Ultra high molecular weight polyethylene for winter sports : surface morphology, composition and microstructure

In the course of this thesis work, analyses are performed on samples of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) used to manufacture downhill ski bases. The vast majority of bases are supplied to ski manufacturing industries by two main Producers in the form of reels of polyethylene sheets. Following indications from ski manufacturers, we tried to give a coherent interpretation of some specific issues observed for this material. More specifically: 1) material obtained from one Producer is more susceptible to damage by wear; 2) ski bases obtained from the inner parts of reels show superior sliding properties with respect to bases obtained from the external parts. Controlled polyethylene samples selected from different portions of reels from both Producers were analyzed and compared to each other. Such samples can be taken as being representative of the average properties of the material for the considered portion of the reel. Samples from ski bases damaged in a single SuperG event were studied as well. Different experimental techniques were used to characterize polyethylene: microscopy (optical microscopy, scanning electron microscopy), vibrational spectroscopy (Raman, infrared) and surface electrical resistivity measurements were performed. For each technique, data were analyzed and discussed, focusing on microstructural features that may cause differences in terms of performance among samples. From a critical comparison of the results obtained from each experimental technique, a coherent interpretation, relating the material composition-microstructure to the previously described ski base performance, emerges.

Nell’ambito di questo lavoro di tesi si sono effettuate analisi su campioni di polietilene ad altissimo peso molecolare (UHMWPE) destinati alla produzione di solette per sci alpino. Tale materiale è fornito alle aziende produttrici di sci sotto forma di fogli arrotolati, e proviene quasi esclusivamente da due Produttori principali. Su indicazione di aziende produttrici di sci, si è cercato di fornire un quadro interpretativo coerente di alcune peculiarità osservate nel comportamento di tali solette. In particolare, la tendenza a subire danni da usura (più marcata nel caso del materiale fornito da un Produttore) e le migliori capacità di scorrimento su neve delle solette ricavate dalle porzioni interne dei rotoli. Campioni selezionati di polietilene proveniente da entrambi i Produttori sono quindi stati analizzati e confrontati tra loro; inoltre, si sono studiati campioni estratti da solette di sci da SuperG danneggiate dopo utilizzo in una singola gara. Per le analisi sono state utilizzate differenti tecniche sperimentali: si sono effettuate analisi microscopiche (microscopio ottico, SEM), spettroscopie vibrazionali (infrarosso, Raman) e misure di resistività elettrica superficiale. I risultati di ogni prova sono stati raccolti, discussi e confrontati tra loro, concentrandosi in modo particolare sulle caratteristiche microstrutturali potenzialmente responsabili delle differenze in termini di prestazioni tra i diversi materiali. Dall’insieme delle analisi svolte emerge un quadro interpretativo coerente che relaziona fra loro microstruttura-composizione del materiale e prestazioni delle solette.