CN105522675A - 一种基于微孔发泡注射成型制备无皮层发泡材料的方法 - Google Patents

一种基于微孔发泡注射成型制备无皮层发泡材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于微孔发泡注射成型制备无皮层发泡材料的方法，包括如下步骤：(1)将聚合物粒料浸泡在去离子水中进行吸水处理；(2)将步骤(1)处理后的聚合物粒料加入注射成型设备中通过微孔注射成型方法获得无皮层发泡材料。本发明通过采用水和超临界流体作为共发泡剂可以制备出无皮层结构的多孔材料，泡孔率比单一的超临界二氧化碳制备出的样品泡孔率提高200％；在制备过程中不涉及有机溶剂，且适于大批量生产，属于发泡材料的制备方法技术领域。

Description

一种基于微孔发泡注射成型制备无皮层发泡材料的方法
技术领域
本发明涉及发泡材料的制备方法，具体的说，涉及一种基于微孔发泡注射成型制备无皮层发泡材料的方法，属于一种批量化生产无皮层多孔支架的新方法，适用于组织工程支架领域。
背景技术
多孔支架的制备是组织工程学研究领域中的重要研究内容之一，它主要是起到细胞外基质的作用，引导细胞在其上生长进而生成新的目标组织或器官，起到替代或修复病损器官或组织的目的。
微孔注射成型方法由传统的注射成型工艺发展而来，其基本原理是聚合物熔体与超临界流体通过螺杆的转动充分混合形成均相体系，在注射过程中这一均相体系被注入模具型腔，均相体系中的超临界流体由于压强的降低而转变为气体在聚合物熔体中形成气泡核并膨胀生长使材料充满整个模具型腔，最终通过冷却定型获得内部具有泡孔结构的发泡制品。该方法成型周期短、自动化程度高、制品的几何外形可控且成型精度高，具有其他支架制备方法无法比拟的优势。然而通过该方法制备的发泡材料却存在着泡孔间连通性差、获得制品有未发泡皮层结构的缺陷，这就使得细胞无法向支架内部迁移，且不利于营养物质和代谢废物的传输。因此，怎样提高发泡制品的泡孔连通性、消除制品的皮层结构是微孔注射成型制备组织工程支架中面临的难题。
Wintermantel等采用微孔注射成型法制备了孔隙率为70％，泡孔尺寸为184～1102μm的热塑性聚氨酯(TPU)多孔材料；他们还使用超临界二氧化碳作为发泡剂，通过精确地调控工艺参数及二氧化碳含量使TPU泡孔在发泡过程中破裂，从而制备了通孔率为71％的多孔支架。然而，在调节工艺参数来提高支架通孔率的同时难以实现支架泡孔尺寸及泡孔密度的调控；而且能够通过工艺调控来获得高泡孔连通性的材料十分有限technologyforinjectionmolding:Aprocessingmethodforpolyether-urethanescaffolds,JournalofMaterialsScience,2005,40(17):4613-4618；SupercriticalCO2ininjectionmoldingcanproduceopenporouspolyurenthanescaffolds-aparameterstudy,JournalofCellularPlastics,2012,48(2):141-159.]。在基于微孔注射成型的研究中，在聚乳酸(PLA)或TPU基体中添加水溶性致孔剂，经过注射发泡及粒子沥滤能够有效提高支架的孔隙率及泡孔连通性。然而，采用微孔注射发泡成型制备出的发泡材料具有明显的皮层结构，该皮层结构的产生不利于发泡材料在组织工程领域的应用。目前，对于怎样消除该皮层结构的研究极少，有部分研究报道了通过调节工艺参数来控制制备聚合物发泡材料的皮层厚度，一般来说，提高模具温度、提高注射温度和增加注射速率有助于减小发泡样品皮层厚度[ControllingMorphologyofInjectionMoldedStructuralFoamsbyMoldDesignandProcessingParameter,JournalofCellularPlastics,2007,43(4-5):3`3-330；Theeffectofinjectionmoldingconditionsonthemorphologyofpolymerstructuralfoams,PolymerEngineeringandScience,2009,49(5):949-959.]Huagen等使用水作为发泡剂、NaCl颗粒作为致孔剂制备了PU组织工程支架[ANovelProcessingMethodforInjection-MoldedPolyether-UrethaneScaffolds.Part1:Processing,JournalofBiomedicalMaterialsResearch,PartB,2006,77B(1):65-72.]；世界专利号为WO2009/155066公开了一种利用活性炭作为吸水材料，研究了其对聚苯乙烯挤出发泡行为的影响；Chen等发现水的加入在挤出发泡过程中可以进一步降低淀粉/CO2体系的粘度，从而促进发泡[RheologyandExpansionofStrach-Water-CO2MixtureswithControlledGelatinizationbySupercriticalFluidExtrusion,InternationalJournalofFoodProperties,2006,9(4):863-876]。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种基于微孔注射成型制备无皮层发泡材料的方法，制备出的多孔材料外表无皮层结构。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于微孔发泡注射成型制备无皮层发泡材料的方法，包括如下步骤：(1)将聚合物粒料浸泡在去离子水中进行吸水处理；(2)将步骤(1)处理后的聚合物粒料加入注射成型设备中以水和超临界流体作为共发泡剂通过微孔注射成型方法获得无皮层发泡材料。
作为一种优选，步骤(1)中，聚合物粒料泡水前先干燥。
作为一种优选，步骤(1)中，聚合物粒料浸泡至吸水率达到恒定值2％。
作为一种优选，步骤(1)中，聚合物粒料浸泡后，擦干表面的水分。
作为一种优选，步骤(2)的过程为：将步骤(1)中处理后的聚合物粒料加入到注射成型设备中进行塑化熔融后，注入超临界流体，然后超临界流体与聚合物粒料通过螺杆的转动进一步混合、扩散后形成均一的气熔混合体系，在注射过程中这一气熔混合体系被注入模具型腔，气熔混合体系中的超临界流体由于压强的降低而转变为气体在聚合物熔体中形成气泡核并膨胀生长使材料充满整个模具型腔，最终通过冷却定型获得内部具有泡孔结构的发泡制品。
作为一种优选，超临界流体为超临界氮气或超临界二氧化碳。
作为一种优选，聚合物熔体的注射温度为190～210℃，超临界流体含量为聚合物质量的1％～4％，超临界流体的注射压力为15～25MPa,注射速度为20～60ccm/s，模具温度为20～40℃。
作为一种优选，冷却时间为90s，锁模力为400kN,保压压力为45MPa。
作为一种优选，步骤(1)中，聚合物为热塑性聚氨酯。
作为一种优选，本发明方法所选用的材料体系级别为医用级，发泡材料用于生产无皮层多孔支架。
总的说来，本发明具有如下优点：
基于微孔注射成型技术，通过采用水和超临界流体作为共发泡剂可以制备出无皮层结构的多孔材料，泡孔率比单一的超临界二氧化碳制备出的样品泡孔率提高200％；在制备过程中不涉及有机溶剂，且适于大批量生产，是一种可以规模化生产组织工程支架的方法。
附图说明
图1是采用水和二氧化碳作为共发泡剂制备出的无皮层结构的热塑性聚氨酯发泡材料的扫描电镜图。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
实施例一
将预先干燥后的热塑性聚氨酯粒料在去离子水中浸泡24小时，使粒料的吸水率达到2％，然后将粒料表面多余的水分拭去。将吸水的聚氨酯粒料加入到注射成型设备中，在螺杆的转动作用下加热熔融塑化，待聚合物完全塑化熔融后，向熔体塑化段泵入超临界二氧化碳，并在螺杆的转动下与聚合物熔体形成均匀的气熔混合体系，在注射过程中这一气熔混合体系被注入模具型腔，气熔混合体系中的超临界流体由于压强的降低而转变为气体在聚合物熔体中形成气泡核并膨胀生长使材料充满整个模具型腔，气体成核长大形成聚氨酯发泡材料。其中，注射温度为200℃，模具温度为23℃，注射速率为60ccm/s，超临界二氧化碳注射压力为19MPa，超临界二氧化碳含量为热塑性聚氨酯质量的1％，冷却时间为90s,锁模力为400kN,保压压力为45MPa。
实施例二
将预先干燥的热塑性聚氨酯粒料在去离子水中浸泡24小时使粒料的吸水率达到2％，然后将粒料表面多余的水分拭去。将吸水的聚氨酯粒料加入到注射成型设备中，在螺杆的转动作用下加热熔融塑化，待聚合物完全塑化熔融后，向熔体塑化段泵入超临界二氧化碳，并在螺杆的转动下与聚合物熔体形成均匀的气熔混合体系，在注射过程中这一气熔混合体系被注入模具型腔，气熔混合体系中的超临界流体由于压强的降低而转变为气体在聚合物熔体中形成气泡核并膨胀生长使材料充满整个模具型腔，气体成核长大形成聚氨酯发泡材料。其中，注射温度为190℃，模具温度为20℃，注射速率为60ccm/s，超临界二氧化碳注射压力为15MPa，超临界二氧化碳含量为热塑性聚氨酯质量的2.5％，冷却时间为90s,锁模力为400kN,保压压力为45MPa。
实施例三
将预先干燥的热塑性聚氨酯粒料在去离子水中浸泡24小时使粒料的吸水率达到2％，然后将粒料表面多余的水分拭去。将吸水的聚氨酯粒料加入到注射成型设备中，在螺杆的转动作用下加热熔融塑化，待聚合物完全塑化熔融后，向熔体塑化段泵入超临界二氧化碳，并在螺杆的转动下与聚合物熔体形成均匀的气熔混合体系，在注射过程中这一气熔混合体系被注入模具型腔，气熔混合体系中的超临界流体由于压强的降低而转变为气体在聚合物熔体中形成气泡核并膨胀生长使材料充满整个模具型腔，气体成核长大形成聚氨酯发泡材料。其中，注射温度为210℃，模具温度为20℃，注射速率为20ccm/s，超临界二氧化碳注射压力为25MPa，超临界二氧化碳含量为热塑性聚氨酯质量的4％，冷却时间为90s,锁模力为400kN,保压压力为45MPa。
实施例四
将预先干燥的热塑性聚氨酯粒料在去离子水中浸泡24小时使粒料的吸水率达到2％，然后将粒料表面多余的水分拭去。将吸水的聚氨酯粒料加入到注射成型设备中，在螺杆的转动作用下加热熔融塑化，待聚合物完全塑化熔融后，向熔体塑化段泵入超临界二氧化碳，并在螺杆的转动下与聚合物熔体形成均匀的气熔混合体系，在注射过程中这一气熔混合体系被注入模具型腔，气熔混合体系中的超临界流体由于压强的降低而转变为气体在聚合物熔体中形成气泡核并膨胀生长使材料充满整个模具型腔，气体成核长大形成聚氨酯发泡材料。其中，注射温度为200℃，模具温度为30℃，注射速率为40ccm/s，超临界二氧化碳注射压力为20MPa，超临界二氧化碳含量为热塑性聚氨酯质量的4％，冷却时间为90s,锁模力为400kN,保压压力为45MPa。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于微孔发泡注射成型制备无皮层发泡材料的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)将聚合物粒料浸泡在去离子水中进行吸水处理；
(2)将步骤(1)处理后的聚合物粒料加入注射成型设备中以水和超临界流体作为共发泡剂通过微孔注射成型方法获得无皮层发泡材料。
2.按照权利要求1所述的一种基于微孔发泡注射成型制备无皮层发泡材料的方法，其特征在于：步骤(1)中，聚合物粒料泡水前先干燥。
3.按照权利要求1所述的一种基于微孔发泡注射成型制备无皮层发泡材料的方法，其特征在于：步骤(1)中，聚合物粒料浸泡至吸水率达到恒定值2％。
4.按照权利要求1所述的一种基于微孔发泡注射成型制备无皮层发泡材料的方法，其特征在于：步骤(1)中，聚合物粒料浸泡后，擦干表面的水分。
5.按照权利要求1所述的一种基于微孔发泡注射成型制备无皮层发泡材料的方法，其特征在于：步骤(2)的过程为：将步骤(1)中处理后的聚合物粒料加入到注射成型设备中进行塑化熔融后，注入超临界流体，然后超临界流体与聚合物粒料通过螺杆的转动进一步混合、扩散后形成均一的气熔混合体系，在注射过程中这一气熔混合体系被注入模具型腔，气熔混合体系中的超临界流体由于压强的降低而转变为气体在聚合物熔体中形成气泡核并膨胀生长使材料充满整个模具型腔，最终通过冷却定型获得内部具有泡孔结构的发泡制品。
6.按照权利要求5所述的一种基于微孔发泡注射成型制备无皮层发泡材料的方法，其特征在于：超临界流体为超临界氮气或超临界二氧化碳。
7.按照权利要求5所述的一种基于微孔发泡注射成型制备无皮层发泡材料的方法，其特征在于：聚合物熔体的注射温度为190～210℃，超临界流体含量为聚合物质量的1％～4％，超临界流体的注射压力为15～25MPa,注射速度为20～60ccm/s，模具温度为20～40℃。
8.按照权利要求5所述的一种基于微孔发泡注射成型制备无皮层发泡材料的方法，其特征在于：冷却时间为90s，锁模力为400kN,保压压力为45MPa。
9.按照权利要求1所述的一种基于微孔发泡注射成型制备无皮层发泡材料的方法，其特征在于：步骤(1)中，聚合物为热塑性聚氨酯。
10.按照权利要求1至9中任一项所述的一种基于微孔发泡注射成型制备无皮层发泡材料的方法，其特征在于：所选用的材料体系级别为医用级，发泡材料用于生产无皮层多孔支架。
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