CN101374981B - 超高分子量聚烯烃丝线和/或定长纤维的环形制品及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明要求保护一种环形制品，其包括至少部分熔合的超高分子量聚烯烃丝线和/或定长纤维。本发明还要求保护制造环形制品的方法，该方法如下进行：将超高分子量聚烯烃的纤维(1)缠绕在一对纺轮(2，3)上以形成线圈；将该纤维加热至低于熔点的温度，在此温度下纤维至少部分地熔合；通过在旋转纺轮的同时增大纺轮之间的距离来拉伸该线圈。
Description
本发明涉及一种环形制品。
环形制品是公知的，例如包括环形物(ring)、线圈(loop)和套索(roundsling)。
环形物例如由金属(如铝和钢)制造，或者也可由塑料(如尼龙)模制。线圈和套索通常由纤维制造。
环形制品在许多场合下被用作连接元件。例如，可以使用环形物作为两个或更多个绳索末端的连接元件，这是通过将绳索末端与环形物连接实现的。对于线圈或套索，例如可以在两个物体之间形成连接，这通过将线圈或套索与这两个物体连接来实现，例如通过打结或通过将线圈缠绕在物体周围。
环形制品在许多场合被用于传递力，或必须能够承受力。十分重要的是，物体在各种条件下能够很好地传递力和承受力(往往是长时间)，而不以任何方式断裂或损坏。
本发明的目的是提供一种能够很好地传递力的环形制品。
令人惊讶地得到了一种十分适合的环形制品，条件是该环形制品包含至少部分熔合的超高分子量聚烯烃丝线和/或定长纤维。
超高分子量聚烯烃丝线的熔合本身长期以来是已知的，例如描述于US-6277773、WO 2004/053212、US-6148597和US-4786774。然而，这些文献并不涉及环形制品，而是涉及如鱼线、杆、棒和织物。这些文献并未启示可以得到本发明的环形制品。
本发明的环形制品用途广泛，适用于多种应用。例如可以将其制成各种直径和厚度，同时丝线和/或定长纤维具有低熔合度或高熔合度等等，从而根据预期用途对制品进行调整。
对于部分熔合的丝线和/或定长纤维，丝线和定长纤维的结构仍部分地存在于本发明的环形制品中，这是因为丝线和定长纤维仅在其部分表面熔合在一起。如果熔合度低，则甚至可以仅仅通过弯折环形制品或者通过施加分离力(例如用刀)来分离环形制品中的部分熔合的丝线和/或定长纤维，以使丝线和定长纤维脱离。如果提高熔合度，丝线或定长纤维与另一条丝线或定长纤维熔合的表面的百分比增加，最终丝线和/或定长纤维沿其全部表面熔合，并且本发明的环形制品中的丝线和/或定长纤维本身几乎或完全消失。随着熔合度升高，本发明的环形制品的密度增加。优选地环形制品的密度至少为最大可得密度的70％，更优选至少80％，甚至更优选至少90％，甚至更优选至少95％，甚至更优选至少98％，甚至更优选至少99％，甚至更优选至少99.5％，最优选至少99.9％。最大可得密度是用于制造环形制品的材料的密度，即丝线和/或定长纤维的聚合材料的密度(如果制品由丝线和/或定长纤维构成)，或者密度根据不同材料的分数和密度计算(如果制品包含丝线和/或定长纤维以及一种或更多种其它材料)。
优选地，本发明的环形制品包含至少90wt％的超高分子量聚烯烃丝线和/或定长纤维，更优选至少95wt％，甚至更优选至少98wt％，甚至更优选至少99wt％，甚至更优选至少99.9wt％。最优选地，环形制品由至少部分熔合的丝线和/或定长纤维构成。
环形制品的周长例如为10-10000mm。优选地，周长至少为20mm，更优选至少30mm。优选地，周长至多5000mm，更优选至多1000mm。环形制品的厚度(在至少部分熔合的丝线和/或定长纤维本体中测定)例如为0.1-30mm。优选地，厚度至少为0.2mm，更优选至少0.5mm，甚至更优选至少0.5mm。优选地，厚度至多为20mm，更优选至多10mm。
在一种优选实施方式中，厚度小于3mm，更优选小于2mm，甚至更优选小于1.5mm，以使环形制品更具柔性并可用作移植连接器件。
在另一种优选实施方式中，厚度至少为10mm，更优选至少15mm，甚至更优选至少20mm，以使该制品十分适用于提升重载荷，例如作为套索或作为套索核芯，此套索包括核芯以及保护该核芯的外壳。
在本发明的环形制品的制造中，使用超高分子量聚烯烃丝线和/或定长纤维作为起始材料。这些丝线和/或定长纤维对于本领域技术人员来说是已知的。这些丝线为细长体，其长度大于横向的宽度和厚度。优选地，丝线具有至少1.2GPa的拉伸强度和至少40GPa的拉伸模量。定长纤维可以通过本领域技术人员已知的方法由丝线制造。
聚乙烯与聚丙烯的均聚物和共聚物特别适合作为制造超高分子量聚烯烃丝线和/或纤维的聚烯烃。此外，所用的聚烯烃可包含少量的一种或更多种其它聚合物，尤其是其它链烯-1-聚合物。
优选地，用于制造本发明的环形制品的超高分子量聚烯烃丝线和/或定长纤维是高分子量线性聚乙烯，其重均分子量至少为400000g/mol。
这里的线性聚乙烯是指每100个C原子具有小于1个侧链、优选每300个C原子具有小于1个侧链的聚乙烯。
优选地，使用通过例如GB-A-2041414、GB-A-2051667、EP 0205960A和WO 01/73173A1所述的凝胶纺丝工艺制备的聚乙烯丝线。该工艺主要包括：制备高特性粘度的聚烯烃溶液，在高于溶解温度的温度下将所述溶液纺成丝线，将所述丝线冷却到低于胶凝温度以发生胶凝，以及在去除溶剂之前、期间或之后拉伸所述丝线。
在此情况下，可以通过喷丝孔的形状来选择丝线的横截面形状。
优选地，使用多丝纱线。更优选地，使用超高分子量线性聚乙烯的多丝纱线，所述超高分子量线性聚乙烯的特性粘度至少为5dl/g(135℃下在十氢化萘中测定)，纱线纤度为至少50但尼尔，纱线的拉伸强度为至少25、更优选至少30、甚至更优选至少32、甚至更优选至少34cN/dtex，拉伸模量为至少1000cN/dtex。
按照PTC-179(Hercules Inc.Rev.Apr.29，1982)测定特性粘度，测定条件为：在135℃下，溶解时间为16个小时，抗氧化剂为DPBC，用量为2g/l。测定不同浓度下的粘度并外推到浓度为零的情况。
优选地，只使用丝线作为本发明的环形制品的起始材料。
本发明还涉及一种制造本发明的环形制品的方法，该方法如下实现：将超高分子量聚烯烃的丝线或一条或更多条包含多根丝线的纱线和/或定长纤维缠绕在一对纺轮上以形成线圈；将该纤维加热至低于丝线和/或定长纤维的熔点的温度，在该温度下丝线和/或定长纤维至少部分地熔合；通过在旋转纺轮的同时增大纺轮之间的距离来拉伸该线圈。
优选地，每个纺轮包括接纳丝线或一条或更多条纱线的沟槽。这样，丝线或一条或更多条纱线在纺轮上被导引。如果两个纺轮的轴线方向相同并且纺轮和线圈处于同一平面，则得到最佳结果。
对于超高分子量聚乙烯丝线和/或定长纤维，丝线和/或纤维的温度可为145-160℃。在不熔化和不损失丝线和/或定长纤维特性的前提下，为了使丝线和/或定长纤维达到高熔合度，该温度优选为148-157℃，最优选150-154℃。
所述丝线或一条或更多条纱线由于纺轮间距增大而被拉伸。优选地，丝线或一条或更多条纱线的拉伸比为至少1.2，更优选至少1.4，最优选至少1.6。优选地，丝线或一条或更多条纱线的拉伸比为至多3.0，更优选至多2.5。拉伸比是拉伸后的成形制品的周长与拉伸前缠绕在纺轮上的线圈的周长之比。
在一种实施方式中，使用部分拉伸的超高分子量聚烯烃丝线。此时，可以在环形制品的制造过程中采用高拉伸比(例如至少3.0，优选至少4.0)，从而得到高强度、高模量以及高丝线熔合度。
优选地，通过对至少一个纺轮施加力来增大纺轮间的距离。丝线或一条或更多条纱线在纺轮上的传输速度可为5mm/s(对于周长为10mm的环形制品)至1000mm/s(对于周长至少10000mm的环形制品)。
对丝线或一条或更多条纱线进行拉伸的时间长度可为1-10分钟，优选2-4分钟。
例如可以通过升高温度或者通过延长拉伸时间和/或增大拉伸比来提高丝线和/或定长纤维的熔合度。
根据本发明，制造环形制品的另一种优选方法包括如下步骤：
-将超高分子量聚烯烃的丝线或一条或更多条纱线缠绕在插针上；
-将所述插针置入包括两个半模部分的模具中，所述模具具有接纳所述插针的凹部和用于制造缠绕在插针上的环形制品的空腔；
-加热所述丝线或一条或更多条纱线；
-封闭所述模具以在模具的空腔中形成成型制品。
本发明的环形制品的应用包括环形物(例如作为渔网的一部分)、提升重载荷的套索或医疗器件(例如用于骨折固定、胸骨缝合、移植连接等的矫形器件)。
在一种优选的实施方式中，环形制品是移植连接器件或其一部分。移植连接器件描述在US 6533802 B2中。这种移植连接器件例如用于修复膝关节中的前十字韧带。常用方法是将移植物的一端固定在靠近膝关节的腿骨中(通常是在被钻骨洞中)，并将移植物的另一端固定在靠近膝关节的胫骨中(通常也是在被钻骨洞中)。还可以使用其它的固定移植连接器件的方法。已知的移植连接器件的一个问题是，器件中的线圈具有中等刚度，这减缓甚至终止了手术后的愈合过程。
令人惊讶地，如果使用本发明的环形制品，则愈合过程更好。此外，在不丧失强度和刚度的前提下，线圈的厚度可以极小，从而可以使用直径更小的被钻骨洞。而且，与由疏松丝线制成的已知器件相比，本发明的环形制品具有相对较高的弯曲刚度，因此有利于对移植连接器件进行操作。
在此情况下，环形制品的厚度可为0.5-2.5mm，优选1-2mm，其周长可为20-200mm，优选40-150mm。
在另一种优选的应用中，本发明的环形制品是空运应用中的货物网的连接环。在此情况下，环形制品的厚度可为4-10mm，周长可为50-400mm。
将通过附图进一步解释本发明。
图1为用于制造本发明的环形制品的包括两个纺轮的装置的示意图。
图2为具有不同形状的沟槽的纺轮的剖面图。
图3示出了本发明的某些可行的环形制品。
图1示出了制造本发明的环形制品的装置的示意图，该装置包括两个纺轮2和3，其中一个纺轮由电动机(7)驱动。将超高分子量聚乙烯的纱线(1)缠绕在纺轮上(例如10圈DyneemaTM SK 75，1760 dtex)，纺轮在其周边具有沟槽，用于接纳纤维。该装置被置于烘箱(6)中，便于在足够高的温度下操作，以将丝线熔合在纤维中。纺轮2安装在固定支架(4)上，而纺轮3安装在移动支架(5)上，纺轮3通过沿图中所示方向施加力F来拉伸。
图2示出了具有不同形状的沟槽的纺轮的剖面，剖面沿图2a中的直线A-A取得。图2b中的纺轮适合制造具有平直或矩形形状的环形制品。图2c示出了具有锐角三角形沟槽的纺轮。采用这种纺轮，可以使得丝线和/或定长纤维快速熔合且得到高的熔合度高。图2d中的类似沟槽的角度较钝。
图3示出了本发明的环形制品的几种可能形式。图3a示出了线圈，图3b示出了环形物。
Claims (11)
1.环形制品，包含至少部分熔合的超高分子量聚烯烃丝线和/或超高分子量聚烯烃定长纤维。
2.如权利要求1的环形制品，其特征在于：所述制品是环形物。
3.如权利要求1的环形制品，其特征在于：所述制品是线圈。
4.如权利要求1-3中任一项的环形制品，其特征在于：所述环形制品的密度为最大可得密度的至少70％。
5.如权利要求1的环形制品，其特征在于：所述制品的周长为10-10000mm。
6.如权利要求1的环形制品，其特征在于：所述制品的厚度为0.1-30mm。
7.如权利要求1-3中任一项的环形制品，其特征在于：所述聚烯烃为聚乙烯。
8.制造如权利要求1-7中任一项的环形制品的方法，所述方法包括：将超高分子量聚烯烃的丝线或一条或更多条纱线缠绕在一对纺轮上以形成线圈；将所述丝线或一条或更多条纱线加热至低于所述纤维的熔点的温度，在所述温度下，所述超高分子量聚烯烃丝线和/或超高分子量聚烯烃定长纤维至少部分地熔合；通过在旋转所述纺轮的同时增大所述纺轮之间的距离来拉伸所述线圈。
9.如权利要求8的方法，其特征在于：所述丝线或一条或更多条纱线被加热至145-160℃的温度。
10.如权利要求8的方法，其特征在于：所述纤维的拉伸比为至少1.2。
11.包含权利要求1-7中任一项的环形制品的移植连接器件。
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