CN103421262A - 一种适用于生物反应器的高分子聚合物复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于生物反应器的高分子聚合物复合材料及其制备方法，属于生物制药技术领域。本发明的复合材料包括以下按照重量份数计的原料：聚四氟乙烯55-70份、聚醚醚酮10-15份、聚苯脂8-12份、聚苯醚3-5份、聚乙烯3-5份、聚酰胺3-5份、氧化锆或氮化硅3-5份。本发明复合材料解决了现有技术中的复合材料部分有毒、易挥发分解，耐温耐腐蚀性不好，不适于生物反应器，且虽然适用于生物反应器，但是仅仅针对膜生物反应器，耐磨性能并不高的问题，满足并符合生物反应器内与生物制品接触的全部性能要求，具有自润滑性能，大大提高了耐磨性能。

Description

一种适用于生物反应器的高分子聚合物复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种适用于生物反应器的复合材料及其制备方法，更具体地说，本发明涉及一种适用于生物反应器的高分子聚合物复合材料及其制备方法，属于生物制药技术领域。

背景技术

用于生物反应器内与生物制品直接接触的材料要求相当苛刻：要求无毒、耐高温，蒸汽灭菌不会分解挥发、老化和渗出脱落；与生物制品接触不发生反应（生物惰性）；不抑制或有益于生物的生长（生物的相容性）；耐腐蚀（化学惰性），对经常用酸碱清洗液和其他有机物质不发生化学反应和变化等。

因此，选用其结构材料十分慎重，在没有被验证的情况下，不能轻易随便的选用材料。常用的可与生物制品直接接触的材料有：金属材料主要是316L不锈钢（不含氯离子），以及氮化硅、氧化锆大多数陶瓷材料和聚四氟乙烯、聚醚醚酮、硅胶等部分高分子材料。而用于反应器内的高耐磨材料，通常的金属、陶瓷和高分子材料及其复合材料大都不能使用，主要是由于常用耐磨材料的添加物不能满足其需要，如增加自润滑性和耐磨性的硫化物（如CuS、MoS₂），以及铅（Pb）、锡（Sn）、石墨（C）、铜纤维（Cu）等都不能用于生物反应器内的环境。部分有毒的、易挥发分解，耐温耐腐蚀性不好的高分子材料也不能使用。

国家知识产权局于2013.7.24公开了一件公开号为103214788A，名称为“一种高耐热、高耐磨聚醚醚酮复合材料及其制备工艺”的发明专利，该专利公布了一种高耐热、高耐磨聚醚醚酮复合材料及其制备工艺。复合材料是以聚醚醚酮(PEEK)、碳-石墨纤维及聚四氟乙烯(PTFE)为主要原料，添加适量的偶联剂及其他加工助剂制备而得，其中PEEK，20～85份；碳-石墨纤维，10～50份；PTFE，5～30份；偶联剂，1～3份；其他加工助剂，1～3份。按上述比例称取原料，在双螺杆挤出机上共混挤出。本发明不仅具有极为优异的物理、机械、热、化学等性能，且具有比铝和钢更好的减振作用，同时，摩擦系数低、润滑特性优良，使之广泛应用于航天航空、机械工业、汽车工业等领域。另外，本发明所用的双螺杆挤出制备工艺控制简单、生产效率高，产品质量稳定，适于工业化生产。

国家知识产权局于2013.5.8公开了一件公开号为103087468A，名称为“一种高耐热、高耐磨聚醚醚酮复合材料及其制备工艺”的发明专利，该专利公布了一种高耐热、高耐磨聚醚醚酮复合材料及其制备工艺。复合材料是以聚醚醚酮(PEEK)、碳-石墨纤维及聚四氟乙烯(PTFE)为主要原料，添加适量的偶联剂及其他加工助剂制备而得，其中PEEK，20～85份；碳-石墨纤维，10～50份；PTFE，5～30份；偶联剂，1～3份；其他加工助剂，1～3份。按上述比例称取原料，在双螺杆挤出机上共混挤出。本发明不仅具有极为优异的物理、机械、热、化学等性能，且具有比铝和钢更好的减振作用，同时，摩擦系数低、润滑特性优良，使之广泛应用于航天航空、机械工业、汽车工业等领域。另外，本发明所用的双螺杆挤出制备工艺控制简单、生产效率高，产品质量稳定，适于工业化生产。

上述两项专利都提出了一种以聚四氟乙烯和聚醚醚酮为主要原料制成的高耐热和高耐磨复合材料，其采用的耐磨材料添加物为碳-石墨纤维，所以上述复合材料仅仅适用于航天航空、机械工业、汽车工业等领域，无法应用于生物制药领域的生物反应器内的环境。

国家知识产权局于2009.6.3公开了一件公开号为101444703，名称为“一种用于膜生物反应器的复合膜及其制备方法”的发明专利，该专利提供了一种用于膜生物反应器的复合膜，主要包括多孔材料支撑层和附着于所述支撑层表面的有机薄膜层；所述多孔材料支撑层由下列之一或其中两种以上的高分子材料烧结而成：聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基戊烯、聚苯乙烯；所述有机薄膜层的膜材料为下列之一或其中两种以上的高分子聚合物：聚醚砜、聚砜、聚丙烯酸酯、聚丁烯、聚酰胺、聚醚醚酮、聚纤维素酯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚苯醚、聚碳酸酯、聚氨酯、聚丙烯酸酯、聚环氧乙烷、聚硅氧烷。本发明复合膜支撑强度高，机械稳定性佳，结构造型稳定，清洗更换方便，表层膜不易脱落和破损，可适用于各种高压环境。

上述专利中复合膜材料虽然适用于生物反应器，但是仅仅针对膜生物反应器，其特点主要表现在支撑强度、机械稳定性、耐高压等，耐磨性能并不高，无法应用于常规生物反应器的搅拌环境。

综上，研制在生物反应器内用高耐磨的复合材料，有他的局限性和难度，未知和没被验证的材料不能随便使用和添加。

发明内容

本发明旨在解决上述现有技术中的问题，提供一种适用于生物反应器的高分子聚合物复合材料，达到既适用于生物反应器内的环境，满足与生物制品接触的苛刻要求，又具有高耐磨、优异的自润滑性能的目的。

为了实现上述发明目的，其具体的技术方案如下：

一种适用于生物反应器的高分子聚合物复合材料，其特征在于：包括以下按照重量份数计的原料：

聚四氟乙烯（PTFE）                  55-70份

聚醚醚酮（PEEK）                    10-15份

聚苯脂（POB）                       8-12份

聚苯醚（PPO）                       3-5份

聚乙烯（PE）                        3-5份

聚酰胺（PA）                        3-5份

氧化锆（ZrO₂）或氮化硅（Si₃N₄）       3-5份。

本发明所述的一种适用于生物反应器的高分子聚合物复合材料，其特征在于：包括以下按照重量份数计的原料：

聚四氟乙烯（PTFE）                  65份

聚醚醚酮（PEEK）                    12份

聚苯脂（POB）                       10份

聚苯醚（PPO）                       4份

聚乙烯（PE）                        3份

聚酰胺（PA）                        3份

氧化锆（ZrO₂）或氮化硅（Si₃N₄）       3份。

一种适用于生物反应器的高分子聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下工艺步骤：

A、将不同形态、粒径的原料粉末经预处理后，按配比称重；

B、将经过预处理的各原料加入到混料机中，混合好后出料；

C、将混好的原料装入压制模具中，恒压热压固化成型。

本发明在步骤A中，所述的原料粉末经预处理是指在55-65℃下干燥12小时以上。

本发明在步骤A中，所述的原料粉末中的氧化锆或氮化硅经75-85目过筛。

本发明在步骤B中，所述的混料机转速控制为20-30转/分，混料时间控制为2-3小时。

本发明在步骤B中，所述的将经过预处理的各原料加入到混料机中，混合好后出料具体为先加入氧化锆或氮化硅，以及聚四氟乙烯，混合25-35分钟后加入其他原料混合，直至混合完成。

本发明在步骤B中，所述的混料机为带螺旋自搅拌的V型混料机。

本发明在步骤C中，所述的将混好的原料装入压制模具中，恒压热压固化成型具体为将混合好的原料装入经预热的压制模具中，在360-400℃、20-30MPa的条件下，恒压热压固化30-50分钟成型。

本发明带来的有益技术效果：

1、本发明的适用于生物反应器的高分子聚合物复合材料解决了现有技术中的复合材料部分有毒、易挥发分解，耐温耐腐蚀性不好，不适于生物反应器，且虽然适用于生物反应器，但是仅仅针对膜生物反应器，其特点主要表现在支撑强度、机械稳定性、耐高压等，耐磨性能并不高，无法应用于常规生物反应器的搅拌环境的问题，满足并符合生物反应器内与生物制品接触的全部性能要求，与其接触有相对运动和摩擦的对偶件有优良的减磨性能，在没有添加任何润滑物的条件下，在密闭的空间里依靠大湿度水分子形成的膜的润滑，长期使用不会有磨损和脱落物产生。

2、本发明的适用于生物反应器的高分子聚合物复合材料适用于生物制药行业，用于生物制药设备中与生物制品直接接触的材料，即生物反应器内，高耐磨、无磨损、无挥发渗出和脱落物、耐腐蚀、耐高温、具有生物惰性和生物相容性的结构材料，如生物反应器内的搅拌支撑的陶瓷轴承保持架、滑动轴承座等。本发明的复合材料解决了耐磨性的问题，依据摩擦学原理和磨损机理分析，基于生物反应器内的结构件大都以316L不锈钢以及陶瓷材料为摩擦副对偶件，提供了本发明的复合材料，选择接触表面硬度差异大，即实现一定的硬度梯度的原料，满足生物反应器内不能单独加油脂润滑的要求，摩擦系数小和具有优异的自润滑性，不会使其磨损磨耗。

3、本发明的适用于生物反应器的高分子聚合物复合材料适用于生物反应器内的结构材料，能满足耐酸碱腐蚀、耐蒸汽高温灭菌、热稳定性好、抗生物反应能力强（生物惰性好）、生物相容性好、机械强度及韧性好、易成型加工、自润滑性好、摩擦系数小、极高的耐磨性、无磨损、无渗出和脱落物、无毒等苛刻的理化和机械性能指标。

4、本发明中，高分子聚合物聚四氟乙烯（PTFE）的摩擦系数在固体材料中是最小的，为小于0.1，表面张力在固体材料中也是最小的，即自润滑性最好。聚醚醚酮（PEEK）、聚苯脂（POB）等高分子聚合物也有类似或相同的性能。单独用聚四氟乙烯（PTFE）、聚醚醚酮（PEEK）、聚苯脂（POB、PHB）都有不同程度的磨损和脱落物，但按本发明比例将聚醚醚酮（PEEK）混入聚四氟乙烯（PTFE）后，其磨损大大降低，脱落物也逐渐减少，再按照本发明的比例加入聚苯脂（POB）、聚苯醚（PPO）、聚乙烯（PE）、聚酰胺（PA），耐磨性能大幅度提高。本发明以聚四氟乙烯（PTFE）为基体材料，保持和发挥基材的高的自润滑性和低的摩擦系数、高的耐腐蚀和耐温性、好的生物惰性和相容性，添加的聚醚醚酮（PEEK）、聚苯脂（POB）等特性相近，而不同大小、结构和分子量的链状、网状、线性、体型等大分子材料使其交错缠绕，互相结合和填充，达到共混改性目的，而不改变其原有分子组成结构、宏观物理化学性质。另外，高分子在固化温度、压力的作用下渗透形成分子之间的作用力，形成范德华力和氢键链接，也进一步改善了其结构上的稳定性，极大的提高了机械性能和耐磨性，加入氧化锆（ZrO₂）或氮化硅（Si₃N₄），使其均匀分布在材料中并形成离散点阵的硬质点，进一步提高其耐磨性，而又不损伤摩擦副的对偶件，其加入量的控制也能进一步提高耐磨性。

5、本发明的复合材料经过先后装备300余台套生物发酵设备的磁悬浮搅拌机，和最长已连续运行六年的使用验证，经多次抽样拆卸、检测和分析，没有发现塑形变形、磨损和脱落物等失效现象。使用和添加的每一种组元材料，都是生物行业熟知的，长期使用验证过的，其加工工艺属复合共混改性材料，不会发生化学结构和性质的改变；材料均属于市场上销售的通用材料，来源充足，容易得到，价格便宜；加工工艺简单，重复性好，质量稳定；易成型和切削加工，可得到各种复杂结构形状的产品。

6、本发明优选选出一组配方：65份的聚四氟乙烯作为基础组元，保留了极其低的摩擦系数和优良的自润滑性的特性；12份的聚醚醚酮和10份的聚苯脂的加入，大大的改善了基体的机械强度、韧性和耐磨性；4份的聚苯醚、3份的聚乙烯和3份聚酰胺的加入，弥补了高分子材料间的不同长短和结构的分子链间的结合的单一性，并使其填充、缠绕复杂化，进一步提高了材料的机械强度、耐磨性和稳定性；3份氧化锆或氮化硅粉末的加入，使其进一步填充其高分子材料，并在其材料中均匀分布形成硬质点，机械强度和耐磨性进一步的提高。

7、本发明还提供了一种制备本发明复合材料的方法，使得原料分布均匀、制得的复合材料耐磨性进一步提高，且方法简单，重复性好，效率高，成本低。在上述制备方法的基础上，本发明优选的，所有原料保持干燥，应在恒温室里55-65℃下干燥12小时以上，去除水分，能够使其混合时流动性提高，进一步使得后续混合更加均匀；优选的，氧化锆或氮化硅粉末需经75-85目过筛，降低材料的摩擦系数，使得原料分布更加均匀，但是粒径过小，分布于材料中形成不了硬质点，达不到提高耐磨性的目的，所以本发明选择的过筛目数的范围既使得原料能够分布均匀，又能够达到提高耐磨性的目的。

8、本发明制备方法优选的，混料机转速控制为20-30转/分，混料时间控制为2-3小时，加料顺序为先加入氧化锆或氮化硅，以及聚四氟乙烯，混合25-35分钟后加入其他原料混合，直至混合完成，这样可以使得氧化锆或氮化硅均匀分布于材料中，而且这些工艺参数的组合为一个参数体系，共同作用，进一步提高复合材料的耐磨性；另外优选带自搅拌的V型混料机更加适合本发明比重较小的原料，使得混合更加均匀。

具体实施方式

实施例1

一种适用于生物反应器的高分子聚合物复合材料，包括以下按照重量份数计的原料：

聚四氟乙烯                    55份

聚醚醚酮                      10份

聚苯脂                        8份

聚苯醚                        3份

聚乙烯                        3份

聚酰胺                        3份

氧化锆或氮化硅                3份。

实施例2

一种适用于生物反应器的高分子聚合物复合材料，包括以下按照重量份数计的原料：

聚四氟乙烯                    70份

聚醚醚酮                      15份

聚苯脂                        12份

聚苯醚                        5份

聚乙烯                        5份

聚酰胺                        5份

氧化锆或氮化硅                5份。

实施例3

一种适用于生物反应器的高分子聚合物复合材料，包括以下按照重量份数计的原料：

聚四氟乙烯                    62.5份

聚醚醚酮                      12.5份

聚苯脂                        10份

聚苯醚                        4份

聚乙烯                        4份

聚酰胺                        4份

氧化锆或氮化硅                4份。

实施例4

一种适用于生物反应器的高分子聚合物复合材料，包括以下按照重量份数计的原料：

聚四氟乙烯                    68份

聚醚醚酮                      12份

聚苯脂                        11份

聚苯醚                        3.5份

聚乙烯                        4.5份

聚酰胺                        3.2份

氧化锆或氮化硅                4.5份。

实施例5

一种适用于生物反应器的高分子聚合物复合材料的制备方法，包括以下工艺步骤：

A、将不同形态、粒径的原料粉末经预处理后，按配比称重；

B、将经过预处理的各原料加入到混料机中，混合好后出料；

C、将混好的原料装入压制模具中，恒压热压固化成型。

实施例6

在步骤A中，所述的原料粉末经预处理是指在55℃下干燥12小时。

在步骤A中，所述的原料粉末中的氧化锆或氮化硅经75目过筛。

在步骤B中，所述的混料机转速控制为20转/分，混料时间控制为2小时。

在步骤B中，所述的将经过预处理的各原料加入到混料机中，混合好后出料。具体为先加入氧化锆或氮化硅，以及聚四氟乙烯，混合25分钟后加入其他原料混合，直至混合完成。

在步骤B中，所述的混料机为带螺旋自搅拌的V型混料机。

在步骤C中，所述的将混好的原料装入压制模具中，恒压热压固化成型。具体为将混合好的原料装入经预热的压制模具中，在360℃、20MPa的条件下，恒压热压固化30分钟成型。

实施例7

在步骤A中，所述的原料粉末经预处理是指在65℃下干燥24小时。

在步骤A中，所述的原料粉末中的氧化锆或氮化硅经85目过筛。

在步骤B中，所述的混料机转速控制为30转/分，混料时间控制为3小时。

在步骤B中，所述的将经过预处理的各原料加入到混料机中，混合好后出料。具体为先加入氧化锆或氮化硅，以及聚四氟乙烯，混合35分钟后加入其他原料混合，直至混合完成。

在步骤B中，所述的混料机为带螺旋自搅拌的V型混料机。

在步骤C中，所述的将混好的原料装入压制模具中，恒压热压固化成型。具体为将混合好的原料装入经预热的压制模具中，在400℃、30MPa的条件下，恒压热压固化50分钟成型。

实施例8

在步骤A中，所述的原料粉末经预处理是指在60℃下干燥18小时。

在步骤A中，所述的原料粉末中的氧化锆或氮化硅经80目过筛。

在步骤B中，所述的混料机转速控制为24转/分，混料时间控制为2.5小时。

在步骤B中，所述的将经过预处理的各原料加入到混料机中，混合好后出料。具体为先加入氧化锆或氮化硅，以及聚四氟乙烯，混合30分钟后加入其他原料混合，直至混合完成。

在步骤B中，所述的混料机为带螺旋自搅拌的V型混料机。

在步骤C中，所述的将混好的原料装入压制模具中，恒压热压固化成型。具体为将混合好的原料装入经预热的压制模具中，在380℃、25MPa的条件下，恒压热压固化40分钟成型。

实施例9

在步骤A中，所述的原料粉末经预处理是指在56℃下干燥15小时。

在步骤A中，所述的原料粉末中的氧化锆或氮化硅经81目过筛。

在步骤B中，所述的混料机转速控制为22转/分，混料时间控制为2.25小时。

在步骤B中，所述的将经过预处理的各原料加入到混料机中，混合好后出料。具体为先加入氧化锆或氮化硅，以及聚四氟乙烯，混合27分钟后加入其他原料混合，直至混合完成。

在步骤B中，所述的混料机为带螺旋自搅拌的V型混料机。

在步骤C中，所述的将混好的原料装入压制模具中，恒压热压固化成型。具体为将混合好的原料装入经预热的压制模具中，在390℃、28MPa的条件下，恒压热压固化46分钟成型。

实施例10

本发明提供了一种适用于生物反应器的高分子聚合物复合材料及其制备方法。该复合材料包含的成分及重量份数为：聚四氟乙烯（PTFE）65份、聚醚醚酮（PEEK）12份、聚苯脂（POB）10份、聚苯醚（PPO）4份、聚乙烯（PE）3份、聚酰胺（PA）3份、氧化锆（ZrO₂）或氮化硅（Si₃N₄）3份。将它们不同粒度和形态的原料按配比称量，在专用的混料机中按一定的混合工艺混合均匀后按容积分装，经380℃、25MPa恒压热压成型并固化为筒料或棒料后，便可机加成需要的结构零件。

该材料用于生物反应器磁悬浮搅拌机的辅助支撑系统的氮化硅（Si3N4）全陶瓷轴承的保持架和搅拌轴的支撑座衬套，已陆续装备生物发酵设备共300余台套，最长已连续运行近六年，经多次抽样拆卸检测和分析，均无磨损、变形等失效的情况发生。

注意：①要保证原料的纯度；②制造过程中要用专用的工装设备；③工况环境要清洁卫生，不得有交叉污染；④装料要均匀，避免径向密度的不均匀；⑤压制要采取双向压制，以保证轴向密度的均匀分布。

Claims (9)

1.一种适用于生物反应器的高分子聚合物复合材料，其特征在于：包括以下按照重量份数计的原料：

聚四氟乙烯                    55-70份

聚醚醚酮                      10-15份

聚苯脂                        8-12份

聚苯醚                        3-5份

聚乙烯                        3-5份

聚酰胺                        3-5份

氧化锆或氮化硅                3-5份。

2.根据权利要求1所述的一种适用于生物反应器的高分子聚合物复合材料，其特征在于：包括以下按照重量份数计的原料：

聚四氟乙烯                    65份

聚醚醚酮                      12份

聚苯脂                        10份

聚苯醚                        4份

聚乙烯                        3份

聚酰胺                        3份

氧化锆或氮化硅                3份。

3.根据权利要求1所述的一种适用于生物反应器的高分子聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下工艺步骤：

A、将不同形态、粒径的原料粉末经预处理后，按配比称重；

B、将经过预处理的各原料加入到混料机中，混合好后出料；

C、将混好的原料装入压制模具中，恒压热压固化成型。

4.根据权利要求3所述的一种适用于生物反应器的高分子聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤A中，所述的原料粉末经预处理是指在55-65℃下干燥12小时以上。

5.根据权利要求3或4所述的一种适用于生物反应器的高分子聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤A中，所述的原料粉末中的氧化锆或氮化硅经75-85目过筛。

6.根据权利要求3所述的一种适用于生物反应器的高分子聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤B中，所述的混料机转速控制为20-30转/分，混料时间控制为2-3小时。

7.根据权利要求3所述的一种适用于生物反应器的高分子聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤B中，所述的将经过预处理的各原料加入到混料机中，混合好后出料具体为先加入氧化锆或氮化硅，以及聚四氟乙烯，混合25-35分钟后加入其他原料混合，直至混合完成。

8.根据权利要求3、6或7所述的一种适用于生物反应器的高分子聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤B中，所述的混料机为带螺旋自搅拌的V型混料机。

9.根据权利要求3所述的一种适用于生物反应器的高分子聚合物复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤C中，所述的将混好的原料装入压制模具中，恒压热压固化成型具体为将混合好的原料装入经预热的压制模具中，在360-400℃、20-30MPa的条件下，恒压热压固化30-50分钟成型。