本發(fā)明涉及用于將超高分子量聚乙烯造粒的模頭組件和方法。

背景技術(shù)：

1、超高分子量聚乙烯(uhmwpe)是一種特殊類型的聚乙烯材料，其表現(xiàn)出許多出眾的性質(zhì)，如高沖擊強(qiáng)度、低摩擦系數(shù)和良好的生物相容性。這些性質(zhì)使uhmwpe成為用于應(yīng)用如骨關(guān)節(jié)假體、軸承、高性能纖維和管線的合適材料。uhmwpe通常具有非常高的分子量、長的聚合物鏈和高度的分子纏結(jié)。

2、然而，uhmwpe的特殊分子結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致經(jīng)由熔融加工技術(shù)加工該材料的困難。當(dāng)聚乙烯聚合物的分子量高于500,000g/mol時(shí)，聚合物即使在高于其熔點(diǎn)的溫度也保持其固態(tài)行為，因此不表現(xiàn)出將會允許通過熱塑性聚合物領(lǐng)域中的典型熔融加工技術(shù)如熔融擠出和注塑成型來加工材料的適當(dāng)?shù)牧黧w流動性質(zhì)。

3、為了避免這種情況，uhmwpe材料的成形方法通常涉及固體粉末加工技術(shù)，如壓縮成型和柱塞擠出。然而，這些技術(shù)中的每一種都具有其不利的方面。例如，壓縮成型是間歇方法，由此不是特別適合于制品的高速大規(guī)模生產(chǎn)。再者，它涉及相對長的加工時(shí)間，這可能導(dǎo)致uhmwpe材料在壓縮成型方法期間的氧化降解。雖然柱塞成型是一種準(zhǔn)連續(xù)方法，但也需要所獲得的原始形狀(通常是棒)的進(jìn)一步加工，這往往導(dǎo)致在所生產(chǎn)部件的表面上的加工痕跡，這可能影響產(chǎn)品美觀性以及機(jī)械性質(zhì)，并且這導(dǎo)致產(chǎn)生從柱塞擠出的棒上加工下來的廢料。

4、在普通擠出或注塑成型方法中加工uhmwpe材料的其他限制包括例如可用于加工的uhmwpe材料的物理狀態(tài)。從聚合過程中，uhmwpe材料以細(xì)粉末形式獲得，具有非常低的摩擦。當(dāng)試圖經(jīng)由擠出或注塑成型來加工這樣的粉末時(shí)，粉末往往在擠出機(jī)或注塑成型機(jī)的機(jī)筒內(nèi)與(一個(gè)或多個(gè))旋轉(zhuǎn)螺桿一起旋轉(zhuǎn)，因此不能沿著螺桿輸送并且朝向擠出機(jī)或注塑成型機(jī)的模頭出口向前移動。因此，將uhmwpe粉末轉(zhuǎn)變成更適合處理的材料，例如粒料，是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。在本文中，粒料應(yīng)理解為具有毫米(mm)范圍內(nèi)的尺寸，如直徑2-7mm和長度3-10mm的材料形式。這樣的粒料通常比粉狀材料更便于加工，因此需要獲得。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、因此，期望獲得用于uhmwpe材料的更便利的加工方法，以生產(chǎn)期望的形狀的物體，特別是用于生產(chǎn)uhmwpe粒料的方法。

2、在聚乙烯領(lǐng)域中，已知文獻(xiàn)中出現(xiàn)了不同類型的聚乙烯的命名法方面的某些變化。為了避免這方面的任何不清楚，在此提供uhmwpe構(gòu)成的詳述。在本發(fā)明的上下文中，uhmwpe應(yīng)理解為包含衍生自乙烯的重復(fù)聚合物單元，優(yōu)選由衍生自乙烯的重復(fù)聚合物單元組成，并且具有至少1,000,000g/mol的粘均分子量(mv)的聚合物。典型的uhmwpe材料可以具有在1,000,000至10,000,000g/mol，或2,000,000至8,000,000g/mol的粘均分子量。

3、為了測定uhmwpe材料的粘均分子量(mv)，在本發(fā)明的上下文中，根據(jù)margolies方程，基于以dl/g計(jì)的特性粘度(η)來計(jì)算粘均分子量(mv)：

4、mv＝5.37·104·η1.49

5、其中，mv為以g/mol計(jì)的uhmwpe的粘均分子量，和η為以dl/g計(jì)的uhmwpe的特性粘度。根據(jù)margolies方程的計(jì)算描述于astm?d4020-11(超高分子量聚乙烯成型和擠出材料的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，standard?specification?for?ultra-high?molecular?weightpolyethylene?molding?and?extrusion?materials)中。根據(jù)astm?d2857-95(re?2007)(聚合物稀溶液粘度的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，standard?practice?for?dilute?solution?viscosity?ofpolymers)中所述的方法，在135℃的溫度在作為溶劑的十氫化萘中進(jìn)行特性粘度的測定。

6、本發(fā)明提供了允許加工uhmwpe的模頭組件，其中所獲得的uhmwpe具有改進(jìn)的機(jī)械性質(zhì)，如拉伸強(qiáng)度、改進(jìn)的密度和降低的氧化指數(shù)。這通過用于加工uhmwpe的模頭組件實(shí)現(xiàn)，其中模頭組件包括圓形包圍的直通道(1)，該直通道包括入口(2)和出口(3)，該通道被構(gòu)造成使得物質(zhì)可以從入口朝向出口沿著流動軸線(4)輸送通過該通道，其中通道包括殼體(5)以形成完全包圍通道的外殼；

7、其中，通道包括具有長度a的緩沖區(qū)段和具有長度b的壓縮區(qū)段，緩沖區(qū)段位于通道的入口側(cè)，和壓縮區(qū)段位于通道的出口側(cè)，緩沖區(qū)段和壓縮區(qū)段彼此連接；

8、其中，緩沖區(qū)段在通道的入口的一側(cè)處具有垂直于流動軸線的第一直徑d1和在朝向通道的出口的一側(cè)處具有垂直于流動軸線的第二直徑d2，其中d1>d2，優(yōu)選以角度α形成漸縮的通道區(qū)段；

9、其中，壓縮區(qū)段在朝向通道的入口的一側(cè)處具有垂直于流動軸線的第一直徑d3，其對應(yīng)于d2，以及在通道的出口的一側(cè)處具有垂直于流動軸線的第二直徑d4，其中d3>d4，以角度β形成漸縮的通道區(qū)段；

10、優(yōu)選地，其中角度α>β；和

11、優(yōu)選地，其中d4為圓形開口，更優(yōu)選其中d1、d2、d3和d4的每一個(gè)是圓形的。

12、在根據(jù)本發(fā)明的模頭組件中，角度β可以優(yōu)選為≥1.0°并且≤10.0°，優(yōu)選≥1.5°并且≤5.0°，更優(yōu)選≥1.6°并且≤4.9°，甚至更優(yōu)選≥1.8°并且≤3.0°。

13、優(yōu)選的是，模頭組件的出口直徑d4為≥2.0并且≤8.0mm，優(yōu)選≥3.0并且≤6.0mm。

14、優(yōu)選的是，通道(1)由緩沖區(qū)段a和壓縮區(qū)段b組成。優(yōu)選地，模頭不含有除了緩沖區(qū)段a和壓縮區(qū)段b以外的其他漸縮的區(qū)段。

15、通道的壓縮區(qū)段的長度b可以例如為≥20并且≤100mm，優(yōu)選≥30并且≤60mm。

16、長度b/長度a的比率可以例如為≥2.0，優(yōu)選≥4.0。

17、d3/d4的比率可以例如為≥1.2并且≤2.0，優(yōu)選≥1.3并且≤1.7。

18、根據(jù)本發(fā)明的模頭組件可以配備有冷卻單元。這樣的冷卻單元優(yōu)選可以被構(gòu)造為使得其能夠?qū)⒛ｎ^組件冷卻至≤150℃，更優(yōu)選≥100℃并且≤150℃的溫度。冷卻單元可以例如為將經(jīng)冷卻的空氣提供至模頭組件的單元，優(yōu)選其中冷卻單元為空氣槍。

19、模頭組件可以包括多個(gè)通道(1)，優(yōu)選它們平行地定位。

20、本發(fā)明在某些實(shí)施方案中還涉及聚合物擠出機(jī)組件，其包括材料入口(6)、包括一個(gè)或兩個(gè)擠出機(jī)螺桿(8)的擠出機(jī)機(jī)筒(7)和用于從擠出機(jī)移除經(jīng)加工的材料的出口(9)，其中出口包括根據(jù)本發(fā)明的模頭組件。

21、擠出機(jī)可以包括冷卻單元(10)，其用于冷卻模頭組件，優(yōu)選用于將模頭組件冷卻至≤150℃，更優(yōu)選≥100℃并且≤150℃的溫度。冷卻單元可以例如為將經(jīng)冷卻的空氣提供至模頭組件的單元，優(yōu)選其中冷卻單元為空氣槍。

22、本發(fā)明還涉及用于生產(chǎn)超高分子量聚乙烯粒料的方法，該方法包括：

23、i.向根據(jù)本發(fā)明的聚合物擠出機(jī)組件供應(yīng)包含超高分子量聚乙烯(uhmwpe)的聚合物組合物

24、ii.將聚合物組合物輸送通過聚合物擠出機(jī)；

25、iii.將聚合物組合物輸送通過模頭組件；和

26、iv.將離開聚合物擠出機(jī)的聚合物組合物經(jīng)由模頭組件的出口成形為粒料，這通過如下進(jìn)行：

27、a)將聚合物組合物冷卻至低于熔化溫度的溫度，優(yōu)選低于100℃，并且隨后將獲得的經(jīng)冷卻的線料切割成粒料；或

28、b)將聚合物組合物切割成粒料并且隨后將粒料冷卻至低于熔化溫度，優(yōu)選至低于100℃。

29、優(yōu)選的是，步驟ii)中的擠出機(jī)機(jī)筒溫度為≥170℃并且≤220℃。擠出機(jī)速度可以例如為≥50并且≤150rpm。

30、優(yōu)選的是，在模頭組件的入口處的壓力為≥3.0并且≤8.0mpa。

31、聚合物組合物優(yōu)選包含≥90.0重量％的uhmwpe和任選的≤10.0重量％的高密度聚乙烯(hdpe)，相對于聚合物組合物的總重量計(jì)。在某一實(shí)施方案中，聚合物組合物包含≥90.0重量％的uhmwpe和≤10.0重量％的高密度聚乙烯(hdpe)。例如，聚合物組合物可以包含≥90.0重量％并且≤99.0重量％的uhmwpe以及≥1.0并且≤10.0重量％的hdpe，更優(yōu)選≥92.5重量％并且≤97.5重量％的uhmwpe以及≥2.5并且≤7.5重量％的hdpe。

32、uhmwpe可以例如具有≥2,000,000g/mol，優(yōu)選≥2,000,000并且≤8,000,000g/mol，更優(yōu)選≥3,000,000并且≤8,000,000g/mol，甚至更優(yōu)選≥4,000,000并且≤8,000,000g/mol，還甚至更優(yōu)選≥5,000,000并且≤8,000,000g/mol的粘均分子量(mv)，其中mv經(jīng)由margolies方程基于特性粘度計(jì)算，其中特性粘度根據(jù)astm?d2857-95(re?2007)中所述的方法，在135℃的溫度在作為溶劑的十氫化萘中測定。

33、uhmwpe可以例如具有≥900kg/m3，優(yōu)選≥900kg/m3并且≤945kg/m3，更優(yōu)選≥910kg/m3并且≤945kg/m3，甚至更優(yōu)選≥910kg/m3并且≤935kg/m3，還甚至更優(yōu)選≥915kg/m3并且≤930kg/m3的密度。

34、hdpe可以例如具有≥50,000并且≤500,000g/mol，優(yōu)選≥50,000并且≤300,000g/mol，更優(yōu)選≥75,000并且≤250,000g/mol的分子量。

35、hdpe可以為乙烯的均聚物，或乙烯與共聚單體的共聚物。共聚單體例如可以為選自1-丁烯、1-己烯或1-辛烯中的一種。這樣的hdpe共聚物可以例如包含≥0.1并且≤5.0重量％，優(yōu)選≥0.1并且≤3.0重量％，更優(yōu)選≥0.3并且≤3.0重量％的衍生自共聚單體的聚合物單元，相對于hdpe共聚物的總重量計(jì)。

36、hdpe可以例如具有≥946并且≤975kg/m3，優(yōu)選≥950并且≤970kg/m3，更優(yōu)選≥950并且≤965kg/m3的密度，如根據(jù)astm?d792(2008)測定。

37、hdpe可以例如具有≥0.1并且≤100g/10min的熔體質(zhì)量流動速率，如根據(jù)astmd1238(2013)在190℃在2.16kg負(fù)荷測定，優(yōu)選≥0.5并且≤50g/10min，更優(yōu)選≥1.0并且≤25g/10min，甚至更優(yōu)選≥3.0并且≤15.0g/10min，還甚至更優(yōu)選≥5.0并且≤10.0g/10min。