CN109093988A - 一种混杂有机纤维纱线热熔碳纤维假肢复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种混杂有机纤维纱线热熔碳纤维假肢复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种混杂有机纤维纱线热熔碳纤维假肢复合材料及其制备方法，属于假肢材料技术领域。本发明利用热塑性有机树脂纱线与碳纤维混杂三维编织进行假肢用板状或杆状半成品部件加工的方法，待混编预制体织物加工完成之后，将半成品部件置于特定模具中进行热熔处理，有机纱线经过特定高温热熔与碳纤维三维预制体织物形成热塑性树脂三维复合材料，最终通过异型模具定型可快速制备大腿、小腿、手臂等特定人体部位的复合材料假肢，同时该复合材料假肢部件具有特定形状和生理弯曲率的可调整性，有效避免了假肢部件长期使用出现的变形等问题。

Description

一种混杂有机纤维纱线热熔碳纤维假肢复合材料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及假肢材料技术领域，具体涉及一种利用热塑性有机树脂纱线与碳纤维混制备假肢部件的方法。
背景技术
医学康复工程是医疗领域一项重要的综合性工作，不仅对于医学工程有很高的水平要求，对于生物学、生物仿生学以及材料学等多门学科来说也是一个交叉和融合，其中假肢是康复工程中发展最早、最快的领域，其中上肢或者下肢人体部位的假肢发展是最早、最迅速的分支。由于人体运动器官的结构复杂性，使得符合人体运动轨迹的上肢或者下肢的结构也比较复杂，而且这种结构所涵盖的弯曲度、器官形状及结构稳定性是十分精确的，同时假肢的质量也将随着运动的复杂性和快速反应性不可避免的增加，而假肢的质量尤其对于下肢截肢或瘫痪的残疾人来讲，运动消耗的能量将直接增加，这就带来了行动的困难和不舒适。鉴于此，随着新材料科技的不断发展，对于假肢部件提出了重量轻、刚性大、可调节、形状可校准等诸多复杂的要求。
目前市面上最普遍的上肢尤其是下肢的轻量化部件主要是由环向缠绕或者叠层排布的碳纤维二维织物构成，这种方式制备的复合材料假肢具有重量轻、刚性大等诸多优点，但由于叠层织物结构层间强度较低的问题，也给假肢的刚性稳定使用的寿命期限提出了苛刻的要求。除此以外，这种假肢的生产往往采用热固性树脂浸渍碳纤维复合材料织物制备，而这种材质的复合材料假肢由于树脂基体自身的特性限制，无法进行二次加工和形状或曲率的条恒，这尤其对于对假肢依赖性较高的儿童来讲，随着年龄增加残疾部位器官的生长变化会带来原有假肢部件的匹配度差出现不舒适等问题，综上所述，传统的复合材料结构的假肢产品在使用性能、使用寿命、使用调节等方面都存在诸多问题，有必要研究一种新的假肢部件复合材料。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种混杂有机纤维纱线热熔碳纤维假肢复合材料及其制备方法。本发明以热塑性有机纤维纱线与碳纤维为原料，三维编织成假肢用板状或杆状半成品部件，待混编预制体织物加工完成之后，将半成品部件置于特定模具中进行热熔处理，有机纱线经过特定高温热熔与碳纤维三维预制体织物形成热塑性树脂三维复合材料，最终通过异型模具定型可快速制备大腿、小腿、手臂等特定人体部位的复合材料假肢，同时，本发明复合材料编织的假肢部件具有特定形状和生理弯曲率的可调整性，有效避免了假肢部件长期使用出现的变形的问题。
本发明的目的之一是提供一种混杂有机纤维纱线热熔碳纤维假肢复合材料。
本发明的目的之二是提供一种利用混杂有机纤维纱线热熔碳纤维制备假肢部件的方法。
本发明的目的之三是提供一种假肢部件弯曲外型的调整方法。
本发明的目的之四是提供一种混杂有机纤维纱线热熔碳纤维制备的假肢部件。
本发明的目的之五是提供混杂有机纤维纱线热熔碳纤维假肢复合材料、利用混杂有机纤维纱线热熔碳纤维制备假肢部件的方法、混杂有机纤维纱线热熔碳纤维制备的假肢部件、假肢部件弯曲外型的调整方法的应用。
为实现上述发明目的，具体的，本发明公开了下述技术方案：
首先，本发明公开了一种混杂有机纤维纱线热熔碳纤维假肢复合材料，所述复合材料采用两种或两种以上碳纤维长丝束与有机纤维纱线进行混合编织后热熔而成，所述碳纤维选用T300、T700或T800中的任意一种或多种；所述有机纤维纱线选自热塑性树脂纱线，所述有机纤维纱线具有中低温热熔性，其热熔温度在120-280℃之间，优选为120-200℃。
优选的，所述复合材料中树脂基体的质量分数为30-60％。
优选的，所述有机纤维纱线选自聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚酰胺、聚苯硫醚等中的一种。
优选的，所述碳纤维的丝束规格选自3K、6K、12K中的任意一种。
优选的，所述有机纤维纱线的纤度在600-1500D之间。
所述混合编织的结构类型包括三维四向、三维五向、三维六向、三维七向等多种织物结构。
所述混杂热塑纤维热熔碳纤维复合材料的形状可为板状、管状、片状等任意半成品基本形状。
其次，本发明公开了一种利用混杂有机纤维纱线热熔碳纤维制备假肢部件的方法，包括如下步骤：
(1)将两种或两种以上碳纤维长丝束与有机纤维纱线进行混合编织成预成品，然后将预成品置于压力机模具中进行热熔成型；冷却后开模，得到机纤维纱线热熔碳纤维假肢复合材料；
(2)将步骤(1)中的复合材料置于假肢成型压力机模具中进行热软化成型，冷却后开模，即得假肢部件。
步骤(1)中，所述成型的压力根据树脂材质进行设定，优选为5-20MPa。
步骤(1)中，所述热熔的温度在120-280℃之间，优选为120-200℃。
步骤(1)中，所述热熔的时间为1-4h。
步骤(1)中，所述冷却后开模指：冷却到40℃以下后再开模。
步骤(2)中，所述热软化的温度为105-255℃，时间为1-3h。
步骤(2)中，所述热软化的压力为10-15MPa。
步骤(2)中，所述冷却后开模指：冷却到40℃以下后再开模。
再次，本发明公开了一种假肢部件弯曲外型的调整方法，包括：成品假肢部件置于外型调整模具中，在125-245℃、5-20MPa的条件下热软化2-5h，冷却到40℃以下后开模，即得。
再其次，本发明公开了采用混杂有机纤维纱线热熔碳纤维制备的假肢部件。
最后，本发明还公开了混杂有机纤维纱线热熔碳纤维假肢复合材料、利用混杂有机纤维纱线热熔碳纤维制备假肢部件的方法、混杂有机纤维纱线热熔碳纤维制备的假肢部件、假肢部件弯曲外型的调整方法在医学康复领域中的应用。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：
(1)本发明采用热熔有机纤维与碳纤维三维混合编织的技术进行假肢预制体织物加工，加工之后通过高温热熔成型热塑性复合材料，整个加工过程操作灵活，可根据具体产品外形设计半成品的基本形状，成型方式简单，生产效率高。
(2)本发明采用热塑性复合材料制备的假肢部件可根据人体舒适度要求进行微外型和弯曲度的调整，调整过程操作简单，可在原有假肢外型的基础上通过热软化的方式完成，不仅可根据人体肢体器官的舒适程度进行调整，而且还可以根据儿童年龄增加导致残疾部位器官发生的变化适时对假肢部件的弯曲度进行调整，有效避免了假肢部件长期使用出现的匹配度差、不舒适的问题，也间接延长了假肢的使用寿命。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明实施例制备的有机纤维纱线热熔碳纤维假肢复合材料中有机纤维纱线和碳纤维纱线的结构示意图。
附图中标记分别代表：1-有机纤维纱线、2-碳纤维纱线、3-假肢部件。
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。
正如背景技术所介绍的，传统的复合材料结构的假肢产品在使用性能、使用寿命、使用调节等方面都存在诸多问题，因此，本发明提出了一种利用混杂有机纤维纱线热熔碳纤维制备假肢部件的方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
实施例1
1、如图1所示，一种利用混杂有机纤维纱线热熔碳纤维制备假肢部件的方法，包括如下步骤：
(1)将T300碳纤维12K丝束与800D聚乙烯纤维进行混合，采用三维四向的编织结构进行预制体编织，织物制备成管状样品，厚度为5mm，将制备好之后的管状织物预制体置于压力机模具中，采用5MPa压强，温度控制在150℃，进行热熔成型，最终热熔时间控制在2小时，热熔时间达到后，冷却至40℃以下开模取样，热熔后复合材料的聚乙烯基体含量为40％，得到机纤维纱线热熔碳纤维假肢复合材料；
(2)将步骤(1)中的复合材料置于小腿成型模具中，采用15MPa压强，热软化温度控制在130℃，软化时间为3小时，热软化时间达到后，冷却至40℃以下开模取样，即得聚乙烯树脂基碳纤维三维织物复合材料小腿部件。
2、一种假肢部件弯曲外型的调整方法：将本实施例制备的小腿部件置于外型调整模具中，在125℃、20MPa的条件下进行软化处理，软化时间为2小时，热软化时间达到后，冷却至40℃以下开模取样，即得。
实施例2
1、如图1所示，一种利用混杂有机纤维纱线热熔碳纤维制备假肢部件的方法，包括如下步骤：
(1)将采用T700碳纤维6K丝束与1200D聚丙烯纤维进行混合，采用三维五向的编织结构进行预制体编织，织物制备成管状样品，厚度为6mm，将制备好之后的管状织物预制体置于压力机模具中，采用8MPa压强，温度控制在170℃，进行热熔成型，最终热熔时间控制在2小时，热熔时间达到后，冷却至40℃以下开模取样，热熔后复合材料的聚丙烯基体含量为45％。得到有机纤维纱线热熔碳纤维假肢复合材料；
(2)将步骤(1)中的复合材料置于小腿成型模具中，采用13MPa压强，热软化温度控制在155℃，软化时间为2小时，热软化时间达到后，冷却至40℃以下开模取样，即得聚乙烯树脂基碳纤维三维织物复合材料小腿部件。
2、一种假肢部件弯曲外型的调整方法：将本实施例制备的小腿部件置于外型调整模具中，在145℃、10MPa的条件下进行软化处理，软化时间为5小时，热软化时间达到后，冷却至40℃以下开模取样，即得。
实施例3
如图1所示，一种利用混杂有机纤维纱线热熔碳纤维制备假肢部件的方法，包括如下步骤：
(1)将采用T800碳纤维3K丝束与1500D聚苯硫醚纤维进行混合，采用三维七向的编织结构进行预制体编织，织物制备成管状样品，厚度为4mm，将制备好之后的管状织物预制体置于压力机模具中，采用11MPa压强，温度控制在280℃，进行热熔成型，最终热熔时间控制在3小时，热熔时间达到后，冷却至40℃以下开模取样，热熔后复合材料的聚苯硫醚基体含量为45％，得到有机纤维纱线热熔碳纤维假肢复合材料；
(2)将步骤(1)中的复合材料置于小腿成型模具中，采用15MPa压强，热软化温度控制在255℃，软化时间为2小时，热软化时间达到后，冷却至40℃以下开模取样，即得聚乙烯树脂基碳纤维三维织物复合材料小腿部件。
2、一种假肢部件弯曲外型的调整方法：将本实施例制备的小腿部件置于外型调整模具中，在245℃、5MPa条件下进行软化处理，软化时间为5小时，热软化时间达到后，冷却至40℃以下开模取样，即得。
实施例4
如图1所示，一种利用混杂有机纤维纱线热熔碳纤维制备假肢部件的方法，包括如下步骤：
(1)将采用T800碳纤维3K丝束与1500D聚苯硫醚纤维进行混合，采用三维七向的编织结构进行预制体编织，织物制备成管状样品，厚度为6mm，将制备好之后的管状织物预制体置于压力机模具中，采用10MPa压强，温度控制在120℃，进行热熔成型，最终热熔时间控制在4小时，热熔时间达到后，冷却至40℃以下开模取样，热熔后复合材料的聚氨酯基体含量为47％，得到有机纤维纱线热熔碳纤维假肢复合材料；
(2)将步骤(1)中的复合材料置于小腿成型模具中，采用15MPa压强，热软化温度控制在105℃，软化时间为1小时，热软化时间达到后，冷却至40℃以下开模取样，即得聚乙烯树脂基碳纤维三维织物复合材料小腿部件。
2、一种假肢部件弯曲外型的调整方法：将本实施例制备的小腿部件置于外型调整模具中，在155℃、15MPa的条件下进行软化处理，软化时间为3小时，热软化时间达到后，冷却至40℃以下开模取样，即得。
实施例5
如图1所示，一种利用混杂有机纤维纱线热熔碳纤维制备假肢部件的方法，包括如下步骤：
(1)将采用T300碳纤维3K丝束与600D聚酰胺纤维进行混合，采用三维六向的编织结构进行预制体编织，织物制备成管状样品，厚度为6mm，将制备好之后的管状织物预制体置于压力机模具中，采用20MPa压强，温度控制在250℃，进行热熔成型，最终热熔时间控制在1小时，热熔时间达到后，冷却至40℃以下开模取样，热熔后复合材料的聚氨酯基体含量为30％，得到有机纤维纱线热熔碳纤维假肢复合材料；
(2)将步骤(1)中的复合材料置于小腿成型模具中，采用10MPa压强，热软化温度控制在105℃，软化时间为1小时，热软化时间达到后，冷却至40℃以下开模取样，即得聚乙烯树脂基碳纤维三维织物复合材料小腿部件。
2、一种假肢部件弯曲外型的调整方法：将本实施例制备的小腿部件置于外型调整模具中，在155℃、12MPa的条件下进行软化处理，软化时间为3小时，热软化时间达到后，冷却至40℃以下开模取样，即得。
实施例6
如图1所示，一种利用混杂有机纤维纱线热熔碳纤维制备假肢部件的方法，包括如下步骤：
(1)将采用T300碳纤维3K丝束、T700碳纤维6K丝束与600D聚氨酯纤维进行混合，采用三维六向的编织结构进行预制体编织，织物制备成管状样品，厚度为5mm，将制备好之后的管状织物预制体置于压力机模具中，采用18MPa压强，温度控制在220℃，进行热熔成型，最终热熔时间控制在2小时，热熔时间达到后，冷却至40℃以下开模取样，热熔后复合材料的聚氨酯基体含量为60％，得到有机纤维纱线热熔碳纤维假肢复合材料；
(2)将步骤(1)中的复合材料置于小腿成型模具中，采用10MPa压强，热软化温度控制在220℃，软化时间为1小时，热软化时间达到后，冷却至40℃以下开模取样，即得聚乙烯树脂基碳纤维三维织物复合材料小腿部件。
2、一种假肢部件弯曲外型的调整方法：将本实施例制备的小腿部件置于外型调整模具中，在155℃、15MPa的条件下进行软化处理，软化时间为3小时，热软化时间达到后，冷却至40℃以下开模取样，即得。
以上所述仅为本申请的优选实施例，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)

1.一种混杂有机纤维纱线热熔碳纤维假肢复合材料，其特征在于：所述复合材料采用两种或两种以上碳纤维长丝束与有机纤维纱线进行混合编织后热熔而成，所述碳纤维选用T300、T700或T800中的任意一种或多种；所述有机纤维纱线选自热塑性树脂纱线，所述有机纤维纱线具有中低温热熔性，其热熔温度在120-280℃之间；所述复合材料中树脂基体的质量分数为30-60％。
2.如权利要求1所述的假肢复合材料，其特征在于：所述有机纤维纱线的热熔温度为120-200℃；优选的，所述有机纤维纱线选自聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚酰胺、聚苯硫醚等中的一种；优选的，所述碳纤维的丝束规格选自3K、6K、12K中的任意一种。
3.如权利要求1所述的假肢复合材料，其特征在于：，所述有机纤维纱线的纤度在600-1500D之间，所述混合编织的结构类型包括三维四向、三维五向、三维六向、三维七向。
4.一种利用混杂有机纤维纱线热熔碳纤维制备假肢部件的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)将两种或两种以上碳纤维长丝束与有机纤维纱线进行混合编织成预成品，然后将预成品置于压力机模具中进行热熔成型；冷却后开模，得到机纤维纱线热熔碳纤维假肢复合材料；
(2)将步骤(1)中的复合材料置于假肢成型压力机模具中进行热软化成型，冷却后开模，即得假肢部件。
5.如权利要求4所述的制备假肢部件的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述成型的压力为5-20MPa；所述热熔的温度在120-280℃之间，优选为120-200℃；所述热熔的时间为1-4h。
6.如权利要求4所述的制备假肢部件的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述热软化的温度为105-255℃，时间为1-3h；所述热软化的压力为10-15MPa。
7.如权利要求4所述的制备假肢部件的方法，其特征在于：步骤(1)和步骤(2)中，所述冷却后开模均指：冷却到40℃以下后再开模。
8.如权利要求4-7任一项所述的利用混杂有机纤维纱线热熔碳纤维制备假肢部件的方法制备的假肢部件。
9.一种假肢部件弯曲外型的调整方法，包括：将权利要求5-7任一项所述的方法制备的假肢部件和/或如权利要求8所述的假肢部件置于外型调整模具中，在125-245℃、5-20MPa的条件下热软化2-5h，冷却到40℃以下后开模，即得。
10.如权利要求1-3任一项所述的混杂有机纤维纱线热熔碳纤维假肢复合材料和/或如权利要求4-7任一项所述的利用混杂有机纤维纱线热熔碳纤维制备假肢部件的方法和/或如权利要求8所述的混杂有机纤维纱线热熔碳纤维制备的假肢部件和/或如权利要求9所述的假肢部件弯曲外型的调整方法在医学康复领域中的应用。
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