizan UHMWPE. Archivado el 24/04/2014 en Wayback Machine.
- VE-UHMWPE altamente reticulado para prótesis de cadera y rodilla. Archivado el 24/04/2014 en Wayback Machine.
- Características, métodos de procesamiento y aplicaciones del UHMWPE. Archivado el 5 de julio de 2019 en Wayback Machine.
- Polietileno UHMWPE HDPE LDPE LLDPE – ¿Cuáles son las diferencias? Archivado el 15/05/2021 en Wayback Machine.
- Fibra HMPE: ¿Cómo se fabrica?
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