CN108973168A - 一种高压熔融浸渍制备热塑性碳纤维复合材料假肢护具的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压熔融浸渍制备热塑性碳纤维复合材料假肢护具的方法。所述方法包括：S1.将热熔树脂与三维编织碳纤维预制体织物在封闭模腔中浸渍并冷却成型制得热塑性复合材料假肢半成品部件；S2.将步骤S1制得的热塑性复合材料假肢半成品部件进行机械二次加工，然后置于封闭模腔中软化压制并冷却成型制得热塑性碳纤维复合材料假肢护具。采用本发明制备方法制备得到的假肢护具除具有质量轻、强度高、使用寿命长等优势之外，还使制备得到的假肢部件可根据使用要求进行外型、曲度、佩戴特殊体型要求的灵活调整，从而使佩戴者佩戴更为舒适；同时，本发明制备过程不需要大型昂贵装置仪器，制备过程简单，使生产简单，便于操作。

Description

一种高压熔融浸渍制备热塑性碳纤维复合材料假肢护具的 方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料假肢护具，具体涉及一种高压熔融浸渍制备热塑性碳纤维复合材料假肢护具的方法。

背景技术

假肢是康复工程中发展最早和发展最快的领域，其中人体主要肢体器官(大腿、小腿、手臂等)由于其运动过程的复杂性必然带来结构的各种复杂因素，因此要使主要假肢部件符合人体运动轨迹，其结构的调整性、外型的灵活性、质量的轻便性均对材料和加工工艺有较高的要求。

有效降低假肢的质量，提高假肢的强度和抵抗变形的能力对于康复医学领域的材料科学应用发展来说，是重要的研究方向。现代假肢的制备，往往使用一些超轻铝合金、钛合金以及碳纤维复合材料等作为假肢的主要制备原材料，而金属材质虽然具有加工方便、成型效率高、使用寿命长、重量轻等诸多优点，但是对于人体要求的佩戴舒适度的问题一直无法做到根据个体要求灵活调整的水平。碳纤维复合材料作为目前复合材料发展的主流材质具有很多均质金属材料不具备的优势，尤其是三维结构的热塑性树脂基复合材料，集合了三维编织结构的整体刚性和强度的力学优势，同时又集合了热塑性树脂的可反复加热可塑成型的特性优势，使得假肢部件可根据使用要求进行外型、曲度、佩戴特殊体型要求的灵活调整，对于人体舒适度的有效适应具有重要的发展潜力。

发明内容

针对上述现有技术的不足，发明人经长期的技术与实践探索，提供一种利用热塑性树脂基体进行熔融浸渍，通过高压完成热熔树脂与三维编织碳纤维预制体织物在封闭模腔中浸渍并冷却成型的热塑性复合材料假肢半成品部件和成品最终部件的加工方法，利用该方法可加工板状或管状等半成品热塑性碳纤维三维复合材料，该本成品可进行机械二次加工，并可通过最终的成品假肢模具进行特定外型和生理曲度的假肢部件的最终成型加工，由于该热塑性碳纤维复合材料假肢护具具有可反复热塑特性，因此可以根据特定残疾部位和特定使用者的生理曲度以及微变形要求进行多次调整，有效避免了使用过程中传统假肢部件的佩戴不适应问题，对提高佩戴舒适度具有较强的加工适应性。

本发明的目的之一在于提供一种高压熔融浸渍制备热塑性碳纤维复合材料假肢护具的方法。

本发明的目的之二在于提供上述方法制备得到的假肢护具。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面，提供了一种高压熔融浸渍制备热塑性碳纤维复合材料假肢护具的方法，所述方法包括：

S1.将热熔树脂与三维编织碳纤维预制体织物在封闭模腔中浸渍并冷却成型制得热塑性复合材料假肢半成品部件；

S2.将步骤S1制得的热塑性复合材料假肢半成品部件进行机械二次加工，然后置于封闭模腔中软化压制并冷却成型制得热塑性碳纤维复合材料假肢护具。

优选的，所述方法还包括对步骤S2制备得到假肢护具通过二次加热加压软化成型的方式对微观外型和曲度进行调整；

优选的，所述热熔树脂为通过加热方式将热塑性树脂加热至熔融状态；所述热熔树脂含量为20-50％；加热熔融温度根据具体使用的热塑性树脂类型进行具体设定；

优选的，热熔树脂通过压力注射方式注入封闭模腔中浸渍三维编织碳纤维预制体织物；

进一步优选的，注射压力为12～20MPa，注射时间为20～60s；通过控制注射压力与注射时间，从而保证热熔树脂能够充分、均匀浸渍三维编织碳纤维预制体织物；

优选的，所述热塑性树脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚酰胺等任意一种，热塑性树脂料体形态不受限制，可采用颗粒料、粉体料等；

优选的，所述三维编织碳纤维预制体织物由高强度碳纤维/或高模量碳纤维/或高强度碳纤维/或高模量碳纤维与混杂纤维进行三维编织成型制得；

进一步优选的，

所述三维编织碳纤维预制体织物由高强度碳纤维与混杂纤维进行三维编织成型制得；所述高强度碳纤维与混杂纤维的混杂比例为2:1～5:1；

或，

所述三维编织碳纤维预制体织物由高模量碳纤维与混杂纤维进行三维编织成型制得；所述高强度碳纤维与混杂纤维的混杂比例为2:1～5:1；

所述高强度碳纤维为T300、T700、T800、T1000中的任意一种；

所述高模量碳纤维为M40、M40J、M55、M55J、M60、M60J中的任意一种；

所述混杂纤维可选用无机纤维，所述无机纤维包括但不限于氧化铝纤维、碳化硅纤维、氮化硼纤维、氮化硅纤维；

所述三维编织成型可选用四步法三维编织成型方式，具体可选用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的任意一种编织结构；

优选的，软化压制温度控制为140～280℃，软化压制压强控制为14～17MPa；

本发明的第二个方面，提供上述方法制备得到的假肢护具。

本发明的有益效果：

本发明提供一种高压熔融浸渍制备热塑性碳纤维复合材料假肢护具的方法，通过高压完成热熔树脂与三维编织碳纤维预制体织物在封闭模腔中浸渍并冷却成型的热塑性复合材料假肢半成品部件和成品最终部件的加工方法，使得制备的假肢护具除具有质量轻、强度高、使用寿命长等优势之外，还使制备得到的假肢部件可根据使用要求进行外型、曲度、佩戴特殊体型要求的灵活调整，从而使佩戴者佩戴更为舒适；

同时，本发明制备过程不需要大型昂贵装置仪器，制备过程简单，使生产简单，便于操作。使得本发明具有广阔的工业化应用前景和实际应用价值。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

具体的，本发明的一种具体实施方式中，提供了一种利用热塑性树脂基体进行熔融浸渍，通过高压完成热熔树脂与三维编织碳纤维预制体织物在封闭模腔中浸渍并冷却成型的热塑性复合材料假肢半成品部件和成品最终部件的加工方法，利用该方法可加工板状或管状等半成品热塑性碳纤维三维复合材料，该成品可进行机械二次加工，并可通过最终的成品假肢模具进行特定外型和生理曲度的假肢部件的最终成型加工，同时也可根据佩戴者的特殊曲度要求进行外型的多次微调，对提高佩戴舒适度具有较强的加工适应性。

本发明的又一具体实施方式中，所述的碳纤维可选用高强度碳纤维和高模量碳纤维进行编织预制体织物的加工，其中高强度碳纤维可选用T300、T700、T800、T1000中的任意一种，高模量碳纤维可选用M40、M40J、M55、M55J、M60、M60J中的任意一种，也可将高模量或高强度碳纤维作为主体纤维，配合混杂纤维进行三维编织织物加工。

本发明的又一具体实施方式中，所述的混杂纤维可选用无机纤维，如氧化铝纤维、碳化硅纤维、氮化硼纤维、氮化硅纤维等其中的任意一种且不限于以上几种陶瓷纤维，主体碳纤维与混杂纤维的混杂比例可根据使用要求进行灵活调整。

本发明的又一具体实施方式中，所述的高强度、高模量碳纤维或碳纤维与混杂纤维的混杂三维编织结构，可选用四步法三维编织成型，可选用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向编织结构中的任意一种。

本发明的又一具体实施方式中，所述的热塑性树脂基体可选用聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚酰胺等任意一种，热塑性树脂基体可采用颗粒料、粉体料等多种形态。

本发明的又一具体实施方式中，所述的半成品具体制备工艺，首先将三维编织之后的碳纤维或混合纤维三维织物置于半成品模具中，之后通过加热方式将热塑性树脂加热到熔融状态，同时模具进行预热，树脂的熔融温度和模具预热温度根据具体使用的树脂基体类型具体设定。将熔融后的热塑性树脂熔体在高压作用下注入封闭模腔内，与三维预制体织物复合，具体的注射压力和注射时间根据树脂类型进行设定。注射完成后将模具冷却至室温后，取出半成品板材或管材。

本发明的又一具体实施方式中，所述的假肢部件的成品加工，采用上述制备的热塑性三维编织碳纤维复合材料半成品制件，二次切割成所需要的尺寸，置于成品成型模具中，根据树脂的具体软化温度，并设置一定的成型压力进行最终热塑性复合材料假肢部件的成型制备，制备后的假肢部件可通过二次加热加压软化成型的方式对微观外型和曲度进行调整。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例1

选用高强度T300与氧化铝纤维进行混杂，混杂比例为5:1，采用三维四向结构进行三维预制体的制备，将制备预制体织物置于本成品注塑模具中，将模具合模备用。

选用聚乙烯的颗粒料，将树脂原料置于料筒中进行加温处理，同时将模具预热，其中料筒中树脂的熔融温度在220℃，模具预热温度为30℃，将熔融后的树脂原料在80MPa的注射压力下注入封闭本成品模腔中，注射时间控制在30s范围内，将最终注塑成型的半成品管材开模取出，熔融树脂含量为20％；

将经过切割之后的半成品置于成型模具中，采用140℃的软化温度，在16.5MPa的压强下进行软化压制成型，成型时间在1小时，将最终成型后的制品冷却到40℃以下开模取样，制备最终假肢部件。

实施例2

选用高模量M40碳纤维，与碳化硅纤维进行混杂，混杂比例为3:1，采用三维五向结构进行三维预制体的制备，将制备预制体织物置于本成品注塑模具中，将模具合模备用。

选用聚丙烯的粉体料，将树脂原料置于料筒中进行加温处理，同时将模具预热，其中料筒中树脂的熔融温度在240℃，模具预热温度为80℃，将熔融后的树脂原料在150MPa的注射压力下注入封闭本成品模腔中，注射时间控制在25s范围内，将最终注塑成型的半成品管材开模取出，熔融树脂含量为30％。

将经过切割之后的半成品置于成型模具中，采用150℃的软化温度，在15MPa的压强下进行软化压制成型，成型时间在2小时，将最终成型后的制品冷却到40℃以下开模取样，制备最终假肢部件。

实施例3

选用高强度T700碳纤维采用三维六向结构进行三维预制体的制备，将制备预制体织物置于本成品注塑模具中，将模具合模备用。

选用聚氨酯的颗粒料，将树脂原料置于料筒中进行加温处理，同时将模具预热，其中料筒中树脂的熔融温度在180℃，模具预热温度为40℃，将熔融后的树脂原料在95MPa的注射压力下注入封闭本成品模腔中，注射时间控制在50s范围内，将最终注塑成型的半成品管材开模取出，熔融树脂含量为50％。

将经过切割之后的半成品置于成型模具中，采用153℃的软化温度，在16MPa的压强下进行软化压制成型，成型时间在2小时，将最终成型后的制品冷却到40℃以下开模取样，制备最终假肢部件。

实施例4

选用高模量M60J碳纤维，与氮化硅纤维进行混杂，混杂比例为2:1，采用三维七向结构进行三维预制体的制备，将制备预制体织物置于本成品注塑模具中，将模具合模备用。

选用聚苯硫醚的粉体料，将树脂原料置于料筒中进行加温处理，同时将模具预热，其中料筒中树脂的熔融温度在330℃，模具预热温度为150℃，将熔融后的树脂原料在120MPa的注射压力下注入封闭本成品模腔中，注射时间控制在27s范围内，将最终注塑成型的半成品管材开模取出，熔融树脂含量为25％。将经过切割之后的半成品置于成型模具中，采用271℃的软化温度，在14MPa的压强下进行软化压制成型，成型时间在3小时，将最终成型后的制品冷却到40℃以下开模取样，制备最终假肢部件。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高压熔融浸渍制备热塑性碳纤维复合材料假肢护具的方法，其特征在于，所述方法包括：

S1.将热熔树脂与三维编织碳纤维预制体织物在封闭模腔中浸渍并冷却成型制得热塑性复合材料假肢半成品部件；

S2.将步骤S1制得的热塑性复合材料假肢半成品部件进行机械二次加工，然后置于封闭模腔中软化压制并冷却成型制得热塑性碳纤维复合材料假肢护具。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括对步骤S2制备得到假肢护具通过二次加热加压软化成型的方式对微观外型和曲度进行调整。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热熔树脂为通过加热方式将热塑性树脂加热至熔融状态；所述热熔树脂含量为20-50％。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，热熔树脂通过压力注射方式注入封闭模腔中浸渍三维编织碳纤维预制体织物；

优选的，注射压力为12～20MPa，注射时间为20～60s；

热塑性树脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚酰胺等任意一种，热塑性树脂料体形态为颗粒料或粉体料。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三维编织碳纤维预制体织物由高强度碳纤维/或高模量碳纤维/或高强度碳纤维/或高模量碳纤维与混杂纤维进行三维编织成型制得。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述三维编织碳纤维预制体织物由高强度碳纤维与混杂纤维进行三维编织成型制得；所述高强度碳纤维与混杂纤维的混杂比例为2:1～5:1；

或，

所述三维编织碳纤维预制体织物由高模量碳纤维与混杂纤维进行三维编织成型制得；所述高强度碳纤维与混杂纤维的混杂比例为2:1～5:1。

7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，

所述高强度碳纤维为T300、T700、T800、T1000中的任意一种；

所述高模量碳纤维为M40、M40J、M55、M55J、M60、M60J中的任意一种；

所述混杂纤维为无机纤维，所述无机纤维包括氧化铝纤维、碳化硅纤维、氮化硼纤维、氮化硅纤维。

8.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述三维编织成型选用四步法三维编织成型方式，优选的，选用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的任意一种编织结构。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2.中，软化压制温度控制为140～280℃，软化压制压强控制为14～17MPa。

10.权利要求1-9任一项所述方法制备得到的假肢护具。